Actualización técnica para el óptimo empleo de las ET y los GPS en el estudio geométrico vial

Resumen

La tesis surge como una necesidad de resolver un
problema existente en la experiencia cubana del estudio
geométrico de los viales aplicando la Topografía,
donde no existe una fundamentación teórica y
práctica del empleo eficiente en cuanto a precisión
técnica, de las Estaciones Totales y los Sistemas de
Posicionamiento Global por Satélite (GPS); técnicas
éstas, relativamente novedosas que propician un mejor
desarrollo de los trabajos de replanteo o levantamiento de
certificación ejecutiva, e incluso, el estudio de las
deformaciones en el tiempo, de los diferentes elementos asociados
a la vía. En la investigación de diploma hacemos
uso de las técnicas modernas de medición, donde
todo se simplifica, y es aquí donde radica el
interés de introducirlas en la práctica, por lo que
fue necesario estudiar y definir cómo adecuar estos nuevos
medios de medición a las exigencias de la geometría
vial. Valoramos los permisibles y tolerancias de la
geometría vial según normas y regulaciones de la
construcción, así como comprobamos las
posibilidades -en cuanto a precisión- que nos brindan la
Estación Total y el GPS, haciendo uso de dos Estaciones
Totales disponibles en GEOCUBA VC- SS, la TC 1800 y la TPS 805, y
el receptor GPS SR-20, todos de la firma Leica. Se
fundamentó su uso mediante la definición de una
actualización técnica de medición, y su
aplicación práctica en el levantamiento de dos
curvas en la ciudad de Sancti Spíritus, lo cual
sirvió de validación de la propuesta. Se arriban a
conclusiones y se brindan recomendaciones útiles para la
introducción de esta experiencia en la
producción.

Palabras claves: Estación Total, GPS,
precisión, Topografía Aplicada, curva circular
simple, estudio geométrico, tolerancias,
viales….

Introducción

¨El Gobierno de la República de Cuba ha
aprobado un programa gubernamental de Recuperación Vial
Nacional, consistente en la conservación,
rehabilitación y construcción de vías
terrestres, apoyados en una importante inversión realizada
en dicha rama constructiva, con el objetivo de lograr una
mejoría en la rehabilitación y conservación
de los viales actuales, así como la construcción de
nuevas vías de comunicación terrestre con los
parámetros de calidad mundial, elevando los niveles de
construcción vial en los próximos años¨,
periódico Granma enero, 2008 [9].

Hemos constatado que en la experiencia cubana del
estudio geométrico de las carreteras, aplicando la
Topografía, no existe una fundamentación
teórica y práctica del empleo eficiente de las
Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por
Satélite (GPS); técnicas éstas,
relativamente novedosas que propician un mejor desarrollo de los
trabajos de replanteo o levantamiento de certificación
ejecutiva, e incluso, el estudio de las deformaciones en el
tiempo, de los diferentes elementos asociados a la
vía.

Hasta hoy las aplicaciones de la Topografía en
las vías de comunicación terrestre -como regla- se
han realizado básicamente con métodos
tradicionales, basados en el empleo de teodolitos,
taquímetros análogos, cintas métricas,
niveles ópticos, miras estadimétricas, y otros
medios, que si bien han garantizado las precisiones y exigencias
normativas, presentan el inconveniente de consumir mayor tiempo
en comparación con estos modernos que requerimos
investigar e introducir.

Como se ha de apreciar del párrafo anterior,
ejecutar un trabajo dado en el tema de la geometría vial
por los métodos tradicionales, conlleva a medir
aisladamente -con instrumentos o medios de medición
específicos- ángulos verticales y horizontales (o
cenitales), distancias inclinadas u horizontales y desniveles.
Luego, estas mediciones necesitan ser procesadas mediante
cálculo en gabinete. Todo lo anterior, por su aparente
proceso artesanal, consume un preciado tiempo, eleva los costos,
y conlleva a incurrir en posibles errores, al tener el hombre que
incidir directamente en más procesos de
trabajo.

Con las técnicas modernas todo se simplifica, y
es aquí donde radica nuestro interés de
introducirlas en la práctica. Pero para ello es necesario
estudiar y definir cómo adecuar estos nuevos medios de
medición a las exigencias de la geometría vial
terrestre.

