Università degli studi di Tor Vergata e Telespazio S.p.A.

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1 Università degli studi di Tor Vergata e Telespazio S.p.A. Il Galileo Test Range e la Stazione Differenziale di Tor vergata: Risultati di Fase A Relatori: Ing. Marco Certelli Ing. Riccardo Nicolè Ing. Gian Paolo Plaia Roma, 9 Aprile 2008 Regione Lazio Ing. Marco Certelli Il Sistema Galileo Test Range (GTR) ed i suoi obiettivi Prestazioni e Risultati dei Test di sistema Realizzazione della Stazione Differenziale di Tor Vergata Visita alla Stazione Differenziale 1

2 Il Galileo Test Range Il Galileo Test Range (GTR) è stato concepito come un laboratorio permanente ed un centro tecnologico. La realizzazione del GTR è iniziata a metà del 2005 con i seguenti obiettivi: Caratterizzare e verificare i nuovi segnali di navigazione: GPS L2C, GPS L5, EGNOS L1, EGNOS L5, GSTB-V2 & GALILEO Supportare, per le applicazioni che lo richiederanno, il processo di certificazione dei ricevitori Galileo, GPS & EGNOS Definire e sperimentare sul campo Prototipi applicativi nell ambito della navigazione Definire e fornire alla comunità alcuni servizi di navigazione Rappresentare il punto di riferimento, per piccole e medie industrie locali e per centri di ricerca, sui temi della navigazione Sviluppo del GTR e Fasi Operative Lo sviluppo del GTR è stato previsto in 3 fasi (A, B e C); questo approccio aveva principalmente l obiettivo di fasare lo sviluppo del GTR al progredire della definizione e realizzazione del sistema Galileo: Fase A: Definizione e Start-Up. Implementazione del GTR in una configurazione iniziale, basata sulla capacità di generazione del segnale GPS-Like (da sottosistemi detti Pseudoliti) e sulla capacità di ricezione ed analisi del segnale GPS, GPS-Like, EGNOS e GSTB V2. La Fase A è stata completata ad Agosto 2007 (collaudata dal committente a Febbraio 2008). Fase B: Sviluppo completo e Operatività Iniziale. Implementazione della configurazione finale del GTR con la capacità aggiuntiva, rispetto alla Fase A, di generare segnali Galileo-Like e con la capacità di ricezione ed analisi dei segnali Galileo (almeno dei satelliti Galileo-IOV) e Galileo-Like. E previsto che la Fase B inizi entro fine 2008 e che duri 27 mesi. Fase C: Fase Operativa del GTR in configurazione finale. A seguito del completamento della Fase B, avrà inizio la fase operativa del GTR in configurazione finale 2

3 Attori principali del GTR La Fase A del GTR è stata commissionata e finanziata dalla Regione Lazio tramite la sua finanziaria FILAS S.p.A. La Fase A del GTR è stata realizzata da un Raggruppamento Temporaneo d Impresa (RTI) formato da Telespazio S.p.A.(mandataria), Thales Alenia Space Italia S.p.A e Finmeccanica S.p.A. Molte attività sono state successivamente commissionate a diverse piccole e medie imprese, centri di ricerca ed Università soprattutto del Lazio. In particolare l Università di Tor Vergata ha collaborato alla realizzazione della Stazione Differenziale DRS2 (uno degli elementi del GTR) ed ospita fisicamente tale infrastruttura nella facoltà di Ingegneria. La Fase B del GTR verrà commissionata e co-finanziata da ASI (Agenzia Spaziale Italiana) e da Regione Lazio. L annuncio del co-finanziamento del GTR Fase B è notizia alquanto recente e dovrebbe essere ratificata dagli organi preposti di ASI (CdA) e Regione Lazio (Consiglio Regionale) entro Aprile Il Sistema GTR Fase A Satelliti GPS, EGNOS, etc. DRS1 DRS2 Pseudoliti Stazioni Differenziali Osservabili + RTCM GPS-Like PSL4 Euref RTCM OLF TLF ILF LAB Internet & VPN Sottosistemi GPS RX RTCM Sensor Station Data TM&TC Centro di Controllo PSL1 PSL3 PSL2 3

