Il Servizio di Posizionamento della Regione Lombardia: stato di avanzamento

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1 Il Servizio di Posizionamento della Regione Lombardia: stato di avanzamento Paolo BELLUOMINI (*), Ludovico BIAGI (**), Fernando SANSO (**), Marco SCURATTI (*), Claudio NOVEMBRE (*), Roberto LAFFI (***) (*): IREALP, Via Melchiorre Gioia Milano, tel , fax , (**): Politecnico di Milano Polo Regionale di Como, Via Valleggio Como, tel , fax , (***): Regione Lombardia, D.G. Territorio e Urbanistica - SIT, roberto_laffi@regione.lombardia.it Riassunto. Nel presente articolo viene presentato il lavoro svolto nel periodo fra ottobre 2003 e ottobre 2004 nell ambito di una Convenzione Quadro sottoscritta da Regione Lombardia, Fondazione IREALP (Istituto di Ricerca per l Ecologia e l Economia Applicate alle Aree Alpine) e Politecnico di Milano Polo Regionale di Como per la creazione di un Servizio di posizionamento GPS sul territorio regionale. Abstract. In this article is summarized the work done between october 2003 october 2004 in the framework of an agreement involving Regione Lombardia, Fondazione IREALP (Istituto di Ricerca per l Ecologia e l Economia Applicate alle Aree Alpine) and Politecnico di Milano Polo Regionale di Como to create a GPS Positiong Service in the Lombardia Region. 1. Introduzione. Nella scorsa edizione di ASITA venne presentato (Biagi et al, 2003) il progetto di Servizio di Posizionamento GPS per la Regione Lombardia, evidenziandone le finalità e descrivendone gli aspetti tecnici previsti più rilevanti: nell ultimo anno si sono avviati i lavori di realizzazione. In particolare è stato redatto un progetto definitivo; su tale base si è redatto un Capitolato Speciale d Appalto per la fornitura e la messa in opera di hardware e software necessari alla realizzazione del servizio; quindi è stata bandita e aggiudicata la relativa gara. La rete di Stazioni Permanenti (SP) e il Centro di Elaborazione Dati e Controllo (CEDeC) sono attualmente in fase di realizzazione avanzata: si prevede quindi che la Regione Lombardia disporrà, nei primi mesi dell anno 2005, di una sottorete regionale composta da almeno 14 SP e pronta a fornire, a livello sperimentale, dati e prodotti per il posizionamento in tempo reale e per il postprocessamento nel territorio coperto dalla sottorete. 2. L individuazione finale dei siti. Rispetto al progetto originale (18 o 19 SP), la rete attualmente in fase di creazione e oggetto del presente articolo è composta da una sottorete di sole 14 SP, ubicate secondo lo schema proposto in figura 1. Si noti che l area alpina, non coperta dall attuale schema, sarà coinvolta a breve dalla realizzazione di una ulteriore sottorete di 4 SP, rientranti in un progetto INTERREG III B Spazio Alpino ( per il controllo della geodinamica nell arco alpino: tali SP, una volta operative, saranno incluse anche nella rete regionale a garantire la copertura omogenea dell intero territorio lombardo. La decisione finale sull ubicazione delle 4 SP a scopo geodinamico è in corso d atto; in tutti i casi anche per esse è prevista la monumentazione e la connessione al Servizio entro il In base alla configurazione di rete prevista, IREALP ha eseguito le prime indagini per l individuazione di siti potenzialmente adatti ad ospitare le SP, in termini di fruibilità dei siti al