A manera de introducción, y acercándonos
al tema, podemos plantear que el origen y finalidad del sistema
GPS fue la navegación. Su predecesor fue el sistema
militar TRANSIT, en servicio desde 1967. Dio origen al NAVSTAR
GPS (por sus siglas en inglés: NAVigation System with
Time and Ranging Global Positioning System), que es un
sistema de radio navegación por satélite que provee
a los usuarios de coordenadas precisas de posicionamiento
tridimensional e información sobre navegación y
tiempo. Se empezó a desarrollar en 1973 como mejora de
TRANSIT y aunque, con un empleo militar en principio, pasó
a ser un sistema de uso civil con ciertas restricciones, siendo
utilizado para fines geodésicos prácticamente desde
1983. La configuración final del sistema fue alcanzada en
1994 con 24 satélites utilizables. Desde entonces se ha
convertido en el principal sistema (o al menos el más
versátil) para posicionamiento de
precisión.

El NAVSTAR GPS es un sistema propiedad de los Estados
Unidos de Norteamérica. Hoy, en paralelo existe un sistema
similar ruso, el GLONASS (por sus siglas en ruso: Globalnaia
Navigaziómnaia Sputnikobaia Systema), que
también opera con 24 satélites. Otros países
emprenden el camino de disponer de sistemas de navegación
propios. Así, la Unión Europea paulatinamente pone
en práctica el sistema Galileo, con el objeto de evitar la
dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al contrario de estos
dos, será de uso civil. El sistema se espera poner en
marcha totalmente en 2014 después de sufrir una serie de
reveses técnicos y políticos para su puesta en
marcha. Así mismo la República Popular China se ha
propuesto uno propio: el sistema de posicionamiento chino
Beidou/Compass, Brújula, que entró recientemente en
operaciones tras más de 10 años de
preparación, en los que China ha lanzado 14
satélites para su funcionamiento. La red china, que
pretende competir con el GPS diseñado por el
ejército estadounidense, empezó a brindar
información de posicionamiento y de pronóstico del
tiempo. El sistema Brújula, sin embargo, sigue en
desarrollo y en el 2012 se lanzaron seis satélites,
planificándose alcanzar 30 en 2015 para aumentar los
servicios.

La India ha lanzado un sistema de navegación
basado en satélites para ayudar al tráfico
aéreo en la región. El Ministerio de
Aviación Civil puso en marcha el sistema de
posicionamiento global asistido GAGAN (Sistema de
Aumentación Basado en una constelación de 24
satélites). GAGAN ofrecerá una cobertura sin
fisuras del tráfico aéreo del sur de Asia a
África y se conectará a los sistemas de Europa y
Japón. También se espera que mejore la
búsqueda y la navegación marina de transporte y las
operaciones de rescate, reconocimiento y cartografía.
GAGAN es una iniciativa conjunta de la Autoridad de Aeropuertos
de la India (AAI) y la Organización de
Investigación Espacial India (ISRO). El sistema
proporciona características mejoradas de seguridad para
las compañías aéreas, ya que tendrían
una adecuada y precisa orientación de aproximación
hacia las pistas en cualquier condición
meteorológica.

Igualmente Japón dispone del sistema Michibiki
(que se traduce como Guía). El satélite de
última generación que la Agencia Espacial Japonesa
(JAXA) colocó en órbita en Septiembre del 2010, les
ha permitido alcanzar una precisión extraordinaria en el
posicionamiento terrestre. Se trata del primero con que
contará el proyecto QZS, un sistema de tres
satélites que llevará a los habitantes de
Japón a unas coordenadas de exactitud en su
geolocalización como nunca se había conocido antes.
Por lo pronto, esta primera unidad ya ha demostrado hasta
dónde pueden llegar sus procesadores de señal. Con
este hito los japoneses han adelantado a los europeos y a los
chinos, que aún se hallan en problemas económicos
unos y de logística los otros.

Las pruebas japonesas han sido realizadas por la
compañía que ha diseñado el satélite
(Mitsubishi), en un automóvil de la misma marca, que ha
recorrido las carreteras a una velocidad de 20 Kms/h y ha
verificado una precisión de 3 cm. Los técnicos
aseguran que hasta 80 Kms/h se mantiene esta fantástica
resolución y que cuando haya más satélites
en órbita incluso mejorará la cifra.

El QZS (Quasi-Zenith Satellite) es el que ha
permitido este milagro. Este satélite de posicionamiento
local se  encuentra en una órbita geosíncrona
inclinada (IGSO, Inclined Geosynchronous Satellite Orbit)
de 32.000 x 40.000 km y 45º de inclinación. Posee una
masa de 4.100 kg y ha sido construido por Mitsubishi Electric
para la JAXA utilizando el bus ETS-8. Complementa al sistema GPS
estadounidense y sólo funciona en el territorio
japonés, aumentando la resolución y permitiendo
mejorar la visibilidad de la señal en ciudades con
edificios altos. Con esta primera unidad, se cubren apenas 8
horas pero cuando se lancen los otros 2 satélites que
faltan, completarán las 24 horas del
día.

