Documentazione ausiliaria per la stazione permanente di Como

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1 Documentazione ausiliaria per la stazione permanente di Como Ludovico Biagi, Juan Pedro Cano Cordoba 1. Introduzione Una stazione GPS permanente consiste essenzialmente di un ricevitore GPS, che opera appunto permanentemente in modalità statica, di un computer e di alcuni componenti supplementari. La finalità di una stazione permanente è di fornire dati di fase e di codice per applicazioni geodinamiche, per il mantenimento del sistema di riferimento, per applicazioni topografiche, cartografiche e di navigazione; per queste ultime applicazioni i dati dovrebbero essere preferibilmente forniti in tempo reale. Nel presente lavoro vengono discusse i seguenti argomenti collegati alla stazione permanente GPS di Como: la monumentazione il controllo di qualità dei dati l inquadramento nella rete IGS l inquadramento nella rete IGM95 la tipologia dei dati distribuiti e la struttura del sito da cui possono essere scaricati. 2. La monumentazione La stazione permanente GPS di Como è monumentata sul tetto del nuovo edificio del Politecnico di Milano Campus Como, sito in via Valleggio 11. L ubicazione garantisce ottima visibilità verso tutte le direzioni al di sopra dei 1 di elevazione; da una prima analisi si stima che le oscillazioni periodiche e i fenomeni di assestamento della struttura su cui è ubicato il pilastrino dovrebbero essere contenuti in 2-3 mm; tali valutazioni, evidentemente, saranno oggetto di verifica e monitoraggio nel tempo. Per il fissaggio dell antenna si è realizzato sul tetto dell edificio un pilastrino in cemento armato composto da una base quadrata (1 cm x 1 cm di base, 2 cm di altezza) cui è sovrapposto il vero e proprio pilastrino di sezione cilindrica (4 cm di raggio, 7 cm di altezza) (Fig. 1, Cano Cordoba, 2); la struttura è ancorata al tetto mediante aste di ferro annegate al suo interno e nel tetto stesso. Il pilastrino si trova in corrispondenza dei pali portanti dell edificio, che affondano nel terreno sottostante per 15 metri. Al centro del piano sommitale del pilastrino è annegato il caposaldo che materializza il vertice GPS. Al di sopra del pilastrino è fissata, mediante tre bracci equispaziati di 12 e verticali, una piastra orizzontale di acciaio; i bracci, mediante un meccanismo di viti autocalanti, permettono la regolazione dell orizzontalità della piastra. La piastra presenta nel suo centro geometrico, sulla verticale esatta del vertice GPS, l invito per l antenna; inoltre attraverso l invito è possibile misurare la distanza verticale fra il vertice e il piano sommitale della piastra, ovvero la base dell antenna: la misura viene effettuata mediante un apparato di misura basato su un calibro analogico a incastro.

2 Figura 1. Pilastrino sul tetto e dettaglio della piastra prima e dopo il montaggio La connessione fra antenna e ricevitore, ubicato nel Laboratorio di Geomatica, è garantita da un cavo RG213 di 4 m di lunghezza: questo corre nei cavedi dell edificio, evidentemente lontano da possibili fonti d interferenza e protetto da una guaina di PVC flessibile. Il ricevitore, modello Trimble 4SSi predisposto per l ingresso di orologio atomico, è connesso a un PC modello HP Vectra VL 5/166, su cui è installato il programma (Trimble Reference Station 1.3) per lo scaricamento dei dati; per la protezione da sbalzi di tensione entrambi gli strumenti sono alimentati mediante un gruppo di continuità (Metasystem Eco 311).

3 Figura 2. Monumentazione definitiva Figura 3. Ricevitore Trimble 4SSi e computer di gestione 3. Il controllo di qualità dei dati e l inquadramento della stazione Preliminarmente alla monumentazione, sul sito candidato sono state effettuate prove di acquisizione e quindi, mediante i programmi TEQC e Qcview ( i controlli di qualità previsti in genere per le stazioni IGS. Per motivi di spazio non si espongono i risultati nel dettaglio: comunque questi, sia per quantità sia per qualità dei dati, sono del tutto simili a quelli forniti dalle stazioni permanenti IGS di Zimmerwald, Grasse e Medicina, che abbiamo considerato come riferimenti di qualità nell analisi. Tali riscontri sono confermati dall analisi delle prime settimane di acquisizione della stazione definitiva. La stazione permanente di Como è stata quindi inquadrata nella rete di stazioni permanenti IGS (International GPS Service) e nella rete geodetica nazionale di ordine zero IGM95. Il primo inquadramento era opportuno per una verifica sperimentale della qualità dei dati acquisiti; era inoltre necessario come base per future analisi temporali di deformazioni e per il futuro inserimento della stazione in IGS; evidentemente per tali scopi sono necessarie precisioni subcentimetriche. L inquadramento in IGM95 era viceversa necessario per conoscere e fornire all utenza coordinate del vertice consistenti con la rete di riferimento nazionale; in tal caso le precisioni richieste debbono semplicemente essere confrontabili con quelle dei vertici IGM95, ovvero dell ordine di 1-2 cm.