2 Servizio e di loro idoneità rispetto agli standard usualmente adottati per la realizzazione di SP; si noti che si è scelto di installare le SP della attuale sottorete su edifici presidiati e connessi alla rete elettrica e telefonica. In fase di indagine preliminare su tutti i siti è stata effettuata una prova non definitiva di acquisizione dati di 1 ora; per la validazione definitiva dei siti si stanno ora effettuando, in collaborazione con la ditta appaltatrice, prove rigorose di 48 ore di acquisizione con controllo di qualità secondo quanto descritto nel paragrafo 7. In base agli esiti delle indagini preliminari si è dovuto modificare lievemente la configurazione iniziale. La nuova configurazione rispetta comunque le ipotesi iniziali, ovvero una buona copertura dell intero territorio interessato dalla sottorete, con distanza massima di ogni suo punto di circa 35 km dalla SP più vicina e interdistanza tra le SP di circa 50 km: ci si attende che tale configurazione permetterà in futuro di ottenere il posizionamento con precisioni perlomeno catastali nelle seguenti modalità di rilievo: a) statico in tempo reale mediante ricevitori a doppia frequenza, b) statico in postprocessamento mediante ricevitori in singola frequenza. 3. La partecipazione delle università lombarde. Il servizio regionale intende proporre alla futura utenza dati e prodotti la cui qualità sia certificata e monitorata. A tale scopo, pertanto, si è ritenuto necessario coinvolgere nel progetto le principali sedi di Atenei lombardi attivamente impegnati nel settore del posizionamento mediante GPS: il Politecnico di Milano: DIIAR, Poli di Como, di Cremona, di Lecco e di Mantova; l Università degli Studi di Brescia: DIC; l Università degli Studi di Pavia: DIET. Tali sedi sono rappresentate all interno della Consulta Scientifica del Servizio, del quale fanno parte anche rappresentanti di Regione Lombardia e IREALP; la Consulta ha la finalità di verificare la continuità e la qualità dei dati e dei prodotti forniti e di pianificare e coordinare le attività di ricerca e di formazione dei futuri fruitori del Servizio. Presso le suddette sedi universitarie saranno ubicate 7 delle 14 SP della sottorete; nel contempo gli atenei, per scopi di ricerca, avranno accesso gratuito a dati e prodotti forniti dal Servizio. 4. Il bando di gara. Il bando di gara, espletato nella modalità di Appalto Concorso bandito da IREALP e pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n 82, parte seconda del 7 aprile 2004, richiedeva la fornitura dei seguenti prodotti e servizi, le cui caratteristiche previste erano dettagliate nel disciplinare tecnico (AAVV, 2004). Se ne riportano, in estrema sintesi, gli elementi essenziali. Fornitura e installazione di 9 nuove stazioni permanenti. Alle ditte era richiesto di formulare un offerta tecnico-economica per la fornitura della strumentazione necessaria alla realizzazione delle SP e per la loro monumentazione sul sito. Per quanto riguarda gli aspetti tecnologici di base inerenti le caratteristiche della strumentazione GPS, si è ritenuto necessario fare riferimento alla relativa documentazione EPN e IGS (EPN-CG, EPN-CB, 2004). Inoltre, viste le ovvie esigenze di continuità da parte della futura utenza, si richiedeva che le SP garantissero la propria autonomia di funzionamento e memorizzazione dei dati almeno per 72 ore rispetto a interruzioni nella rete di alimentazione e/o di trasmissione dati. Si richiedeva alla ditta che le SP fossero completamente monitorabili e gestibili dal CEDeC. Per tali motivi e per ovvie semplificazioni di gestione si suggeriva una soluzione che non prevedesse un PC locale come tramite tra il ricevitore e il CEDeC, ma la connessione diretta del ricevitore alla rete dati: l esperienza quotidiana nella gestione di stazioni permanenti dimostra infatti che la maggior parte dei problemi di una stazione permanente è dovuta ad un malfunzionamento del PC. Per la monumentazione sono stati posti dei requisiti generali sulla stabilità dell ancoraggio del pilastrino alla struttura e sull indeformabilità del pilastrino stesso, suggerendo alcune soluzioni possibili. Si chiedeva alle ditte di proporre alcuni progetti-tipo coerenti con tali requisiti. E inoltre prevista la materializzazione di una rete locale di controllo topografico di stabilità per ogni sito.

