Analisi preliminare per il posizionamento cinematico tramite dati GPS acquisiti nel progetto Roma Ocean World

Transcript

1 Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale Corso di Laurea Triennale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Analisi preliminare per il posizionamento cinematico tramite dati GPS acquisiti nel progetto Roma Ocean World Relatore Chiar.mo Prof. MATTIA CRESPI Correlatori MARA BRANZANTI AUGUSTO MAZZONI Candidata CHIARA FRANCESCA TAGLIACOZZI matricola Anno Accademico Roma, 6 novembre 2014

2 Indice Introduzione vi 1 Progetto Roma Ocean World Il giro del mondo e l Eco Le attività di ricerca Collaborazioni Contributo della geomatica al progetto Test di acquisizione e qualità dei dati Problematiche relative alla collocazione ottimale Quality check Installazione dei GPS Elaborazione cinematica VADASE Pre-elaborazione dei file Elaborazione tramite Kin-VADASE Kin-VADASE File navigazionali e di configurazione Elaborazione VADASE Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo Sincronizzazione delle epoche Tracciamento dei grafici della distanza dei ricevitori.. 22 i

3 INDICE ii 4 Confronto elaborazione VADASE ed LGO Elaborazione LGO Precisione del Kin-VADASE Differenza Kin-VADASE-LGO in coordinate cartesiane geocentriche Differenza tra Kin-VADASE e LGO in coordinate cartesiane locali Conclusioni 32

4 Elenco delle figure 1.1 Imbarcazione Eco Percorso del giro del mondo Pannelli fotovoltaici e generatoli eolici installati sull imbarcazione Eco Orto interno alla barca Collocamento delle antenne GPS Antenne GPS installate sulla tuga e in poppa alla barca Collegamento interno ai tubolari tra le antenne e i ricevitori GPS Ricevitori posizionati all interno dell imbarcazione Esempio di header di un file in formato RINEX Esempio di osservazioni contenute in un epoca di un file in formato RINEX Traiettoria dell imbarcazione Eco40 effettuata durante il test di navigazione Distanze tra le antenne GPS installate sulla barca Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla barca e dei valori del numero di satelliti Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla barca e dei valori del PDOP Base GPS stimata con il metodo delle doppie differenze iii

5 ELENCO DELLE FIGURE iv 4.2 Andamento differenza elaborazione Kin-VADASE e LGO nel tempo in coordinate cartesiane geocentriche XYZ Andamento della differenza tra elaborazione Kin-VADASE e LGO nel tempo in coordinate cartesiane locali

6 Elenco delle tabelle 2.1 Parametri calcolati con il Quality Check Parametri calcolati con il Quality Check Indici di completezza per le elaborazioni VADASE e LGO dei tre ricevitori Parametri statistici delle differenze tra elaborazione Kin-VADASE e LGO in coordinate cartesiane geocentriche Parametri statistici delle differenze tra elaborazione VADASE e LGO in coordinate cartesiane locali v

7 Introduzione La seguente trattazione si propone di descrivere le operazioni di analisi ed elaborazione dei dati GPS acquisiti nella fase preliminare del progetto Roma Ocean World. Il Roma Ocean World è un iniziativa sportiva, culturale e scientifica inquadrata nel contesto dei progetti ambientali ed ecosostenibili: il primo giro del mondo in barca a vela effettuato in solitario, in autonomia energetica ed alimentare, realizzato con un Class40 dallo skipper Matteo Miceli. Durante la navigazione saranno effettuate misure sperimentali di parametri ambientali, quali condizioni meteo-oceanografiche, vento, pressione atmosferica, temperatura dell acqua marina e dell aria, e correnti superficiali. Saranno studiati anche parametri cinematici per determinare sia la posizione che l assetto dell imbarcazione stessa, al fine di descriverne i movimenti durante la navigazione. Questi dati verranno acquisiti in parte con strumentazione elettronica presente sulla barca e in parte con apparecchiature appositamente installate a bordo da ditte specializzate che hanno collaborato con il Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale (DICEA) dell Università La Sapienza. Fanno parte di questi dispositivi tre ricevitori GPS ad alta precisione, forniti dalla società Leica Geosystems AG in collaborazione con l Università La Sapienza di Roma. Il responsabile tecnico scientifico del progetto è il Prof. Paolo De Girolamo del DICEA dell Università La Sapienza. Le misure eseguite con questi dispositivi saranno in seguito analizzate per ottenere i parametri cinematici, studiando, in particolare, la variazione delvi

8 INTRODUZIONE vii l assetto dell imbarcazione nel tempo rispetto ad un sistema di riferimento interno. Si potranno così ricostruire le onde del vento e quelle oceaniche incontrate in navigazione. I tre GPS sono stati posizionati in modo tale da poter ricostruire, mediante le coordinate di ogni singolo ricevitore, sia la traiettoria precisa della barca che l assetto di quest ultima, in modo da poter determinare gli ondeggiamenti dell imbarcazione. Le operazioni descritte in questa tesi si collocano nella fase di verifica e allestimento precedente l inizio del progetto Roma Ocean World, e riguardano l analisi dati GPS acquisiti nei mesi precedenti la partenza. Con lo scopo di ricercare un innovativa metodologia di analisi dei dati GPS semplice e precisa, le elaborazioni esposte nella trattazione sviluppano l analisi dei dati GPS dal momento dell installazione sino alla traccia della traiettoria (durante una fase preliminare di test) ed al calcolo della precisione delle coordinate elaborate. Il fine è quello di ricercare un procedura che elabori le informazioni complessive registrate durante la navigazione vera e propria restituendo i dati sperimentali richiesti. Durante la traversata, i ricevitori GPS registreranno i dati acquisiti in apposite schede di memoria. Queste informazioni, una volta terminata la navigazione, saranno sottoposte ad elaborazione e analisi da parte dell Area di Geodesia e Geomatica del DICEA dell Università La Sapienza di Roma. Tramite metodologie innovative, seguendo l iter di procedimento descritto in questa trattazione, si otterrà un resoconto complessivo ed accurato delle posizioni occupate dall imbarcazione durante i cinque mesi di navigazione. L algoritmo Kin-VADASE, utilizzato per elaborare i dati GPS acquisiti, è un estensione realizzata nel settembre 2014 del software VADASE sviluppato dall Area di Geodesia e Geomatica del DICEA e brevettato dall Università La Sapienza di Roma. Il VADASE, originariamente pensato per applicazioni statiche, stima le velocità (quindi tramite integrazione anche gli spostamenti) di un ricevitore stand alone posizionato in qualsiasi punto della superficie terrestre. In questa oc-

