SISTEMA PER LA GENERAZIONE DI CORREZIONI DIFFERENZIALI E MONITORAGGIO DEI SEGNALI GPS

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI TESI DI LAUREA SPECIALISTICA SISTEMA PER LA GENERAZIONE DI CORREZIONI DIFFERENZIALI E MONITORAGGIO DEI SEGNALI GPS RELATORE: Prof. Mauro Leonardi LAUREANDO: Matteo Pecorilli Anno Accademico 2009/2010

2 INTRODUZIONE La Navigazione, storicamente, viene intesa come l arte utilizzata per lo spostamento delle navi in mare per determinare la posizione e il tragitto da seguire. Oggi questo termine ha un significato più ampio, in quanto utilizzato anche per altri campi applicativi, quali: spostamento terrestre, aeronautico e spaziale. Inizialmente i punti di riferimento utilizzati per la navigazione erano quelli presenti in natura, come i corpi celesti. Poi furono introdotti i primi strumenti artificiali come la bussola ed il sestante. Col passar degli anni, tramite lo sviluppo tecnologico, sono stati inventati dei sensori in grado di determinare la posizione attraverso dei punti di riferimento artificiali (nel caso della navigazione satellitare, i satelliti). Tali sensori sono generalmente dotati di software in grado di stimare la posizione tramite elaborazione di dati ricevuti dai sensori stessi. La nascita dei Sistemi di Navigazione Satellitari è dovuta essenzialmente a scopi di tipo militare. I primi progetti risalgono all inizio degli anni 40 ma il loro primo grande sviluppo risale al periodo della guerra fredda. Il più famoso e diffuso di questi sistemi è sicuramente il Global Positioning System (GPS). Negli ultimi anni lo sviluppo del GPS è stato portato avanti soprattutto per uso di tipo civile. Questo sviluppo è stato possibile anche e soprattutto grazie all abbassamento del costo dei ricevitori stessi, inizialmente molto costosi. Le ricerche oggi sono mirate ad una sempre maggiore ricerca di precisione ed accuratezza nella determinazione della posizione da parte di questi ricevitori, che ormai possono fornire una stima della posizione con errori anche dell ordine del centimetro. 12

3 Ottenere tali risultati è stato possibile soprattutto grazie all ausilio di sistemi di supporto al GPS, come il Differential GPS, in grado fornire correzioni differenziali per le misure di pseudorange. Inoltre, visto il continuo sviluppo di questi sistemi è stato istituito uno standard per l invio delle correzioni differenziali detto Protocollo RTCM 104. Nello studio di questa tesi sono stati affrontati proprio questi argomenti. In particolar modo il lavoro è stato così strutturato: - Introduzione del sistema di navigazione satellitare GPS e principio di funzionamento dello stesso. - Descrizione dettagliata delle sorgenti di errore che influenzano le misure di pseudorange. - Sistemi di supporto al GPS e focalizzazione sul Differential GPS (DGPS). - Studio dello standard RTCM Analisi dei segnali GPS. - Studio dell algoritmo per la generazione di correzioni differenziali e monitoraggio dei segnali GPS con implementazione in ambiente MATLAB. - Considerazioni e sviluppi futuri. 13

4 INDICE INDICE... 1 INDICE DELLE FIGURE... 3 LISTA DEGLI ACRONIMI... 6 INTRODUZIONE Global Positioning System Cenni storici Architettura del GPS Il segnale GPS Determinazione della posizione La diluzione di precisione Sorgenti di errore Errori sui dati di effemeride Errori sul clock del satellite Ritardo di propagazione ionosferico Ritardo di propagazione troposferico Selective Availability (SA) Rumore del ricevitore Multipath Sistemi di supporto ai GNSS Sistemi di supporto al GNSS di tipo local area Sistemi di supporto al GNSS a lungo raggio GPS Differenziale DGPS con misure di codice e di fase Protocollo di trasmissione RTCM

5 Messaggi di tipo 1, 2 e Messaggio di tipo Messaggio di tipo Messaggi di tipo 18, 19, 20 e Analisi del parametro UDRE GBAS SBAS Algoritmo di posizionamento del ricevitore GPS e calcolo delle correzioni differenziali Algoritmo di posizionamento del ricevitore GPS Algoritmo per il calcolo delle correzioni differenziali Applicazione delle correzioni differenziali Valutazione dei dati reali Dati del 07/01/ Dati del 10/04/ Dati del 20/07/ Dati del 30/10/ Analisi dei risultati Monitoraggio dei segnali GPS Carrier Smoothing e pseudorange correction Test sulla divergenza codice portante Test sulla portante: Accelerazione, Rampa, Gradino Carrier Smoothed Code (CSC) Innovation Test Risposta dei test al gradino Modello generale di failure Effetto del gradino sull Innovazione del Carrier-Smoothing Effetto del gradino sulla Divergenza codice-portante

6 Effetto del gradino su Accelerazione, Rampa e Gradino Modelli di failure GPS Channel Phase Step Failure Channel Code Step Failure Satellite Clock Step Failures Ionospheric gradient failure Considerazioni Stima delle soglie Test di gaussianità dei campioni Implementazione dei test Innovazione del Carrier - Smoothing Divergenza codice - portante Accelerazione, Rampa e Gradino Funzionamento generale dell algoritmo Valutazione dei test in assenza di failure con dati reali Valutazione dei test in presenza di failure con dati reali Satellite Clock Failure Code Measurement Failure Phase Measurement Failure Ionospheric Gradient Failure Implementazione MATLAB dell algoritmo per la generazione di correzioni differenziali e monitoraggio dei segnali GPS Conclusioni e sviluppi futuri Appendice A: I file RINEX A.1 - File di osservazione A.2 - File di navigazione Appendice B: Sistemi di coordinate ECI, ECEF ed ENU

