Le reti GNSS nella ricerca accademica. Ludovico Biagi, Politecnico di Milano, DICA.

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Dionisia Negri
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1 Le reti GNSS nella ricerca accademica Ludovico Biagi, Politecnico di Milano, DICA

2 Le reti permanenti GNSS Una rete di stazioni GNSS continuamente operante e monitorata (Continuously Operating Reference Stations) che produce: dati, stime (quotidiane o settimanali) di coordinate, altri prodotti di ricerca / servizio.

3 Ricerca inerente la scienza e la tecnica del GNSS Sviluppo scientifico e tecnologico nelle discipline e tecniche di generazione, acquisizione e elaborazione del dato GNSS satelliti, orbite, orologi,... ricevitori, antenne, correlatori,... modellazione fisica, algoritmi statistici,...

4 Ricerca di servizio / servizio alla ricerca Contributo allo sviluppo scientifico e tecnologico in discipline che utilizzano il GNSS realizzazione del sistema di riferimento globale descrizione geodinamica della Terra stime di troposfera per la meteorologia

5 L antecedente 1958: approvazione del progetto TRANSIT... (US Navy navigation Satellite system: Basato sull analisi Doppler dei segnali emessi da una costellazione di satelliti artificiali) messa in orbita, sperimentazione e applicazione del sistema TRANSIT si studiano le basi del progetto GPS

6 Lo sviluppo del Global Positioning System 1973: GPS Joint Program Office 1978 Primi lanci del Blocco Termine dei lanci del Blocco Interruzione (fallimento missione Shuttle) 1994 Completamento costellazione nominale (Full Operational Capability

7 Il progetto iniziale Precise Positioning Service Servizio di posizionamento e tempo su L1 e L2 (codici P e Y) Accuratezza orizzontale: circa 10 m Riservato ai ricevitori classificati (US Army) Standard Positioning Service Servizio di posizionamento e tempo su L1 (codice C/A) Accuratezza orizzontale degradata (Selective availability) a circa 100 m Disponibile a tutta l utenza Variazioni politiche Nel 2000 la SA viene annullata per decreto presidenziale di Clinton

8 La rete permanente del GPS: il Control Segment Realizza il Sistema di Riferimento USA: WGS-84 Monitora la costellazione Stima orbite, orologi, ionosfera (Klobuchar),... Intrinsecamente connessa alla ricerca sul miglioramento del GPS Fonte: GPS.gov

9 Posizionamento assoluto e relativo Il posizionamento assoluto: il ricevitore stima la sua posizione con osservazioni ai soli satelliti Il GPS nasce per questa applicazione

10 Il posizionamento relativo Principio fondante (1984): elaborazione delle doppie differenze di fase fra due ricevitori Un ricevitore (incognito) stima la sua posizione rispetto all altro (riferimento noto)

11 La ricerca tecnologica: due esempi Elettronica: accuratezza dei correlatori previsto σ = 1% λ: C/A = 2m attualmente σ (C/A) = cm Mitigazione del multipath nelle antenne geodetiche

12 La ricerca nel posizionamento relativo e le reti permanenti Dal 1980 circa si studiano i primi algoritmi per l elaborazione geodetica del dato GPS Nasce la necessità di testare e validare gli algoritmi Nasce la necessità di reti di riferimento GPS

13 La rete permanente globale IGS : un progetto pilota (20 stazioni) per una rete globale GPS elaborata con tecniche geodetiche Scopi primari studio e validazione degli algoritmi di elaborazione stima delle orbite e orologi a posteriori Il test ha successo: nel 1993 nasce l International GPS (oggi GNSS) Service IGS è un organismo autonomo con profonde ramificazioni nelle Università del mondo

14 La ricerca nell elaborazione geodetica dal 1980 Il calcolo a posteriori di orbite e orologi della costellazione Elaborazione statica in singola frequenza (L1) identificazione e fissaggio dei cycle slips risoluzione delle ambiguità L elaborazione delle due frequenze L1 e L2 e loro combinazioni La soluzione Ionospheric Free (L3) ad ambiguità risolte La modellazione parametrica della troposfera e sua stima Le calibrazioni delle antenne (ricevitori e satelliti)

15 Tutto ciò viene testato con SW universitario, spesso nell elaborazione di reti permanenti, Poi trasposto al SW commerciale, per gli utenti Inoltre algoritmi di reiezione degli outliers per dati rumorosi Tutto ciò viene innanzitutto applicato alla postelaborazione di dati statici......dal 1985 inizia lo studio e lo sviluppo del relativo cinematico (non derivata dall esistenza di reti permanenti, ne stimola però la diffusione a scala locale)

16 La rete IGS oggi: 570 stazioni

17 Lo stato della ricerca: esempio di prodotti IGS IGS Products L accuratezza delle orbite finali prodotte dai centri IGS negli ultimi (circa) 20 anni 2 cm Fonte: U. Hugentobler IGS Workshop June 23-27,