No obstante a lo reseñado, a los efectos de esta
investigación de tesis, solo analizaremos a los GPS de
factura norteamericana, por disponerse en el país de
receptores que únicamente captan este sistema. Pero los
principios de uso y operación básicamente son
factibles de emplear y extrapolar en los otros similares. Los
receptores GPS que existen en el mercado, y en particular los que
disponemos, tienen diferentes precisiones en la
determinación de la posición
plano-altimétrica, por lo que es un imperativo analizar y
fundamentar cuál receptor GPS es pertinente
emplear.

Por su parte la Estación Total es un resultado
del desarrollo y perfeccionamiento de los taquímetros
electrónicos, a los cuales se les fueron adicionando
funciones a medida que los conocimientos de la electrónica
y la computación avanzaron. Hoy en día la
Estación Total es un medio de medición capaz que de
por sí sola -de manera automática- resuelve todas
las tareas que anteriormente se realizaban por partes, es decir,
obtener coordenadas precisas espaciales (XYZ) al unísono,
lo que conlleva implícito a medir ángulos
horizontales, verticales (cenitales) y desniveles. Además
ya tiene implementado toda una serie de funciones que facilitan
enormemente el trabajo en campo, con registro de datos de
archivo, resolviendo tareas básicas de Topografía:
replanteo, levantamiento, orientación, e incluso tareas
específicas de aplicaciones a los viales. En el mercado
existen ya nuevas Estaciones Totales, como las de la firma Leica
Viva TS11, TS12 y TS15 robotizadas, de manera tal que con un solo
operario basta para ejecutar las disímiles tareas de la
Topografía. Sus hard-software están
diseñados para seguir -de manera automática- el
bastón o prisma que a conveniencia el topógrafo
hace colocar en los puntos o piquetes del terreno u obra que
desee.

La versatilidad en el empleo de la Estación Total
y la amplia gama de tareas que puede resolver con elevada
precisión, así como la agilidad en su uso hacen que
se convierta en un medio de medición imprescindible en los
días de hoy.

En el mercado existe una variada gama de Estaciones
Totales con diferentes precisiones en la medición de las
distancias, y los ángulos horizontales y verticales, por
lo que resulta necesario fundamentar a priori el uso de
las mismas en determinadas aplicaciones de la Topografía.
Tal es el caso de evaluar la pertinencia de su empleo en la
geometría vial, asunto que trataremos en la presente
investigación de tesis.

Situación
problémica

Por lo que en la practica cubana, si se requiere un
proyecto con metodologías fundamentadas en ciertas
consideraciones técnicas, al adolecer las empresas cubanas
de este tipo de estudios, que permitan el uso correcto y
óptimo de las técnicas más avanzadas y se
respeten las condiciones impuestas en el proyecto; para emplear
las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global
por Satélite (GPS) correctamente, que ayude al
aseguramiento ingeniero-geodésico de los viales; y
pudieran verse beneficiadas con la actualización
técnica de estos equipos.

Partiendo de lo expuesto con anterioridad, se
definirá el Problema científico del
siguiente trabajo investigativo.

¿Cómo contribuir al empleo eficiente de
las estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global
por satélite (GPS), en su aplicación de la
topografía en el estudio geométrico de los
viales?

El Objeto de investigación lo constituye
el Estudio geométrico de las carreteras y todo esto se
desarrolla dentro de un Campo de acción como es el
Empleo de novedosas técnicas de medición
topogeodésicas (Estaciones totales y GPS).

Objetivo general

Elaborar una actualización de las consideraciones
técnicas para el óptimo empleo de las estaciones
totales y los sistemas de posicionamiento global por
satélite (GPS), en su aplicación de la
topografía en el estudio geométrico de los viales;
a partir de la actualización, organización y
presentación de la documentación en que se basa,
que faciliten su correcta utilización en la
solución a distintos problemas ingenieriles.

Objetivos específicos

• 1. Recopilar la información disponible
  sobre el tema, analizarla y valorar su valía
  práctica.

• 2. Profundizar y asimilar las especificaciones
  técnicas de las estaciones totales y los sistemas de
  posicionamiento global por satélites (GPS) aplicados
  al estudio geométrico de las carreteras.

• 3. Confeccionar una actualización de las
  consideraciones técnicas en el empleo de las
  estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global
  por satélite (GPS), que sea práctica y
  eficiente, además que contenga la suficiente
  información para que los especialistas, aunque no sean
  grandes conocedores del tema, puedan dar una respuesta
  exitosa a sus proyectos de la topografía en el estudio
  geométrico de los viales.

• 4. Introducir en la práctica productiva
  la actualización técnica elaborada.

