SPERIMENTAZIONE DI SERVIZI DI POSIZIONAMENTO IN TEMPO REALE NELLA RETE GNSS DELL UNIVERSITÀ DI PALERMO

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1 SPERIMENTAZIONE DI SERVIZI DI POSIZIONAMENTO IN TEMPO REALE NELLA RETE GNSS DELL UNIVERSITÀ DI PALERMO Gino Dardanelli, Vincenzo Franco, Mauro Lo Brutto Dipartimento di Rappresentazione, Università di Palermo, Viale delle Scienze, Palermo tel gino.dardanelli@unipa.it, vifranco@unipa.it, lobrutto@unipa.it KEY WORDS: GNSS, Stazioni permanenti, NRTK, FKP, VRS, Accuratezza. RIASSUNTO Il Dipartimento di Rappresentazione dell Università di Palermo ha realizzato e gestisce una rete di otto stazioni permanenti GNSS nella Sicilia centro occidentale, che fornisce, in forma sperimentale, dati per servizi di posizionamento sia in post elaborazione che in tempo reale (NRTK). In questo lavoro vengono presentati i primi risultati di una sperimentazione che ha riguardato la verifica del posizionamento in modalità NRTK eseguito su punti di coordinate note all interno dell area racchiusa dalla rete di stazioni permanenti. In particolare, lo studio è stato condotto sia per verificare l affidabilità generale dell infrastruttura sia per valutare l accuratezza nel posizionamento. Le misure, sono state condotte considerando il protocollo sperimentale messo a punto nell ambito del PRIN2004 I servizi di posizionamento satellitare per l e-government. I risultati conseguiti hanno evidenziato alcuni problemi nell affidabilità dell infrastruttura, mentre possono essere ritenuti soddisfacenti per quanto riguarda l accuratezza del posizionamento. ABSTRACT The Dipartimento di Rappresentazione of University of Palermo manages a GNSS permanent stations sub-network in western Sicily. The network provides data for positioning services both in post processing that in real time (NRTK). In this work a reliability and accuracy positioning project is shown; measures were conducted considering the experimental protocol developed under the PRIN2004 I servizi di posizionamento satellitare per l e-government. The achievements have highlighted some problems of reliability, but can be considered satisfactory as regards the accuracy of placement. 1. INTRODUZIONE Negli ultimi anni nel nostro Paese si è assistito ad una proliferazione di reti di stazioni permanenti GNSS, realizzate da Enti pubblici e Istituzioni private aventi scopi e finalità differenti. Alla data attuale si contano almeno sette reti gestite dalle Regioni (Lombardia, Friuli Venezia-Giulia, Trentino Alto-Adige, Veneto, Umbria, Abruzzo, Puglia), tre gestite da Università (Piemonte, Lazio, Sicilia), due amministrate da collegi dei Geometri (Emilia Romagna e Toscana) (Dardanelli et alii, 2008). In Sicilia, il Dipartimento di Rappresentazione dell Università di Palermo ha realizzato e gestisce dal 2007 una rete di stazioni permanenti, costituita da otto stazioni GNSS (Global Navigational Satellite System) ubicate nella Sicilia centro occidentale, con particolare riferimento alle province di Palermo, Agrigento, Caltanissetta e Trapani. La rete è stata progettata e realizzata nell ambito del progetto di ricerca PRIN2005 dal titolo Reti di Stazioni Permanenti per il rilievo in tempo reale per impieghi di controllo e emergenza (coordinatore nazionale: Prof. M. Barbarella, responsabile locale: Prof. V. Franco). Le stazioni permanenti hanno una interdistanza variabile tra 22 e 70 km e sono localizzate rispettivamente a Palermo, Trapani, Agrigento, Caltanissetta, Termini Imerese (PA), Partinico (PA), Prizzi (PA) e Campobello di Mazara (TP). La rete è inquadrata nel sistema di riferimento geodetico IGS05 e fornisce, in forma sperimentale, dati per servizi di posizionamento sia in post elaborazione che in tempo reale (Dardanelli et alii, 2008). Inoltre, le stazioni di Palermo, Campobello di Mazara e Termini Imerese sono state inserite nella Rete Dinamica Nazionale (R.D.N.) gestita dall Istituto Geografico Militare, per la definizione del nuovo datum geodetico italiano. La rete è gestita da un centro di controllo ubicato presso il Dipartimento di Rappresentazione dell Università di Palermo tramite il software GNSMART della Geo++, per l elaborazione dei dati in tempo reale, e dal software Meridiana Sat Enterprise della Geotop s.r.l., per l archiviazione dei dati in post elaborazione. In questo lavoro vengono presentati i primi risultati di una sperimentazione che ha riguardato il rilievo in modalità NRTK (Network Real Time Kinematic) condotto su alcuni poligoni test all interno dell area racchiusa dalla rete di stazioni permanenti. Lo studio è stato condotto sia per verificare il funzionamento generale dell infrastruttura che per valutare l accuratezza delle misure. L affidabilità è stata valutata considerando la possibilità di ricevere la correzione di rete in relazione a rilievi effettuati in zone differenti e in diverse giornate; l accuratezza è stata determinata confrontando le coordinate di un certo numero di punti determinate sia in modalità statica sia in posizionamento NRTK rispetto alle stazioni permanenti costituenti la rete.