4 3.1 L inquadramento in IGS (ITRF97) La rete IGS ( oggi si compone di circa 27 stazioni permanenti (al esattamente 273); di queste 95 sono ubicate nel Nord America, 23 in Sud America, 8 in Antartide, 16 in Africa, 79 in Europa, 31 in Asia e 21 in Oceania. I dati delle stazioni IGS vengono elaborati su scala settimanale dai centri di analisi (6 in Europa) per la stima dei ben noti prodotti disseminati in rete: efemeridi precise, modelli di TEC ionosferico, stime locali di disturbo zenitale troposferico, posizioni del polo. Inoltre le soluzioni di coordinate per le stazioni concorrono, congiuntamente alle soluzioni fornite dalle reti SLR, VLBI e dal sistema DORIS, alla definizione del Sistema di Riferimento ITRF (Boucher et al. 1999, e quindi al monitoraggio delle deformazioni crostali del pianeta: per ogni stazione concorrente alla soluzione vengono fornite la stima della sua posizione cartesiana geocentrica X e del suo vettore di velocità annuale X all epoca di riferimento per la soluzione ( t ); alle stime sono associati i relativi errori, σ e σ. La stima della posizione della stazione, e della relativa precisione, a una generica epoca t t sono date dalla X t) = X + X ( t ), ( t σ i t) = σ i + σ i ( t ) [1] ( t Si ricorda che, a partire dal 1989, sono state stimate diverse realizzazioni di ITRF, denominate ITRFYY ove YY rappresenta l anno di stima; la prima fra esse è l ITRF89, cui sono seguite ITRF92 ( t =1988. ), ITRF93 e ITRF94 ( t =1993. ), ITRF96, ITRF97 e ITRF2 ( t =1997. ). Per l operazione di inquadramento è stata utilizzata la soluzione ITRF97; fra le stazioni che vi concorrono sono state scelte le stazioni di Grasse, Zimmerwald e Medicina, ovvero 3 stazioni IGS le cui posizioni e velocità fossero pubblicate e disposte secondo una geometria regolare rispetto alla stazione di Como. Nelle elaborazioni sono stati utilizzati i dati delle giornate dal al (eccettuati i giorni 21 e 23, per i quali non erano disponibili i dati di Grasse) e dal al ; si è scelto di elaborare due periodi separati da un intervallo di due mesi per disporre di una prima verifica su eventuali anomalie nei dati o fenomeni macroscopici di assestamento. Nelle elaborazioni delle sessioni e nella compensazione finale sono state assegnate le posizioni delle 3 stazioni di riferimento, introdotte come equazioni di pseudoosservazione: posizioni e relative precisioni sono state propagate mediante la [1] da t all istante medio della ITRF 97 campagna, ovvero il I dati sono stati elaborati con il programma scientifico Bernese 4.2: le singole sessioni giornaliere sono state elaborate in modalità multibase, utilizzando efemeridi precise e stime di posizione del polo IGS e adottando i parametri di elaborazione suggeriti per reti regionali in (Beutler et al., 2); i risultati delle sessioni sono quindi stati compensati, prima separatamente sulle singole settimane e quindi congiuntamente. Tabella 1. Risultati dell inquadramento in IGS ϕ λ h Nord Est m E (σ:.1 mm) (σ:.1 mm) (σ:.2 mm) σ S 1.9 mm 1.4 mm 3.3 mm E: stima finale delle coordinate della stazione di Como; σ: SQM formale di compensazione sulle due settimane; σ S : SQM sulla serie di risultati delle sessioni giornaliere.

