B02 - GNSS ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXX I sistemi di posizionamento satellitare. Tratto dalle dispense D02

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1 B02 - GNSS X I sistemi di posizionamento satellitare Tratto dalle dispense D /05/2011

2 I sistemi GNSS X GNSS: Global Navigation Satellite Systems GPS Stati Uniti GLONASS Russia GALILEO Europa COMPASS Cina 2

3 Il sistema GPS X GPS: Global Positioning System Sistema PASSIVO, origine militare finalità: militari e civili rilievi topografici navigazione marina gestione flotte dispositivi per autoveicoli 3

4 I Segmenti GPS X Segmento Spaziale Segmento Utente Colorado Springs Segmento di Controllo Monitor Stations Diego Garcia Ascension Is. Kwajalein Hawaii.. 4

5 Segmento Spaziale X 24 satelliti (attuali 31) 6 piani orbitali inclinati di 55 Ogni piano ha almeno 4 satelliti Orbite molto alte km Periodo orbitale di 11 ore e 56 minuti Alta precisione Maggiore sopravvivenza Ottima copertura 5

6 SEGMENTO di CONTROLLO 18 stazioni di controllo a terra;. X 6

7 SEGMENTO di CONTROLLO X Cosa fa Traccia i satelliti in modo continuo; Determina la posizione spazio-temporale dei satelliti (EFFEMERIDI); Corregge le orbite; Controlla gli orologi a bordo dei satelliti con lo speciale orologio all idrogeno Maser ; Calcola le orbite previste per le 24 ore successive e le invia ai satelliti. 7

8 SEGMENTO UTENTE X Sono tutti gli utilizzatori del sistema strumentazione passiva: antenna Ricevitore Consentita la sola ricezione di informazioni da satelliti; posizione riferita al centro di fase dell antenna. 8

9 SISTEMA DI RIFERIMENTO ELLISSOCENTRICO ARGOMENTO X Ellissoide GRS80 (=WGS84). Origine O C centro di massa convenzionale terrestre. Asse z asse di rotazione terrestre. Asse x perpendicolare a z e passante per il meridiano fondamentale di Greenwich. Asse y perpendicolare agli assi x e z e con direzione volta a formare una terna destrorsa. 9

10 IL SEGNALE GPS X Ogni satellite trasmette un segnale complesso costituito da diverse componenti ma generate tutte dalla stessa frequenza fondamentale f 0 (f 0 =10.23 Mhz) che deriva dell oscillatore di bordo del satellite. Gli elementi fondamentali allo stato attuale sono: 2 PORTANTI (L1 e L2) 3 CODICI binari (C/A, P/Y, L2C) modulati sulle portanti Messaggio di navigazione D 10

11 LE PORTANTI X Le portanti sono ricavate dalla frequenza fondamentale f 0 (f 0 =10.23 Mhz e = 30 m circa) L1 = 154 f 0 = 1575,42 MHz λ(l1) 19 cm L2 = 120 f 0 = 1227,60 MHz λ(l2) 24 cm L uso di due portanti consente di valutare l effetto ionosferico 11

12 I CODICI X I codici consentono la stima della distanza satellitericevitore che è alla base del posizionamento GPS. Questo avviene in base alla stima del tempo impiegato dal segnale per percorrere il tragitto. Sono sequenze casuali di stati +1 e -1 che si ripetono dopo un certo intervallo di tempo (Pseudo Random Noise, PRN). Ogni satellite presenta il proprio PRN. Questo consente il riconoscimento da parte dello strumento ricevente. I codici sono modulati sulle portanti L1 e L2 12

13 IL MESSAGGIO DI NAVIGAZIONE ARGOMENTO X Informa l utente sullo stato di salute del satellite, sull orologio ed altre notizie utili per il posizionamento. Contiene le effemeridi dei satelliti che il ricevitore tratterà in modo distinto. Viene trasmesso alla frequenza di 50 Hz 13

14 Modulazione delle fasi X Le portanti possono trasmettere dati binari attraverso la tecnica della modulazione della fase del segnale con il codice binario. Quando il codice varia il suo stato (passaggio da +1 a 1 e viceversa) la portante inverte il segno (sfasamento di ). 14

15 TIPOLOGIE DI POSIZIONAMENTO ARGOMENTO X Posizionamento assoluto (CODICE) utilizza un unico ricevitore che determina la posizione assoluta (nel sistema GPS WGS84). Posizionamento relativo (FASE) utilizza almeno due ricevitori contemporaneamente e porta al calcolo del vettore (baseline) che unisce i due punti su cui sono posti i ricevitori. Consente la massima precisione grazie alla Correzione Differenziale. Se collegato alle reti internazionali, consente l inserimento cartografico del rilievo con precisione ±10cm 15

