DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO SEZIONE A

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1 DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO Dottorando Elisa Benedetti Curriculum Infrastrutture Ciclo XXVII Tutore Mattia Giovanni Crespi SEZIONE A Ricerca di Dottorato 1 Aggiornamento del programma logico e cronologico delle attività Il presente progetto di ricerca ha come scopo quello di sviluppare strumenti e strategie utili ed originali per le finalità del monitoraggio strutturale, ovvero per osservare il comportamento di una struttura o infrastruttura al sopraggiungere di un evento (in particolare si stanno considerando gli eventi sismici), di un fenomeno naturale o legato al comportamento e allo stato del materiale che costituisce la struttura. L'obiettivo del presente progetto di ricerca consiste in particolare nel realizzare una rete di monitoraggio basata sull'integrazione delle osservazioni collezionabili attraverso ricevitori GNSS (geodetici o di basso costo) ed accelerometri (MEMS di basso costo). L'impiego di dispositivi low-cost in modalità integrata rappresenta una vera e propria alternativa alle strategie attuali adottate nell'ambito del monitoraggio strutturale, le quali prevedono l'utilizzo di sensori più tradizionali e di alto costo come ricevitori geodetici ed accelerometri piezoelettrici. L'adozione di tecnologie a basso costo comporta considerevoli vantaggi dal punto di vista della progettazione alla luce degli aspetti economici e quindi della popolosità sensoristica della rete, mentre l'integrazione dei dati comporta degli evidenti vantaggi per quanto riguarda la completezza delle informazioni collezionabili dalla rete stessa, rende meno probabile la possibile di perdita dei dati e rende possibile l'eventuale miglioramento della qualità delle osservazioni prodotte. L'impiego del software VADASE (algoritmo interamente sviluppato presso l'area di Geodesia del DICEA, Università di Roma Sapienza ) come tecnica di processamento dei dati GNSS, introduce dei benefici ulteriori rispetto alle strategie già affermate in questo ambito oltre a consentire agevolmente, come verrà specificato in seguito, il trattamento di dati raccolti tramite ricevitori di basso costo. Infatti, questo software è basato sul cosiddetto approccio variometrico e consente la stima accurata e in tempo reale degli spostamenti cosismici e delle forme d onda di un terremoto, utilizzando semplicemente i prodotti usualmente trasmessi in tempo reale dai satelliti nel messaggio navigazionale e le osservazioni di fase acquisite sia a bassa (inferiore ad 1 Hz) che ad alta frequenza di campionamento (uguale o maggiore di 1 Hz) da un unico ricevitore GNSS. A differenza di altri software utilizzati in ambito scientifico (come ad esempio il TRACK od il Leica Geo Office), con il VADASE è inoltre possibile trattare le osservazioni collezionate da un unico ricevitore in grado di acquisire sia in doppia che in singola frequenza, la quale è, per l'appunto, propria dei ricevitori di basso costo). Questa caratteristica apre quindi la strada all'utilizzo di sensori GNSS low-cost nell'ambito del monitoraggio strutturale ed infrastrutturale, nonché della GNSS Seismology. Con la presente ricerca si intende dunque rafforzare la sperimentazione del VADASE per le finalità del monitoraggio strutturale ed infrastrutturale, prevedendo di introdurre all'interno del codice la possibilità di trattare dati collezionabili da sensori inerziali e di integrarli con il dato GNSS. Sino ad ora sono stati condotti esperimenti utilizzando entrambe le tipologie di sensori collocati su

