Introduzione al posizionamento e la navigazione satellitare GPS/GNSS. Ing. Guido Fastellini, PhD.

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1 Introduzione al posizionamento e la navigazione satellitare GPS/GNSS Ing. Guido Fastellini, PhD.

2 Agricoltura di precisione: cosa è L agricoltura di precisione rappresenta il complesso di tecniche e tecnologie atte a aumentare la produttività dell azienda agricola. L obiettivo è quello di fare: la giusta attività, nella giusta posizione, nel modo giusto e nell istante giusto. Richiede l uso delle nuove tecnologie come il GPS-GLONASS (GNSS) e sensori inerziali per il corretto posizionamento della guida parallela, quindi maggiore accuratezza, velocità, sicurezza e minori sprechi nelle lavorazioni Utilizza ulteriori sensori direttamente nel mezzo oppure altre informazioni come immagini aeree o satellitari per poter analizzare il terreno e costruire un GIS, fondamentale per valutare la densità di semina, stima dei fertilizzanti e tutti quei parametri che permettono un miglior sfruttamento delle caratteristiche del terreno.

3 Agricoltura di precisione: vantaggi Aumento della capacità di lavoro Maggior velocità e accuratezza Maggior larghezza effettiva (elimina sovrapposizioni) Maggior periodo utile (aumenta le ore di lavoro, si opera anche con caldo, pioggia, gelo, buio, nebbia e polvere) Riduce la fatica, lo stress e consente di aumentare la concentrazione sulle varie attività: maggiore SICUREZZA Riduce il numero di attrezzi e la loro dimensione può essere maggiore Gli operatori possono essere anche NON qualificatissimi.

4 Agricoltura di precisione: vantaggi Aumenta l accuratezza rispetto ai marcatori tradizionali (segnafile delle seminatrici) e si usa anche in colture a file o arboreti Permette la ripetibilità delle passate in differenti stagioni; Migliore distribuzione fertilizzanti, quindi ABBATTIMENTO SPRECHI, MINORE INQUINAMENTO AMBIENTALE Funzioni supplementari (mappatura e confini, ritorno al punto di sospensione, testate, ecc.)

5 Introduzione Il posizionamento satellitare si basa sulla ricezione di segnali provenienti da satelliti artificiali in orbita a circa Km dalla superficie terrestre e attraverso una tecnica di intersezione spaziale distanziometrica permette di stimare le coordinate 3D di siti occupati da stazioni riceventi in un sistema di riferimento geocentrico (WGS84) con precisioni che vanno da qualche metro a meno del cm, secondo le osservabili acquisite dal ricevitore e il tipo di rilievo eseguito.

6 Componenti di una costellazione satellitare Qualsiasi sistema GNSS comprende tre componenti principali o SEGMENTI: SEGMENTO SPAZIALE : la costellazione di satelliti. Ogni satellite invia verso la Terra via radio dei segnali che contengono essenzialmente informazioni di tempo e posizione oltre allo stato di operatività del satellite SEGMENTO DI CONTROLLO : insieme di stazioni a terra e di centrali operative che tracciano i satelliti e ne determinano le orbite ovvero le posizioni che i satelliti assumono in funzione del tempo SEGMENTO UTENZA : i ricevitori GNSS, la strumentazione accessoria e il software a disposizione degli utenti per utilizzare i sistemi GNSS. Esistono ricevitori in grado di acquisire segnali da più sistemi GNSS (ad es. GPS+GLONASS o GPS+GLONASS+GALILEO) e software in grado di elaborarne unitamente i segnali realizzando l interoperabilità tra i diversi sistemi

7 Dal GPS al GNSS GNSS= Global Navigation Satellite System GPS: 31 SAT. GLONASS: 24 SAT. GALILEO: 4 SAT. COMPASS: 16 SAT. 7

8 Dal GPS al GNSS GPS+GLONASS: vantaggi con ostacoli Le ostruzioni riducono notevolmente il numero dei satelliti disponibili e degradano le prestazioni di qualsiasi tipo di posizionamento, specie in tempo reale (istantaneo) ma anche in statico. I valori dei parametri DOP aumentano GPS GLONASS