5 I confronti di ripetibilità sui risultati delle sessioni giornaliere confermano una buona qualità generale dei dati, con scarti massimi di 4 mm nella componente Nord, di 3 mm in Est e di 6 mm in quota; i risultati forniti dalle compensazioni separate delle due settimane differiscono reciprocamente di meno di 2 mm per le tre componenti. 3.2 L inquadramento in IGM95 (ETRF89) La rete denominata IGM95 ( è stata progettata, rilevata e compensata dall Istituto Geografico Militare Italiano e costituisce la rete di ordine zero per l inquadramento di reti locali GPS in Italia. Il progetto della rete (Surace, 1993) prende corpo nei primi anni 9 e prevede l istituzione di un insieme di punti geodetici a distanza reciproca di circa 2 Km (un punto ogni 4 Km 2 di territorio) sull intero territorio nazionale: il fine del progetto è l istituzione di una rete GPS di riferimento nazionale per l inquadramento di rilievi locali e la stima dei parametri di rototraslazione e fattore di scala fra SR globale GPS e SR ufficiale nazionale Roma 4. L inquadramento della rete nazionale è stato effettuato su vertici appartenenti alla rete EUREF, utilizzando le loro coordinate ETRF89; a tutti gli effetti quindi la rete IGM95 può essere considerata una densificazione nazionale dell ETRF89 che, a sua volta, costituisce la realizzazione europea dell ITRF89, riferita all anno (Adam et al. 1999, Nelle monografie di ogni punto IGM95 sono fornite la stima delle sue coordinate ETRF89, caratterizzate da regioni di confidenza al 95% di circa 2.5 cm in planimetria e di 4 cm in altimetria, e la stima dei parametri di rototraslazione e fattore di scala da applicare per la trasformazione da ETRF89 a Roma 4 nella zona di pertinenza del vertice. Per l inquadramento della stazione di Como si è effettuato un primo rilievo sui vertici IGM95 di Montevecchia (LC), Como S. Anna, Saronno (MI), battuti in tre sessioni consecutive di un ora. A questo rilievo seguirà a breve un altra misura: i risultati sono quindi parziali, ma sufficienti per una prima analisi. In questo caso si è adottato un approccio di elaborazione in singola base, con parametri di elaborazione uguali a quelli del caso precedente; le elaborazioni e la compensazione delle basi sono state effettuate attribuendo ai vertici IGM95 le coordinate riportate in monografia e precisioni di 1.5 cm per le coordinate planimetriche e di 2 cm per la quota. Tabella 2. Risultati dell inquadramento in IGM95 ϕ λ= h E89 I N (σ:=13 mm) E (σ:=1 mm) m (σ:=15 mm) Max 8 mm 3 mm 22 mm E89 I95 : stima delle coordinate della stazione di Como; σ: SQM di compensazione; Max : scarto massimo di compensazione. I risultati (Tab. 2) sono in buon accordo reciproco, con scostamenti massimi di 2 cm in quota e inferiori a 1 cm in planimetria; la precisione finale di stima delle coordinate di Como, confrontata con le precisioni con cui sono date le coordinate dei vertici IGM95, è soddisfacente. Un confronto fra stime di coordinate IGS (ITRF97) e stime IGM95 (ETRF89) è al di fuori dagli scopi di questo manuale illustrativo sulla stazione di Como: per un approfondimento di tale problema si veda (Biagi et al., 21). 4. Archivio dei dati della stazione GPS permanente di Como in rete I dati della stazione GPS permanente del Laboratorio di Geomatica del Politecnico Milano - Campus Como sono disponibili in rete nel sito acquisibili da

6 qualunque utente che disponga di connessione Internet. Mediante il programma di gestione della stazione (TRS, Trimble Reference Station 1.3) i dati vengono inseriti nel server del Laboratorio di Geomatica adibito alla gestione della pagina web. Nella sezione dedicata alla stazione si trovano, oltre ai dati grezzi, altro materiale di servizio: il manuale d'uso della pagina, informazioni di interesse sulla stazione, articoli sul GPS, collegamenti ai principali organismi di ricerca e sviluppo sul GPS e ai siti contenenti software d'utilità L'archivio dei dati in rete Il programma Trimble Reference Station 1.3 (TRS), che gestisce la stazione GPS permanente presso il Laboratorio di Geomatica del Politecnico Milano - Campus Como, permette di archiviare in rete una copia dei dati scaricati sul disco locale del computer connesso al ricevitore. La scelta della tipologia di dati da rendere disponibili è stata dettata dagli scopi e servizi cui si vuole dedicare la stazione. Il principale scopo della stazione è quello del suo inserimento nella rete IGS. L'altro scopo importante è quello di fornire un vertice di riferimento per rilievi topografici all'utenza professionale. In base a tali considerazioni si è deciso di archiviare file di due tipi: File giornalieri; contengono i dati di tutta una giornata di misure (dalle :: alle 23:59:59, ora GPS) con un intervallo di campionamento di 3 s. I file vengono forniti in formato RINEX (Receiver-Independent Exchange Format) a scopi scientifici. File orari; vengono creati alla fine di ogni ora GPS e hanno un intervallo di campionamento di 5 s. Anche questi file sono in formato RINEX e sono prevalentemente destinati all utenza professionale per scopi topografici. I file vengono compressi secondo il protocollo Gzip prima dell archiviazione; a seconda della tipologia (giornalieri o orari) vengono archiviati in cartelle diverse: in tal modo viene facilitata la ricerca dei dati richiesti. La nomenclatura dei file segue lo standard definito per i file RINEX; al nome e all estensione originale segue l estensione.gz indicante la compressione. La decompressione può essere effettuata mediante il programma Gzip o WinZip 8. e seguenti. Una volta decompressi i file presentano le seguenti caratteristiche: File giornalieri, COMODDD.YYt dove COMO, nome della stazione DDD, numero del giorno dell anno YY, i due ultimi numeri dell anno t, tipo di file: "o" per i file di osservazioni, "n" per i file di navigazione. La segmentazione di una giornata su più file è indicata dalla presenza di file del tipo COMODDD_A.YYt, COMODDD_B.YYt, Ad esempio COMO245.1o corrisponde a un file giornaliero contenente osservazioni (t=o) della stazione di Como nel giorno 245 dell'anno 21, (2.9.21); se non sono presenti eventuali COMO245_A.1o, COMO245_B.1o,, la giornata è registrata su un unico file.