9 INTRODUZIONE viii casione, e grazie alla suddetta estensione, tale algoritmo è stato impiegato per la prima volta per il posizionamento cinematico. Saranno illustrati i passaggi necessari per trasformare le osservazioni acquisite dai ricevitori GPS in coordinate ad elevata precisione, al fine di dimostrare la riuscita dell applicazione di tale metodologia in questo particolare contesto.

10 Capitolo 1 Progetto Roma Ocean World Il Roma Ocean World e un progetto sportivo, culturale e scientifico che si inquadra nel contesto delle iniziative ambientali ed ecosostenibili, realizzando, in modo estremo, una rappresentazione dell avventura dell umanita imbarcata sulla terra. L iniziativa prevede l esecuzione di un giro del mondo effettuato in barca a vela, la quale, lontano dalle coste e immersa nell oceano, e di fatto come un piccolo mondo isolafigura 1.1: Imbarcazione Eco40 to, metafora del mondo in cui viviamo, dove l equipaggio e costretto a confrontarsi realmente con la scarsita delle risorse imbarcate, alimentari ed energetiche, le quali sono destinate ad esaurirsi se non vengono rinnovate e soprattutto utilizzate con criterio [3]. Lo skipper protagonista dell impresa e Matteo Miceli, mentre il responsabile tecnico scientifico del progetto e il Prof. Paolo De Girolamo del DICEA 1

11 1.1 Il giro del mondo e l Eco40 2 dell Università La Sapienza di Roma. Concretamente, il progetto si propone di raggiungere quattro eco-obiettivi principali: Mostrare i cambiamenti visibili, in atto nelle terre e nei mari toccati in questo periodo. Contribuire all indagine scientifica, sia oceanografica biologica che fisica con campionamenti, misure e prelievi. Dimostrare la possibilità di una navigazione effettuata solamente con fonti energetiche rinnovabili, attraverso odierne tecnologie e un atteggiamento responsabile; Effettuare una sperimentazione reale dell effettiva efficacia e affidabilità delle innovative soluzioni tecnologiche per la mobilità sostenibile [3]. 1.1 Il giro del mondo e l Eco40 Il progetto, patrocinato dall Università La Sapienza e dalla Regione Lazio, punta a battere tre record: compiere il primo giro del mondo in solitario senza combustibili fossili a bordo e quindi in autonomia energetica, il primo giro del mondo in solitario in autonomia alimentare e il primo giro del mondo in solitario dall Europa con un Class40. La rotta di ECO40 prevede di doppiare i Tre Capi, quello di Buona Speranza, Capo Lewinn e Capo Horn, circumnavigando quindi l Antartico. La finalità ultima dell impresa è la realizzazione di un giro del mondo su un imbarcazione ecosostenibile a bordo dell unità prototipica sviluppata Eco40. L imbarcazione, la Class40 che il velista Matteo Miceli condurrà in solitario attorno al globo per circa miglia nautiche, senza assistenza e senza scalo, viaggia in completa autonomia energetica, idrica e alimentare. La Class40, realizzata con la tecnica dell infusione sottovuoto di resina epossidica e con albero e bompresso in carbonio, è alimentata da pannelli fo-

12 1.1 Il giro del mondo e l Eco40 Figura 1.2: Percorso del giro del mondo tovoltaici calpestabili, due generatori eolici e due idroturbine a immersione, che trasformano in energia elettrica il movimento dello scafo. L energia prodotta a bordo e accumulata mediante batterie al litio e l illuminazione e interamente costituita da led ecologici; a bordo e presente un motore elettrico da 7 KW, necessario per le manovre nei porti. Figura 1.3: Pannelli fotovoltaici e generatoli eolici installati sull imbarcazione Eco40 3

13 1.1 Il giro del mondo e l Eco40 Il sistema di acquisizione dati di bordo e il software di controllo sono stati progettati e realizzati dagli ingegneri dell Universita La Sapienza, che si sono occupati anche dell integrazione delle varie fonti energetiche. Il nutrimento del suo comandante e invece assicurato da un orto biologico, illuminato artificialmente, irrigato con acqua di mare desalinizzata e fertilizzato con un compost marino a base di alghe e residui alimentari e fisici prodotti dal pilota. Per le proteine necessarie alla sopravvivenza, ad integrazione di quelle fornite dalla pesca, ci saranno due compagne di viaggio speciali: le galline LaBionda e LaMora che hanno gia affrontato il mare aperto in numerose occasioni. Figura 1.4: Orto interno alla barca Questa spartana imbarcazione, che tuttavia nella sua semplicita e un patrimonio sia economico che culturale, ha preso il largo salpando dal porto di Riva di Traiano il 19 ottobre La navigazione e prevista della durata di circa cinque mesi, in completa autosufficienza energetica ed alimentare. 4