4 Georeferenziazione degli elementi Satelliti GPS, EGNOS, etc. DRS1 DRS2 Pseudoliti Stazioni Differenziali RTCM PSL4 RTCM Internet RTCM PSL3 Euref Georeferenziazione (3D) degli elementi mobili del GTR: - GPS Differenziale (RTK) PSL - GPS Corretto (SBAS) Data TM&TC PSL1 PSL2 Centro di Controllo Calcolo delle correzioni di clock L OLF calcola le differenze di sincronizzazione tra gli orologi atomici del sistema (clock correction) usando come campione l orologio del CC (TLF): il calcolo si basa sulle differenze negli osservabili GPS ricevuti dagli elementi (, PSL, CC). Una differenza tra questi è infatti dovuta solo alla differente posizione geografica (che è nota) e differenze di Clock (da calcolare). OLF TLF GPS RX Satelliti GPS, EGNOS, etc. Osservabili Data TM&TC PSL1 PSL4 Pseudoliti PSL3 PSL2 Sottosistemi Centro di Controllo 4

5 Calcolo dell Integrità degli Pseudoliti L ILF è in grado di calcolare la distanza geometrica (geografica) tra la e gli PSL (tutti georeferenziati) e di confrontarla con lo pseudorange della tratta radio relativo agli PSL (ricevuto negli osservabili della ) aggiungendo le relative clock correction. Un errore inferiore a 20m certifica la corretta integrità dei segnali trasmessi dagli PSL. TLF ILF GPS RX Satelliti GPS, EGNOS, etc. Ossevabili PSL+GPS GPS-Like Data TM&TC PSL1 PSL4 Pseudoliti PSL3 PSL2 Sottosistemi Centro di Controllo Posizione 3D con PSL e PSL+GPS Il Centro di Controllo è in grado di eseguire in post-processing un calcolo della posizione della (o anche di un ricevitore sotto collaudo) eseguendo la soluzione 2D o 3D dei 4 pseudo-range PSL ricevuti negli osservabili del ricevitore. Si può migliorare il calcolo includendo le informazioni note di clock della (una variabile in meno). Si possono infine includere (modalità di tipo augmentation) anche gli pseudorange dei satelliti GPS. Tutti i dati dell esperimento sono memorizzati per una successiva analisi off-line Satelliti GPS, EGNOS, etc. GPS-Like Osservabili Data TM&TC PSL1 PSL4 Pseudoliti PSL3 PSL2 Centro di Controllo 5

6 Disposizione Geografica: elementi del GTR Tecnopolo Tiburtino Via Giacomo Peroni Capacità e Servizi del GTR Fase A Il GTR è un sistema Aperto e Flessibile che fornisce l infrastruttura a supporto delle tipiche attività ad oggi già previste e delle attività che potranno essere proposte e realizzate in futuro in base alle necessità dei fruitori del sistema. Il GTR si compone di elementi funzionali di base, di un laboratorio general-purpose, uffici per gli utilizzatori, sala corsi e conferenza, un area di test ed un area sperimentale definite sul territorio, la necessaria logistica a supporto delle attività di ricerca e sviluppo. Il GTR è già oggi in gradio di: Acquisire e processare segnali radio da 4 pseudoliti (simulatori di satellite), dal GPS, da EGNOS, dal satellite sperimentale GSTB V2 (Giove A) Generare segnali radio GPS-Like da 4 pseudoliti (2 fissi e 2 mobili) su un area di test estesa alcuni chilometri quadrati dove è possibile sperimentare servizi ed applicazioni di navigazione Realizzare analisi e sperimentazioni sui segnali GPS, EGNOS e GSTB-V2 in laboratorio Fornire un area di Test opportunamente caratterizzata dal punto di vista RadioElettrico (interferenze, propagazione, etc.) con inclusa strumentazione di rilevamento meteorologico per effetture le opportune correzioni od analisi post-processing Fornire un riferimento di tempo altamente stabile (AH-Maser + 4xCesio) Fornire una infrastruttura di Georeferenziazione accurata all interno dell area sperimentale (area che include gran parte di Roma e delle campagne ad Est della città, fino ai primi rilievi dei monti Lucretili). Fornire servizi GPS differenziali tipo DGPS e RTK (via Internet, protocollo NTRIP) e un Data Base di osservabili GPS accessibili in tempo reale dalla comunità scientifica 6

