SISTEMI DI INTEGRITA GNSS PER SERVIZI VEICOLARI

Transcript

1 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTÁ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI TESI DI LAUREA SPECIALISTICA SISTEMI DI INTEGRITA GNSS PER SERVIZI VEICOLARI RELATORE Ing. MAURO LEONARDI LAUREANDO ANNA SCONOCCHIA Anno Accademico

2 INTRODUZIONE Negli ultimi anni, si assiste ad un incremento dell uso della navigazione satellitare non solo a scopi di difesa militare ma anche nel mondo civile; infatti, se le applicazioni militari hanno dato l input all uso e alla ricerca della navigazione satellitare, oramai le ricadute della navigazione satellitare sono in continuo sviluppo anche in altre aree, quali ad esempio la navigazione marittima, i trasporti ferroviari, le telecomunicazioni, la gestione e monitoraggio dei disastri naturali, il soccorso in caso di emergenza e l assistenza ai disabili ed agli anziani. Una delle tante applicazioni della radionavigazione satellitare in ambito civile, è la gestione intelligente della mobilità delle cose, dei veicoli, delle persone; questa è nota anche come infomobilità e ultimamente risulta essere in continua crescita sia a livello economico che sul piano tecnologico e di perfezionamento dei servizi offerti. A tale proposito, l Agenzia Spaziale Italiana ha inserito nel suo Piano Aerospaziale Nazionale di studi, il progetto INFOSAT che è focalizzato sull attività di sviluppo e di applicazioni che siano in grado di utilizzare l informazioni fornite dal sistema GPS e Egnos per assistere il cittadino nella gestione del traffico, in situazioni di emergenza e in altri servizi urbani. Obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare e analizzare l algoritmo d integrità fornito dal sistema EGNOS e applicarlo ai sistemi veicolari con le specifiche del progetto Infosat in maniera tale da ottenere un prodotto che sia in grado di elaborare, a bordo del veicolo, i dati trasmessi dal sistema GPS e da quello di Egnos. La tesi è stata sviluppata in quattro capitoli: nel primo capitolo vengono descritti i sistemi GNSS, il loro principio di funzionamento, l algoritmo di posizione GPS, gli errori associati alle misure, i principali sistemi di supporto e il problema dell integrità. Infine viene descritto il progetto INFOSAT e le sue applicazioni; nel secondo capitolo è descritto il sistema di Egnos e il suo algoritmo d integrità; nel terzo capitolo vengono analizzati i risultati ottenuti dall implementazione dell algoritmo d integrità di Egnos in codice Matlab; nell ultimo capitolo sono riportate le conclusioni del lavoro che è stato svolto. 10

3 INDICE INDICE DELLE FIGURE... 2 INDICE DELLE TABELLE... 5 LISTA DEGLI ACRONIMI... 6 INTRODUZIONE GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM DETERMINAZIONE DELLA POSIZIONE SORGENTI D ERRORE DI PSEUDORANGE SISTEMI DI SUPPORTO AI GNSS SISTEMI DI SUPPORTO AL GNSS DI TIPO LOCAL AREA SISTEMI DI SUPPORTO AL GNSS A LUNGO RAGGIO IL PROBLEMA DELL INTEGRITA TECNICHE RAIM IL METODO DEI MINIMI QUADRATI IL METODO DEL CONFRONTO DELLE DISTANZE METODO DI PARITA METODO DELLA MASSIMA SEPARAZIONE DELLE SOLUZIONI CALCOLO DEL WSSE IL PROGETTO INFOSAT INTEGRITA MEDIANTE EGNOS ARCHITETTURA DI EGNOS I MESSAGGI DI EGNOS CORREZIONI DI EGNOS INTEGRITA FORNITA DA EGNOS VARIANZA DELL ERRORE RESIDUO DELLE CORREZIONI LONG E FAST FATTORE DI DEGRADAZIONE FAST FATTORE DI DEGRADAZIONE DEL RITMO DI CORREZIONE DEGRADAZIONE CORREZIONI LONG DEGRADAZIONE DEL MESSAGGIO DI NAVIGAZIONE GEO DEGRADAZIONE DEI MODI DI NAVIGAZIONE VARIANZA DELL ERRORE RESIDUO DEL RITARDO IONOSFERICO VARIANZA D ERRORE RESIDUO DEL RICEVITORE