2 tavola vibrante in grado di imporre spostamenti con ampiezza e una frequenza variabili. Al momento sono stati solamente applicati spostamenti di 4 cm a frequenze di 1-3 Hz e sono stati studiati i due segnali ottenibili in maniera da: valutare le corrispondenze dei contenuti in frequenza, ricostruire, a partire da una comune banda spettrale, accelerazione, velocità e spostamento (differenziando le velocità ottenute con il GPS ed integrando le accelerazioni fornite dall'accelerometro), valutarne la corrispondenza e quantificarne la correlazione. Come verrà esposto in seguito, sono stati presi in considerazione anche dei casi reali come il terremoto dell'emilia del 2012, durante il quale sono stati raccolti dati da un ricevitore GNSS geodetico e da un accelerometro, entrambi collocati presso una stazione di Modena. Si intende quindi continuare a condurre gli esperimenti in maniera tale da sfruttare tutte le potenzialità della tavola vibrante (0.5 5Hz di frequenza di oscillazione, ampiezza di oscillazione di 4 10 cm) per vedere sia come rispondono i diversi sensori e sia quanto migliora l'osservazione integrata. In generale, data la migliore accuratezza che ha caratterizzato il dato accelerometrico per la ricostruzione dei parametri cinematici di interesse, è atteso un miglioramento dei risultati ottenuti con i soli sensori GNSS. In questi nuovi esperimenti potranno essere volontariamente causate delle situazioni di disturbo ai ricevitori GNSS (perdita indotta del segnale, disconnessione dell'antenna, spengimento del dispositivo). In questa maniera sarà possibile sperimentare gli attesi vantaggi offerti dall'utilizzo congiunto di ricevitori GNSS ed accelerometri MEMS al verificarsi di possibili perdite del dato GNSS. Una volta valutata la bontà dell'integrazione GNSS/MEMS per il caso ideale, gli esperimenti da realizzare potranno essere estesi al caso reale: si intende proporre di collocare accelerometri MEMS in corrispondenza di alcuni ricevitori facenti parte di reti di stazioni permanenti, in attesa di un evento da monitorare. Anche in questo caso, si prevede un miglioramento dei parametri cinematici stimabili con la sola tecnologia GNSS. A valle di questa ultima fase di sperimentazione sarà possibile realizzare un modulo da integrare all'interno dell'architettura del software VADASE. Il software è, allo stato attuale, in grado di elaborare solamente dati GNSS in modalità di post processamento ed in tempo quasi reale. Tale modulo renderà possibile il miglioramento delle soluzioni ottenibili con il VADASE utilizzando il solo dato GNSS. Questa nuova funzione potrà infatti essere utilizzata come opzione aggiuntiva dall'utente che abbia a disposizione, oltre ai dati provenienti da ricevitori GNSS (geodetici o di basso costo), anche le accelerazioni collezionate da accelerometri durante le stesse epoche di osservazione. Non essendosi manifestate particolari necessità del trattamento del dato accelerometrico, anche per l'elaborazione delle osservazioni di questi sensori si prevede di poter agire sia in termini di post processamento che in tempo quasi reale. 2 Attività di ricerca realizzata nei primi due anni Nel primo anno di dottorato sono stati affrontati i seguenti passaggi: - è stata approfondita la conoscenza del VADASE e di altri software adottati per il processamento di dati GNSS. - Sono state studiate le differenti applicazioni della tecnologia GNSS come nell'ambito del monitoraggio di frane in zone alpine, nel monitoraggio di terremoti (sismologia GNSS) per lo sviluppo dei sistemi di allerta tsunami e, in particolare, si è approfondito il tema del monitoraggio strutturale realizzato tramite sensori GNSS ed accelerometri. Per quanto riguarda il monitoraggio di frane in zone alpine, sono stati elaborati i dati GNSS raccolti