7 Nuove funzionalità in Fase B Nella Fase B il GTR acquisirà la capacità di trattare il segale Galileo come oggi tratta il segnale GPS e migliorerà le proprie funzionalità e prestazioni: Tutti gli elementi (Pseudoliti, Sensor Stations, Stazioni Differenziali, etc.) evolveranno e saranno in grado di gestire il segnale Galileo. Le prestazioni fornite saranno più stringenti. Il numero degli pseudoliti disponibili sarà incrementato da 4 a 9 (5 dei quali mobili) in modo da poter realizzare un area di test fissa ed una rilocabile. Sarà aggiunta una nuova Sensor Station. Tutta l infrastruttura operativa e logistica del GTR sarà sviluppata e migliorata per supportare le attività ed i servizi propri della fase operativa finale: la Fase C. Ulteriori dettagli ed evoluzioni del GTR: Foto (1) Orologi Atomici (Cesio) Centro di Controllo 7

8 Foto (2) Laboratorio Sala Corsi e Conferenze Foto (3) Pseudolite Mobile Pseudolite Fisso 8

9 Vista dell area di Test Montecelio M.te Gennaro Vista dalla strada per M.te Morra San Polo dei Cavalieri Marcellina Palombara Sabina Ing. Riccardo Nicolè Il Sistema Galileo Test Range (GTR) ed i suoi obiettivi Prestazioni e Risultati dei Test di sistema Realizzazione della Stazione Differenziale di Tor Vergata Visita alla Stazione Differenziale 9

10 Test di Sistema del GTR Il GTR è stato verificato a livello di sistema con test concordati con la Commissione di Collaudo. I test più rappresentativi delle prestazioni sono i seguenti: Test 1: Prestazioni di Ranging Test 2: Horizontal Error Test 3: Errore di navigazione Test 4: Errore di navigazione DGPS Test 1: Prestazioni di Ranging degli Pseudoliti Il test ha lo scopo di verificare che l errore sulle misure sulla distanza (ranging) degli pseudoliti sia minore di quello stabilito a specifica, ossia 5 m (1- sigma) PSL 1 Range 3 Range 1 Range 2 Range 4 PSL 2 PSL 3 PSL 4 10

11 Test 1: Prestazioni di Ranging degli Pseudoliti Fasi operative del Test: GPS Posizionamento, configurazione, warm-up e connessione al CC degli pseudoliti mobili Posizionamento e Start-up Sensor Station e connessione al CC Posizionamento stazione meteo Connessione della sensor station al centro di controllo Inizio trasmissione segnale GPSlike da pseudoliti Acquisizione segnali GPS e GPSlike Calcolo errore troposferico (ritardo RTCA) Raccolta dati per post-processing Shut-down dei mezzi mobili PSL 1 PSL 3 Meteo PSL 2 PSL 4 CC Test 1: Prestazioni di Ranging degli Pseudoliti Tramite l OLF si ricavano, dagli osservabili del TLF e della, i parametri di clock correction della. Dai messaggi NAV della si ottengono i bias per ogni PSL Si confrontano i valori degli pseudorange corretti dal bias degli PSL e della con il vettore distanza reale (georeferenziato) OLF TLF Range calcolato (RF) Range reale (Lat, Lon, Alt) PSL 11

12 Test 1: Prestazioni di Ranging degli Pseudoliti 12 luglio 2007 Prestazione attesa (m) Campioni misurati Campioni a specifica Percentuale Errore medio (m) PSL 1 PSL 2 PSL 3 PSL 4 <5 (1 σ) <5 (1 σ) <5 (1 σ) <5 (1 σ) % % % % Test 2: Horizontal Error Con Horizontal Error si intende la differenza tra la posizione 2D della determinata utilizzando solo gli PSL e quella reale, determinata per georeferenziazione mediante i soli satelliti della costellazione GPS. Il test verifica che la suddetta differenza sia inferiore a 20 m (1 sigma) PSL 1 Posizione (2D) Range3 Range1 PSL 2 Range4 Range2 PSL 3 PSL 4 12