9 Dal GPS al GNSS GPS+GLONASS: non solo un maggior numero di satelliti GPS GLONASS

10 Struttura del segnale Il segnale di tutti i sistemi GNSS, pur con alcune varianti, è caratterizzato da due componenti: CODICE e FASE FASE dell onda portante (sinusoide a frequenza > 1000 MHz) CODICE modulato sulla portante: sequenza di numeri binari ( ) corrisponde a un ONDA QUADRA a frequenza (chipping rate) molto più bassa MESSAGGIO DI NAVIGAZIONE modulato sulla portante: sequenza binaria a frequenza molto bassa, contiene dati (effemeridi broadcast, correzione orologio, stato satellite, ) Il SEGNALE RISULTANTE è la somma delle 3 componenti sopra descritte 10

11 Principi di posizionamento Il posizionamento satellitare è realizzato mediante una intersezione spaziale distanziometrica, in particolare si stimano un numero sufficiente di range, cioè di distanze satellite-ricevitore. Per la stima del range possono essere seguiti due metodi: misure di codice o pseudorange: effettuate sui codici trasmessi dal segnale, permettono di raggiungere basse precisioni (metriche), ma l'hardware utilizzato è di basso costo; misure di fase: effettuate sulla portante del segnale, permettono di raggiungere elevate (fino a subcentimetriche) precisioni, l'hardware impiegato è più costoso e è necessaria una preparazione migliore di chi opera con questi strumenti.

12 Pos. assoluto con misure di codice Posizionamento assoluto sviluppato dopo eliminazione Selective Availability (Maggio 2000) Il ricevitore GPS misura il tempo di volo necessario per il segnale a propagarsi dal satellite al ricevitore stesso: il codice (C/A oppure P) in arrivo dal satellite viene confrontato con una sua replica generata dal ricevitore; i due segnali vengono correlati elettronicamente e viene misurato il disallineamento temporale. 12

13 Pos. assoluto con misure di codice In condizioni ideali: range satellite-ricevitore= c*dt con c=vel. luce nel vuoto; con le misure di range da 3 satelliti sarebbe possibile stimare le coordinate di un punto. 13

14 Pos. assoluto con misure di codice L offset dell orologio di bordo dei satelliti viene corretto con una funzione polinomiale, i cui parametri sono inviati con le effemeridi. L offset dell orologio del ricevitore non è trascurabile: errore approssimativo di 10-3 secondi, quindi sulla misura di pseudorange: 300 Km. Si hanno quindi quattro incognite da determinare: tre coordinate della posizione dell antenna del ricevitore [X, Y, Z]; l offset dt dell orologio del ricevitore. 14

15 Pos. assoluto con misure di codice Necessarie almeno 4 misure di pseudorange ad altrettanti satelliti per pos. 3D: 15

16 Misure di fase Il ricevitore può misurare solo la parte frazionaria (la differenza all interno di un ciclo) fra portante emessa dal satellite e sinusoide replicata internamente. Il termine N, intero ed incognito è l ambiguità intera iniziale (FIXED). Essendo relativo all istante iniziale tale numero N resta costante nelle epoche successive per quel satellite. Il ricevitore può calcolare I(t0;t1). 16

17 Rilievi con tecniche satellitari Posizionamento assoluto con misure di codice; Rilievi eseguiti con tecniche che permettono maggiore accuratezza: Posizionamento relativo: due o più ricevitori posti in contemporanea acquisizione delle osservazioni di satelliti comuni per stimare le componenti del vettore baseline; Posizionamento differenziale: un ricevitore singolo posto sul vertice da rilevare (rover) stima le coordinate in posizionamento assoluto, che vengono corrette da una correzione differenziale calcolata da una stazione base (su un punto di coordinate note). 17

