La prima sperimentazione sui servizi in tempo reale di GPSLombardia

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1 La prima sperimentazione sui servizi in tempo reale di GPSLombardia B. Betti (1), L. Biagi (1, *), L. Pinto (1, **), F. Sansò (1, *), M. Scaioni (1, ***), V. Tornatore (1), G. Valè (1, *), V. Achilli (2), G. Agugiaro (2), P. Belluomini (3), B. Benciolini (4), C. Bonacina (5), V. Casella (6), T. Cosso (7), S. Esposito (7), G. Forlani (8), M. Franzini (6), C. Lanzi (5), G. Salemi (2), M. Scuratti (3), D. Sguerso (7), A. Spalla (6), G. Vassena (5) (1): Politecnico di Milano, DIIAR, P.zza Leonardo da Vinci 32, Milano, (1, *) c/o Polo Regionale di Como, via Valleggio 11, Como, (1, **) c/o Polo Regionale di Cremona, Via Sesto 41, Cremona, (1, ***) c/o Polo Regionale di Lecco, via M. d'oggiono 18/a, Lecco, (2): Università degli Studi di Padova, DAUR-LRG, via Marzolo 9, Padova, (3): GPSLombardia, c/o IREALP, Via Melchiorre Gioia 72, Milano, (4): Università degli Studi di Trento, Dip. Ing. Civ. e Amb., Via Mesiano, 77, I Trento, (5): Università degli Studi di Brescia, Dip. di Ingegneria Civile, via Branze, 38, Brescia, (6): Università degli Studi di Pavia - DIET - Via Ferrata 1, Pavia, (7): Università degli Studi di Genova, DIMSET, via Montallegro 1, Genova, (8): Università degli Studi di Parma, Dip. Ing. Civile, via Usberti 181/A, Parma Nota importante Il presente lavoro, pubblicato on-line, contiene una sintesi dell articolo Il servizio di posizionamento in Regione Lombardia e la prima sperimentazione sui servizi di rete in tempo reale, attualmente in fase di revisione per la pubblicazione sul Bollettino SIFET: per la descrizione completa del Servizio di Posizionamento d Regione Lombardia e per le analisi di dettaglio dei risultati sperimentali si rimanda a tale lavoro. Introduzione In Regione Lombardia è ora attivo un servizio di posizionamento basato su una rete di stazioni permanenti GNSS. Il Servizio rende disponibili dati e correzioni calcolate con approccio di rete, sia per rilievi in tempo reale, sia per il postprocessamento dei dati. Lo scopo essenziale della sperimentazione qui descritta era quello di valutare l affidabilità e l accuratezza finale dei servizi di rete in tempo reale; segnatamente ci si è rivolti ai servizi finalizzati al rilievo statico, senza considerare, almeno per ora, i servizi di tipo navigazionale. A tal fine si è definito un protocollo di rilievo condiviso che simulasse il comportamento di un utente, andando però a rilevare punti di posizione già nota, in modo da confrontare i risultati con le coordinate monografate. Si riportano gli elementi basilari del protocollo di rilievo. I protocolli sperimentale e di misura Rilievo statico in tempo reale di punti della rete IGM95 o della rete regionali di raffittimento, in modo da poter confrontare i risultati del tempo reale con coordinate caratterizzate da una valenza di ufficialità nel sistema di riferimento ETRF89-IGM95. Scelta di punti a distanza maggiore di 10 km dalla SP più vicina e disposti eterogeneamente nell area coperta dal servizio, in modo da verificare l accuratezza dei servizi in tempo reale in condizioni operative generiche e ottenere risultati rappresentativi di tutte le aree coperte dal servizio.