4 2.4.4-VARIANZA D ERRORE RESIDUO DEL RITARDO TROPOSFERICO INTEGRITA EGNOS PER APPLICAZIONI VEICOLARI ANALISI RISULTATI DELL ALGORITMO EGNOS PER SISTEMI AVIONICI ANALISI DEI RISULTATI DELL ALGORITMO EGNOS PER SISTEMI VEICOLARI ANALISI DEI RISULTATI DELL ALGORITMO EGNOS PER SISTEMI VEICOLARI CON MODIFICHE SUL RICEVITORE ANALISI DEI RISULTATI DELL ALGORITMO RAIM PER SISTEMI VEICOLARI CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI APPENDICE A: ALGORITMI D INTEGRITA PER EGNOS APPENDICE B: LISTATO DI PROGRAMMI MATLAB BIBLIOGRAFIA INDICE DELLE FIGURE Figura 1.1-Diluizione di precisione per una fissata geometria Figura 1.2- Diluizione di precisione per una fissata geometria Figura 1.3 -Massima separazione delle misure nei due casi di assenza di bias (primo caso) e presenza di un singolo bias (caso 2) Figura Nuvola di punti che ci si aspetta di trovare nel caso di guasto su un satellite Figura 1.5 -Nuvola di punti in presenza di solo rumore Figura 1.6 -Nuvola di punti attesi se si presentasse un bias su una delle misure Figura 1.7-Limite superiore per il livello di protezione orizzontale in caso di bias su un singolo satellite Figura 1.8-Aree e prodotti applicativi INFOSAT Figura 1.9-Service Breakdown Structure che identifica i servizi resi disponibili dal Prodotto Applicativo APP - Accesso ZTL, Pedaggio e Parcheggi Figura 1.10-Accesso alla zona a traffico limitato Figura 1.11-Servizio di monitoraggio del traffico, localizzazione e informativa dell utente (MOT) Figura 1.12-Service Breakdown Structure Prodotto Applicativo PSE Figura 1.13-Visione di sistema dei prodotti critici...51 Figura 2.1 -Space segment Figura 2.2 -Ground e support segment

5 Tabella 16-Valori varianza d errore del 1/01/ Tabella 17-Percentuale indisponibilità del 1/01/ Tabella 18-Valori varianza errore 2/01/ Tabella 19-Percentuale indisponibilità del 2/01/ Tabella 20-Probabilità di indisponibilità del 29/10/ Tabella 21-Probabilità di indisponibilità del 1/01/ Tabella 22-Percentuali indisponibilità del 2/01/ Tabella 23-Valori varianza errore del 29/10/ Tabella 24-Probabilità di indisponibilità del 29/10/ Tabella 25-Valori varianza errore del 1/01/ Tabella 26- Probabilità di indisponibilità del 1/01/ Tabella 27-Valori varianza errore del 2/01/ Tabella 28- Probabilità di indisponibilità del 2/01/ Tabella 29-UERE budget in funzione dell angolo di elevazione e della frequenza utilizzata Tabella 30-Percentuale indisponibilità del 2/01/09 con tecnica RAIM Tabella 31-Schema riassuntivo specifiche limiti d allarme Tabella 32-Confronto di probabilità di indisponibilità del sistema avionico e veicolare Tabella 33- Confronto di probabilità di indisponibilità del sistema avionico e veicolare LISTA DEGLI ACRONIMI AAIM ABAS AIM AL ASI ASQF DGPS DOP DVP Airbone Autonomous Integrity Monitoring Aircraft Based Augmentation System Autonomous Integrity Monitoring Alarm Limit Agenzia Spaziale Italiana Application Specific Qualification Facility Differential Global Positioning System Dilution Of Precision Development Verification Platform 6

