Topografía, Geodesia, Cartografía, GPS, LiDAR, historia, nociones, curiosidades, actualidad...

¿Qué es un Georama?

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Un Georama es una representación esférica de la Tierra destinada a verse desde su interior. Su creador fue C.F.P. Delanglard (empleado de la Administración Central de Contribuciones de Francia) el 25 de marzo de 1822, quien lo registró como patente con este nombre.

En 1823 construyó por primera vez su diseño, realizado a una escala 1/1.000.000, donde resultó una esfera de 40 metros de circunferencia y unos 13 metros de diámetro. Estaba alumbrada con la luz que llegaba del techo, y su interior se podía recorrer mediante una doble escalera con tres niveles de parada.

Georama
Georama
Con el tiempo, su exhibición dejó de ser rentable y en 1833 fue desmantelado.

Con posterioridad se construyeron más. En 1844 Charles Auguste Guérin construyó uno en los campos Elíseos de París con un tamaño algo menor, resultando una circunferencia de 23 metros. En 1851 se construyó el primero en Inglaterra, a cargo de James Wyld, con motivo de la Exposición Internacional.

Georama de Wyld
Georama de Wyld

Principales fuentes de error en GPS (II)

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Como ya vimos en el apartado anterior, existen diferentes fuentes de error que pueden afectar a la precisión en una medición GPS de alta precisión en Topografía.

Estas fuentes de error son:
1.- Retrasos ionosféricos y atmosféricos
2.- Errores en el reloj del Satélite y del receptor
3.- Efecto multitrayectoria
4.- Dilución de la precisión
5.- Disponibilidad selectiva (S/A)
6.- Anti Spoofing

Las 3 primeras podemos encontrarlas en la entrada: Principales fuentes de error en GPS (I)

4. Dilución de la precisión.
La Dilución de la Precisión (DOP) es una medida de la fortaleza de la geometría de los satélites y está relacionada con la distancia entre los satélites y su posición en el cielo. El DOP puede incrementar el efecto del error en la medición de distancia a los satélites.

Cuando los satélites están bien distribuidos, la posición se deteremina en un área menor y el margen de error posible es mínimo.
Cuando los satélites están muy cerca unos de otros, el área de encuentro también aunmenta, de manera que se incrementa la incertidumbre de la posición.

              Buena distribución  /  Mala Distribución
Se puede encontrar diferentes tipos de Dilución de la Precisión.

- VDOP: Dilución Vertical de la Precisión. Degradación de la exactitud en la dirección vertical.
- HDOP: Dilución Horizontal de la Precisión. Degradación de la exactitud en la dirección horizontal.
- PDOP: Dilución de la Precisión en Posición. Degradación de la exactitud en posición 3D.
- GDOP: Dilución de la Precisión Geométrica. Degradación de la exactitud en posición 3D y en tiempo.

El valor más importante es el GDOP, pues se trata de un combinación de resto. Cabe destacar que es importante conservar una buena distribución de satélites, y eliminar aquellos cuya elevación sea poca, pues influirán bastante a la hora de introducir fuentes de error.

5. Disponibilidad selectiva (S/A).
La Disponibilidad Selectiva es un proceso aplicado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos a la señal GPS. Su finalidad era denegar, tanto a usuarios civiles como a las potencias hostiles, el acceso a toda la precisión que brinda el GPS, sometiendo a los relojes del satélite a un proceso conocido como "dithering" (dispersión), el cual altera el tiempo ligeramente. Además, las efemérides (o la trayectoria que el satélite seguirá), son transmitidas ligeramente alteradas respecto a las verdaderas.
El resultado final es una degradación en la precisión de la posición.
Esta medida solo afectaba a aquellos usuarios que trabajaban de manera autónoma.
Se desactivó totalmente.