2 Esecuzione delle misure in tutti gli orari lavorativi della giornata, senza considerare a priori la qualità della configurazione geometrica dei satelliti, per simulare un utilizzo professionale del servizio. Stazionamento statico con treppiede geodetico e piombino ottico: ciò ovviamente non è la prassi del rilievo in tempo reale, effettuato in genere con la palina, ma si volevano minimizzare eventuali errori di stazionamento. Per ogni punto di misura, esecuzione di due sessioni di rilievo in momenti diversi della giornata e quindi con geometrie di osservazione differenti. Per ogni sessione di misura, due prove indipendenti (spegnimento e riaccensione della strumentazione fra una prova e l altra) sui diversi servizi di rete forniti: in Lombardia i due servizi testati sono stati FKP e VRS. In ciascuna prova adozione dei tipici parametri di settaggio dei ricevitori, in particolare: 1. intervallo di campionamento dei dati a 1 secondo, 2. angolo di elevazione minimo impostato a 10, 3. registrazione del risultato alla 5 a epoca di soluzione di fase ad ambiguità fissate. Attribuzione di esito negativo alle prove per le quali non si fosse ottenuto un risultato entro il 5 minuto dall accensione strumentale. Non si sono poste specifiche sul tipo di connessione dati fra utente e Servizio, lasciando ad ogni gruppo la possibilità di lavorare nella sua modalità abituale: in tal modo si sono anche ottenute statistiche comparative sull affidabilità dei diversi protocolli. Il rilievo I gruppi di ricerca che hanno partecipato all esperimento sono stati: il Politecnico di Milano, nelle sue sedi di Como, Cremona, Milano e Lecco; l Università di Brescia, l Università di Genova, l Università di Parma, l Università di Pavia, l Università di Padova e l Università di Trento; le informazioni relative al rilievo sono riportate nella seguente tabella. I punti scelti per la sperimentazione sono ben disposti in gran parte del territorio coperto dal Servizio; allo stato attuale manca ancora un adeguata sperimentazione nelle zone del Mantovano e nella bassa Valtellina: in quest ultima, peraltro, all epoca dell esperimento non vi erano ancora SP operative; tali zone verranno sicuramente coinvolte in una campagna di misura successiva al completamento della rete, ovvero dopo l inclusione delle ultime SP. Numero di punti battuti 144, di cui: 19 IGM95, 125 della rete di raffittimento regionale. GNSMART FKP e VRS Servizi testati Periodo di rilievo luglio 2005 ottobre 2005 Punti non rilevabili per oggettive condizioni ambientali Sessioni di misura effettuate sui punti rilevabili Tipo di ricevitori Leica 1200 e 1230, Topcon Legacy E, Trimble 5700 e R8. 8: 7 (di cui 2 IGM95) per assenza di segnale GSM: 5 di questi in zona appenninica o alpina, 2 in pianura; 1 per pessime condizioni di visibilità GPS. 239 sessioni di rilievo: 103 punti ribattuti in 2 sessioni (in momenti diversi della giornata); 33 punti battuti in un unica sessione; per ciascuna sessione: una prova FKP e una prova VRS indipendenti, per un totale di 478 prove indipendenti.

3 Tipo di connessione dati al servizio Sessioni fallite, ovvero assenza di risultato in entrambe le prove indipendenti Sessioni parzialmente fallite, ovvero un risultato per una sola delle due prove Statistica finale delle prove Prove con esito negativo, ovvero risultato finale a più di 10 cm in planimetria o 15 cm in altimetria dal valore monografato Punti rilevabili ma con esito finale delle due sessioni negativo Tabella 1. Il rilievo in Regione Lombardia Connessione: 180 mediante protocollo TCP/IP con GSM, 298 mediante protocollo NTRIP con GPRS. 15, di cui 10 mediante protocollo TCP/IP, 5 mediante protocollo NTrip; di queste: 11 sicuramente per problemi di comunicazione; 4 sicuramente per problemi GPS. 25, di cui 17 hanno fornito risultato solo nella prova in FKP, 8 solo in quella VRS; di queste 18 mediante protocollo TCP-IP, 7 mediante protocollo NTrip; 2 sicuramente per problemi di comunicazione, 18 sicuramente per problemi GPS, 5 per cause incerte. Prove con un risultato finale, 423 di cui: 217 FKP, 206 VRS, 142 TCP-IP, 281 NTrip. 