13 Test 2: Horizontal Error Setup simile al test precedente Tramite l OLF si ricavano, dagli osservabili del TLF e della, i parametri di clock correction della. Dai messaggi NAV della si ottengono i bias per ogni PSL Si calcola la posizione 2D (nota la quota Georeferenziata della ) risolvendo il sistema di equazioni Si confronta la posizione 2D così calcolata della con quella 2D georeferenziata Lat, Lon Georeferenziata OLF TLF Lat, Lon Calcolata Errore (2D) Test 2: Horizontal Error 12 luglio 2007 Prestazione attesa (m) Campioni misurati Campioni a specifica Percentuale Errore medio (m) <20 (1 σ) %

14 Test 3: Errore di navigazione GPS Con errore di navigazione si intende la differenza tra la posizione 3D della, determinata utilizzando i segnali degli PSL come augmentation della costellazione GPS (GPS+PSL), e la posizione reale, determinata per georeferenziazione mediante i soli satelliti della costellazione GPS e l ausilio della stazione differenziale. L errore massimo è fissato dalle specifiche a 16 m (1 sigma) PSL 1 Posizione (3D) Range1 Range4 Range3 PSL 2 GPS Ranges (1..N) Range2 PSL 3 PSL 4 Test 3: Errore di navigazione Setup simile al test precedente Tramite l OLF si ricavano, dagli osservabili del TLF e della, i parametri di clock correction della. Dai messaggi NAV della si ottengono i bias per ogni PSL Si calcola la posizione 3D della risolvendo il sistema di equazioni Si confronta la posizione 3D così calcolata della con quella 3D georeferenziata Lat, Lon, Alt Georeferenziata OLF TLF Lat, Lon, Alt Calcolata Errore (3D) 14

15 Test 3: Errore di navigazione 12 luglio 2007 Prestazione attesa (m) Campioni misurati Campioni a specifica Percentuale Errore medio (m) <16 (1 σ) % 8.78 Test 4: Errore di navigazione DGPS Con errore di navigazione DGPS si intende la differenza tra la posizione 3D della, determinata utilizzando la costellazione GPS più le correzioni differenziali, e la posizione reale, determinata per georeferenziazione. Il massimo errore ammesso di navigazione DGPS è definito da tre valori a 1-sigma: 1.5 m senza correzione di fase 10 cm con correzione d.f. a distanza minima 80 cm con correzione d.f. a distanza massima 15

16 Test 4: Errore di navigazione DGPS Il test RTK a minima distanza è stato effettuato con un ricevitore co-locato alla DRS Il test a distanza massima con e senza RTK è stato effettuato con la Vengono raccolti osservabili GPS per almeno tre ore per effettuare la georeferenziazione Co-locato TPZ UTV Distanza: 16.5 km RTCM Distanza: 19.2 km GPS Calcolo real-time Lat, Lon, Alt RTCM Test 4: Errore di navigazione DGPS Successivamente si attiva il collegamento ad EUREF che fornisce le correzioni delle DRS e si effettuano 4 misurazioni DRS Telespazio senza RTK DRS Telespazio con RTK DRS Tor Vergata senza RTK DRS Tor Vergata con RTK Per verificare le misure si è utilizzato uno spreadsheet con una soglia impostabile 16

17 Test 4: Errore di navigazione DGPS Tipo di misurazione Data Prestazione attesa (m) Percentuale di campioni inferiori alla soglia Soglia Errore (m) DRS TPZ co-locato RTK <0.1 (1 σ) % 0.01 DRS TPZ RTK <0.8 (1 σ) % 0.16 DRS UTV RTK <0.8 (1 σ) % 0.28 DRS TPZ DGPS DRS UTV DGPS <1.5 (1 σ) <1.5 (1 σ) % % Test 4: Errore di navigazione DGPS 17

18 Ing. Gian Paolo Plaia Il Sistema Galileo Test Range (GTR) ed i suoi obiettivi Prestazioni e Risultati dei Test di sistema Realizzazione della Stazione Differenziale di Tor Vergata Visita alla Stazione Differenziale Architettura della Stazione Differenziale GTR Control Center GPS Alimentazione Seriale Ethernet 10Mhz Internet icgrs UPS VPN Tunnel Orologio Atomico RTCM FTP Rinex/Ctrl RTCM/Ctrl Server VPN Raw/Ctrl Rinex Server FTP Rover GPS RX Rinex User Stazione Differenziale 18