14 1.2 Le attività di ricerca Le attività di ricerca I parametri oggetto di misura riguardano sia le condizione meteo-oceanografiche incontrate dall imbarcazione durante la navigazione, sia la posizione e l assetto dell imbarcazione stessa nel tempo. I parametri meteooceanografici che verranno misurati riguardano il vento, la pressione atmosferica, la temperatura dell acqua marina e dell aria e le correnti superficiali, mentre i parametri cinematici di posizione e assetto (e loro variazioni) dell imbarcazione consentiranno di descrivere i movimenti della barca nel tempo. Dai movimenti della barca verranno dedotte le altezze delle onde che l imbarcazione incontrerà durante la navigazione. Inoltre, l analisi dei movimenti e delle accelerazioni consentirà di definire le azioni a cui l imbarcazione è soggetta, con lo scopo di migliorare i relativi parametri di progetto. Questi parametri verranno acquisiti in parte con strumentazione elettronica facente parte dell equipaggiamento della barca e in parte con quella che è stata appositamente installata a bordo da ditte specializzate che hanno collaborato con il DICEA dell Università La Sapienza. L analisi dei dati misurati a bordo verrà eseguita da ricercatori, dottorandi di ricerca e assegnisti di ricerca afferenti al DICEA, coordinati dai docenti Paolo De Girolamo e Mattia Crespi. 1.3 Collaborazioni Al progetto hanno partecipato, a titolo gratuito o in qualità di sponsor tecnici, alcuni ricercatori italiani, ad esempio afferenti del CNR e della facoltà di Agraria dell Università Federico II di Napoli, insieme a numerose società specializzate nella realizzazione delle attrezzature utilizzate in barca o nella fornitura di servizi.

15 1.3 Collaborazioni Contributo della geomatica al progetto La società svizzera Leica Geosystems AG, leader mondiale della strumentazione GPS, si farà carico del traffico dati via satellite di Eco40 e ha inoltre fornito tre ricevitori GPS ad alta precisione installati a bordo. Le misure eseguite con questi dispositivi saranno analizzate per ottenere i parametri cinematici al fine di studiare le onde del vento attraverso la ricostruzioni degli spostamenti e delle inclinazioni della barca nel tempo rispetto ad un sistema di riferimento interno. Durante la navigazione i GPS acquisiranno dati che saranno post-processati a fine traversata. In questa trattazione ci occuperemo di descrivere le analisi preliminari effettuate prima della partenza dell imbarcazione, dall installazione di GPS alla verifica dei metodi di elaborazione che saranno usati in seguito per elaborare dati acquisiti durante la traversata.

16 Capitolo 2 Test di acquisizione e qualità dei dati 2.1 Problematiche relative alla collocazione ottimale La prima operazione è stata quella di studiare e testare i GPS sull imbarcazione, al fine di installarli nei punti migliori, sia rispetto alla ricezione del segnale, sia rispetto alla collocazione ottimale dal punto di vista pratico. Per esaminare la risposta dei GPS alle diverse situazioni di utilizzo a cui andranno incontro, i ricevitori sono stati testati in differenti condizioni di umidità, ponendo al di sopra dell antenna vari strati di tessuto spugnoso imbevuto di acqua salata. Il risultato, come ci si poteva aspettare, è stato quello di veder diminuire la qualità del segnale con l aumentare degli strati bagnati, fino ad arrivare a quattro strati, che impedivano completamente la ricezione del segnale. La ricezione è ostacolata anche dalla transizione di flussi d acqua sopra l antenna: per questo motivo è stata eseguita una prova ponendo l antenna all interno della barca, a contatto con lo strato di resina che costituisce il pavimento della coperta, in cui è stata fatta scorrere dell acqua. Per piccoli flussi il segnale era ancora presente, mentre per portate più grandi (corrispon- 7

17 2.2 Quality check 8 denti circa a 20 l d acqua riversata sul pavimento in pochi secondi) scompare definitivamente. In base a questi test si è pertanto deciso di posizionare i ricevitori in un luogo in cui assolutamente non ristagni l acqua, e che sia protetto dai flussi che in navigazione attraversano la coperta della barca. E stata studiata inoltre la geometria della barca, al fine di individuar,e per il posizionamento dei GPS, luoghi saldi e protetti che non siano di ostacolo alla navigazione. Inoltre, per rappresentare e descrivere con più accuratezza e precisione il piano della barca, le antenne dovrebbero rispettare una disposizione simmetrica ed essere tra loro il più distanziate possibile. Durante questo prima fase di verifica, i ricevitori sono stati testati acquisendo dati per brevi intervalli di tempo (circa dieci minuti ogni test) in diversi punti e in differenti condizioni della barca. I dati raccolti sono stati quindi registrati e analizzati, per confrontarli e controllare ulteriormente la loro qualità. 2.2 Quality check I dati acquisiti durante il primo sopralluogo, effettuato il 19 luglio 2014, sono stati sottoposti ad un Quality check, ovvero una verifica della qualità di ricezione, al fine di confermare le scelte di posizionamento operate durante il sopralluogo. I GPS registrano i dati salvandoli in formato proprietario (binario), i quali, per essere analizzati, devono essere convertiti in formato standard RINEX. Questa operazione viene effettuata per mezzo del software Teqc, sviluppato dall UNAVCO. Una volta creati i file RINEX, è possibile effettuare il Quality Check semplicemente usando uno specifico comando in grado di creare file di testo contenenti parametri e tabelle che riassumono la qualità dei dati e del segnale.

18 2.2 Quality check 9 first last hrs dt expt have expt/ mp1 mp2 o/ epoch epoch have slps 10:30 11: Tabella 2.1: Parametri calcolati con il Quality Check La tabella 2.1 raccoglie i parametri confrontati e analizzati a partire dal file di testo prodotto dall elaborazione del Quality Check. Sono indicati i tempi di ricezione, informazioni sui satelliti e sulle osservazioni disponibili ed effettuate, e parametri indicativi sul disturbo della ricezione, ovvero il multipath. S/N L1 summary S/N L2 summary elev tot SN1 sig mean elev tot SN2 sig mean Tabella 2.2: Parametri calcolati con il Quality Check