18 Tecnica usata in agricoltura Navigazione differenziale 18

19 Navigazione differenziale Se questa tecnica è applicata al codice del segnale si parla di DGPS (Differential GPS): Precisione raggiungibile: cm. 30 (pass to pass) Es.: DGPS da: - Satellite (EGNOS o Omnistar (VBS)) Se questa tecnica è applicata alle osservazioni di fase (RTK - Real Time Kinematic): Precisione raggiungibile: centimetrica Es.: RTK da: - Base GPS/GNSS(via radio) - Rete Stazioni Permanenti (via Internet) - Satellite (Omnistar)

20 Navigazione differenziale Riepilogo possibilità ricezione correzioni differenziali Omnistar (abbonamento) o EGNOS (gratuito) corr. da base

21 Correzioni da satelliti GEOSTAZIONARI Navigazione differenziale EGNOS (±30 CM) OMNISTAR (DA ±30 A ±10 CM)

22 Es. Navigazione DGPS: EGNOS X5 o System 110 con antenna SGR-1 Antenna SGR-1 EGNOS ± 30 cm Omnistar VBS ± 30 cm.(occorre abbonamento) DGPS da satellite DGPS da satellite

23 Varie possibilità navigazione System 150 o 350 Possibilità navigazione differenziale: EGNOS ± 30 cm (gratuito) DGPS da satellite OMNISTAR VBS ± 30 cm.(occorre abbonamento) DGPS da satellite OMNISTAR XP ± 20 cm (occorre l abbonamento) OMNISTAR HP ± 10 cm (occorre l abbonamento) RTK da satellite RTK ± 2 cm (modulo RTK, radio o VRS) RTK da BASE o RETE

24 Navigazione differenziale Correzioni differenziali RTK da satellite: + Nessun problema nella comunicazione correzioni; + Copertura globale; Correzioni ottenute da un satellite geostazionario in una determinata posizione, quindi un ostacolo (alberi,...) può interrompere l arrivo delle correzioni; Dopo la perdita di contatto dal satellite è necessario fermarsi per circa 20 minuti (tempo medio) per riottenere precisione (Omnistar HP)*; Canone abbonamento annuale oneroso (es.: Omnistar HP annuale 1250); * OMNISTAR S HP WORLDWIDE SERVICE FOR DECIMETRE GIS MAPPING, Intergeo-East Belgrade 25-Feb-2006 by Ir. Hans Visser Revision: 1.2 Date :26-Mar-2006

25 Navigazione differenziale Correzioni differenziali RTK da base (modem radio): + Comunicazione correzioni stabile; + Nessun canone; Acquisto della base; Per ogni lavoro: posizionamento, configurazione e sorveglianza della base; Limite di operatività dipendente dalla portata della radio (circa 4 Km. e dipendente dalla morfologia terreno); Legge nazionale su frequenze radio (da considerare anche quando ci si iscrive a servizi radio di correzione RTK)

26 Navigazione differenziale Correzioni differenziali RTK da una Rete di Stazioni Permanenti GPS o GPS-GLONASS. 1. NO acquisto della base; 2. Facilità d uso: turnkey=accendo e lavoro (dopo la prima configurazione); 3. in tutta l area coperta dalla rete la stessa precisione centimetrica; 4. maggiore affidabilità dovuta alla presenza della rete e alla Stazione virtuale sempre vicina al mezzo agricolo; 5. ripetibilità nel tempo delle lavorazioni; 6. Correzioni in un Sistema di Riferimento controllato; 7. NECESSITA DI COPERTURA INTERNET DELL AREA DA LAVORARE (ANCHE SE CI SONO DELLE SOLUZIONI ALTERNATIVE)

27 Indicazioni di massima per utilizzo Rete Stazioni Permanenti : Operatività dipendente da: o Classiche condizioni posizionamento GPS; o Connessione Internet; o Distribuzione e funzionalità (Controllo rete in ) Stazioni nell area; o Attività solare e errore ionosferico