3 presso le campagne di acquisizione realizzate sulla frana di Corvara in Badia (Bolzano). - Sono stati condotti degli studi di validazione dell'algoritmo VADASE nell'ambito della collaborazione con il CATEC (Centro Avanzado de Tecnologia Aeroespaciales de Andalucia) di Siviglia (Spagna) che ha reso disponibile, per tale scopo, l'utilizzo del simulatore di segnali GNSS Spirent. In particolare sono stati validati i modelli ionosferici implementati nel VADASE, sono stati simulati dei fenomeni di disturbo tipo multipath e sono stati simulati spostamenti, oscillazioni, tragitti di automobili ed aerei per le diverse tipologie di applicazione dell'algoritmo. Nel secondo anno di dottorato si sono susseguite le seguenti fasi: - sono stati condotti esperimenti con la tavola vibrante (0.5 5Hz di frequenza di oscillazione, ampiezza di oscillazione di 4 10 cm) andando ad esplorare frequenze d 1 a 3 Hz con ampiezze di oscillazione di 4 cm. In tali prove sono stati testati un accelerometro MEMS, un ricevitore ublox di basso costo e un ricevitore geodetico Leica Viva. Le osservazioni collezionate dai differenti sensori sono state separatamente trattate e confrontate. Questo ha reso possibile una prima possibile comprensione delle distinte fasi di trattamento necessarie per i diversi dati raccolti, con la conseguente progettazione di possibili strategie. - Sono state sviluppate delle ulteriori parti di codice VADASE: una prima integrazione è stata realizzata per consentire all'utilizzatore di impiegare orbite precise (oltre che broadcast) per il processamento dei dati GPS; un'ulteriore implementazione ha avuto come obiettivo quello di introdurre il modello di Klobuchar per il calcolo dell'errore ionosferico da applicare alle osservazioni in singola frequenza. - E' stato considerato il caso reale del terremoto dell'emilia come evento studio per valutare come venisse registrato un fenomeno naturale da due differenti sensori (un ricevitore GPS e un accelerometro triassiale entrambi collocati presso la stazione di Modena appartenente alla rete di monitoraggio dell' INGV, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) e se esso fosse riscontrabile in una banda di frequenza comune. - Parallelamente è stata proseguita la collaborazione con il centro EURAC nell'ambito del progetto SloMove, in particolare per l'elaborazione di dati GPS relativi a due frane in ambiente alpino, tipologia rock glacier, siti nelle località di Schafberg e Senales (Svizzera). 3 Esame delle problematiche emerse e degli aspetti critici Le problematiche intrinseche all'obiettivo della ricerca consistono prevalentemente nella diversità dei dati collezionabili con i ricevitori GNSS e gli accelerometri. Le osservabili sono innanzitutto riferite a diversi sistemi di coordinate (il GPS si riferisce al WGS84, mentre l'accelerometro ha un suo proprio sistema di riferimento). Le osservazioni originarie dei due diversi sensori sono poi caratterizzate da diversi livelli di differenziazione (posizioni, velocità ed accelerazioni); è necessario quindi prestare particolare attenzione alle operazioni di integrazione o differenziazione. Infatti, il rumore bianco è ad esempio amplificato dalla differenziazione mentre è smorzato dall'integrazione, mentre fenomeni di bias sono eliminati per differenziazione ed amplificati per integrazione. Quindi, in dipendenza dal tipo di applicazione richiesta dovrà essere scelto l'opportuno parametro rappresentativo per il quale effettuare l'integrazione. Le osservazioni sono inoltre acquisite con una differente frequenza (solitamente più bassa per il ricevitore GNSS rispetto all'accelerometro) e differenti tag temporali; inoltre, una scarsa sincronizzazione tra ricevitore e accelerometro è sempre possibile: le misure devono essere combinate

4 in maniera tale che i parametri cinematici possano essere legati in una forma che non sia ambigua e siano riferibili ad un'unica scala temporale. Le osservazioni degli accelerometri MEMS vengono fornite prive di informazione temporale e, in aggiunta, gli orologi dei calcolatori ai quali ci si potrebbe riferire sono decisamente meno precisi degli orologi GPS. Al momento, questo problema è stato risolto effettuando una sincronizzazione a partire da un massimo individuabile in entrambi i segnali e considerando come frequenza di riferimento quella delle osservazioni del ricevitore (ad esempio, se esso acquisisce ad 1 Hz e l'accelerometro a 100 Hz, si considerano solo le osservazioni accelerometriche al secondo intero). Questa procedura è sicuramente destinata ad essere modificata con strategie alternative in grado di migliorare il risultato ottenibile. 4 Potenzialità di conseguire un impatto scientifico significativo Come precedentemente spiegato, il presente progetto è finalizzato a combinare le osservazioni collezionabili con i sensori GNSS ed accelerometri MEMS al fine di aumentare l'affidabilità di un sistema di monitoraggio basato sulla sola tecnologia GNSS. Questo tipo di integrazione potrebbe, come precedentemente accennato, diminuire notevolmente la possibile mancanza di informazioni sui fenomeni monitorati a causa di eventuali perdite di connessione dei ricevitori GNSS o di un malfunzionamento degli stessi (come accadde, ad esempio, nel 2010 durante il terremoto del Chile). L'affermarsi dell'utilizzo del software VADASE nell'ambito del monitoraggio strutturale e della seismologia GNSS consente inoltre di estendere l'impiego di accelerometri e ricevitori anche di basso costo. Attualmente, infatti, è decisamente affermato l'utilizzo sensori di alto costo, i quali influiscono notevolmente sulle voci di budget e numerosità dei dispositivi di una rete di monitoraggio. In ultimo, il VADASE ha tutte le caratteristiche per poter essere utilizzato in tempo reale e non essendo sino ad ora emerse particolari necessità di trattamento del dato MEMS, il vantaggio offerto dall'algoritmo adottato apre la strada alla possibilità di progettare una rete integrata in grado di agire in real-time.