19 2.2 Quality check 10 A partire dai parametri sopraelencati, rappresentativi della qualità dei dati, sono state tratte delle conclusioni riportando in tabelle riassuntive i dati più caratteristici delle diverse situazioni di acquisizione, calcolandone parametri statistici come media e varianza. Nelle tabelle compaiono la percentuale di osservazioni effettuate rispetto alle osservazioni disponibili, il multipath, e il rapporto tra il numero di osservazioni e il disturbo. Nell analisi dei file del Quality Check creati a partire dalle diverse acquisizioni, è stata concentrata l attenzione sul parametro o/slps, indice del disturbo con la quale sono state acquisite le osservazioni. Tale parametro è calcolato mediante rapporto tra le osservazioni effettuate e il numero di cycle-slip, ovvero le interruzioni del segnale. Maggiore è il rapporto o/slpl, minori sono le interruzioni dell acquisizione a causa dei cycle-slip, quindi migliore è il segnale ricevuto. Una ricezione ottimale richiede quindi una alta percentuale di osservazioni effettuata, un basso multipath ed infine un elevato rapporto o/spls. Queste tabelle hanno aiutato ad operare un confronto tra le diverse acquisizioni, effettuate in luoghi e contesti diversi, scegliendo come luoghi ottimali i punti in rosso indicati nella figura: Figura 2.1: Collocamento delle antenne GPS

20 2.2 Quality check 11 I punti rossi nel disegno in figura 2.1 indicano il posizionamento ottimale e quindi definitivo scelto per le antenne: Nella tuga della barca non arriva acqua (essendo protetta superiormente da un piano di vetro e inferiormente da una superficie in resina facente parte del tetto della stiva) ed il flusso d acqua che, durante la navigazione, proviene dalla prua viene frazionato in due portate che scorrono sui lati della coperta. Inoltre, essendo l antenna riparata da un piano di vetro inclinato, non ristagna acqua sopra di esso. Gli altri due ricevitori sono invece posizionati sul roll-bar di poppa, una struttura in acciaio costruita per sostenere le pale eoliche ed i pannelli solari collocati nella poppa della barca, in modo da non ostacolare la navigazione. In questo modo i tre ricevitori costituiscono un triangolo isoscele (come si può vedere in figura 2.1) simmetrico rispetto all asse longitudinale della barca. Figura 2.2: Antenne GPS installate sulla tuga e in poppa alla barca

21 2.3 Installazione dei GPS 2.3 Installazione dei GPS Le due antenne di poppa sono state installate sul roll-bar, quindi collegate ai ricevitori interni alla barca facendo passare i cavi antenna nei tubolari che sostengono la struttura. Figura 2.3: Collegamento interno ai tubolari tra le antenne e i ricevitori GPS Tale soluzione, oltre a proteggere i cavi (seppur impermeabili) dall ambiente esterno, e anche ottima dal punto di vista pratico poiche, in questo modo, la navigazione non e ostacolata da cavi che attraversano la coperta costituendo cosı un impedimento agli spostamenti e alla gestione delle cime. La terza antenna, ubicata nella tuga della barca, e stata montata sul piano di resina che costituisce la copertura dell ingresso nella stiva, e quindi collegata (forando la resina) con i ricevitori situati, naturalmente, all interno della cabina. 12

22 2.3 Installazione dei GPS 13 Collegate tutte le antenne ai ricevitori, questi ultimi sono stati connessi uno alla volta con un pc, tramite il quale sono stati attivati. Sono state così fornite le impostazioni base per il salvataggio dei dati, che saranno registrati in schede di memoria da 8 Gb, per un totale di 72 Gb, interne ai ricevitori. Tra le impostazioni, ricordiamo: Intervallo di acquisizione di 2 Hz ( una acquisizione ogni 0.5 secondi) Lunghezza dei file delle osservazioni di un ora. Denominazione dei file archiviati. Figura 2.4: Ricevitori posizionati all interno dell imbarcazione

23 Capitolo 3 Elaborazione cinematica VADASE Per testare la ricezione del segnale durante la navigazione, simulando il contesto nel quale i ricevitori acquisiranno i dati, è stata eseguita una prova di navigazione nei dintorni del porto di Traiano, della durata di circa due ore. In questo intervallo di tempo i GPS hanno acquisito le osservazioni a 2 Hz, le quali, una volta estratte dalle schede di memoria ed elaborate, consentono di rappresentare la traiettoria effettuata dall imbarcazione (oltre ad altre elaborazioni finalizzate all analisi dell assetto della barca non descritte in questa trattazione). Sono esposte in seguito le operazioni eseguite per trasformare i file creati dai ricevitori in effettive coordinate, con le quali si possono descrivere gli spostamenti e gli altri parametri cinematici dell imbarcazione. 3.1 Pre-elaborazione dei file Come già descritto nel Capitolo 2 è stato necessario convertire i file in formato standard RINEX (Capitolo 2). I dati salvati dai GPS sono tuttavia frazionati in file di preimpostati intervalli di tempo, nel nostro caso di un ora. Otterremo quindi tanti file 14

24 3.1 Pre-elaborazione dei file 15 RINEX quante sono le ore contenute nel tempo di ricezione. Per elaborarli in modo completo è necessario unirli, pero ogni ricevitore in un unico file RINEX, all interno del quale è possibile trovare le osservazioni totali effettuate da ciascun ricevitore in uno specifico intervallo che si intende analizzare. Figura 3.1: Esempio di header di un file in formato RINEX La figura 3.1 riporta le prime righe di un file di tipo RINEX contenente le osservazioni effettuate dai ricevitori GPS. Il file RINEX inizia con una parte di intestazione in cui vengono indicate alcune importanti informazioni: il tipo di file (in questo caso sono osservazioni), il nome del file, la marca e il modello dell antenna e del ricevitore GPS, le coordinate approssimate iniziali del ricevitore, la durata di ogni epoca di acquisizione, la prima e l ultima epoca di ricezione. La figura 2.2 è un esempio dei valori osservati contenuti in un epoca di osservazione di in un file RINEX. La prima riga sta ad indicare l epoca di acquisizione, specificando anno, mese, giorno, ora, secondi e millesimi di secondo, (utili nel caso di acquisizioni con frequenza maggiore di 1 Hz). I valori che scorrono a seguire sono i veri e propri dati che acquisisce il GPS a partire dai segnali ricevuti dai satelliti. Questi valori sono quelli che i

25 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 16 Figura 3.2: formato RINEX Esempio di osservazioni contenute in un epoca di un file in software di decifrare ed elaborare al fine ricostruire le coordinate dei GPS ad ogni istante di acquisizione. 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE Kin-VADASE Il processamento dei dati è stato realizzato mediante il software Kin- VADASE, sviluppato nell Area di Geodesia e Geomatica del Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale e brevettato dall Università La Sapienza. L estensione cinematica del software VADASE è stata applicata per la prima volta su dati reali nell ambito di questo progetto, al fine di valutare gli spostamenti e le velocità dell imbarcazione. È stato necessario infatti modificare ed estendere l algoritmo alla modalità cinematica implementando il Kin-Vadase. Tale modalità consente di ricavare tra due epoche successive la variazione di posizione del ricevitore e dunque la velocità. Mediante integrazione numerica delle soluzioni si ottengono gli spostamenti, mediante differenziazione le accelerazioni.