18 Contributo al sistema di riferimento globale Sopra: la rete globale di ITRF stazioni VLBI+SLR+GNSS+Doris di cui 578 GNSS Sotto: il campo delle velocità stimate Fonte: Z. Altamimi

19 I raffittimenti regionali Materializzano i sistemi di riferimento e permettono di studiare la geodinamica alla scala continentale In Europa: European Permanent Network Contribuiscono alla ricerca sui metodi e di servizio

20 La ricerca e lo sviluppo del relativo cinematico Dal 1985, studi preliminari di rilievi cinematici con inizializzazione statica o antenna swap per la risoluzione delle ambiguità Dal 1990, studi sulla risoluzione delle ambiguità On The Fly (in volo, durante il cinematico senza inizializzazione), tecniche di trasmissione dei dati grezzi da stazione di riferimento a ricevitori mobili, elaborazione dei dati in tempo reale... Il Real Time Kinematic: ottimale per le applicazioni topografiche, richiede piccola interdistanza (<20Km) fra riferimento e rover.

21 Le ricerche inerenti le reti per i servizi RTK Dal 1995 (circa) studio di tecniche RTK in reti locali non dense Studio e sviluppo di algoritmi per il calcolo e la distribuzione di prodotti di rete controllo di qualità in tempo reale Tipicamente nascono in contesto universitario e vengono poi compiutamente sviluppati a livello industriale

22 I servizi di posizionamento Erogano servizi per RTK Forniscono coordinate e dati per la postelaborazione Interagiscono con l Università per il progetto, il monitoraggio delle coordinate, l aggiornamento tecnologico, lo studio e la diffusione di nuove applicazioni Fonte: SPIN-GNSS

23 Le reti dense 140 E 142 E Interpretazione geodinamica Esempio: rete permanente giapponese (1500 stazioni) Fonte: M. Simons 140 E 142 E 144 E 140 E 142 E 144 E F. Ortega, Ph.D. thesis 40 N 40 N 38 N 38 N 36 N Analisi degli stress co e post sismici 144 E Minson et al., /03/11 to 2011/04/07 t = 27 [days] 50 km 2011 Tohoku-Oki, Japan /04/07 to 2011/05/17 t = 41 [days] (a) km 2011/05/17 to 2011/07/17 t = 61 [days] (b) 50 km 36 N (c) [m] Co-seismic slip:! 1sec GPS, DART, seafloor geodesy 40 N 40 N 38 N 38 N 80 m peak slip over a small region M7.8 aftershock Post-seismic afterslip:! Total time = 1.5 years Negligible overlap of co-/postseismic 36 N 2011/07/17 to 2011/10/16 t = 91 [days] 50 km Post-seismic pattern ~constant 140 E 142 E 2011/10/16 to 2012/03/01 t = 137 [days] (d) 144 E 50 km 140 E 142 E 2012/03/01 to 2012/09/22 t = 205 [days] (e) 144 E 50 km 140 E 142 E (f) 144 E 36 N

24 Alta frequenza di acquisizione Permette analisi di scuotimento, ad esempio sismico Fonte: M. Crespi

25 Il sondaggio dell atmosfera Stime di disturbo troposferico per la stazione EPN di Como Fonte: EUREF

26 Il sondaggio dell atmosfera Mappe globali di contenuto di elettroni in ionosfera Fonte: AIUB-CODE

27 Le reti permanenti e i ricevitori a basso costo per il monitoraggio locale Il monitoraggio GNSS alla scala locale è sinora stato applicato con ricevitori geodetici Questo comporta significativi problemi di budget quando sono richieste reti dense vi è significativa probabilità di danneggiamento degli strumenti monitoraggio frane! Ricerche in atto sull utilizzo di ricevitori di fascia economica (<500 E) supportati da dati e prodotti di reti locali per servizi di posizionamento.

28 Lo sviluppo del GNSS Modernizzazione del GPS a tripla frequenza E da anni completa anche la costellazione (Russia) GLONASS Beidou-Compass (Cina) sarà completato nel 2020 Galileo (CE) è in fase di sviluppo Ricerche su utilizzo delle tre frequenze, metodi ottimali di integrazione delle costellazioni.

29 Ricadute previste Posizionamento assoluto e navigazione in tempo reale maggiore accuratezza in generale (meglio del metro?) maggiore affidabilità in contesto urbano Posizionamento RTK e statico veloce maggiore efficienza nel fissaggio delle ambiguità, maggiori accuratezze e affidabilità Reti permanenti Nuove applicazioni (tomografia atmosferica?)

30 Conclusioni Il GNSS, progettato circa 50 anni fa, è tuttora in continua evoluzione I temi della ricerca ad esso connessi evolvono in parallelo e coinvolgono sia il mondo industriale sia le Università Le reti permanenti, a varia scala, permettono il posizionamento di alta precisione La loro esistenza intrinsecamente ha stimolato e stimolerà attività di ricerca (accademica e industriale)

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