• 5. Validar la actualización
  técnica propuesta.

Para darle cumplimiento a los objetivos anteriormente
planteados se desarrollaron las siguientes Tareas
científicas:

• 1. Recopilación y estudio
  bibliográfico, a través de la búsqueda
  en Internet; y análisis de investigaciones
  precedentes.

• 2. Realizar el estudio de las particularidades
  del aseguramiento ingeniero-geodésico a los viales.
  Además de la evaluación de las exigencias de
  precisión en la geometría de
  vías.

• 3. Redacción de la primera
  versión del Capítulo I: ''Estado del
  conocimiento sobre el empleo de Estaciones Totales y los GPS,
  en el estudio geométrico de los viales''.

• 4. Valoración del alcance de
  precisión de las Estaciones Totales y los GPS en
  general; y en particular, de los disponibles en GEOCUBA
  VC-SS: las Leica TC 1800 y TPS 805 y del receptor
  GPS Leica SR-20.

• 5. Redacción de la primera
  versión del Capítulo II: ''Elaboración
  de una actualización de consideraciones
  técnicas para el óptimo empleo de las
  Estaciones Totales y los GPS, en su aplicación
  topográfica a la geometría vial''.

• 6. Validación por especialistas de los
  resultados, a partir de la medición de dos curvas
  correspondientes a una intersección en forma
  ''T''.

• 7. Redacción de la primera
  versión del Capítulo III: ''Validación
  de los resultados''.

• 8. Redacción de la primera
  versión de las "Conclusiones y Recomendaciones" del
  trabajo.

Hipótesis

Investigando la pertinencia en cuanto a precisión
y operatividad de las Estaciones Totales y los GPS se puede
elaborar una actualización de la técnica que
garantice el empleo correcto de estos medios en el estudio
geométrico de las carreteras, para que resulte eficiente y
óptimo, garantizando la calidad exigida en las normas y
con racionalidad de tiempo y costo de
ejecución.

Operacionalización de variables

Se identifica como variable independiente: la
elaboración de una actualización de las
consideraciones técnicas para el óptimo empleo de
las Estaciones Totales y los GPS, en su aplicación de la
Topografía en el estudio geométrico de los
viales.

Como variable dependiente está la
información rápida, precisa, detallada,
cuantitativa y cualitativamente superior, que se obtiene con el
empleo de novedosas técnicas de medición
topogeodésicas en comparación con las
tradicionales. En interés de concretar la labor de la
investigación se traza como límite, la
elaboración de una actualización de las
consideraciones técnicas para el óptimo empleo de
las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global
por Satélite (GPS), en su aplicación de la
Topografía en el estudio geométrico de los
viales.

Novedad Científica

Contribuye a la difusión de los parámetros
técnicos en cuanto a errores permisibles y tolerancias en
el estudio geométrico de los viales, utilizando al
máximo las posibilidades las estaciones totales y los GPS
disponibles, que posibilitan lograr trabajos topográficos
más racionales y seguros, donde se aproveche al
máximo el aporte de estos novedosos medios.

Aportes

El aporte teórico consiste en la
actualización de los parámetros técnicos
para el estudio geométrico de los viales, empleando nuevas
técnicas de medición
topogeodésicas.

El aporte práctico está en que
contribuye al estudio y enriquecimiento de los conocimientos,
acerca del empleo de las estaciones totales y los GPS en el
estudio geométrico vial, a partir de la revisión y
actualización de los nuevos trabajos existentes a nivel
mundial.

El aporte metodológico consiste en
utilizar las estaciones totales y los GPS durante la
solución de los casos de estudio, presentando un enfoque
avanzado.

Métodos de
investigación

El diseño metodológico empleado es el
explicativo, que se basa en la identificación y
análisis de documentos histórico-lógicos, la
observación del comportamiento del problema de
investigación, los análisis para establecer el
conocimiento existente en la temática y determinar
procesos comunes, el modelado para pasar de lo abstracto a lo
concreto, y la experimentación para comprobar la
propuesta.

Entre los métodos de investigación que
apoyan este trabajo se encuentran:

El método hipotético-deductivo. A
partir de un planteamiento hipotético se empiezan a
deducir los resultados.

El método histórico-lógico y el
dialéctico. Para el análisis crítico de
la literatura que refiere trabajos relacionados con el objeto de
investigación, con vistas a asimilar los aspectos
positivos, negar lo negativo y construir el nuevo método
sobre estas bases dialécticas.

El método de análisis y
síntesis. Para desagregar el problema de
investigación en subconjuntos para descubrir los rasgos
del comportamiento de cada parte, para finalmente sintetizarlos
en la solución obtenida.