26 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 17 L algoritmo di elaborazione del VADASE parte da una soluzione iniziale, alla quale epoca per epoca, somma lo spostamento calcolato mediante l integrazione delle velocità stimate. Questa metodologia permette la stima delle coordinate di ricevitori stand alone posizionati in qualsiasi punto della superficie terrestre, indipendentemente dall ausilio di stazioni di riferimento permanenti. Attualmente, l elaborazione dati GPS con finalità cinematiche avviene prevalentemente facendo ricorso al posizionamento differenziale. Questo approccio, sia in tempo reale che in post processing, consente di determinare la posizione di un ricevitore mobile incognito rispetto ad uno o più ricevitori di riferimento, ovvero stazioni permanenti le cui posizioni sono note a propri, generalmente gestite da un centro di controllo. In particolare, nel posizionamento in tempo reale vengono sfruttate particolari informazioni inviate dal centro di controllo delle stazioni di riferimento al ricevitore di cui si vuole studiare il moto. Per tale ragione, è sempre necessaria una connessione dati tra i ricevitori in questione. Sarebbe alquanto proibitivo applicare questa metodologia nel progetto in questione, sia per ragioni economiche, sia perché la navigazione potrebbe risultare molto lontana dalle stazioni di riferimento. Il vantaggio principale del Kinematic VADASE risiede quindi nella possibilità di garantire la continuità delle soluzioni anche durante un interruzione momentanea della connessione alla rete. L approccio variometrico infatti richiede esclusivamente messaggio navigazionale ed osservazioni collezionati da un unico ricevitore stand-alone. Il VADASE in modalità statica (così come sino ad ora è stato utilizato) consente di determinare unicamente spostamenti del ricevitore di tipo oscillatorio, ovvero che si manifestano attorno ad una posizione media di equilibrio. L algoritmo in questo caso stima lo spostamento del ricevitore tra due epoche successive a partire da un valore di posizione iniziale invariata la quale è nota grazie alla lettura del file RINEX (input del software). Allo stato attuale di sviluppo, il VADASE in modalità statica è in grado di lavorare solo quando

27 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 18 il movimento avviene in un area prossima alla suddetta posizione iniziale. In queste condizioni i risultati sono caratterizzati da una precisione dell ordine del centimetro in planimetria e di alcuni centimetri in quota. E per questa ragione che ad oggi il VADASE ha trovato grande riscontro nel campo della sismologia [2]. Per consentire lo studio con il VADASE di movimenti molto più ampi, è invece necessario aggiornare in maniera iterativa il valore di posizione iniziale nel tempo, una volta determinato lo spostamento tra due epoche consecutive. Pertanto, a partire da una posizione iniziale corrispondente alla prima epoca di osservazione, l approccio variometrico stima la variazione di posizione del ricevitore tra due epoche consecutive, quindi la velocità. Il VADASE richiede in input i seguenti file: 1. RINEX delle osservazioni 2. File navigazionali broadcast 3. File di configurazione File navigazionali e di configurazione I file navigazionali racchiudono le informazioni riguardanti il posizionamento dei satelliti durante il tempo di ricezione dei dati GPS. I parametri che permettono di ricostruire l orbita del satelliti, chiamate efemeridi, sono state prese dal portale online dalla NASA [5], che fornisce quotidianamente le efemeridi, sia broadcast che a lungo termine, di tutti i satelliti in orbita sulla terra. Nel nostro caso sono state usate le efemeridi broadcast disponibili in tempo reale, le quali vengono stimate mediante una previsione statistica sulla base di dati registrati precedentemente al giorno dell anno a cui si riferiscono. Questi parametri sono meno precisi di quelli a lungo termine, che sono processati nelle settimane successive. Tuttavia essi sono state usati poiché rappresentano meglio la condizione di utilizzo di dispositivi applicati su mezzi di trasporto per i quali, come nel nostro caso, vi è la necessità di calcolare

28 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 19 la traiettoria percorsa in tempo reale. **** VADASE CONFIGURATION FILE **** COMBINATION L3 CONSTELLATION(S) G OBSERVATION(S) L1W+L2W PROCESSING SETTINGS 1 MINIMUM NUMBER OF SATELLITES 4 SATELLITE(S) TO BE EXCLUDED NULL TROPOSPHERE MODEL 4 IONOSPHERE MODEL 1 FILTER DATA IN DIFF VAR 0 SAGNAC EFFECT 1 COMPUTE RCV CLK OFFSET 1 Il Configuration file è un file di testo contenente specifiche impostazioni di elaborazione che il VADASE legge ed esegue. A seconda delle esigenze e del contesto di applicazione del software, dovrà essere effettuata una scelta sui parametri:

29 3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 20 Combination: tipo di combinazione lineare tra le portanti, in questo caso L3 sta per una combinazione lineare (ionospheric free). Constellation: costellazione di satelliti utilizzata, G = GPS, R = GLONASS, E = GALILEO. Observation: tipo di osservazioni utilizzate. Processing setting: scelta di processamento statico o cinematico. Minimum number of satellites: numero minimo di satelliti necessari per l elaborazione. Troposphere model: scelta sulla modellizzazione della troposfera. Ionosphere model: scelta sulla modellizzazione della ionosfera Elaborazione VADASE Il VADASE restituisce in output una serie di file, tra i quali un file di testo contenente i parametri cinematici stimati epoca per epoca. A partire da questi risultati è stato possibile quindi graficare una prima traiettoria approssimata della barca. Studiando il funzionamento del software VADASE appare chiara l importanza della precisione delle coordinate di partenza, in quanto le coordinate delle epoche successive sono ottenute integrando le velocità stimate. In un elaborazione preliminare sono state usate come coordinate del punto di partenza quelle approssimate fornite dagli stessi ricevitori GPS. Tuttavia utilizzando i dati registrati prima della partenza, è possibile ricavare coordinate più precise delle posizioni iniziali dei tre ricevitori. Questa operazione è stata effettuate tramite un server online () che consente, con approccio Precise Point Positioning (PPP) in modalità statica, di stimare le coordinate dei ricevitori sulla base delle osservazioni acquisite in fase di ormeggio.

30 3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo 21 Figura 3.3: Traiettoria dell imbarcazione Eco40 effettuata durante il test di navigazione 3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo Al fine di avere una stima qualitativa della precisione del kin-vadase, è stato eseguito un calcolo delle reciproche distanze tra i tre ricevitori e dell andamento di queste ultime nel tempo. Come termine di confronto, la distanza fisica misurata a mano tra le due antenne di poppa è di metri, mentre tra quelle di poppa e quella ubicata nella tuga è di metri. Figura 3.4: Distanze tra le antenne GPS installate sulla barca

31 3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo Sincronizzazione delle epoche Per poter operare un confronto tra i dati registrati dai singoli ricevitori è stata effettuata una sincronizzazione delle epoche e delle coordinate tramite Excel. In particolare sono state condotte due operazioni: Sincronozzazione epoche iniziali e finali: sono stati fatti partire tutti e tre i file di osservazione dalla stessa epoca, corrispondente all istante in cui è stato acceso l ultimo ricevitore, e fatti finire nel medesimo tempo, istante in cui è stato spento il primo ricevitore. In questo modo, i file di osservazione dei tre GPS hanno tutti la stessa epoca di inizio e di fine. Quindi, a meno di momenti di interruzione del segnale, il numero di epoche totali del file dovrebbe risultare coincidente. Eliminazione epoche di non ricezione: le epoche di non ricezione sono gli istanti in cui i GPS non ricevono il segnale, generando un interruzione nel file delle osservazioni, o, più esattamente un salto tra le epoche. Identificate tali interruzioni, per le epoche corrispondenti sono state cancellate anche le coordinate elaborate dai GPS che avevano ricevuto bene il segnale. Il passaggio descritto sopra ha portato alla creazione di un foglio di lavoro Excel in cui ad ogni singola epoca corrispondono le diverse coordinate rilevate dai tre GPS Tracciamento dei grafici della distanza dei ricevitori Come indicatori della precisione del software di elaborazione, sono stati tracciati dei grafici che riportano l andamento delle reciproche distanze tra i ricevitori nel tempo. In aggiunta sono stati graficati anche il PDOP e il numero di satelliti visibili, al fine di spiegare eventuali discontinuità o imprevisti nell andamento delle curve di distanza.

32 3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo 23 Figura 3.5: Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla barca e dei valori del numero di satelliti Dai grafici è possibile notare che le distanze stimate tra i ricevitori, sebbene siano fisicamente costanti nel tempo, variano in funzione del numero di satelliti visibili, dei disturbi atmosferici e delle condizioni di navigazione dell imbarcazione. In particolare sono evidenti salti e discontinuità considerevoli, dell ordine anche di qualche metro, negli istanti riconducibili a virate o a variazioni dell andamento della barca. In tali momenti i ricevitori hanno osservato un basso numero di satelliti in condizioni di alto PDOP di disturbo (quindi disturbo elevato). É possibile notare infatti tre grandi salti nel valore delle distanze, collocati approssimativamente nelle stesse epoche per tutti e tre i ricevitori. Essendo l approccio del VADASE variamotrico (ovvero si necessitano osservazioni per epoche consecutive), è fisiologico che nei momenti di interruzione nel segnale esistano discontinuità. Tuttavia questa analisi è stata

33 3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo 24 Figura 3.6: Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla barca e dei valori del PDOP eseguita per avere una prima stima della qualità della ricezione nelle diverse situazioni di acquisizione.

34 Capitolo 4 Confronto elaborazione VADASE ed LGO Il Kin-VADASE è uno software di recente realizzazione, e per questo è stato posto il problema di determinare la sua precisione. A tal scopo sono state confrontate le soluzioni del Kin-VADASE con quelle elaborate attraverso il software Laica Geomatic Office (LGO), considerate soluzioni di riferimento. É stata calcolata la differenza tra i risultati delle due elaborazioni, quindi alcuni caratteristici parametri statistici quali media, deviazione standard ed RMS. 4.1 Elaborazione LGO Il software LGO stima, con precisione variabile da pochi centimetri al decimetro, le coordinate dei ricevitori GPS attraverso le differenze doppie, e quindi con l ausilio di dati registrati da una stazione di riferimento. Nel nostro caso è stata presa in considerazione la stazione permanente di Civitavecchia, distante pochi chilometri dal porto di Traiano in cui è ormeggiata l imbarcazione. Quindi sono stati forniti al software i dati registrati dalla suddetta stazione, insieme alle coordinate di quest ultima. 25

35 4.1 Elaborazione LGO 26 La base teorica di elaborazione del software LGO è il concetto delle doppie differenze. Senza dilungarsi troppo sull equazione analitica che regola questo calcolo, si vuole dare solo una breve spiegazione del metodo di elaborazione attraverso il quale si stimano le coordinate di un punto mediante l ausilio di una stazione permanente. Attraverso questo approccio non vengono stimate direttamente le coordinate di un punto, bensì la base, o vettore, tra tale punto e un altro punto dello spazio. Questo vettore ha perciò bisogno di un punto di riferimento di coordinate note (materializzato dalla stazione permanente) per essere esattamente collocato all interno di un sistema di riferimento [1]. Figura 4.1: Base GPS stimata con il metodo delle doppie differenze