3, di cui 2 in FKP, 1 in VRS; in 2 dei 3 casi problemi di comunicazione. 1 punto: la prima sessione fallita, la seconda sessione un unica prova con risultato (FKP), ma con esito negativo. Quanto alle operazioni di rilievo, rispetto al protocollo prestabilito si verifica che, principalmente per problemi logistici, non tutti i punti sono stati rilevati in due sessioni: in ogni caso tutti i punti per i quali la prima sessione avesse dato problemi sono stati rivisitati in una seconda sessione. Nonostante queste mancanze, data la numerosità del campione, si ritiene che i risultati ottenuti siano del tutto rappresentativi, esaustivi e completi. L analisi d affidabilità: i problemi di comunicazione Anche senza considerare i punti non rilevabili per oggettive condizioni ambientali, si nota un numero significativo, anche se non critico, di sessioni fallite (15, circa il 6%): la maggior parte (11, ovvero il 73%) dei fallimenti è dovuta a problemi di comunicazione, ovvero di trasmissione dati, fra l utente e il Servizio. Inoltre vi sono due sessioni parzialmente fallite, ovvero quelle in cui una sola prova abbia avuto esito positivo, sicuramente per problemi di comunicazione. In totale quindi, anche senza considerare i casi dubbi, 24 prove indipendenti sono fallite per problemi di comunicazione; sono stati identificati tre tipi di malfunzionamento dal lato utente 1 : impossibilità di stabilire una connessione, pur in presenza di campo telefonico, malfunzionamento e quindi interruzione della comunicazione, tipicamente per problemi nel protocollo di scambio dei dati, interruzione della comunicazione con un errato protocollo di chiusura. I casi più critici sono il secondo e il terzo, poiché i più numerosi; inoltre, in tali condizioni, il modulo di GNSMART preposto alla distribuzione dei servizi in tempo reale non può riconoscere l avvenuta disconnessione dell utente; d altronde questi, anche dopo aver spento e riacceso la 1 Ci si rende conto che questa disamina è piuttosto vaga. Purtroppo però i ricevitori, tipicamente, si comportano nei confronti dell utente come delle scatole nere, con una scarsissima messaggistica sui motivi dei fallimenti e la stessa documentazione tecnica di supporto è piuttosto scarna. Molte delle conclusioni sotto riportate derivano anche da una strettissima interazione e analisi a posteriori con i tecnici del CEDeC.

4 propria strumentazione, non può riconnettersi al servizio finché la precedente connessione non risulti chiusa anche per GNSMART: tale operazione, allo stato attuale, deve essere effettuata manualmente dal personale del CEDeC. I problemi si sono verificati prevalentemente utilizzando il protocollo TCP/IP, notoriamente meno protetto da malfunzionamenti: in tal caso infatti si hanno 20 prove fallite su 180 prove totali; i malfunzionamenti risultano molto più episodici utilizzando il protocollo NTrip, più recente ma decisamente più protetto: 4 prove su 298. Si noti che le statistiche non cambierebbero considerando anche i fallimenti di causa dubbia: quattro di questi sono relativi al protocollo TCP/IP, solo uno al protocollo NTrip. Anche in base a tali risultati il Servizio ha deciso di abbandonare TCP/IP e proporre alla propria utenza unicamente il protocollo NTrip; inoltre, per NTrip, in comune accordo fra il Servizio e la Geo++ è stata studiata e applicata una soluzione tecnica che dovrebbe permettere a GNSMART di identificare automaticamente le disconnessioni, anche se irregolari. In ogni caso, una volta intuiti i termini dei problemi, questi sono sempre stati risolti mediante intervento da parte del personale del Servizio; in nessun caso i problemi si sono prolungati per intervalli di tempo tali da impedire il prosieguo delle misure durante la giornata: in definitiva tutti i punti interessati da problemi di comunicazione, parziali o