28 Attività solare

29 Rete nazionale RTK GPS- GLONASS per l agricoltura di precisione

30 Background AGnet nasce da: Esperienza decennale nella realizzazione e gestione Reti; Utilizzo Rete da oltre 4 anni nel machine control;

31 Background Agnet nasce da: Oltre 2 anni di test di utilizzo della Rete nell agricoltura di precisione; I test sono diventati uso quotidiano della Rete per molte aziende dotate di sistema di guida parallela; Le tradizionali Reti di Stazioni Permanenti considerano l agricoltura un settore di nicchia rispetto alla geodesia e non dedicano risorse a tale settore; Obiettivo: Realizzare la prima (e più grande) Rete di Stazioni permanenti GPS-GLONASS GLONASS dedicata all agricoltura, con l obiettivo di fornire correzioni differenziali RTK per le guide GPS/GNSS parallele; Possibilità di implementare nuovi stream di correzione per garantire l utilizzo di tutti i marchi, già possibile; Sviluppare ulteriori servizi specifici per l agricoltura

32 194 Stazioni Permanenti GPS+GLONASS

33 Stazioni Permanenti Antenne Topcon TPSCR-3, TPSCR.G3, Ricevitori Topcon NET-G3A, NET-G3, GB-1000 Tutti i ricevitori sono in grado di acquisire i segnali GLONASS CON I VANTAGGI CITATI

34 Come funziona

35 Come funziona Tipi di stream distribuiti (N.B.: nome mountpoint): Per controllare rete e mountpoint, nella barra degli indirizzi di internet digitate: agnet.dyndns.biz:2101

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37 Correzioni differenziali Network-RTK da AGnet: Oltre ai vantaggi già citati in precedenza: 1. Copertura nazionale con la stessa precisione centimetrica; 2. in tutta Italia correzioni GPS+GLONASS (valide pure per sistemi solo GPS, mentre fondamentale per chi ha GPS+GLONASS); 3. risparmio notevole rispetto agli abbonamenti ai servizi centimetrici da satellite; 4. varie soluzioni di abbonamento: mensile, bimestrale, semestrale o annuale; 5. correzioni nel Sistema di Riferimento ETRF2000 ufficiale italiano certificato; 6. dati fruibili da qualsiasi sistema GPS o GNSS per l agricoltura;

38 Correzioni differenziali Network-RTK da AGnet: 7. Fornitura agli utenti su richiesta di report su orari e luoghi di lavoro; 8. Operatività ININTERROTTA di AGnet e assistenza telefonica ed e- mail;

39 CON AGnet CON AGnet si può lavorare ovunque senza la base SENZA AGnet ogni trattore deve lavorare con una sua base a meno che non si operi nella stessa area

40 Esempio prezzi servizi correzioni via satellite e di AGnet

41 Ulteriori servizi: Possibilità di controllare l operatività delle Stazioni Permanenti nella pagina controllo Rete;

42 Centro di controllo

43 Ulteriori servizi: Fornitura su richiesta di report analitici sintetici e/o dettagliati mensili degli orari e luoghi di lavoro del mezzo Report riassuntivo di ogni sessione di lavoro (Per ogni sessione si possiedono ulteriori dati vedi case history)

44 Ulteriori servizi: Fornitura su richiesta di report analitici sintetici e/o dettagliati mensili degli orari e luoghi di lavoro del mezzo Report sintetico di un periodo di lavoro

45 Case history AGnet Esempio di una giornata di lavoro di un cliente AGnet al confine tra Puglia e Campania. Elaborazione dei dati registrati dal centro di controllo AGnet. Tali dati possono essere forniti dietro richiesta ai clienti.