36 4.2 Precisione del Kin-VADASE Precisione del Kin-VADASE Il seguente paragrafo riporta le operazoni effettuate per ricavare, a partire dalle elaborazioni Kin-VADASE e LGO dei dati GPS, parametri statistici in grado di quantificare la precisione del Kin-VADASE. A tal scopo è stato utilizzato un foglio di calcolo Excel al fine di riportare in tabelle i dati elaborati dai diversi strumenti. Per ogni epoca è stata calcolata la differenza tra le due soluzioni dopo averle sincronizzate. In particolare è stato studiato l andamento delle differenze nel punto medio dei tre ricevitori, considerato come punto rappresentativo della posizione della barca. Tuttavia nel calcolo delle coordinate del suddetto punto è emersa un anomalia nell elaborazione LGO dei dati acquisiti dal GPS di prua, collocato nella tuga. Infatti, mentre le elaborazioni LGO dei due ricevitori di poppa hanno rilevato una sola interruzione di qualche secondo, il ricevitore interno alla tuga, situato in una posizione più coperta e quindi disturbata, ha cumulato salti di elaborazione di circa dieci minuti. Gli Indici di completezza (definiti come il rapporto tra in numero di soluzioni reali e quelle ipotetiche) riportati nella tabella 4.1 mostrano la mancanza di circa il 5% delle soluzioni nell elaborazione LGO del GPS collocato in prua. Questo risultato ci porta ad affermare che in condizioni di segnale POPPA DX POPPA SN PRUA VADASE LGO Tabella 4.1: Indici di completezza per le elaborazioni VADASE e LGO dei tre ricevitori disturbato, e quindi ricezione non ottimale, il software VADASE riesce ad elaborare i dati restituendo le posizioni dei ricevitori, mentre l elaborazione LGO risulta frammentata.

37 4.2 Precisione del Kin-VADASE 28 Pertanto, nella stima del punto medio tra i ricevitori, sia per quanto riguarda l elaborazione Kin-VADASE che LGO, non sono stati considerati i dati acquisiti dal ricevitore di prua, bensì soltanto da quelli acquisiti dai ricevitori di poppa Differenza Kin-VADASE-LGO in coordinate cartesiane geocentriche Il confronto è stato eseguito calcolando la differenza (in metri) epoca per epoca delle soluzioni fornite dai due software, dapprima in coordinate cartesiane geocentriche XYZ, e successivamente riferite ad un sistema di riferimento locale (Est, Nord, Up) originato nel punto medio tra i ricevitori di poppa. La figura 4.2 mostra l andamento della differenza tra l elaborazione Kin-VADASE ed LGO nelle tre componenti XYZ. Come si può facilmente notare, il confronto ha portato ad un risultato significativamente positivo per quanto riguarda la precisione dell approccio variometrico VADASE: dal confronto le soluzioni restituite dal Kin-VADASE risultano comprese in un intorno di 1.5 metri delle soluzioni di riferimento. Nella tabella 4.2 sono riportati i parametri statistici del confronto in coordinate cartesiane geocentriche. X [m] Y [m] Z [m] Media Dev. standard RMS Tabella 4.2: Parametri statistici delle differenze tra elaborazione Kin-VADASE e LGO in coordinate cartesiane geocentriche L RMS sulle tre componenti dà un indicazione dell accuratezza delle soluzioni ottenute con il Kin-VADASE, risultante dell ordine di grandezza di

38 4.2 Precisione del Kin-VADASE 29 Figura 4.2: Andamento differenza elaborazione Kin-VADASE e LGO nel tempo in coordinate cartesiane geocentriche XYZ circa mezzo metro. In particolare dalla 4.2 emerge che vale circa 36 cm per la componente X, 27 cm per la componente Y, e 59 cm per la componente Z Differenza tra Kin-VADASE e LGO in coordinate cartesiane locali Il confronto tra le elaborazioni Kin-VADASE e LGO, per poter meglio evidenziare il comportamento in planimetria ed in quota, è stato successivamente riferito ad un sistema cartesiano locale Est, Nord e Up. Ricordiamo che il sistema di riferimento locale ha l asse z (componente Up) diretto come

39 4.2 Precisione del Kin-VADASE 30 la normale all ellossoide passante per il punto, e assi x e y diretti lungo le direzioni Nord ed Est. Per la trasformazione tra i due sistemi di coordinate è stato necessario il calcolo della direzione della normale nel punto di applicazione, e la longitudine e la latitudine di tale punto (λ e φ). A partire da questi dati, attraverso la matrice di rotazione tra sistemi di riferimento, calcoliamo la differenza dell elaborazione cinematica VADASE dalla traiettoria di riferimento in coordinate locali Est, Nord e Up. Figura 4.3: Andamento della differenza tra elaborazione Kin-VADASE e LGO nel tempo in coordinate cartesiane locali Dal grafico in figura 4.3 vediamo che gli andamenti nel tempo delle componenti del vettore differenza nel sistema locale sono differenti rispetto a quelli in coordinate geocentriche (4.2). Tuttavia, come ci potevamo aspettare visto che l operazione effettuata è stata soltanto una rotazione, il Kin-VADASE

40 4.2 Precisione del Kin-VADASE 31 restituisce risultati che si posizionano in un intorno di circa un metro dell elaborazione standard. Sono state quindi calcolate media, deviazione standard ed RMS delle differenze nel sistema di riferimento locale, riportate nella tabella 4.3: Est [m] Nord [m] Up [m] Media Dev. standard Rms Tabella 4.3: Parametri statistici delle differenze tra elaborazione VADASE e LGO in coordinate cartesiane locali I valori numerici dell rms sono di circa 33 cm per la componente Est, 46 cm per la componente Nord, e 46 cm per la componente UP. Sempre dal grafico in figura 4.3 notiamo che la componente con il valore di differenza maggiore è la componente Up. Questo risultato è una dimostrazione di quanto già noto riguardo la precisione delle elaborazioni dei dati GPS: la precisione in quota è minore che in planimetria. La media e l RMS delle differenze nelle tre direzioni sono dell ordine di alcuni decimetri, risultato significativo essendo il Kin-VADASE uno strumento variometrico che restituisce soluzioni senza l ausilio di una stazione di riferimento permanente. Ad avvalorare il risultato ottenuto si consideri il fatto che i ricevitori GPS comunemente installati a bordo di veicoli (terrestri, aerei e marittimi) restituiscono le posizioni con una precisione di alcuni metri.