3 Si noti che la creazione dell infrastruttura di comunicazione fra SP e CEDeC è stata curata da IREALP e non è stata pertanto oggetto dell appalto. Gestione delle SP da remoto. La maggior parte delle SP sarà ospitata presso siti i cui gestori non sono in grado di prestare assistenza in caso di necessità: è stata pertanto inclusa, all interno del bando, la richiesta di poter configurare e gestire interamente da remoto ogni aspetto delle SP. In particolare, si richiedeva di poter gestire i seguenti aspetti: 1. verifica del corretto funzionamento, incluso lo stato dell alimentazione elettrica; 2. modifica dei parametri di configurazione; 3. trasferimento e archiviazione dei dati al CEDeC, di prassi in automatico, ma anche in manuale; 4. analisi periodica e automatica di qualità generale sui ricevitori e sui satelliti osservati; 5. gestione razionale e backup automatico dei database (monografie, dati, rapporti di qualità, ); Fornitura di un SW per la compensazione della rete e per la distribuzione di correzioni differenziali in tempo reale (SWTR). In accordo ai moderni approcci (si veda ad esempio Landau, 2001 o Wubbena, 2001) sono state richieste le seguenti caratteristiche: 1. compensazione automatica e periodica (post-processamento) della rete; 2. compensazione continua di rete e stima delle ambiguità di fase; 3. stima in tempo reale dei disturbi e degli errori sulle osservazioni di codice e fase delle SP; 4. modellizzazione spaziale e temporale dei disturbi e degli errori; 5. distribuzione in tempo reale agli utenti di a. osservazioni di codice e fase delle singole SP; b. vettore di stato dei disturbi e degli errori (noto come approccio FKP) e/o c. disturbi e errori predetti localmente (noto come approccio VRS). 6. calcolo mediante analogo approccio di dati e prodotti per il postprocessamento. Si è inoltre richiesto esplicitamente che il SW proposto fosse stato già sperimentato e utilizzato con successo in una rete di servizio con dimensioni analoghe o superiori a quella da realizzare, in modo da avere ragionevoli garanzie di stabilità. Garanzie e assistenza. In considerazione dei requisiti di qualità e continuità, sono stati richiesti alla ditta appaltatrice tempi di risposta, in caso di malfunzionamento, molto ristretti. In particolare, è prevista la sostituzione entro 1 giorno lavorativo dalla chiamata degli apparati hardware non funzionanti. In caso di malfunzionamenti del software è previsto l intervento onsite entro 1 giorno lavorativo e da remoto entro 4 ore lavorative. Infine, per il primo anno, è previsto l aggiornamento costante del software fornito entro 20 giorni lavorativi e l assistenza telefonica sui programmi forniti. Era infine richiesto: un periodo di affiancamento tecnico nella conduzione, per un periodo di almeno 80 ore e comunque per 6 mesi a partire dalla messa in opera della sottorete; un periodo di training al personale del CEDeC per almeno 50 ore. 6. L assegnazione del bando e le caratteristiche delle forniture. L appalto è stato assegnato in data 5 luglio 2004 a Geotop s.r.l. La SP proposta consiste di un ricevitore a 40 canali GNSS Topcon Odyssey RS con antenna GNSS TOPCON CR 3 ( ciò significa che la Rete Regionale sarà in grado di acquisire dati delle costellazioni GPS e GLONASS. Si segnala inoltre che ai 5 siti universitari che già ospitano una SP (Brescia, Como, Cremona, Lecco, Pavia) è stata proposta la sostituzione della strumentazione attualmente presente con quella proposta dalla ditta appaltatrice. Questa fornitura consentirà al CEDeC una maggiore facilità di gestione del sistema poiché esso sarà composto da un unico tipo di strumentazione; permetterà inoltre di fornire a tutto il territorio osservazioni di entrambe le costellazioni di satelliti attualmente attive. La Rete Regionale verrà controllata dal software GNSMART di Geo++ ( Wubbena, 2001), che si occuperà dei seguenti aspetti:

4 1. Acquisizione delle osservazioni di codice e di fase: il server remoto è in grado di registrare in tempo reale le osservazioni acquisite dalle stazioni permanenti e immagazzinarle in file RINEX per il post-processamento. Nella prima fase si procederà comunque anche alla memorizzazione dei dati nel ricevitore e quindi allo scaricamento degli stessi al termine di ogni ora: allo stato attuale, infatti, non si è in grado di dire se esista un qualche meccanismo di salvaguardia delle osservazioni, in caso di temporanee interruzioni nella rete di trasmissione. 2. Compensazione della rete in tempo reale: il modulo di gestione della rete si occupa della compensazione della rete in tempo reale, consentendo un immediato e costante controllo della rete stessa e di eventuali improvvisi problemi o malfunzionamenti. Vengono inoltre modellizzati i parametri di errore e disturbi per il calcolo delle correzioni (FKP o VRS) in tempo reale. Tale operazione può essere supportata da dati provenienti da sensori esterni, come centraline meteorologiche. 3. Distribuzione di correzioni differenziali: il modulo di gestione della rete è adibito alla distribuzione di correzioni differenziali per il posizionamento in tempo reale. GNSMART è in grado di fornire correzioni differenziali nei formati RTCM, FKP, VRS. 4. Gestione dell utenza del servizio: il server di gestione è adibito alla rendicontazione degli accessi ai prodotti del Servizio (dati per il postprocessamento e per il posizionamento in tempo reale). 7. Lo stato di realizzazione della rete. A partire dalla data di aggiudicazione dell appalto, la ditta appaltatrice ha provveduto a eseguire le prove definitive di acquisizione dati presso i siti di Dalmine, Mantova, Milano. Presso ogni sito è stata posizionata strumentazione analoga a quella proposta in fase di offerta, per un periodo di 48 ore. I dati acquisiti, alla decimazione di 5 secondi, sono stati controllati effettuando le seguenti verifiche su entrambe le frequenze del segnale GPS: percentuale di dati acquisiti rispetto ai dati acquisibili, presenza di cycle slip, multipath. E stata inoltre controllata la ripetibilità delle stime di base rispetto a stazioni permanenti poste a una distanza di circa 50 chilometri: in tal caso sono stati confrontati i risultati delle 4 sessioni di 6 ore ottenibili dalla strisciata di dati originale. I dati acquisiti hanno presentato risultati di qualità compatibile con quelli tipici di SP già esistenti nella rete EPN e IGS; è stata rilevata una bassissima presenza di cycle slip, probabilmente dovuta alla presenza nei ricevitori di sistemi integrati di correzione delle osservazioni. Figura 1: la sottorete in fase di realizzazione. Figura 2: la stazione permanente di Milano.

5 Le prime 3 stazioni, Dalmine, Mantova e Milano, sono quindi state installate nella seconda metà di settembre. Le antenne sono state posizionate su pilastrino in acciaio inossidabile zancato a parete o affogato nel cemento. In definitiva, considerando le SP già esistenti, alla data di scrittura del presente articolo sono già operative nel territorio lombardo 8 delle 14 SP. Contemporaneamente alle operazioni appena descritte, IREALP ha provveduto alla creazione dell infrastruttura di telecomunicazioni e alla predisposizione dei server per la gestione della rete. 8. L infrastruttura di telecomunicazioni. La rete di collegamento dati ha una topologia a stella il cui centro corrisponde con il CEDeC e le diramazioni con le Stazioni Permanenti (SP). Questa struttura viene vista a tutti gli effetti come una rete Intranet di estensione geografica (WAN). I ricevitori GPS sono dotati di un interfaccia di rete RJ-45. Il dimensionamento della banda minima necessaria ha tenuto conto del traffico tra il CEDeC e le SP relativo alla trasmissione delle correzioni differenziali in tempo reale e dei file orari per il postprocessamento: è stato pertanto ipotizzato un traffico giornaliero, verso il CEDeC di 50 Mb da ogni SP con un flusso costante di circa 5 Kbit/s. Tale carico è poco impegnativo in termini di banda occupata: per strutturare la rete si è quindi tenuta in estrema considerazione la stabilità del collegamento oltre alla banda disponibile. Nelle sedi dove è stato necessario posare una linea nuova è stata scelta la tecnologia frame relay, che garantisce affidabilità rispetto a protocolli più innovativi, le cui maggiori prestazioni sarebbero state sotto utilizzate. Le SP installate presso le sedi universitarie sono collegate al CEDeC mediante la rete universitaria già esistente che in genere si avvale di un link a 2 Mbit/s o superiore. Le altre SP, invece, verranno dotate di un collegamento ADSL su rete frame relay con una banda minima garantita di 64 Kbit/s. Presso il CEDeC è installato un router che gestisce un collegamento HDSL a 2 Mbit/s a cui fanno capo le SP collegate in frame relay e le VLAN provenienti dalle reti universitarie. Per la restituzione dei dati il CEDeC ha a disposizione un flusso a 34 Mbit/s verso l utenza proveniente da reti universitarie internazionali e 4 Mbit/s condivisi per gli altri utenti. Questi collegamenti sono dedicati alla distribuzione dei dati all utenza. Presso il CEDeC viene inoltre effettuata l autenticazione degli utenti, secondo le seguenti modalità. 