totali in una sessione, sono comunque risultati rilevabili nell altra sessione. L analisi di affidabilità: i problemi GPS Nelle seguenti statistiche non si considera il punto non rilevabile per pessime condizioni di visibilità: si trova in mezzo a edifici, e in nessuna delle due sessioni di rilievo (effettuate in momenti, e quindi geometrie di osservazione, diversi) erano in vista continuativamente più di tre satelliti. Relativamente agli altri punti, vi sono quattro sessioni fallite per condizioni di osservazione non ottimali, ovvero pochi satelliti in vista o loro cattiva configurazione geometrica; due sessioni interessano punti con significative ostruzioni verso il cielo, le restanti sono fallite semplicemente perché condotte su buoni punti ma in momenti della giornata con mediocre configurazione dei satelliti. Però si nota anche che, per tutti i punti interessati, l altra sessione ha fornito risultati metricamente corretti: per tale aspetto si veda il paragrafo successivo. Inoltre almeno altre 60 sessioni sono state effettuate con configurazioni di osservazione analoghe e hanno fornito un risultato almeno in una delle due prove indipendenti. Riteniamo perciò tali statistiche di successo decisamente eccellenti. Analizziamo ora le sessioni parzialmente fallite a causa di condizioni di osservazione non ottimali, se non decisamente mediocri. Le statistiche sui fallimenti sono piuttosto (fortunatamente) limitate; in ogni caso il metodo FKP sembra mostrare una maggiore efficacia rispetto al metodo VRS: in 11 sessioni fallisce la prova VRS mentre la prova FKP ha esito positivo, solo in 7 casi avviene l opposto. Tale considerazione viene rafforzata includendo le sessioni parzialmente fallite per cause dubbie: in tutte queste la prova con esito positivo è quella FKP. I tempi di rilievo Relativamente alle prove con esito positivo, in Tabella 2 sono riportate le distribuzioni percentili dei tempi di rilievo, considerati dall accensione strumentale alla registrazione del risultato: tali tempi, perciò, comprendono il tempo di attesa per la connessione telefonica.

5 Tempi (sec) FKP VRS Complessivo Min Max Percentuale Percentile Percentuale Percentile Percentuale Percentile Tabella 2. Tempi di rilievo dall accensione strumentale. VRS: 206 prove, FKP 217 prove. Il metodo FKP risulta più efficace del metodo VRS, ottenendo percentuali di successo più alte nei primi due e tre minuti; in generale comunque si può essere pienamente soddisfatti dei risultati: più dell 80% delle prove si conclude entro due minuti dall accensione strumentale, quasi il 90% entro tre minuti. Il confronto con le coordinate monografate Si ricorda che il Servizio in Lombardia fornisce coordinate e correzioni in IGb00 mentre le coordinate monografate dei punti IGM95 e dei punti della rete di raffittimento regionale sono ETRF89-IGM95; per effettuare il confronto si sono dunque trasformati i risultati ottenuti dal rilievo in tempo reale utilizzando i già citati parametri di trasformazione stimati a livello regionale. Tutte le successive statistiche riportano confronti con le coordinate monografate, e quindi risentono anche degli errori e delle deformazioni proprie di ETRF89-IGM95: non sono quindi statistiche di precisione o accuratezza dei servizi di rete, ma solo statistiche di coerenza fra questi e l attuale materializzazione italiana del sistema di riferimento cartografico. Solo tre prove (su 423 andate a termine) hanno fornito un risultato grossolanamente sbagliato, ovvero con uno scarto rispetto alle coordinate monografate superiore a 10 cm in planimetria o 15 cm in altimetria: in termini di scarti locali Est, Nord e Quota, la prima prova presenta scarti di 20 cm, 4 cm e 4 cm, la seconda scarti di 2 cm, 16 cm e 16 cm, la terza scarti di 5 cm, 8 cm e 22 cm. In due casi si tratta sicuramente di un errore, giacché l altra prova della medesima sessione e le prove dell altra sessione hanno fornito risultati coerenti con le monografie: in