El método experimental. Para comprobar la
viabilidad y validez de la propuesta, así como el
comportamiento de las variables del diseño teórico,
que permiten comprobar el planteamiento
hipotético.

Los métodos algebraicos y
aritméticos. Para formalizar los componentes del
método propuesto y comprobar la factibilidad
económica de este.

Para el análisis de los resultados se
utilizó el método de
interpretación a partir de la
definición de la propuesta sobre la base de la continuidad
de estudios y propuestas anteriores que son identificados en la
literatura, y del establecimiento de nuevos enfoques en la
temática.

Actualidad

La actualidad de la investigación de la tesis se
hace fehaciente en la literatura referenciada, con 82
títulos, así como la consultada, superando el
centenar; de ellos, 27 son recientemente editados (no más
de cinco años), lo que representa el 33,33 % del total.
Además se consultaron 34 sitios de Internet relacionados
con la temática, que aunque en la fuente no se precisa la
fecha de su publicación, se deduce que son sitios
actuales, ya que están disponibles y su acceso es amplio
por la comunidad científica. El resto de la literatura a
pesar de ser de 20 o 30 años atrás contiene los
fundamentos y bases teórico-prácticas de lo
investigado.

Breve
descripción del contenido de la tesis

La tesis se estructura en: Introducción, tres
Capítulos, Conclusiones, Recomendaciones y
Bibliografía General.

Los capítulos son:

Capítulo I: Estado del conocimiento sobre el
empleo de Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento
Global por Satélite (GPS), en el estudio geométrico
de los viales.

Se da una panorámica del estado del arte de la
temática y el diseño de la investigación
asumida, lo cual posibilita evaluar la temática en el
ámbito internacional, particularizar en nuestro
país, y en base a ello, proponer el campo de acción
de nuestra investigación de tesis.

Capitulo II: Actualización de las
consideraciones técnicas para el óptimo empleo de
las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global
por Satélite (GPS), en su aplicación
topográfica a la geometría vial.

Se enfoca científicamente en la pertinencia del
empleo de las Estaciones Totales y los Sistemas de
Posicionamiento Global por Satélite (GPS) en el estudio
geométrico de las carreteras, a partir de las tolerancias
y errores permisibles de estas. Se comparan con los
métodos tradicionales.

Capítulo III: Validación de los
resultados

Se desarrollan los experimentos para la
validación de la actualización técnica y se
valora la importancia de la información aportada a partir
del análisis. Se explica la evaluación de la misma
a través de los criterios dados por los especialistas,
constituyendo el fundamento práctico de la
investigación.

Publicaciones y presentaciones en Eventos
Científicos

Participé como ponente en el 9no Simposio
Internacional de Estructuras, Geotecnia y Materiales de
Construcción, celebrado en la Universidad Central "Marta
Abreu" de Las Villas (UCLV), Villa Clara en noviembre del 2010.
Además en el Evento Provincial de la UNAICC Sancti
Spíritus el 11 de enero de 2012, día del
Ingeniero.

Capítulo I:

Estado del
conocimiento sobre el empleo de Estaciones Totales y los Sistemas
de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en el
estudio geométrico de los viales

1.1 Introducción del
Capítulo

El objetivo de este capítulo es conocer el estado
del arte del empleo de Estaciones Totales y los Sistemas de
Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en el estudio
geométrico de los viales, que permitan un posterior
análisis sobre el tema. Para ello se hizo una
revisión minuciosa de toda la bibliografía
existente hasta el momento a nivel mundial referente a las
Estaciones Totales y GPS. Se toma el trabajo presentado por
colectivo de autores 2003 [16] como punto de partida, ya que
éste realizó un estudio detallado de toda la
información existente en Cuba y a nivel internacional
sobre el tema en cuestión, especificando sobre los GPS. En
lo concerniente a las Estaciones Totales, se tomó como
base lo propuesto por colectivo de autores 2008 [20].

A partir de aquí se comenzó la
búsqueda utilizando como la principal fuente de
información a Internet. Se logró recopilar una gran
cantidad de trabajos relacionados con el tema de las Estaciones
Totales y los GPS vinculados con trabajos en las carreteras, los
que fueron procesados para tratar de actualizar el estado del
arte de la temática. Muchos de estos artículos,
ponencia, normas o regulaciones de la construcción tratan
aspectos importantes a tener en cuenta. Algunos de estos
materiales a pesar de no ser objetivos específicos de
nuestro tema, sí tratan aspectos a valorar en futuros
trabajos, y sirven -a la postre- como fuente de
información para aquellos especialistas que usen este tipo
de equipamiento, constituye, además, una
documentación que aporta información sobre las
nuevas tendencias en la temática a nivel
mundial.