7 File orari, COMODDDs.YYt dove COMO, nome della stazione DDD, numero del giorno dell anno s, lettera che identifica la sessione oraria secondo la tabella 3 YY, i due ultimi numeri dell anno t, tipo di file: "o" per i file di osservazioni, "n" per i file di navigazione. Esempio: COMO245j.1o corrisponde a un file orario d'osservazione della stazione di Como del , dalle 9: alle 1: GPS (sessione j). Tabella 3. a : - 1: m 12: - 13: b 1: - 2: n 13: - 14: c 2: - 3: o 14: - 15: d 3: - 4: p 15: - 16: e 4: - 5: q 16: - 17: f 5: - 6: r 17: - 18: g 6: - 7: s 18: - 19: h 7: - 8: t 19: - 2: i 8: 9: u 2: - 21: j 9: 1: v 21: - 22: k 1: 11: w 22: - 23: l 11: 12: x 23: - 24: 4.2. Pagina web della stazione GPS permanente di Como I dati della stazione GPS permanente sono disponibili all'indirizzo Internet del Laboratorio di Geomatica: Dalla pagina principale si entra nella sezione della stazione GPS. In essa si trovano tre sottosezioni. Stazione, contiene il readme e la documentazione relativa alla stazione permanente di Como. Contiene inoltre il motore per lo scaricamento dei dati grezzi; la ricerca si basa sulla selezione del periodo desiderato e sulla scelta dell'intervallo di campionamento. Articoli e link: destinata a raccogliere articoli generali sull'argomento GPS, sia di tipo divulgativo, sia di ricerca e link ad altri siti contenenti materiale sul GPS. Software di utilità: collegamenti a siti Internet ove si trovano programmi che possono essere utili nella gestione di una stazione GPS (controllo di qualità, compressione dei dati, ecc.); in futuro conterrà programmi autoprodotti.

8 Bibliografia Adam J., Augath W., Boucher C., Bruyninx C., Dunkley P., Gubler E., Gurtner W., Hornik H., Van Den Marel H., Schluter W., Seeger H., Vermeer M., Zielinski J. B., (1999), The European Reference System coming of age, in Geodesy Beyond 2 IAG General Assembly, Birmingham Proceedings, Springer-Verlag Berlin, K.P.Schwarz eds. Biagi L., Cano Cordoba J.P., de Lacy M.C., Sansò F., (21) Problematiche e possibili soluzioni nell istituzione di una stazione permanente Atti della 5 Conferenza Nazionale dell ASITA Boucher C., Altamimi Z., (1996) International Terrestrial Reference Frame, GPS World, V7-N9, nota: i parametri aggiornati sono disponibili nel file ftp://lareg.ensg.ign.fr/pub/itrf/itrf.tp C. Boucher, Z. Altamimi, P. Sillard, (1999), The 1997 International Terrestrial Reference Frame, IERS Technical Note N 27, IERS, Observatoire de Paris Cano Cordoba, J. P. (21) Implantacion de una estacion GPS permanente Proyecto fin de Carrera de Ingenieria Tecnica en Topografia, Universidad de Jaen, Politecnico di Milano Gurtner W. (1995), Guidelines for a Permanent EUREF GPS Network, Proceedings of EUREF Symposium, Helsinki, Finland, May 1995, EUREF Publication No. 4, ed. E. Gubler and H. Hornik, in linea su Surace L., (1993), Il progetto IGM95, Bollettino di Geodesia e Scienze Affini, Anno LII N. 3 Boucher C., Altamini Z., (21), Specifications for reference frame fixing in the analysis of a EUREF GPS campaign, version 5, file in linea: Beutler G., Brockmann E., Dach R., Fridez P., Gurtner W., Hugentobler U., Johnson J., Mervant L., Rothacher M., Schaer S., Springer T., Weber R., (2). Bernese Software 4.2. Draft I, AIUB, Berne