6. Anti Spoofing.
El efecto Anti-Spoofing es similar al efecto S/A, pues su objetivo era no permitir que los usuarios civiles y las fuerzas hostiles tengan acceso al código P de la señal GPS, obligándolos a emplear el código C/A, al cual se aplica el efecto S/A. El efecto Anti-spoofing encripta el código P en una señal conocida como código Y. Sólo los usuarios con receptores GPS militares (EEUU y sus aliados) pueden descifrar el código Y.
El código P modula a la portadora con una frecuencia de 10.23 Hz., mientras que el código C/A lo hace a 1.023 Hz, resultando más preciso, de manera que las distancias se puede calcular mejor, ya que se trasmite 10 veces más por el código P.
Por todas estas razones, los usuarios de receptores GPS militares generalmente obtendrán precisiones del orden de 5 metros, mientras que los usuarios de equipos GPS civiles equivalentes únicamente alcanzarán precisiones de 15 a 100 metros.



Principales fuentes de error en GPS (I)

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Cuando en Topografía hablamos de la posición obtenida mediante técnicas GPS, se intuye que ésta, es bastante precisa y libre de errores. Sin embargo, existen diferentes fuentes de error que degradan la posición GPS desde algunos metros, en teoría, hasta algunas decenas de metros.

Estas fuentes de error son:
1.- Retrasos ionosféricos y atmosféricos
2.- Errores en el reloj del Satélite y del receptor
3.- Efecto multitrayectoria
4.- Dilución de la precisión
5.- Disponibilidad selectiva (S/A)
6.- Anti Spoofing

1. Retrasos ionosféricos y atmosféricos.
Al pasar la señal del satélite a través de la ionosfera, su velocidad disminuye, produciéndose un efecto similar a la refracción. Estos retrasos atmosféricos pueden introducir un error en el cálculo de la distancia, ya que la velocidad de la señal se ve afectada. (La luz sólo tiene una velocidad constante en el vacío).
Este retraso, no es constante de manera que existen diversos factores que influyen:

 - A. Elevación del satélite. Las señales de satélites que se encuentran en un ángulo de elevación bajo se verán más afectadas que las señales de satélites que se encuentran en un ángulo de elevación mayor, debido a que la distancia a recorrer es mayor.

Retrasos ionosféricos GPS

- B. La densidad de la ionosfera está afectada por el Sol.  Durante la noche, la influencia ionosférica es mínima. Durante el día, el efecto de la ionosfera se incrementa y disminuye la velocidad de la señal.

 - C. El Vapor de agua. El vapor de agua contenido en la atmósfera también puede afectar las señales GPS. Este efecto, el cual puede resultar en una degradación de la posición, puede ser reducido utilizando modelos atmosféricos.

2. Errores en el reloj del satétite o del receptor.
A pesar de la alta precisión de los relojes (cerca de 3 nanosegundos), algunas veces presentan una pequeña variación en la velocidad de marcha y producen pequeños errores, afectando la exactitud de la posición. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos, observa permanentemente los relojes de los
satélites mediante el segmento de control y puede corregir cualquier deriva que pueda encontrar.

3. Efecto multitrayectoria.
Este error puede darse cuando el receptor se situa cerca de una gran superficie reflectora, tal como un lago o un edificio. Es debido a que la señal del satélite no viaja directamente a la antena, sino que llega primero al objeto cercano y luego es reflejada a la antena, provocando una medición falsa.
Este tipo de errores pueden ser reducidos utilizando antenas GPS especiales que incorporan un plano de tierra, que filtra las señales procedentes con un ángunlo de elevación bajo.
Para obtener la más alta exactitud, la solución preferida es la antena de bobina anular (choke ring antenna). Una antena de bobina anular tiene 4 o cinco anillos concéntricos alrededor de la antena que atrapan cualquier señal indirecta.
El efecto multitrayectoria afecta únicamente a las mediciones topográficas de alta precisión.

Errores multitrayectoria GPS


¿Qué es la Fotogrametría?

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La Fotogrametría es el conjunto de métodos y procedimientos, donde mediante el uso de fotografías de un objeto o una superficie, podemos deducir las formas y dimensiones del mismo. Se trata de una técnica donde la principal fuente de información es la simple fotografía, siendo éste una imagen plana del objeto. Aquí radica el principal problema o solución de la Fotogrametría, que será obtener la medida y forma de un objeto 3D a partir del uso de fotografías del mismo (2D).