5 Attività di formazione e supporto SEZIONE B 1 Partecipazione alle attività di didattica presso la struttura di afferenza Supporto alla didattica frontale e collaborazione nel ricevimento degli studenti nei corsi: - Topografia (Prof. Mattia Giovanni Crespi). - Sistemi Informativi Territoriali e Geomatica (Prof. Mattia Giovanni Crespi). - Supporto alla didattica frontale e collaborazione (preparazione materiale didattico ed esercitazioni) nel corso di formazione nell'ambito del progetto SloMove presso il centro di ricerca EURAC (Bolzano). Correlatore nella tesi di Laurea Triennale: - Luca di Muzio Relatore Prof. Mattia Giovanni Crespi Titolo: Analisi di dati GPS finalizzati al monitoraggio di una zona in frana in ambiente alpino. - Alessandra Mascitelli: Analisi di dati GPS per il monitoraggio di rockglacier: le prime campagne di misura sui siti di Schafberg e Senales. - Maria Cristina Ruggieri: The usage of MEMS accelerometers for positioning: first experiments and potentials. - Micol Campagnano: Application of low cost GPS receivers for monitoring oscillatory phenomena with variable frequency: new experiments and potentialities analysis. Correlatore nella tesi di Laurea Magistrale: - Nadia Dell'Unto: Net-VADASE: a new tool for monitoring performances and data quality of high rate GNSS permanent networks An application to IGS high rate data. 2 Attività di formazione Convegno Validazione di sistemi di monitoraggio satellitari e terrestri per deformazioni del suolo, prima conferenza del progetto SloMove 30 Novembre 2012, presso il centro EURAC di Bolzano Convegno AUTeC 2GG Due Giorni di Geodesia e Geomatica, presso l'università di Firenze, 18 e 19 Aprile Workshop GNSS technologies advances in a multi-constellation framework presso la Sogei S.p.A., 22 e 23 Aprile 2013.

6 Workshop Aerogravimetry versus direct photogrammetry, presso l'università di Como, 24 Maggio Membro del Local Organizing Committee del VIII Hotine-Marussi Symposium (Simposio quadriennale sui fondamenti della geodesia organizzato dalla ICCT della IAG1), Università di Roma Sapienza, Giugno 2013 Evento Galileo: from promises to reality presso il centro spaziale del Fucino, 24 Luglio Collaborazione a studi, ricerche, programmi strutturati - Soggetto proponente del progetto finanziato del bando Avvio alla Ricerca dell'università di Roma Sapienza 2012 dal titolo Esperimenti per lo sviluppo di reti di monitoraggio strutturale con dispositivi integrati GNSS-MEMS a basso costo - Componente del gruppo di ricerca del progetto finanziato del bando Avvio alla Ricerca dell'università di Roma Sapienza 2013 dal titolo Sistemi di controllo GNSS della navigazione in tempo reale: Kin- VADASE per una solida integrazione tra approccio classico e variometrico

7 ALLEGATI: Schema di impostazione della Tesi finale di Dottorato - Monitoraggio strutturale: panoramica generale, stato dell'arte, tecnologie utilizzate - GPS e accelerometri MEMS: caratteristiche e limiti tecnologici - Il software VADASE: l'algoritmo, la sua evoluzione, le possibili applicazioni - Modelli di integrazione delle osservazioni: i vantaggi e le problematiche - Esperimenti finalizzati all'integrazione delle tecnologie GNSS ed accelerometrica MEMS (di alto e basso costo) - Strategie di trattamento del dato - Risultati: ottenimento e valutazione - Sviluppo di addendum al VADASE per il trattamento integrato delle osservazioni - Validazione dei modelli proposti - Possibile estensione al caso reale Pubblicazioni E. Benedetti, M. Branzanti, A. Corsii, C. Giannico, C. Iasio, V. Mair, M. Mulas, F. Novali, A. Tamburini (in stampa). COSMO SKY-MED HIGH FREQUENCY - HIGH RESOLUTION MONITORING OF AN ALPINE SLOW LANDSLIDE, CORVARA IN BADIA, NORTHERN ITALY.. In: IGARSS 2012 Technical Committee E. Benedetti, M. Branzanti, G. Colosimo, M. Crespi, A. Mazzoni, VADASE Variometric Approach for Displacements Analysis Standalone Engine. The third way in GNSS Seismology, Poster Gfg2 Summer School Announcement and Process

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