2 2. POLIGONI DI MISURA Per l esecuzione delle misure di posizionamento sono stati individuati tre poligoni test con differenti caratteristiche, sia dal punto di vista orografico che rispetto alla ubicazione delle singole stazioni. Il primo poligono è localizzato attorno alla stazione permanente di Campobello di Mazara ed è caratterizzato da una morfologia pianeggiante; il secondo poligono è rappresentato da una zona compresa tra le stazioni permanenti di Palermo, Termini Imerese, Prizzi e Partinico ed è contraddistinto da una morfologia collinare e montuosa; infine, il terzo poligono è stato individuato considerando una zona compresa tra le stazioni permanenti di Trapani e Partinico. La scelta delle zone di misura è stata effettuata in maniera tale da potere considerare posizionamenti in situazioni differenti rispetto alla rete: punti molto prossimi ad una stazione, punti circoscritti tra più stazioni e punti compresi lungo l allineamento tra due stazioni. In fase di programmazione dei rilievi sono stati individuati, nelle zone scelte, dei vertici esistenti e appartenenti a reti realizzate da alcuni Enti Territoriali come la Regione Sicilia, l Agenzia del Territorio, l IGM e l ANAS. In questo modo è stato possibile utilizzare vertici già materializzati in modo stabile, facilmente raggiungibili e rilevabili senza particolari accorgimenti. In particolare, in questa prima fase della ricerca, sono stati presi in considerazione 7 vertici della rete IGM95 e 30 vertici della rete di raffittimento della Regione Sicilia (Figura 1). Figura 1: Ubicazione delle stazioni permanenti e dei punti relativi ai poligoni test I vertici della rete di raffittimento della Regione Sicilia fanno parte di una rete realizzata ex novo dall Assessorato Regionale Territorio ed Ambiente, nel periodo tra il 2001 e il 2004, con l obbiettivo di aumentare la densità dei vertici della rete IGM95. In particolare, la rete è stata progettata in modo che i vertici risultino distribuiti omogeneamente sul territorio regionale, con interdistanze non superiori a 10 km (mediamente 1 punto ogni 50 kmq); inoltre, tale rete costituisce nel complesso una struttura autonoma, intrinsecamente determinata da un numero sovrabbondante di misure e realizzata in ossequio alle disposizioni previste dall Intesa Stato, Regioni, Enti Locali del OPERAZIONI DI RILIEVO Le campagne di rilievo sono state eseguite nel periodo compreso tra dicembre 2007 e maggio 2008; la maggior parte dei rilievi statici sono stati eseguiti in giornate differenti da quelle del rilievo NRTK, in modo da garantire risultati svincolati da quelli determinati in tempo reale. Dei 37 punti inizialmente scelti per eseguire le prove tre non sono risultati rilevabili perché andati distrutti; inoltre su un vertice non è stato possibile eseguire il rilievo in modalità NRTK. Complessivamente il set di punti è stato quindi ridotto a 33 vertici. Tutti i rilievi sono stati effettuati con ricevitori GNSS Topcon HIPER-PRO, Topcon GB1000 e Topcon GR3 equipaggiati con controller FC-100 e FC-200 e cellulari Nokia N70 e Nokia 6630 per l accesso ad internet. Il rilievo statico è stato effettuato con tempi di acquisizione pari ad un ora per punto e intervalli di campionamento di 15 secondi (Figura 2). La post elaborazione dei dati è stato effettuato con i programmi commerciali Topcon Tools e Pinnacle; le coordinate dei punti sono state ricavate considerando le baseline dalle stazioni permanenti più vicine; mediamente si sono ottenute baseline con lunghezza variabile da pochi chilometri fino a km. Le coordinate ottenute con il rilievo statico sono state assunte come vere e utilizzate come termine di paragone per le misure in tempo reale (Barbarella et alii, 2007, Fastellini et alii, 2007). Per l esecuzione delle misure in modalità NRTK, si è tenuto in considerazione il protocollo sperimentale messo a punto nell ambito del progetto di ricerca PRIN2004 I servizi di posizionamento satellitare per l e-government (coordinatore nazionale: Prof. F. Sansò). In particolare le campagne di misura sono state effettuate considerando:

3 1. rilevamenti svolti nei giorni feriali da lunedì a venerdì, in orari tipici lavorativi ( ), senza verificare preliminarmente né la qualità della configurazione geometrica delle costellazioni satellitari, né la presenza di stazioni attive on line all interno della rete; 2. stazionamento statico con treppiede geodetico e piombino ottico, per garantire la massima precisione e limitare gli inevitabili errori di centramento del punto a terra; 3. esecuzione per ciascun punto di due sessioni separate di osservazione in differenti momenti della giornata, per ottenere configurazioni delle costellazioni satellitari tra loro il più possibile indipendenti; 4. esecuzione, per ogni sessione di misura, di due prove indipendenti, comprendendo accensione, collegamento alla rete di SP, fissaggio della ambiguità di fase, registrazione dei dati, spegnimento e re-accensione della strumentazione fra una prova e l altra), una per ciascun servizio di rete possibile dal software di gestione (VRS e FKP); 5. un intervallo di campionamento dei dati pari a 1 secondo; 6. un angolo di cut-off pari a 10 ; 7. la registrazione del punto alla 5 a epoca con soluzione di fase ad ambiguità fissate; 8. attribuzione di esito negativo alle prove per le quali non si ottenga il fissaggio delle ambiguità entro il 5 minuto a partire dalla connessione al software della rete (ricevitore in float o addirittura in stand alone). In linea generale sono state considerate tutte le indicazioni, tranne per il punto 3 in quanto si è scelto di eseguire un unica sessione di prova per punto. Complessivamente, sono state eseguite 66 sessioni di misura NRTK, cioè due sessioni indipendenti per punto, in modo tale da garantire una prova in modalità FKP e una in modalità VRS. Figura 2: Fasi del rilievo in modalità statica 4. ANALISI DEI RISULTATI L analisi dei risultati ottenuti nelle osservazioni sperimentali viene trattata separatamente per quanto riguarda l affidabilità (prove riuscite e fallite, tempi d inizializzazione, configurazioni satellitari, relazioni tra parametri statistici e tempi di fissaggio) e la valutazione dell accuratezza nel posizionamento. 4.1 Analisi della affidabilità. Con il termine di affidabilità si intende la garanzia che un impianto, un apparecchio o un organo possa funzionare correttamente nel tempo. In generale rappresenta la probabilità che un determinato componente, elemento o complesso, funzionante sotto l azione di determinate condizioni operative, possa conservare le capacità funzionali per le quali è stato realizzato. Lo studio della affidabilità è stato sviluppato a partire negli ultimi decenni soprattutto nel campo delle applicazioni ingegneristiche avanzate, come quelle spaziali, per le quali è fondamentale la conoscenza del grado di sicurezza di funzionamento di ogni singolo componente o dispositivo, ed è basato sulla legge probabilistica delle avarie di Weibull. Nelle applicazioni topografiche, tuttavia, non è possibile ricorrere a simili studi, non tanto per l impossibilità di condurre analisi statistiche, ma per la difficoltà di separare il contributo di tutti i possibili fattori di avaria del complesso di misura (ricevitore GPS, modem GSM, collegamento GPRS). Infatti, nelle applicazioni NRTK si verifica la condizione particolare nella quale l operatore, pur ricevendo in campagna sei o più satelliti, con configurazioni geometriche ottimali in termini di PDOP e GDOP, non riesce a ricevere dalla rete la correzione differenziale e quindi a determinare la sua posizione. Pertanto, nel caso di rilievi in modalità NRTK, il termine affidabilità fa semplicemente riferimento alla probabilità che l operatore possa determinare correttamente la