Por lo general los estudios geométricos de las
vías en Cuba se realizan con equipos topográficos
con gran cantidad de años de explotación, los que
conlleva a un elevado tiempo en el procesamiento de los datos, y
una evidente menor precisión en los resultados. Dado lo
anterior, existe la imperiosa necesidad de introducir nuevas
tecnologías, por lo que el surgimiento y evolución
de los sistemas globales de posicionamiento, y en
específico el GPS, ha constituido una incuestionable
revolución tecnológica dentro de la rama de las
Geociencias. La alta productividad y precisión de los
resultados del posicionamiento GPS posibilita su
explotación en disímiles escenarios, dentro de los
cuales la Geodesia y la Topografía se hallan entre las
más beneficiadas. Pero afirmar lo anterior conlleva a un
obligatorio análisis y cuestionamiento de la pertinencia
de este medio en el trabajo que deseamos acometer. Otro tanto
sucede con las Estaciones Totales, que constituye un paso de
avance decisivo y muy importante en las mediciones, ya que en un
solo medio de medición se integra la posibilidad de medir
distancias y ángulos horizontales y verticales precisos,
determinar al unísono las coordenadas espaciales X, Y y Z
con elevada precisión, incorporando además
programas que facilitan la toma de datos, su trasmisión y
posterior procesamiento. Pero el uso de las Estaciones Totales
debe ser evaluado y se debe contrastar su pertinencia, tarea que
es de interés en la presente tesis.

En este Capítulo I se realiza la
exposición del análisis de las fuentes
bibliográficas, fruto de una búsqueda extensa sobre
los posibles trabajos que pudieran ser útiles en esta
temática. Se pudo apreciar que realmente en nuestro
país son muy escasos los que abordan de forma precisa una
metodología o actualizan las consideraciones
técnicas para el empleo de estas nuevas
tecnologías, y hay prácticamente una ausencia de
aplicación a los viales. Hemos comprobado que en el
quehacer de nuestras empresas de vialidad, o aquellas afines a la
construcción de viales en general, existe cierta
reticencia por el empleo de estas dos técnicas, el GPS y
la Estación Total, en aplicaciones de la geometría
vial, y recurren aun a los métodos tradicionales, que les
son confiables y conocidos. Internacionalmente existe mayor
información, quizás les sea un urgencia y un
imperativo de mercado agilizar los trabajos de campo y
postprocesamiento de gabinete, por lo que estas dos
técnicas son de uso generalizado.

1.2 Principio básico de
funcionamiento de la Estación Total

En Wikipedia 2013 [82], se denomina Estación
Total al instrumento electro-óptico utilizado en
Topografía, cuyo funcionamiento se apoya en la
tecnología electrónica. Consiste en la
incorporación de un distanciómetro y un
microprocesador a un teodolito electrónico.

Algunas de las características que incorpora, y
con las cuales no cuentan los teodolitos, son una pantalla
alfanumérica de cristal líquido (LCD), leds de
avisos, iluminación independiente de la luz solar,
calculadora, distanciómetro, trackeador (seguidor de
trayectoria) y la posibilidad de guardar información en
formato electrónico, lo cual permite utilizarla
posteriormente en ordenadores personales. Vienen provistas de
diversos programas sencillos que permiten, entre otras
capacidades, el cálculo de coordenadas en campo, replanteo
de puntos de manera sencilla y eficaz, cálculo de acimutes
y distancias, programas para el levantamiento y replanteo de
elementos de la geometría vial, etc.

1.2.1 Funcionamiento

Vista como un teodolito, una Estación Total se
compone de las mismas partes y funciones. El estacionamiento y
verticalización son idénticos, aunque para la
Estación Total se cuenta con niveles electrónicos
que facilitan la tarea.

Los tres ejes y sus errores asociados también
están presentes: el de verticalidad, que con la doble
compensación ve reducida su influencia sobre las lecturas
horizontales, y los de colimación e inclinación del
eje secundario, con el mismo comportamiento que en un teodolito
clásico, salvo que el primero puede ser corregido por
software, mientras que en el segundo la corrección debe
realizarse por métodos mecánicos.

Figura 1.1 Descripción de las
partes de la Estación Total. (2013¨Partes de una E
T¨ [10]).

El instrumento realiza la medición de
ángulos a partir de marcas realizadas en discos
transparentes. Las lecturas de distancia se realizan mediante una
onda electromagnética portadora con distintas frecuencias
que rebota en un prisma ubicado en el punto a medir y regresa,
tomando el instrumento el desfase entre las ondas. Algunas
Estaciones Totales presentan la capacidad de medir "a
sólido", lo que significa que no es necesario un prisma
reflectante.

