SISTEMI DI INTEGRAZIONE ELETTRONICA Il sistema GPS e la tecnologia RFID

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1 Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale SISTEMI DI INTEGRAZIONE ELETTRONICA Il sistema GPS e la tecnologia RFID Docente: Luigi Ferrigno

2 GPS Il sistema GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione mondiale che utilizza una costellazione di 24 satelliti. Lo studio, lo sviluppo e la manutenzione sono interamente a cura del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Questo sistema viene di solito scomposto in tre elementi detti segmenti: il segmento spaziale, il segmento di controllo ed il segmento utilizzatore.

3 I tre segmenti SEGMENTO SPAZIALE Il satellite (sono 24, trasmettono agli operatori vari segnali ed hanno coordinate note in funzione di tempo e orbita) SEGMENTO DI CONTROLLO composto da stazioni a terra che controllano e trasmettono dati ai satelliti (correzioni degli orologi, nuove effemeridi ovvero informazioni che consentono il computo della posizione del satellite in base alle stelle fisse, le effemeridi). Queste stazioni a terra sono di coordinate note e servono solo per apportare periodicamente le correzioni di posizione dei satelliti sopra descritte. SEGMENTO UTENTE calcola la posizione del punto a terra da determinare con l'utilizzo di un'antenna (ricevitore) in base ai segnali ricevuti dai satelliti.

4 Il segmento spaziale Il segmento spaziale inizialmente si componeva di una costellazione di 24 satelliti distribuiti su 6 piani orbitali (4 per ogni piano) inclinati di 55 rispetto all Equatore ad intervalli di longitudine di 60 (attualmente il numero di satelliti è variabile da un minimo di 24 ad un massimo di 32, a seconda delle loro condizioni di funzionamento). Un satellite ogni giorno compie due rivoluzioni attorno alla terra ad una quota di km

5 Vista d insieme del sistema GPS

6 3 generazioni Nel tempo si sono susseguite diverse generazioni di satelliti GPS, differenti fra loro per le componenti installate blocco I: lanciati dal 1978 al 1985 (ormai tutti fuori uso); blocco II: lanciati dal 1989 al 1990; blocco IIA: lanciati dal 1990 ad oggi. A partire da quelli del blocco II, ciascun satellite dispone di 4 oscillatori, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio: tali oscillatori servono per garantire un segnale di tempo quanto più accurato possibile. Per il proprio approvvigionamento energetico ciascun satellite dispone di pannelli solari, con superficie di circa 7 metri e di retrorazzi per manovre correttive sull orbita

7 Il segmento di controllo Il segmento di controllo comprende 5 stazioni a terra equispaziate lungo l equatore. Ricevono continuamente i segnali emessi da tutti i satelliti per controllare le loro effemeridi (dati descrittivi sulla posizione dei satelliti) e predire la loro orbita. 1. Diego Garcia 2. Ascention Island 3. Kwajalein 4. Hawaii I dati raccolti da ciascuna stazione vengono inviati alla stazione Master (Colorado Springs) che effettua una stima quotidiana dell orbita e dell offset d orologio previsti per ciascun satellite nelle 24 ore successive

8 Il segmento di utilizzo Tale sezione è costituita da tutti gli utenti civili e militari Ogni utente è dotato di un equipaggiamento più o meno sofisticato che comprende un antenna e un ricevitore capaci di acquisire i segnali emessi dai satelliti GPS per stimare il posizionamento tridimensionale in tempo reale e di raccogliere dati per una compensazione successiva che fornisce risultati più precisi. Ciascun ricevitore è costituito da: Un antenna per la ricezione e l amplificazione del segnale satellitare Una o più schede elettroniche per l elaborazione dei segnali ricevuti Un dispositivo di comando per l elaborazione e la memorizzazione dei dati.

9 Ricevitori GPS Total Station

10 Struttura del segnale Frequenza fondamentale = 10,23 Mhz da cui vengono generate due frequenze portanti in banda L: L Mhz - Lunghezza d onda cm 19 L Mhz - Lunghezza d onda cm 24 Tre modulazioni (codici): Due codici per la determinazione della distanza Codice (C/A): Solo su L1 Codice (P): P1 su L1 e P2 su L2 Un codice di messaggio (NAVDATA) su entrambe le frequenze: Dati di correzione (orbite e clock) Stato dei satelliti (orbite e stato di salute) L'esistenza di utenti non militari richiede l'esistenza di due tipi di segnali diversi per permettere differenti precisioni nel posizionamento, da ciò l'esistenza dei codici P e C/A

11 Il principio di determinazione GPS Si basa sulla misura del tempo di percorso dei segnali emessi da più satelliti verso il ricevitore ovvero calcolare le distanze tra il ricevitore ed almeno quattro satelliti correttamente posizionati al fine di effettuare un rilevamento spaziale Immaginiamo che il satellite del quale dobbiamo misurare la distanza, disti da noi ,25 Km. Per coprire questa distanza il segnale impiega: ,25 Km / Km/s = 0, s Se il ricevitore contenesse un cronometro ad altissima precisione sincronizzato con l orologio atomico del satellite: 0, s x Km/s = ,25 Km