sua posizione all interno della rete di stazioni permanenti, in funzione della modalità di calcolo adoperata (VRS, FKP). Una prima considerazione riguardo l affidabilità delle verifiche svolte può essere ricavata dalla valutazione delle percentuali di prove valide cioè quelle per le quali si è riusciti a ricevere il fissaggio dell ambiguità di fase dal software di gestione della rete (GNSMART). Complessivamente il 53% delle prove sono risultate positive mentre il 47% delle prove sono da considerarsi non valide. Queste ultime sono state suddivise in prove con esito negativo, cioè quelle nelle quali il ricevitore, seppure collegato correttamente al centro di controllo, non ha ricevuto la correzione di rete e quindi non si è ottenuto una soluzione fixed (soluzioni float e standalone) entro il tempo di acquisizione stabilito dal protocollo di rilievo (5 minuti dall accensione del ricevitore e dal collegamento), e prove fallite, nelle quali non è stato possibile operare il collegamento telefonico con i gestori della connessione ad internet (TIM e Vodafone), o poiché non vi era nessuna connessione GSM o GPRS o per altri problemi telefonici (impossibilità alla trasmissione dati Ntrip). In particolare, il 25% del totale delle prove sono risultate prove negative, mentre il restante 22% prove fallite (Figura 3).

4 Inoltre, sono state riportate le percentuali ottenute relativamente alle prove parzialmente fallite, cioè quelle nelle quali è stata possibile ricevere la correzione di rete soltanto con una delle due modalità di trasmissione, VRS o FKP; nel 70% dei casi si ottiene la soluzione di rete su ogni singolo punto con tutte e due le modalità, mentre nel 15% dei casi si è riscontrato la determinazione della posizione del punto soltanto in modalità VRS e nel restante 15% esclusivamente in modalità FKP (Figura 4). 22% 53% 25% positive fallite negative Figura 3: Percentuali di affidabilità delle prove VRS e FKP FKP VRS % fix Figura 4: Percentuali di soluzioni in modalità VRS e FKP Considerando le prove con esito positivo, sono state valutate le percentuali di soluzioni fixed in relazione ai tempi di inizializzazione; la valutazione è stata eseguita considerando il tempo trascorso dal momento della connessione del ricevitore al server del centro di controllo (modulo GNACCOUNT di GNSMART della Geo++) rispetto al momento della determinazione della soluzione fixed. La valutazione è stata condotta valutando i tempi di inizializzazione suddivisi in classi omogenee di trenta secondi consecutivi, fino al limite del tempo di prova (300 secondi, cioè 5 minuti) rispetto alle percentuali di soluzioni fixed (Figura 5). La maggior parte delle prove si concludono favorevolmente entro il secondo minuto di connessione e, in particolare, nel 85% dei casi, quelle in modalità FKP entro 90 secondi % fix VRS FKP 0 (0-30) (30-60) (60-90) (90-120) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Classi (s) Figura 5: Percentuali di soluzioni fixed in relazione ai tempi di inizializzazione Un ulteriore analisi può essere condotta mettendo in relazione la percentuale delle soluzioni fixed nelle due modalità con il numero di satelliti e con i parametri statici geometrici (PDOP e GDOP); si osserva che nel 45% dei casi le soluzioni avvengono con un

5 numero di satelliti elevati (7-9), mentre nel restante 55% dei casi si ottengono soluzioni sia con configurazioni con pochi satelliti (4-6) sia con un numero alto di satelliti (10-12) in percentuali pressoché simili (Figura 6); inoltre raffrontando la percentuale di fissaggi con il PDOP, 45% delle soluzioni avvengono con valori compresi nell intervallo tra 1-2, il 40% con valori tra 2 e 3, mentre una percentuale abbastanza limitata (15%) con valori tra 3 e 4 (Figura 7). Riportando in un diagramma le soluzioni fixed rispetto al GDOP si osserva che tutte le soluzioni avvengono con valori di GDOP minori di 6, mentre la massima percentuale di soluzioni (circa il 70% dei casi) avviene all interno dell intervallo compreso tra 1-3 (Figura 8). 