1. Per la distribuzione di correzioni differenziali (posizionamento in tempo reale): al momento è predisposto un collegamento telefonico attraverso linea GSM. Un router di accesso gestirà un canale primario ISDN (30 linee): il servizio risponde ad un unico numero che indirizza sulla prima linea libera. In caso di numero di linee insufficienti sarà possibile implementare ulteriori canali ISDN. 2. Per la distribuzione di dati per il post processamento: i file in formato RINEX saranno disponibili per lo scaricamento in un area protetta del sito del Servizio di Posizionamento, attualmente in fase di ultimazione. 9. La struttura di calcolo presso il CEDeC. Il CEDeC si è dotato di 2 server per il controllo della rete, per la compensazione dei dati in tempo reale e per l erogazione dei servizi. Tali server hanno le seguenti caratteristiche: Sistema operativo: Windows 2000 server; Processore Intel Xeon 2.8 GHz, con possibilità di installazione di un secondo processore; 1Gb di memoria DDR SDRAM a 200 MHz; 3 hard disk da 145 Gb SCSI RAID; adattatore SCSI Ultra3 a 2 canali integrato e RAID SA 641 (RAID 5); scheda di rete NC7760 PCI Gigabit Server (10/100/100); I due server, insieme al Web server, sono installati presso il CILEA, Consorzio Interuniversitario Lombardo per l Elaborazione Automatica. Tale Consorzio, del quale fanno parte le principali

6 università della regione, è nodo fondamentale della rete GARR ( rete dell Università e della Ricerca Scientifica Italiana ). Il primo server è adibito all acquisizione dei dati dalle SP, alla compensazione della rete in tempo reale, alla distribuzione dei servizi per il posizionamento in tempo reale; il secondo è adibito al controllo delle SP e alla produzione dei file per il postprocessamento. La suddivisione dei compiti in più server è possibile grazie alla modularità del software GNSMART e consente una suddivisione dei carichi di lavoro sulle macchine più efficiente e performante. Tuttavia, proprio grazie alle caratteristiche del software, non sono escluse modifiche e cambiamenti (spostamento di un modulo in un altra macchina, utilizzo di ulteriori server). 10. Conclusioni e sviluppi futuri. I lavori di realizzazione del Servizio di posizionamento della Regione Lombardia procedono secondo il cronogramma stabilito da Capitolato: entro l inizio dell anno 2005 si prevede di disporre di una prima sottorete funzionante in grado di offrire sperimentalmente i servizi di distribuzione dati per il postprocessamento e il posizionamento in tempo reale. Si attiveranno inoltre le procedure di compensazione di rete, condotte in automatico con il programma BERNESE 4.2 (Mervart et al., 2003) disponibile presso il Politecnico di Milano. In particolare si effettueranno: 1. una compensazione giornaliera, effettuata al termine di ogni giornata utilizzando le effemeridi ultrarapide IGS e le sole SP della rete lombarda: tale soluzione servirà per una verifica quotidiana della qualità dei dati acquisiti. 2. una compensazione settimanale, effettuata con ritardo di due settimane, utilizzando le effemeridi finali IGS, le SP della rete lombarda e una selezione di SP europee: tale soluzione servirà per la compensazione della rete e il suo inquadramento nella rete EPN e nel sistema di riferimento ETRF. Infine, nei prossimi mesi gli sforzi del Servizio si concentreranno sulla validazione e sull ottimizzazione del modulo di GNSMART per il calcolo e la distribuzione delle correzioni per il posizionamento in tempo reale; si prevede di agire su due livelli: da un lato mediante taratura dei parametri di elaborazione del programma, dall altro mediante verifiche sperimentali sull utilizzo delle correzioni. Bibliografia. AAVV (IREALP, Politecnico di Milano Polo Regionale di Como) (2004), Disciplinare tecnico del Capitolato Speciale d Appalto Realizzazione di una rete regionale di stazioni permanenti GPS coordinate da un centro di controllo per l erogazione all utenza di servizi di posizionamento e navigazione, IREALP 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. EPN Coordination Group and the EPN Central Bureau, (2004) Procedure for becoming an EPN station, Hugentobler U., Schaer S., Fridez P., (2001), Bernese GPS software version 4.2, AIUB, Berne Landau H., Vollath U., Deking A., Pagels C. (2001), Virtual Reference Station Networks - Recent Innovations by Trimble, Wubbena G., Bagge A., Schnitz M. (2001), RTK Network based on Geo++ GNSMART Concepts, Implementation, Results, Presented at the International Technical Meeting, ION GPS-01, Salt Lake City, Utah,