particolare, per il primo punto entro 2 cm, per il secondo entro 4 cm; per il terzo punto la prova con risultato negativo è anche l unica prova con un risultato finale: le altre tre prove sono infatti state interrotte per problemi di comunicazione. Tale punto (lo ricordiamo, fra più di cento interessati dal rilievo) è quindi anche l unico a riportare un esito completamente negativo al termine dell esperimento. Gli errori della prima e della terza prova sono probabilmente dovuti a problemi di comunicazione con il servizio, non gravi al punto da interrompere il rilievo ma sufficienti per inficiare la stima delle coordinate; il restante è probabilmente dovuto a cattiva configurazione di osservazione, essendovi solo 5 satelliti in vista; due di essi sono relativi a prove FKP, uno alla prova VRS. Le altre prove (420) mostrano risultati decisamente soddisfacenti: in Tabella 3 sono riportate le statistiche principali degli scarti; le deviazioni standard sono di circa 2 cm in planimetria e di circa 4 cm in altimetria e non si vedono differenze significative fra risultati FKP e VRS: quindi, almeno in planimetria, gli scarti sono caratterizzati da una dispersione confrontabile con l accuratezza delle coordinate monografate. I valori medi degli scarti nelle coordinate planimetriche (in particolare per la componente Nord) non sono esattamente nulli; ciò è probabilmente dovuto alla necessità di

6 migliorare le stime della trasformazione fra SR IGb00 e ETRF89-IGM95 nel territorio lombardo: come già detto, tale aspetto è attualmente in corso di studio. Relativamente all altimetria, vi sono ventidue prove per le quali lo scarto è in modulo superiore a 9 cm; 7 di queste costituiscono casi isolati, ovvero sono relative a punti per i quali le altre prove sono molto più coerenti (o con scarti di segno opposto) con le quote monografate: si può quindi parlare di errori di stima. Le restanti quindici prove sono però relative a punti per i quali tutte le altre prove danno risultati simili, ovvero con scarti superiori in modulo a 5 cm e concordi di segno. Si evidenziano i tre punti IGM95 di Cagno, Como S. Anna e Albese con Cassano, disposti nella provincia di Como, lungo la direttrice fra Varese e Lecco. Ovviamente i risultati in tempo reale non costituiscono uno strumento per validare un sistema di riferimento; peraltro tali punti, già all epoca dell inquadramento della rete regionale di raffittimento, avevano dato significativi problemi in quota (Prof. Guzzetti, comunicazione personale): quindi, almeno in questi casi, ci appare difficile attribuire le differenze al puro errore di misura, mentre appare più ragionevole ipotizzare anche una deformazione altimetrica di ETRF89-IGM95. Conclusioni Un estensivo esperimento sui servizi in tempo reale, che ha coinvolto un numero significativo e ben distribuito di punti, ha testimoniato la buona affidabilità e accuratezza dei servizi in tempo reale. Vi sono stati problemi di comunicazione fra utente e programma di distribuzione dei servizi presso il CEDeC: tali problemi erano però quasi del tutto addebitabili a un protocollo di comunicazione instabile, ora sostituito dal protocollo NTrip, molto più stabile; in ogni caso, all interno di un campione di più di cento punti rilevabili, solo uno ha dato esito completamente negativo in entrambe le sessioni. Il 90% dei rilievi si conclude entro tre minuti dall accensione strumentale. In tal senso il metodo FKP sembra più efficace del metodo VRS; tale conclusione è particolarmente vera per i rilievi condotti con configurazione dei satelliti non ottimale. Su più di quattrocento risultati ottenuti, solo tre presentano errori grossolani, dell ordine di due decimetri. I restanti risultati sono caratterizzati da dispersioni pari a 2 cm in planimetria e 4.5 cm in altimetria nel confronto con le coordinate monografate. Nel lavoro completo in fase di pubblicazione, per un sottoinsieme di punti sono riportati anche i confronti del tempo reale con le