45% 40% 35% 30% 25% % fix 20% 15% 10% 5% 0% (4-6) (7-9) (10-12) Numero satelliti Figura 6: Percentuali di soluzioni rispetto al numero di satelliti 45% 40% 35% 30% 25% % fix 20% 15% 10% 5% 0% (1-2) (2-3) (3-4) PDOP Figura 7: Percentuali di soluzioni rispetto al PDOP 50% 45% 40% 35% 30% % fix 25% 20% 15% 10% 5% 0% (1-2) (2-3) (3-4) (4-5) (5-6) GDOP Figura 8: Percentuali di soluzioni rispetto al GDOP Un ultima considerazione può essere fatta considerando l indice GDOP rispetto al tempo di determinazione della soluzione, per verificare se esiste una correlazione tra questi due parametri. I risultati ottenuti mostrano che tutte le determinazioni sono comprese all interno del valore massimo (300 secondi) e che buona parte di essi sono compresi nell intervallo tra 2 e 3, con tempi delle soluzioni fixed inferiori a un minuto e mezzo (Figura 9). In relazione alle prove effettuate non si riscontrano correlazioni dirette tra i parametri considerati secondi GDOP Figura 9: Tempi di inizializzazione rispetto al GDOP

6 Le prove eseguite, tuttavia, sono abbastanza limitate e non permettono di ricavare delle conclusioni definitive riguardo alle relazioni che esistono tra le soluzioni fixed rispetto alle condizioni geometriche. Si ritiene che ulteriori campagne di misura eseguite su un campione di punti maggiori potranno fornire dati più significativi rispetto a quelli ricavati in questo studio preliminare. 3.2 Analisi della accuratezza Lo studio dell accuratezza è stato condotto confrontando le coordinate rilevate in modalità statica rispetto a quelle determinate in modalità NRTK. La scelta di utilizzare le coordinate dei vertici calcolate con un rilievo statico consente di effettuare le verifiche nello stesso sistema di riferimento materializzato dalla rete di stazioni permanenti (IGS05). Il confronto è stato eseguito separatamente per la modalità VRS rispetto alla modalità FKP. Per quanto riguarda la modalità VRS sono stati ottenuti s.q.m. delle differenze tra le coordinate pari a ±3.9 cm e ±2.7 cm rispettivamente per le componenti Est e Nord e ±8.0 cm per la quota; per al modalità FKP ±3.2 cm e ±5.7 cm rispettivamente per Est e Nord e ±11.9 cm per la quota (Tabella 1). VRS FKP Est [m] Nord [m] Quota [m] Est [m] Nord [m] Quota [m] Max Min Media SQM Tabella 1: Parametri statistici dei residui ottenuti rispetto alle modalità VRS e FKP Dall esame dei risultati si osserva che complessivamente le due modalità si equivalgono per quanto riguarda i valori degli s.q.m. delle componenti Est e Nord; le uniche differenze significative si riscontrano per le determinazioni altimetriche. L accuratezza conseguita può essere ritenuta soddisfacente e sicuramente compatibile rispetto alla modalità di rilievo RTK tradizionale. Inoltre, i risultati conseguiti in analoghe sperimentazioni sono della stesso ordine di grandezza di quelli conseguiti in queste verifiche (Barbarella et alii, 2007; Fastellini et alii, 2007). 4. CONCLUSIONI L attività della ricerca condotta ha permesso di verificare il funzionamento della rete di stazioni permanenti messa a punto dall Università di Palermo e di ottenere i primi risultati in relazione alla accuratezza del posizionamento in modalità NRTK. Per quanto riguarda le verifiche di affidabilità, si è osservato che le prove valide sono pari a circa la metà dei rilievi effettuati, mentre una percentuale ancora alta (25% ) è risultata quella delle prove fallite, cioè nelle quali il ricevitore, seppure collegato correttamente al centro di controllo, non ha ricevuto la correzione di rete. Rimangono anche elevate le percentuali di prove nelle quali non è stato possibile operare il collegamento telefonico con i gestori della connessione ad internet (22%). Nella maggior parte dei rilievi eseguiti