Fotogramtría terrestre

La solución a este problema es el método general de la Fotogrametría, que se puede descargar en el siguiente enlace. Apuntes Fotogrametría

En el ámbito Topográfico a gran escala destaca la Fotogrametría aérea.

Fotogrametría aérea

Actualmente la Fotogrametría se encuentra totalmente ligada a entornos, disciplinas y sistemas digitales que permiten la máxima automatización de las tareas que tradicionalmente venía utilizando el operador fotogramétrico.

Las aplicaciones de esta disciplina son muy diversas, tanto en Fotogrametría terrestre como aérea:

Ortofoto- Cartografía a diferentes escalas
- Ortofotografía.
- Aplicaciones arquitectónicas
- Arqueología
- Control de deformaciones
- etc


La gran capacidad de esta disciplina se debe principalmente a las propiedades de la fotografía a la hora del registro de información acerca de un objeto. Algunas son:

 - Se trata de una representación completa del objeto.
 - Es un documento de fácil manejo y siempre disponible.
 - De registro instantaneo.
 - El punto de vista puede ser móvil.



Mapas topográficos. Nueva sección

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Ya es posible descargar mapas topográficos de todas las provincias de España a escala 1:200.000.
Formato PNG de gran calidad.

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Conceptos fundamentales Topografía, Geodesia o Cartografía II

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Curvas de Nivel TopografíaCURVAS DE NIVEL: (también conocidas como isohipsas) es una simplificación de la representación del terreno donde todos los puntos de una misma cota son unidos mediante un curva continua. Se trata de la solución correspondiente al corte del terreno mediante planos equidistantes, resultando una representacion mediante curvas o isohipsas. Todos los puntos correpondientes a una determinada cota, estarán dispuestos en la misma curva, estableciendo el valor de la cota a representar, como un múltiplo de un número establecido, separándose las curvas mediante la equidistancia. Cabe destacar que las curvas sucesivas nunca se cortarán. Fueron utilizadas por primera vez por el holandés N. Cruquius en 1728 para representar los fondos del estuario del río Merwede.

Equidistancia curvas de nivelEQUIDISTANCIA: Distancia entre los plano a que corresponden las curvas de nivel y que se ha indicado que es constante. La equidistancia utilizada suele ser un número múltiplo o divisor de 10, y su elección se realiza en funcion de la escala del mapa, y si es posible, teniendo en cuenta la naturaleza del terreno.


ACIMUT: Es el ángulo horizontal medido en el sentido de las agujas del reloj que forman una semirrecta en dirección a un punto con un meridiano de referencia, donde se considera el Norte en la mayoría de los casos.
Acimut topográficoSí hablamos de Topografía, este acimut podrá variar entre 0º y 400º grados, donde se completará una vuelta completa.


CENIT: Punto superior en una vertical

NADIR: Punto inferior en un vertical


DATUM: Conjunto de parámetros que definen un sistema de coordenadas concreto y un conjunto de puntos, cuyas relaciones geométricas son conocidas por medio de medidas o cálculos. Cada datum estará compuesto por:
- Un elipsoide.
- Un punto fundamental donde el elipsoide y el Geoide son tangentes, del que se conoce la longitud, latitud y acimut del mismo.
En este punto, coinciden las coordenadas astronómicas y geodésicas, así como la vertical del lugar y la normal al elipsoide.

Datum

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Nuevos Apuntes

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Añadidos apuntes de Geodesia Física y Teledetección


Ventajas de la Tecnología LiDAR

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La tecnología LiDAR destaca sobre todo por las ventajas que puede aportar respecto a otras disciplinas como la Topografía o la Fotogrametría.

Una de las cosas que sorprende y llama la atención de la tecnología LIDAR, es la buena precisión altimétrica que es capaz de obtener. A pesar de que la precisión exacta no se conoce, los estudios que se han realizado hasta ahora coinciden en que la precisión que se consigue en altimetría es mejor que en planimetría.  Para hacerse una idea de las precisiones que este método ofrece, el vuelo con el que se cuenta para este proyecto ofrece una precisión a priori en dirección transversal a la pasada de 0,12 – 0,16m, una precisión a priori en la dirección de la pasada de 0,11 – 0,15m y una precisión en Z de 0,08- 0,11m.