41 Capitolo 5 Conclusioni Il lavoro di tesi è stato condotto all interno del progetto Roma Ocean World, un iniziativa che prevede l esecuzione di un giro del mondo effettuato in barca a vela, in solitario e in completa autonomia energetica ad alimentare, realizzato con un Class40 dallo skipper Matteo Miceli. Della strumentazione installata sull imbarcazione fanno parte tre ricevitori GPS ad alta precisione: il fine a lungo termine del progetto è quello di studiare, mediante la ricostruzione dell inclinazione e della posizione della barca nel tempo, le onde di vento e quelle oceaniche incontrate durante la navigazione. Questa trattazione si colloca nella fase preliminare del progetto Roma Ocean World, durante la quale sono state condotte prove e analisi al fine di ricercare una strategia innovativa con la quale elaborare i dati GPS che saranno acquisiti nel corso di tutta la traversata. La ricerca è stata effettuate tenendo conto delle particolare condizioni di acquisizione dei dati. I ricevitori GPS infatti acquisiranno dati lontano dalle coste e quindi dalle stazioni di riferimento, situazione in condizioni in cui i software di elaborazione differenziali sarebbero erronei e poco appropriati. L algoritmo utilizzato in questa trattazione per l elaborazione dei dati GPS, il Kin-VADASE, è un estensione realizzata nel settembre 2014 del soft- 32

42 33 ware VADASE sviluppato dall Area di Geodesia e Geomatica del DICEA e brevettato dall Università La Sapienza di Roma. Impiegato per la prima volta nel posizionamento cinematico, il VADASE è un software in grado di stimare le coordinate di un ricevitore stand alone in qualsiasi punto della superficie terrestre. In questa trattazione, tramite il Kin-VADASE, sono stati elaborati i dati acquisiti dai tre ricevitori GPS durante i mesi precedenti la partenza della barca. É stata sviluppata una metodologia preliminare che, partendo dall estrazione dei dati dalle schede di memoria, consente l analisi dei dati GPS fino alla stima delle coordinate dei ricevitori. Tale procedura di pre-trattazione dei dati verrà in seguito applicata a fine navigazione, quando saranno disponibili le osservazioni effettuate nei cinque mesi di acquisizione vera e propria. I dati registrati dai ricevitori sono stati quindi elaborati dal Kin-VADASE, e, per valutarne la precisione, è stato effettuato un confronto con una soluzione di riferimento. Questa è stata ottenuta attraverso un approccio differenziale implementato nel software Leica Geomatic Office, al quale è stata fornita come stazione di riferimento quella permanente di Civitavecchia. Precisiamo che la metodologia di elaborazione del software LGO, seppure efficiente, non potrà essere quella definitiva, da applicarsi per la navigazione in giro per il mondo, dal momento che non si avranno a disposizione stazioni di riferimento permanenti rispetto alle quali elaborare i dati. Il confronto è stato condotto sui dati acquisiti durante una navigazione della durata di circa 2 ore, effettuata nei pressi del porto di Traiano nel settembre Un primo risultato dell analisi è stato il seguente: relativamente al ricevitore di prua (ubicato nella tuga della barca) l elaborazione LGO ha un basso indice di completezza, dal momento che risente in maniera significativa della presenza di cycle slip (interruzione del segnale) e di epoche con un basso numero di satelliti visibili. Al contrario questo problema non va ad impatta-

43 34 re significativamente le soluzioni del VADASE, in quanto, anche per epoche disturbate, l algoritmo variometrico restituisce soluzioni accettabili. Il confronto tra l elaborazione VADASE e LGO è stato eseguito sulla posizione del punto medio dei ricevitori di poppa, stimando un valore RMS (indicazione dell accuratezza delle soluzioni ottenute) delle differenze tra le due soluzioni in un sistema di riferimento geocentrico. La precisione è risultata di qualche decimetro, variabile nelle tre componenti X, Y e Z. Per poter meglio evidenziare il comportamento in planimetria ed in quota, il confronto è stato successivamente riferito ad un sistema cartesiano locale Est, Nord e Up. I valori ottenuti di RMS anche in questo caso sono variabili in un intorno di circa 40 cm. Inoltre, dal grafico riportante l andamento delle differenze Est, Nord e Up nel tempo, emerge che la componente con il valore di differenza maggiore è la componente Up. Questo risultato è una dimostrazione di quanto già noto riguardo la precisione delle elaborazioni dei dati GPS, ovvero che la precisione in quota è minore di quella in planimetria. La media e l RMS delle differenze nelle tre direzioni sono dell ordine di alcuni decimetri, risultato significativo essendo il Kin-VADASE uno strumento variometrico che restituisce soluzioni senza l ausilio di una stazione di riferimento permanente. Ad avvalorare il risultato ottenuto si consideri il fatto che i ricevitori GPS comunemente installati a bordo di veicoli (terrestri, aerei e marittimi) restituiscono le posizioni con una precisione di alcuni metri. I significativi risultati ottenuti hanno portato all effettiva individuazione di una metodologia di analisi dei dati GPS: attraverso l elaborazione variometrica VADASE è stato stabilito un iter di procedimento, che a seguito del completamento della traversata effettuata dall imbarcazione Eco 40 e dell acquisizione complessiva dei dati, porterà ad ottenere le coordinate dell imbarcazione, con precisione al decimetro, in ogni istante di navigazione.