Este instrumento permite la obtención de
coordenadas de puntos respecto a un sistema local o arbitrario,
como también a sistemas definidos y materializados. Para
la obtención de estas coordenadas el instrumento realiza
una serie de lecturas y cálculos sobre ellas y
demás datos suministrados por el operador.

Las lecturas que se obtienen con este instrumento son
las de ángulos verticales, horizontales y distancias. Otra
particularidad de este instrumento es la posibilidad de
incorporarle datos como coordenadas de puntos, códigos,
correcciones de presión y temperatura, etc. La
precisión de las medidas es del orden de segundos en
ángulos y de milímetros en distancias, pudiendo
realizar medidas en puntos situados entre 2 y 5 Kms según
el aparato y la cantidad de prismas usada.

Genéricamente se los denomina Estaciones Totales
porque tienen la capacidad de medir ángulos, distancias y
niveles, lo cual requería previamente de diversos
instrumentos. Estos teodolitos electro-ópticos hace un
tiempo que son una realidad técnica accesible desde el
punto de vista económico.

Su precisión, facilidad de uso y la posibilidad
de almacenar la información para descargarla
después en programas de CAD ha hecho que desplacen a los
teodolitos, que actualmente están en desuso. Por otra
parte, desde hace ya varios años las Estaciones Totales se
están viendo desplazadas por el GPS en trabajos
topográficos.

Las ventajas del GPS topográfico con respecto a
la Estación Total son que, una vez fijada la base en
tierra solo es necesaria una sola persona para tomar los datos,
mientras que la Estación Total requería de dos, el
técnico que manejaba la Estación Total y el
operario que situaba el prisma. Hoy este inconveniente ha sido
superado, se cuenta con Estaciones Totales robotizadas que en
principio un solo operador las puede usar (como las desarrolladas
por la Leica Viva). Por otra parte, la Estación Total
exige que exista una línea visual entre el aparato y el
prisma, lo que es innecesario con el GPS.

Sin embargo, no siempre es posible el uso del GPS,
principalmente cuando no puede recepcionar las señales de
los satélites debido a la presencia de edificaciones,
bosque tupido, etc. Además, la mayor precisión de
la Estación Total la hacen todavía imprescindible
para determinados trabajos, como la colocación de apoyos
de neopreno bajo las vigas de los puentes, la colocación
de vainas para hormigón postensado, el replanteo de
vías férreas, etc.

1.2.2 Las Estaciones Totales disponibles y sus
características técnicas

En Cuba existen varios modelos de Estaciones Totales de
la firma Leica: TC 1800, TPS 705, TPS 805 y TS 02, TS 06
y TS 09. En particular, en la empresa GEOCUBA Villa Clara-Sancti
Spíritus, que fue donde realizamos la investigación
de la tesis, se dispone de la TC 1800 y la TPS 805.

A continuación se muestran las fuentes de errores
presentes en las mediciones geodésicas de estas Estaciones
Totales.

Tabla 1.1 Parámetros técnicos de las
Estaciones Totales disponibles en GEOCUBA.

Tabla 1.1 Continuación.

Las Estaciones Totales TS 02, 06 y 09 tienen una gama de
errores angulares, al igual que en distancia, que oscilan en
diferentes valores, lo que se le solicita al fabricante
Leica, según el tipo de la serie. GEOCUBA
(Oriente Norte, Holguín) adquirió recientemente una
TS 09 con un error medio cuadrático (e.m.c) angular de 1"
y en la distancia un e.m.c. de ( 1 mm+ 1 ppm, que se emplea para
trabajos precisos y para calibrar al resto de las Estaciones
Totales.

Todas estas Estaciones Totales realizan correcciones
automáticas por: error de la línea de visual; error
del índice vertical; curvatura de la tierra y
refracción.

1.3 Principio básico de funcionamiento del
GPS

Someramente pasamos a describir el funcionamiento del
GPS, centrado nuestra atención en las ventajas de su uso y
las precisiones que nos puede reportar. Así, el Sistema
Global de Posicionamiento NAVSTAR es un sistema satelital de
posicionamiento que ha revolucionado las tareas de
navegación y la determinación de coordenadas en
virtud de características específicas, entre las
que Rodríguez 2008 [79] considera:

• Brinda una alta precisión en el
  posicionamiento relativo, desde un nivel decamétrico
  hasta milimétrico.

• Permite determinar la velocidad y la hora con una
  precisión similar a la de las coordenadas.

• Está disponible a cualquier usuario sobre la
  superficie terrestre, marítima o el aire.

• Es un sistema relativamente barato, ya que los
  usuarios no tributan pagos adicionales por
  emplearlo.