Es imposible no clasificar como una ventaja la cantidad de puntos que es capaz de registrar esta tecnología, pues la información aportada de forma bruta es realmente impresionante, además claro está, del tiempo que se tarda en que esos puntos estén presentados, en comparación con otros métodos.

Existe una ventaja fundamental, relacionada con el registro de múltiples ecos. Esto hace posible que tanto la altura de los objetos, como el propio suelo que se encuentra bajo ellos, sean registrados en nuestro producto final. Será muy importante pues, nos permitirá obtener tanto los puntos necesarios para determinar nuestro MDT, así como los que podrán definir nuestro MDS.

Ya que la tecnología LiDAR ha estado tan emparejada y comparada con la Fotogrametría digital, hace que en las comparaciones surja una de las principales ventajas de uno respecto de la otra. Conociendo la Fotogrametría, es sabido que la necesidad de un par de imágenes para la obtención de coordenadas es fundamental, y que en ellos existirán zonas de sombra, es decir, lugares donde la información tridimensional sea imposible de determinar. Pues es aquí donde la tecnología LiDAR, sobresale sobre su compañera, pues llegará a todas las zonas de un lugar.

Comparación Lidar y Fotogrametría

Éste es un hecho muy importante en entornos urbanos, pues la altura de edificios y vegetación existente hace que la cantidad de información oculta sea muy alta, debiendo recurrir normalmente a otros métodos de obtención de datos, como puede ser la topografía clásica. Por tanto, se puede decir, que LiDAR, será capaz de determinar puntos en casi todas las  zonas ocultas. Además de estos registros, la reflectancia que tienen determinadas estructuras metálicas, hace que aparezcan en nuestros modelos. A pesar de que los cables tendrán un diámetro menor que el laser, su condición metálica hará que sea registrado, aportando de una información difícil de registrar normalmente. Por tanto, es fácil tener muchas medidas de las cotas de los cables y modelizar las catenarias que describen.
La posibilidad de llegar a lugares donde el acceso sería muy difícil o casi imposible, constituye una ventaja grande, comparado con métodos clásicos.


Atendiendo a las propiedades del sensor, cabe destacar una principal ventaja, pues que este sensor sea activo hace que no dependa de las condiciones de iluminación, permitiendo trabajar una flexibilidad a la hora de realizar el vuelo no existente en Fotogrametría.

Hablando de los datos obtenidos, cabe destacar que la experiencia necesaria por parte del operador, no influirá posteriormente en el resultado, siendo algo fundamental y de mucha importancia, y que en diversos métodos tiene una importancia muy relevante.
Además, su tratamiento solo necesitará la utilización de un software adecuado para el tratamiento de datos instalado sobre un ordenador, sin necesidad de diversos aparatos o hardware que nos permitan poder trabajar con ellos.

También decir, que aunque resulta costoso la realización de un vuelo LiDAR, la obtención directamente de las coordenadas X, Y, Z de los puntos terreno hace muy rápida la posterior obtención de modelos del terreno.

Lidar urbano

Tomás López

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Tomás LópezTomás López  de Vargas (1730 - 1802) fue, problablemente uno de los geográfos-cartografos más importante de la historia de España. Está importancia se basa en que fue quien llevó a cabo la única obra cartográfica del siglo XVIII, reflejando en sus mapas las divisiones eclesiástivas, jurisdiccionales y civiles del territorio español, donde se reflejaba la organización administrativa de la época.


Estudió en París durante nueve años, enviado por el gobierto español, formandose como cartógrafo y grabador de mapas. Una vez terminado, publicó "Atlas geográfico del Reyno de España e islas adyacentes" compuesto de 21 mapas.

A su vuelta a España se dedicó a recopilar mapas realizados por cartógrafo europeos y así formar mapas. Además para disponer de una mayor información envió formularios a personalidades eclesiásticas sobre datos económicos, demográficos, políticos, etc, además de pedir que le enviarán mapas o planos de sus territorios.
Una vez recopilado todos estos mapas, realizó gran cantidad de mapas de escasa precision.