12 Il punto di intersezione delle sfere Il segnale emesso da un satellite è un onda sferica che si propaga nello spazio. Un punto nello spazio è individuato da tre coordinate e per tale punto passano solo tre sfere E necessario impostare un sistema di tre equazioni in tre incognite dove ciascuna equazione descrive la sfera all istante t i, quindi anche la posizione del suo centro (posizione del satellite), mentre le incognite rappresentano le coordinate x, y, z da rilevare Ma R i (pseudodistanza calcolata come differenza di orari fra satellite e ricettore) è imprecisa a causa della sfasatura degli orologi. Occorre individuare almeno una quarta equazione (quarto satellite) per determinare la posizione del Punto di coordinate (x,y,z,t)

13 errori Presenza della ionosfera e troposfera Errori nell'orologio e nell'orbita dei satelliti Errori del ricevitore Multipath - Il segnale rimbalza su superfici riflettenti ed interferisce con il segnale diretto S/A (selective availability) - Il governo USA può introdurre un errore artificiale sull'orologio dei satelliti e sulla loro orbita per degradare la precisione del sistema (disattivato dal maggio 2000) GDOP - La geometria dei satelliti

14 La geometria dei satelliti GDOP (Geometric Dilution Of Precision) quantifica l indebolimento della geometria per un posizionamento 3D nel tempo e nello spazio Il suo calcolo richiede almeno 4 satelliti. I valori di GDOP che permettono una buona determinazione delle coordinate sono compresi tra 1 e 8 (ricordando che 1 corrisponde al caso ottimale e 8 al limite inferiore). Il GDOP può essere definito schematicamente come inversamente proporzionale al volume della piramide in cui il vertice è rappresentato dal ricevitore, la base dal piano contenente i satelliti e gli spigoli sono le congiungenti tra i satelliti ed il ricevitore

15 Livelli di precisione DIPENDE DA: Tempo impiegato nella misura Tipo di ricevitori utilizzati Algoritmo di correzione applicato alle misure Modalità d uso (assoluto o differenziale) Circa 30 metri Per un ricevitore utilizzato in modo assoluto 1-5 metri Per ricevitori in modalità differenziale DGPS < 1 cm Per i sistemi più sofisticati

16 Posizionamento assoluto e differenziale Il posizionamento assoluto è il metodo di misura più diffuso dalla maggioranza degli utenti. Un solo ricevitore, infatti, è sufficiente a fornire le coordinate geografiche di un punto subito dopo la sua accensione e dopo l avvenuto tracciamento delle orbite dei satelliti da parte dello strumento Con il metodo differenziale, le coordinate di un punto vengono determinate rispetto ad una stazione di riferimento posta in un punto noto Stazione mobile ROVER Stazione fissa REFERENCE Il concetto base di questo metodo è il presupposto che la maggioranza degli errori che degradano le prestazioni del GPS in modo assoluto siano comuni a tutti i ricevitori funzionanti sulla medesima area e nello stesso momento. Il calcolo differenziale può essere effettuato: a posteriori in "Post-processing - DGPS (Differential - GPS) immediatamente nella fase di misura in "Real time" DTDGPS (Real Time Differential - GPS). Le compensazioni tra le stazioni avvengono durante la misura grazie ad un collegamento radio tra il reference e il rover

17 Il Sistema di riferimento WGS84 World Geodetic System E un sistema di riferimento cartesiano geocentrico, solidale con la terra, a cui riferire la posizione dei satelliti e dei punti da determinare gli assi x, y individuano un piano che giace sul piano equatoriale della Terra l asse z coincidente con l asse di rotazione il piano individuato dagli assi x, z, è posto in corrispondenza con il meridiano di Greenwich per riportare i punti rilevati alla cartografia esistente avremo la necessità di proiettare le coordinate rilevate sul sistema locale utilizzato (occorre conoscere il DATUM locale)

18 RFID: INTRODUZIONE TECNOLOGIE

19 L identificazione automatica - introduzione AIDC (Automatic Identification and Data Capture) Indica il reperimento automatizzato dei dati di riconoscimento univoco di un oggetto Permette di identificare con certezza, precisione e rapidità persone e oggetti Consente un maggior controllo dei flussi dati nell azienda e nel processo distributivo Barcode (mono e bidimensionali) e tag RFID costituiscono i principali strumenti AIDC attualmente disponibili.

20 RFID - funzionamento Il sistema è composto da: tag (attivo/passivo, read only/riscrivibile) Memorizza un identificativo univoco e opzionalmente ulteriori dati di fatto un tag è l equivalente di un dischetto letto a distanza, privo di capacità elaborativa propria antenna Legge i dati contenuti nei tag tramite radiofrequenza tag univoco per poter discriminare gli oggetti letti in contemporanea infrastruttura software Raccoglie e filtra i dati letti contenuti nei tag e li rende disponibili al sistema informativo aziendale Source: EPCglobal TAG ANTENNA INFRASTRUTTURA SOFTWARE

21 RFID tipologie di tag Tipologia Frequenza Tipo memoria Capacità memoria PASSIVI LF HF UHF MW Classe 0 Classe 1 1 bit Classe 2 SEMI PASSIVI ATTIVI UHF MW Classe 3 Classe 4 N Kbit

22 Caratteristiche tecniche tag RFID LF 125 KHz HF 13,56 MHz UHF MHz MW 2,54 GHz Range lettura (tag passivi) 0,5 m 1 1,5 m 3 m 5 10 m Data rate scarso buono elevato Capacità lettura metalli/liquidi Dimensione Applicazioni tipiche molto elevato buona discreta scarsa pessima molto grande controllo accessi, tracc. animali grande medio piccolo controllo accessi, tracc. oggetti tracc. pallet e contenitori, pedaggio elettronico supply chain, pedaggio elettronico