• Es un sistema que puede ser empleado
  prácticamente en cualquier condición
  meteorológica y está disponible las 24 horas
  del día.

• Brinda la información de la ubicación
  tridimensional.

Sin embargo, el sistema GPS cuenta con un grupo de
desventajas relativas, como son:

• Su empleo eficiente requiere de disminución
  del tiempo de transportación.

• Se mantienen los problemas lógicos al ocupar
  puntos de difícil acceso.

• Empleo limitado en zonas urbanas densamente
  pobladas, imposibilidad bajo tierra y bajo techo.

• Como las determinaciones pueden ser optimizadas para
  satisfacer las necesidades específicas de un proyecto,
  esta no puede ser utilizada para otras aplicaciones. Se
  necesitarían nuevas observaciones cada vez que surjan
  otras necesidades.

• Para garantizar el acimut para los métodos
  tradicionales es necesario establecer puntos con ínter
  visibilidad.

• Las coordenadas requieren ser transformadas al
  sistema geodésico local (ya que opera en un elipsoide
  mundial particular, el WGS84 (por sus siglas en ingles: World
  Geodetic System 1984), y en Cuba utilizamos el elipsoide de
  Clarke 1866. Debiéndose además, transformar las
  coordenadas elipsoidales a plano-rectangulares, que en
  nuestro país usamos la proyección cónica
  conforme de Lambert. Estas transformaciones se requieren para
  que sean operables en los trabajos aplicados a la
  geometría de vías). Todo lo anterior -dado a
  que los parámetros de transformación de un
  sistema a otro para el caso de Cuba no son rigurosamente
  exactos ni confiablemente conocidos desde el punto de vista
  matemático- conlleva a pérdida de
  precisión en el resultado GPS, lo cual debe ser
  valorado en los proyectos de aplicación
  vial.

• La comparación de los resultados (más
  precisos) con los métodos tradicionales puede
  constituir confusión al manejar términos y
  definiciones distintas.

• Necesidad de reducir las alturas determinadas con
  GPS al sistema empleado en la Geodesia y
  Topografía.

• Los instrumentos son relativamente caros. Se
  requiere de un mínimo de 2 equipos para
  trabajo.

• Exige aprender nuevas habilidades,
  metodológicas y estratégicas para la
  planificación, trabajo de campo y análisis de
  datos.

• Exige comprensión de cómo integrar los
  resultados GPS a las redes plano- altimétricas
  convencionales.

La idea básica del posicionamiento simple con GPS
se basa en la medición de distancias (o más
correctamente, pseudodistancias) desde satélites al
receptor a través de la medición del tiempo. Una
trilateración inversa en el espacio (figura 1.2),
conociendo las coordenadas de al menos 3 satélites
permitirá obtener la ubicación de un punto en
tierra.

Figura 1.2 Trilateración inversa
espacial. Colectivo de autores 2003 [16].

1.3.1 Constitución del Sistema
GPS

El sistema GPS tradicionalmente está constituido
por tres sectores fundamentales: el Espacial, el de Control y el
de Usuario. En la figura 1.3 se muestra el esquema de
funcionamiento de estos tres sectores.

En colectivo de autores 2003 [16] y nuevos trabajos
consultados, se pronuncian por incorporar un cuarto segmento:
Segmento Terrestre, formado por diferentes redes de
operación permanente, Centros asociados de análisis
de datos y mantenimiento de archivos de datos (IGS) –
International Geodynamies Service – , etc.

Figura 1.3 Esquema general de la
constitución del GPS. Olivera [62].

1.3.1.1 El segmento espacial

Está constituido por la constelación de
satélites NAVSTAR. La constelación está
pensada para dar cobertura a cualquier hora del día y en
cualquier parte del mundo. El segmento espacial proporciona
cobertura con 4 a 8 satélites por encima de cualquier
horizonte de cualquier lugar de la Tierra. Si la máscara
de elevación en la observación se reduce a
10º, se pueden llegar a observar hasta 10 satélites.
Si la máscara se reduce a 0º, se puede ver la mitad
de la constelación: 12 satélites. Las principales
características orbitales descritas en colectivo de
autores 2003 [16] son:

• 6 órbitas casi circulares a 20180 km de
  altitud, nombradas A, B, C, D, E, F, con 55º de
  inclinación (figura 1.4).

• 4 satélites por órbita, 24 en
  total.

• Período de 12 horas de tiempo
  sidéreo.

• Visibilidad de cada satélite: 5
  horas.

• La configuración se repite 4 minutos antes
  cada día solar.

• Existen hasta 4 satélites desactivados y
  disponibles como reserva.

Figura 1.4 Segmento espacial. Colectivo
de autores 2003 [16].