Tomás López realizó un enorme trabajo intentanto reunir todos estos documentos con los idea de realizar posteriormente un diccionario geográfico de España, el cual no pudo realizar. Actualmente, gran parte de sus recopilaciones se encuentran en la Biblioteca Nacional de Madrid.

Su trabajo le proporcionó un éxito económico y el reconocimiento general, siendo nombrado en 1772 Geógrafo de los dominios de su Majestad, siendo también académico de San Fernando y de la Historia.

Mapa España y Portugal por Tomás López



¿Qué es el Láser escáner terrestre?

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Láser escaner terrestreEl láser escáner terrestre es un dispositivo de adquisición de datos masivos, que nos reporta una nube de puntos generada tridimensional, a partir de la medición de distancias y ángulos, mediante un rayo de luz láser.

Básicamente es una estación topográfica de medición sin prisma, que realiza observaciones masivas sobre áreas preseleccionadas. Además, cuenta con la incorporación cámaras fotográficas, que registran la información del rango visible, lo que aporta una información infinita del objeto.

Se trata de una tecnología en desarrollo, que se puede considerar el futuro en el mundo de la Topografía, donde su funcionamiento es similar al ya mencionado LiDAR, con la diferencia de que éste, irá montado sobre un trípode en la mayoría de los casos, siendo su utilización más limitada en cuanto a superficie.

El potencial que presenta esta tecnología es altísimo, obteniendo en las mediciones, una cantidad masiva de datos donde todo lo que exista en la realidad quedará representado mediante puntos tridimensionales.
El problema a determinar por tanto, será la precisión y escala del proyecto a desarrollar, pues ahí residirá el tipo de aparato que elegiremos.

En Topografía se distinguen principalmente dos tipos de sensores láser a utilizar:

- Corto alcance, utilizados sobre todo en objetos cercanos y de un tamaño limitado. Es usado en Topografía industrial, así como en restauración de estatuas, o estudios accidentales de tráfico.
laser escaner cercano


- Largo alcance, donde encontramos una precisión menor debido a la distancia. Son utilizados principalmente en cálculos de volumen, restauración de fachadas, etc.
láser escaner topografía

Cabe destacar que la mayor dificultad residirá en la unificación y limpieza de los datos obtenidos a partir del registro en las diferentes posiciones adoptadas, lo que permitirá formar el modelo 3D del objeto concreto.


Proyección Winkel Tripel

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A la hora de tratar el tema de la proyecciones, todo aquel que esté un poquito familiarizado con ellas, le vendrán a la cabeza aquellas famosas, como puede ser Mercator o Lambert, al ser una de las más utilizadas.

Casi toda proyección debe guardar una de las proporciones equivalentes a la realidad (Distancias, ángulos o áreas), sin embargo, existe otro grupo donde la distorsión se produce en todas ellas, pero resulta lo menor posible.En este último caso encuadraríamos a la proyección Winkel-Tripel, propuesta por Oswald Winkel en 1921.

Proyección Winkel Tripel

Cabe destacar que esta proyección deriva de una media aritmética entre la proyección de Aitoff y una proyección cilíndrica equidistante.

Se caracteriza además por se una proyección donde se pueden plasmar los polos, llegando a representar latidudes de más de 90 grados, resultado muy interesante para la representación total. Actualmente es considerada una de las mejores proyecciones para representar toda la superficie terreste, destacandado que desde 1998 es la proyección estandar para los mapamundis realidados por National Geographic Society.


Proyección Winkel Tripel global

Además, actualmente he observado que esta proyección se ha utilizado para poder plasmar la localización de terremotos registrados sobre toda la Tierra, debido sobre todo a la representación de esas latitudes de los polos.

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APUNTES Y ARTÍCULOS


Eratóstenes y su determinación del tamaño de la esfera Terrestre

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Una vez admitida la esfericidad de la Tierra, surgió además el problema de cuanto medía. Obviamente, la medición directa no era posible, por lo que varios fueron los que se lanzaron a determinar un tamaño de circunferencia.

De todos los intentos realizados en la antigüedad, destaca sobre todos ellos, el realizado por Eratóstenes, sorprendente por su elevada precisión.