19 Stazione Differenziale di Tor Vergata Antenna Choke Ring Orologio Atomico Ricevitore icgrs 2 Server (VPN/FTP) UPS Antenna della Stazione Differenziale Antenna Choke Ring Thales con Radome ( c) Antenna GPS Multipath stimato 4cm max (L1/L2). 19

20 Orologio Atomico e Ricevitore GPS Apparati utilizzati: Orologio atomico: PTF (Rubidio) Stabilità ad 1 anno: 5x10-10 Base station RTK enabled: Ashtech icgrs L1/L2 Flusso RTCM 2.3 Messaggi Il Protocollo RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Service) SC-104 (standard per DGN) è utilizzato per inviare le correzioni differenziali in tempo reale agli utenti remoti Messaggi RTCM utilizzati dalla stazione: Messaggio 1: correzione DGPS solo sul codice C/A in L1 Messaggio 3: posizione della stazione differenziale Messaggio 16: descrizione flusso (plain text) Messaggio 20 e 21: correzioni di carrier phase e pseudorange su L1/L2 Server della Stazione Differenziale Server VPN: Costantemente connesso al CC tramite VPN client CISCO Controlla il ricevitore via Seriale Ogni 5 minuti scarica un file dalla memoria del ricevitore contenente tutte le informazioni ricevute nel periodo e lo converte in file Rinex 2.1 standard (Nav e Obs) Invia i file Rinex al CC tramite Virtual Private Network (VPN) Invia i file Rinex al Server FTP della DRS per l accesso pubblico agli osservabili GPS Server VPN Esempio di Rinex file (ASCII) 20

21 Realizzazione Elementi - Funzionalità Server FTP: Conserva e rende accessibili le misure GPS per un anno in formato Rinex Riceve via seriale il flusso RTCM dal ricevitore GPS e lo inoltra verso la rete Euref secondo il protocollo NTRIP Server FTP Server VPN NTRIP: Networked Transport of RTCM via Internet Protocol compatibile HTTP client connessi tramite WLAN - UMTS GPRS etc. può impacchettare sia raw data che RTCM e rendere i dati accessibili dai client Ntrip su un unico mount point (Euref-TOVE0) icgrs Architettura Funzionale DRS2 icgrs RTCM RS-232 Server VPN Server FTP RS-232 Raw Ashtech Micromanager GN Surfer (NTRIP Server) RTCM NTRIP File Raw Ashtech Trump Rinex File TeraTerm Pro (Client) Rinex ZModem File Rinex TeraTerm Pro (Server) Local Storage File Rinex Relay Agent VPN client CISCO WatchDog WatchDog File Organizer File Rinex Local Storage Rinex FTP Internet gzip VPN Control Center Filezilla FTP Server 21

22 Esempio: Rover GPS via GPRS Esempio di utilizzo di un semplice Client NTRIP GN Internet Radio Internet Configurazione: - connessione al caster - creazione di un server TCP locale sulla porta link al mountpoint Tor Vergata (TOVE0) - connessione al server TCP tramite un decodificatore RTCM - visualizzazione dei messaggi GPS Antenna NTRIP RTCM Esempio: Connessione GN Internet Radio Connessione al caster 22

23 Esempio: Configurazione GN Internet Radio Creazione di un server TCP locale sulla porta 2101 (oppure porta 80) Esempio: Ricezione e Decodifica RTCM Link al mountpoint Tor Vergata (TOVE0) NTRIP RTCM Decoder 23

24 Esempio: NTRIP RTCM Decoder (1) Visualizzazione dei messaggi RTCM Messaggio tipo 1 Esempio: NTRIP RTCM Decoder (2) Visualizzazione dei messaggi RTCM Messaggio tipo 21 (L1) 24

25 Esempio: NTRIP RTCM Decoder (3) Visualizzazione dei messaggi RTCM Messaggio tipo 21 (L2) Conclusione Il Sistema Galileo Test Range (GTR) ed i suoi obiettivi Prestazioni e Risultati dei Test di sistema Realizzazione della Stazione Differenziale di Tor Vergata Visita alla Stazione Differenziale 25

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