con esito positivo si ottengono correzioni di rete sia in modalità VRS sia FKP; soltanto in pochi casi (15%) si è ottenuta la correzione soltanto in una singola modalità di posizionamento (VRS o FKP). Allo stato attuale non si riesce a trovare una spiegazione valida per questo comportamento se non quello legato alla differente modalità di ricezione della correzione di rete. I tempi di inizializzazione, mostrano che nella maggioranza dei casi le prove si concludono favorevolmente entro il secondo minuto di connessione e che il metodo FKP risulterebbe essere più efficace del metodo VRS. Per quanto riguarda le prove di accuratezza, si osserva che i risultati globalmente si equivalgono per le due modalità di trasmissione, ottenendo residui centimetrici, ad eccezione della quota per le quali si ottengono anche residui decimetrici. I risultati raccolti sono frutto di uno studio condotto su un numero di punti ancora limitato; sono previste alcune campagne di misura per disporre di un numero maggiore di punti di rilievo in tutto il territorio oggetto di studio. Sarà possibile così eseguire anche delle ripetizioni sui punti già trattati, in modo da potere condurre anche delle analisi di ripetibilità delle misure nel tempo. Ringraziamenti Si desidera ringraziare i soggetti hanno collaborato alle operazioni di rilievo: l ing. Giuseppe Meduri dell Università di Reggio Calabria, gli studenti del Master Universitario in Progetto e gestione per la conservazione dei beni culturali ed ambientali dell Università di Palermo, architetti Lorenza Nacci, Daniela Caracciolo, Silvia Adamo, Gioacchino Mannarà, Rosaria Cimilluca, i geometri Vito Terzo, Davide Pellegrino e Salvatore Imparato. Un ringraziamento particolare all ing. Giovanni Giordano del Laboratorio di Ateneo di Conoscenza, Gestione e Fruizione di Beni Culturali con Tecnologia Informatiche Avanzate, Università di Palermo e all arch. Michele Caldarera, del Comune di Castelvetrano (TP). BIBLIOGRAFIA Bibliografia da riviste: Dardanelli G., Franco V., Lo Brutto M La rete GNSS per il posizionamento in tempo reale dell Università di Palermo: progetto, realizzazione e primi risultati, in corso di pubblicazione su Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia). Barbarella M., Gandolfi S., Ronci E., Precisione e accuratezza raggiunta in rilievi NRTK ripetuti. Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia), n.1/2007, pp

7 Benazzo E., Biagi L., Manzino A., Pesenti M., Roggero M., Reti GPS permanenti su scala regionale in Piemonte: inquadramento geodetico e strategie di analisi. Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia), n.1/2006, pp Biagi L., Sansò F., et alii, Il servizio di posizionamento in Regione Lombardia e la prima sperimentazione sui servizi in rete in tempo reale. Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia), n.3/2006, pp Bellone T., Cina A., Manzino A., Piras M., Roggero M., Reti di stazioni permanenti GPS per il posizionamento in tempo reale e sistemi di rilevamento a basso costo. Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia), n.2/2005, pp Cina A., Manzino A., Piras M., Roggero M., Rete test in Piemonte, impianto e risultati. Bollettino SIFET (Società Italiana di Fotogrammetria e Topografia), n.2/2004, pp Bibliografia da libri: Biagi L., Sansò F., Un libro bianco su i servizi di posizionamento satellitare per l e-government, Geomatics Workbooks, Volume 7, Ludovico Biagi, Fernando Sansò Editori, pp. 1-33, 55-81, Bibliografia da convegni: Fastellini G., Radicioni F., Stoppini A., Test di accuratezza e ripetibilità di lunga durata su posizionamenti Nrtk e Networkdgps, In: Atti 11 a Conferenza Nazionale ASITA, Torino, Italia. Cosso T., Natali D., Pesenti M., Sguerso D., Correzioni differenziali a partire da Stazioni Permanenti GPS in linea : test di posizionamento RTK, In: Atti 11 a Conferenza Nazionale ASITA, Torino, Italia.