Eratóstenes de CireneEratóstenes de Cirene (276-196 a. C.) fue un destacado matemático, trasladado de Atenas a Alejandría a petición del faraon Ptolomeo III Evergetes, para encargarse de la dirección de la biblioteca y de la educación de su heredero. Destacó además como historiador, astrónomo, geógrado y poeta, siendo el primero en comprender la influencia de la luna en las mareas.
A partir de Cleómedes sabemos el método para medir un arco de meridiano, y Eratóstenes tuvo la suerte de que al medir el arco determinado para determinar la circunferencia, sus errores cometidos se compensaran y obtuvo un resultado muy bueno.

Tomando como referencia sus informe, determinó que el Sol en Siena (Asuán) culminaba en la vertical en el solsticio de verano. Además, consideraba que Alejandría y Siena estaban situadas sobre el mismo meridiano, de manera que midiendo la longitud entre ambas ciudades, y la altura del Sol sobre Alejandría, podría determinar que la diferencia de latitudes entre ambas era igual al ángulo correspondiente a la altura del Sol.

 Medida de la Tierra de Eratóstenes


En realidad, ambas ciudades no están en el mismo meridiano, diferenciándose 2º 50' y además Siena no está en el Trópico, sino 33' más al norte, por lo que el Sol no termina en su vertical.

Error en la medida de Eratóstenes 

La distancia adoptada como longitud entre ambas fue el tiempo medio de duración de las caravanas, estableciendo a partir de éste una longitud recorrida.

Con todo esto, determinó un ángulo de 7º 12' y para la distancia, un arco de 5000 estadios.
Así, suponiendo que un estadio medía 158,75m, determinó que el círculo máximo medía 36.686 km, el lugar de los 40.000 km, una medida bastante precisa.

Sin embargo, para simplificar el cálculo, los 250.000 estadios que correspondían al cículo máximo, los simplificó a 252.000, por ser múltiplo de 360, obteniendo mediante la casualidad, intución y suerte una medida tremendamente precisa.


El sistema de posicionamiento global GALILEO

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GALILEO es la alternativa europea a los actuales sistemas de navegación por satélites existentes: GPS (Estados Unidos) y GLONASS (Rusia).

Será un sistema global de navegación por satélites desarrollado por la Unión Europea con un uso civil, que se espera esté compuesto por unos 30 satélites distribuidos en tres plano orbitales, de manera uniforme y que tardarán unas 14 horas en completar una serie a la orbita terrestre descrita.
 Constelación Galileo

El funcionamiento de este sistema será similar a los actuales GPS y GLONASS con el objetivo de conseguir una idependencia de estos a la hora de trabajo civil. Además, a Agencia Espacil Europea prevé que sea más preciso que los actuales, al contar con una tecnología mucho más avanzada, destacando la alta precisión de los relojes atómicos instalados, que permiten medir con precisión el tiempo que tarda en llegar la señal desde el satélite al receptor, teniendo en cuenta que el satélite recorre 300.000.000 metros por segundo.

Satélite Galileo
En el inicio del proyecto, se quiso que GALILEO estuviera disponible en el año 2008, pero los problemas de financiación que se dieron y las diferencias entre los paises contribuyentes ha hecho que el retraso sea más que notable.
En 2005 fue lanzado el primer satélite de prueba y el 21 de octubre de 2011 se lanzaron por fin los dos primeros satélites del programa.


El 12 de Octubre de 2012 el lanzado Soyuz.ST-B puso en órbita los dos siguientes, que junto con la primera pareja, permitirán completar la fase de Validación en Órbita del programa Galileo y se podrán evaluar las prestaciones del sistema de posicionamiento antes de continuar con el despliegue de la constelación.

Con esta nuevo par de satélites se completará la fase de ensayos y se espera que se marque el camino para poder situar en órbita a finales de 2014 los primero 18 satélites, pudiendo ofrecer un primer servicio a los ciudadanos europeos.
En 2018 se alcanzaría por fin la plenitus de operaciones, cuando los 30 satélites estén operativos, completando la constelación.

Sin embargo, habrá que esperar.