postelaborazioni statiche su sessioni prolungate: in tali casi gli scarti mostrano dispersioni di 1.5 cm in planimetria e 4 cm in altimetria. Si ritengono tali risultati particolarmente soddisfacenti, anche perché ottenuti in una fase di assestamento della rete, e rappresentativi anche di rilievo in condizioni abbastanza critiche, ovvero a grande distanza dalla stazione permanente più vicina o in area montuosa. Ringraziamenti Il presente lavoro è interamente finanziato dal MIUR, e si inquadra nell ambito del Progetto di Ricerca di Rilevante Interesse Nazionale I servizi di posizionamento satellitare per l e-government, coordinatore nazionale Prof. F. Sansò. Bibliografia AAVV (2004), Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP), version 1.0, Belluomini P., Biagi L., Sansò F., Scuratti M., Novembre C. (2004), Il servizio di posizionamento della Regione Lombardia: stato di avanzamento, Atti della 8 Conferenza ASITA, Roma. Biagi L., Caldera S., Sansò F., Visconti M. G. (1-2005), Parametri di trasformazione fra coordinate rete e coordinate utente per la Regione Lombardia,

7 Biagi L., Crespi M., Manzino A., Sansò F., (2006), I servizi di posizionamento basati su reti di stazioni permanenti GNSS, relazione invitata alla 9 Conferenza ASITA, 2005, Catania, in pubblicazione sul Bollettino SIFET. Biagi L., Sansò F., Scuratti M., Laffi R., Novembre C., (2003), Il Servizio Regionale di Posizionamento per la Lombardia, Atti della 7 Conferenza ASITA, Verona. Boucher C., Altamini Z., (2001), Memo: specifications for reference frame fixing in the analysis of a EUREF GPS campaign, Donatelli D., Maseroli R., Pierozzi M. (2002), La trasformazione tra sistemi di riferimento utilizzati in Italia, Bollettino di Geodesia e Scienze Affini, Anno LXI, N 2 Ferland R., Gendt. G., Schone T. (2004), IGS Reference Frame Maintenance, Proceedings of IGS: Celebrating a decade of the International GPS Service, Berne, March 1-5, 2004, AIUB, Berne. Radio Technical Commission for Maritime Services (2001), RTCM recommended standards for differential GNSS service, Version 2.3, RTCM paper , August 20, Radio Technical Commission for Maritime Services (2004), RTCM recommended standards for differential GNSS service, Version 3.0, RTCM paper, , February 10, Surace L. (1995), La nuova rete geodetica nazionale IGM95: risultati e prospettive di utilizzazione, Bollettino di Geodesia e Scienze affini, Anno LIV, N 2. Wubbena G. (2001), On the modelling of GNSS observations for high precision position determination, Translation of Wubbena, G. (2001). Zur Modellierung von GNSS Beobachtungen für die hochgenaue Positionsbestimmung. Wissenschaftliche Arbeiten Fachrichtung Vermessungswesen an der Universität, Hannover, Festschrift Prof. G. Seeber zum 60. Geburtstag, Nr. 239, Hannover, Wübbena G., Bagge A., Schmitz M., (2002), Network Based Techniques for RTK Applications, Presented at the GPS Symposium, GPS JIN 2001, GPS Society, Japan Institute of Navigation, November , 2001, Tokyo, Japan, Wübbena G., Bagge A., (2002) RTCM Message Type 59 FKP for transmission of FKP Version 1.0, Geo++ White Paper Nr ,

8 FKP Num 215 Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm) Media Deviazione Standard Minimo Massimo VRS Num 205 Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm) Media Deviazione Standard Minimo Massimo Complessivo Num 420 Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm) Media Deviazione Standard Minimo Massimo Prove lunghe Num 53 Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm) Media Deviazione Standard Minimo Massimo Tabella 3. Statistiche dei risultati. Confronti fra risultati in tempo reale e valori da monografie dei punti IGM95 o della rete di raffittimento. Prove lunghe: prove che hanno richiesto tempi di rilievo superiori a 3 minuti. 2D: scarto in planimetria. Dalle statistiche sono esclusi gli unici 3 risultati con scarto rispetto alle coordinate monografate superiore a 10 cm in planimetria o a 15 cm in altimetria.