46 Case history AGnet Esempio di una giornata di lavoro di un cliente AGnet al confine tra Puglia e Campania.

51 Case history AGnet

52 Case history AGnet Esempio di una giornata di lavoro di un cliente Agnet al confine tra Puglia e Campania.

53 Case history AGnet

54 Case history AGnet 54

55 o Arature o Erpicatura o Concimazione o Diserbo o Semine o Applicazioni

56 o Arature o Erpicatura o Concimazione o Diserbo o Semine o Applicazioni

57 Semina o trapianto (es. mais, barbabietola; ortaggi) Applicazioni

58 Semina o trapianto (es. mais, barbabietola; ortaggi) Applicazioni

59 Vigneto o Solco o Guida automatica per la gestione di piantaviti o Trattamenti o Guida automatica tra i filari o Applicazioni

60 Applicazioni Altre Applicazioni dove è necessaria la guida di precisione: Semina su Sodo Strip Till Lavorazioni sopra oggetti interrati (es:tubi)

61 L agricoltura di precisione non significa solo guide parallele...

62 Gestione flotte Sistema di gestione flotte per il monitoraggio del parco macchine Controlllo istantaneo, 24 ore al giorno per 7 giorni alla settimana, ovunque.

63 Gestione flotte Sistema di gestione flotte per il monitoraggio del parco macchine DATI immediati di tutta la flotta Allarmi da inputs digitali e CAN bus visibili sul web, e SMS Allarmi di accensioni in orari non stabiliti, allarmi di movimento indesiderato a veicolo spento, allarmi di attaraversamento di aree geografice, allarmi di manutenzioni scadute. Visibili sul web, e SMS Controlllo istantaneo, 24 ore al giorno per 7 giorni alla settimana, ovunque.

64 TOPCON TIERRA SISTEMA TELEMATICO PER GESTIONE FLOTTE sviluppa prodotti e servizi nell ambito della telematica è un sistema di monitoraggio del parco macchine Il database e consultabile via web Gestione flotte

65 TOPCON TIERRA Gestione flotte TEMPO REALE

66 TOPCON TIERRA Gestione flotte STORICO TUTTI GLI EVENTI STORICI POSIZIONI STORICHE, DOVE IL MEZZO HA LAVORATO

67 TOPCON TIERRA Gestione flotte REPORT ATTIVITA e PRODUTTIVITA AREE DI LAVORO (JOB REPORTING) ORE DI LAVORO GIORNALIERE MANUTENZIONE

68 Precision Agriculture: non solo guide L agricoltura di precisione non significa solo guide parallele. Il sistema è sempre posizionato in un Sistema di Riferimento tridimensionale. Il sistema registra informazioni (attributi) in continuo associandole alla posizione 3D si crea un GIS del terreno: Relativamente a ciascun punto 3D con i sistemi di agricoltura si possono raccogliere numerose informazioni sulle lavorazioni del terreno; In ufficio posso integrarle con ulteriori informazioni provenienti da altre analisi a terra* o immagini aeree

69 Precision Agriculture: non solo guide I sistemi Topcon possono esportare: Un PDF con il riepilogo del lavoro svolto;

70 Precision Agriculture: non solo guide I sistemi Topcon possono esportare: Un PDF con il riepilogo del lavoro svolto; I dati raw dei confini, linee

71 Precision Agriculture: non solo guide I sistemi Topcon possono esportare: Un PDF con il riepilogo del lavoro svolto; I dati raw dei confini, linee Un log NMEA a 10Hz (che contiene tutte le informazioni geografiche del lavoro svolto)

72 Precision Agriculture: non solo guide I sistemi Topcon possono esportare: Un PDF con il riepilogo del lavoro svolto; I dati raw dei confini, linee Un log NMEA a 10Hz (che contiene tutte le informazioni geografiche del lavoro svolto) Gli shape files dei confini e delle passate da trattare con software con funzionalità GIS

73 Meridiana

74 QuantumGIS

75 Precision Agriculture: GIS

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77 Come integrazione dei dati acquisiti dal mezzo (mappatura, confini, censimenti ), il cliente può rilevare attraverso ricevitori geodetici uso GIS.

78 GIS in AGRICOLTURA Mappatura delle aree Mappatura delle coltivazioni Monitoraggio aree biologiche (es: nitrati dall agricoltura) Censimenti piantagioni

79 SIAN Sistema Informativo Nazionale per lo Sviluppo dell Agricoltura

80 Grazie