6 ECEF EGNOS EMS ENU EWAN GBAS GDOP GIC GIVE GLONASS GNSS GPS GRAS HAL HDOP HPL HRMS IGP IOD IODE IODF IODI IODP IPP LAAS MCC Earth Centred Earth-Fixed European Geostationary Navigation Overlay Service Egnos Message Server East North Up Egnos Wide Area Network Ground Based Augmentation System Geometrical Dilution Of Precision GNSS Integrity Channel Grid Ionospheric Vertical Error GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaja Sistema Global Navigation Satellite System Global Positioning System Ground Based Regional Augmentation System Horizontal Alarm Limit Horizontal Dilution Of Precision Horizontal Protection Limit Horizontal Root Mean Square Ionospheric Grid Points Issue Of Data Issue Of Data Ephemeris Issue Of Data Fast Correction Issue Of Data Ionospferic grid point mask Issue Of Data PRN mask Ionospheric Pierce Point Local Area Augmentation System Master Control Centre 7

7 MSAS NLES NPA PA PACF PRC PRN RAIM RGEO RIMS RINEX RRC RSS SBAS SIS SSE STD TDOP TEC TOA TTA UDRE UDREI UERE UIRE UIVE MTSAT Satellite Augmentation System Navigation Land Earth Stations Non Precision Approach Precision Approach Performance Assestment and System Checkout Facility Pseudo-Range Correction Pseudo-Random Noise code Receiver Autonomous Integrity Monitoring Ranging GEO Ranging and Integrity Monitoring Stations Receiver INdipendent EXchange format Range Rate Correction Root Sum Square Satellite Based Augmentation System Signal In Space Sum of Square Errors Standard Deviation Time Dilution Of Precision Total Electron Count Time Of Arrival Time To Alarm User Differential Range Error User Differential Range Error Indicator User Equivalent Range Error User Ionospheric Relativ Error User Ionospheric Vertical Error 8

8 VAL VDB VDOP VPL WAAS WADGPS Vertical Alarm Limit VHF Data Broadcast Vertical Dilution Of Precision 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 9

9 BIBLIOGRAFIA [1] Gaspare Galati, Mauro Leonardi, Sistemi di rilevamento e navigazione,texmat, da pag.27 a pag.47, Marzo 2007 [2] Gaspare Galati, Mauro Leonardi, Sistemi di rilevamento e navigazione,texmat, da pag.77 a pag.89, Marzo 2007 [3] Gaspare Galati, Mauro Leonardi, Sistemi di rilevamento e navigazione,texmat, da pag.141 a pag.167, Marzo 2007 [4] Mauro Grossi, Algoritmi d integrità per sistemi GNSS, Tesi Magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni, anno accademico [5] T. Walter, P. Enge, Weighted RAIM for Precision Approach, Stanford University [6] ASI, PRESAGO: Applicazioni Governative legate all uso del PRS del Galileo, [7] B.Parkinson-P.Axelrad, Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual, Papers published in NAVIGATION volume V,1997. [8] R.Grover Brown, Gerakd Y. Chin, GPS RAIM: Calculation of Threshold and protection Radius Using Chi-Square Methods-A Geometric Approach, da pag.155 a pag.164 [9] Lee,Y., New Techniques Relating Fault Detection and Exclusion Performannce to GPS Primary Means Integrity Requirements, Proceedings of ION GPS-95, The 8 th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Part 2 of 2, 1995 [10] S.D urgolo, M. Lisi, Egnos e Galileo: un mondo di applicazioni e servizi per la comunità, TELESPAZIO S.P.A., [11] Standard MOPS DO-229C, Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment. [12] Armando Pacifico, Mario Vultaggio, Setup e Risultati Sperimentali di una stazione Egnos, 212

10 Department of Applied Sciences - Navigation Section, Università degli Studi di Napoli Parthenope, [13] Appendice A, Space Based Augmentation System Signal Specification, RTCA DO-229D WASS 2006 [14] Appendix J, Space Based Augmentation System Signal Specification, RTCA DO-229D WASS, page J-2 [15] Appendice A, Tesi Specialistica in ingegneria delle Telecomunicazioni Algoritmi d integrità per sistemi GNSS, Mauro Grossi, Anno Accademico