7 B.1 Sistema di coordinate ECI B.2 Sistema di coordinate ECEF B.3 Sistema di coordinate ENU Appendice C: listato dei programmi MATLAB Appendice D: Orbite satellitari, parametri orbitali e dati di effemeride D.1 - Orbite satellitari D.2 - Parametri orbitali D.3 - Dati di effemeride BIBLIOGRAFIA

8 LISTA DEGLI ACRONIMI AAIM ABAS AIM AL ASI CFAR CPOD DGPS DOP DVP ECEF ECI EGNOS ENU FDE FDI GAD GBAS GCID Airbone Autonomous Integrity Monitoring Aircraft Based Augmentation System Autonomous Integrity Monitoring Alarm Limit Agenzia Spaziale Italiana Constant False Alarm Rate Constant Probability Of Detection Differential Global Positioning System Dilution Of Precision Development Verification Platform Earth Centred Earth-Fixed Earth Centred Inertial European Geostationary Navigation Overlay Service East North Up Failure Detection and Exclusion Failure Detection and Isolation Ground Accuracy Designator Ground Based Augmentation System GBAS Continuity/Integrity Designator 6

9 GDOP GIVE GLONASS GNSS GPE GPS GRAS HAL HDOP HMI HPE HPL HRMS IGP IGS IOD IODC IODE IODF IODI IODP Geometrical Dilution Of Precision Grid Ionospheric Vertical Error GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaja Sistema Global Navigation Satellite System Geometrical Position Error Global Positioning System Ground Based Regional Augmentation System Horizontal Alarm Limit Horizontal Dilution Of Precision Hazardous Misleading Information Horizontal Position Error Horizontal Protection Limit Horizontal Root Mean Square Ionospheric Grid Points International GNSS Service Issue Of Data Issue Of Data Clock Issue Of Data Ephemeris Issue Of Data Fast Correction Issue Of Data Ionospferic grid point mask Issue Of Data PRN mask 7

10 IMT LAAS LAM LLI LMV MCC MI MSAS NSE NSTB OCS PACF PDOP PE PL PLL PPS PRC PRN RAIM RI Integrity Monitor Testbed Local Area Augmentation System Local Area Monitor Loss of Lock Indicator Local Magnetic Variation Master Control Centre Misleading Information MTSAT Satellite Augmentation System Navigation System Error National Satellite Test Bed Operational Control Segment Performance Assestment and System Facility Position Diluition Of Precision Protected Error Protection Limit Phase-Locked Loop Precise Positioning System Pseudo-Range Correction Pseudo-Random Noise code Receiver Autonomous Integrity Monitoring Refractivity Increment 8

11 RIMS RINEX RMS RPE RRC RTCM RU SA SBAS SH SPE SPS SSE TEC TOA TTA UDRE UDREI UERE UIVE USNO Ranging and Integrity Monitoring Stations Receiver INdipendent EXchange format Root Mean Square Radial Position Error Range Rate Correction Radio Technical Commission For Maritime Services Refractivity Uncertainty Selective Availability Satellite Based Augmentation System Scale Height Spherical Position Error Standard Positioning System Sum of Square Errors Total Electron Count Time Of Arrival Time To Alarm User Differential Range Error User Differential Range Error Indicator User Equivalent Range Error User Ionospheric Vertical Error United States Naval Observatory 9

12 UTC VAL VDB VHF VPE VPL WAAS WADGPS Universal Time Coordinate Vertical Alarm Limit VHF Data Broadcast Very High Frequency Vertical Position Error Vertical Protection Limit Wide Area Augmentation System Wide Area Differential Global Positioning System WGS-84 World Geodetic System 1984 WSSE Weighted Sum of Square Errors 10

13 BIBLIOGRAFIA [1] [2] [3] [4] [5] Gaspare Galati, Mauro Leonardi, Sistemi di rilevamento e navigazione,texmat, [6] [7] B.Parkinson-P.Axelrad, Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual, Papers published in NAVIGATION volume V,1997. [8] Romolo Calzolaio, Caratteristiche di una stazione GPS differenziale ed analisi dei dati, Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria delle Telecomunicazioni, Università di Tor Vergata, anno accademico [9] Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty, Understanding GPS, Princilpes and Applications, Second Edition, Arthech House, [10] Radio Technical Commission for Maritime Services, RTCM Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, Version 2.3, RTCM paper /SC104-STD, [11] RTCA 245 DO LAAS. [12] Minimun Operational Performance Specification Global Navigation Satellite Ground Based Augmentation System Ground Equipment to Supportn Category I Operations, ED-114, September [13] Cina A., GPS: Principi, modalità e tecniche di posizionamento, Celid, Torino,

14 [14] [15] Aircraft Precision Approach, Eduarda Blomenhofer, Dr. Xiaogang Gu, NavPos System GmbH and Dr. Winfried Dunkel, DFS Deutsche Flugsicherung GmbH, Germany. [16] RTCA DO 299 WAAS Volume 3. [17] LAAS Position Domain Monitor Analysis and Test Results for CAT II/III Operations, Jiyun Lee, Stanford University. [18] Sigma Inflation for the local Area Augmentation of GPS, Boris Pervan, Irfan Sayim, IEEE Tranaction on aerospace and electronic system, Vol. 37 no.4, October [19] An Overbound Concept for Pseudorange Error from the LAAS Ground Facility, Curtis A. Shiverly, Ronald Braff, July [20] Jiyun Lee, GPS-Based Aircraft landing Systems with enhanced performance: beyond Accuracy, Marzo [21] Werner Gurtner, RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10, Astronomical Institute University of Berne. 246