16 Posizionamento assoluto (codice) ARGOMENTO X, Y, Z X X, Y, Z X, Y, Z X, Y, Z Un solo ricevitore in acquisizione, precisione 3 10 m 16

17 Posizionamento ARGOMENTO assoluto (codice) X Pseudo distanza tra Ricevitore e Satelliti d v t d è la pseudo-distanza (pseudo-range); t è il tempo impiegato dal segnale a percorrere la distanza satellite-ricevitore; v è la velocità media della luce 17

18 Posizionamento assoluto (codice) ARGOMENTO X Una misura costringe la nostra posizione sulla superficie di una sfera Km Noi siamo da qualche parte sulla superficie di questa sfera. 18

19 Posizionamento assoluto (codice) ARGOMENTO X Una seconda misura restringe le possibilita all intersezione tra due sfere L intersezione di due sfere e una circonferenza 19

20 Posizionamento assoluto (codice) ARGOMENTO X La terza misura riduce l incertezza a solo due punti (ma uno solo ha una posizione accettabilmente vicina alla Terra) 20

21 Posizionamento assoluto (codice) ARGOMENTO La X quarta misura permette di risolvere l incognita temporale legata all orologio del ricevitore e porta a una soluzione univoca con precisione ±3-10m 21

22 DGPS X POSIZIONAMENTO (CODICE) MA CON CORREZIONE DIFFERENZIALE elaborando i dati di posizione del ricevitore mobile insieme a quelli di una stazione fissa di posizione nota, si possono correggere o attenuare molti errori ottenendo precisioni sub-metriche ( m) 22

23 Posizionamento relativo Con CORREZIONE DIFFERENZIALE di FASE X E possibile determinare la posizione del Ricevitore B relativa a quella del Ricevitore A : Le coordinate del Ricevitore A sono fissate (anche se non sempre sono precise) Gli stessi Satelliti sono tracciati contemporaneamente A B 23

24 FASE X il Differenziale: elimina errori degli orologi dei Satelliti e dei Ricevitori elimina gli errori delle orbite minimizza gli errori atmosferici accuratezza ±1-10 cm A B 24

25 FASE X 25

26 FASE X Ambiguità sul numero intero 26 PER CIASCUN SATELLITE AL MOMENTO DEL PRIMO CONTATTO LA DISTANZA d SATELLITE ANTENNA è data da: d = F + N F è la misura di fase N è l ambiguità: (numero intero incognito di lunghezze d onda)

27 FASE X Con questa sequenza di immagini si mostra come il calcolo della posizione relativa del punto estremo della baseline sia legato alla soluzione della ambiguità intera. I fronti d onda sono distanziati tra loro di 19 cm cioè di L1 27

28 FASE X 28

29 FASE X il rilievo Differenziale elimina tutti gli errori sistematici: - elimina gli errori degli orologi dei Satelliti e dei Ricevitori - elimina gli errori delle orbite dei satelliti come nelle misure di distanza ricavate per differenza, si eliminano gli errori sistematici anche se AC e AB fossero sbagliate (offset prisma), BC = AC - AB è esatta 29

30 FASE Il X risultato delle misure differenziali di fase è una BASELINE: vettore orientato nello spazio cartesiano ellissocentrico si calcolano le sue componenti cartesiane X, Y, Z 30

31 DOP (Diluition of Precision) X PDOP - Posizione (tre coord.) RDOP - Relativa (posizione, mediata nel tempo) HDOP - Orizzontale (due coordinate orizzontali) VDOP - Verticale (solo altezza) TDOP - Tempo (solo offset orologio) GDOP = PDOP e TDOP. PDOP: Maggiore e il volume della piramide, più piccolo e il valore di DOP (migliore è la misura) 31

32 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X 32

33 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X L errore dell orologio del ricevitore deve essere sempre eliminato, sia nelle misure di codice che in quelle di fase 33

34 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X 34

35 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X Gli errori ionosferici vengono attenuati: con modelli matematici (codice) e ricevitori monofrequenza (solo L1 baselines < 10 km) Analizzando le differenze tra L1 e L2 (L5) nei ricevitori multifrequenza (baselines > 10 km) 35

36 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X Diversi strati di atmosfera attraversati: satelliti alti o bassi, basi lunghe o corte. D2 D1 D1 D2 Disturbi Atmosferici 36

37 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X ERRORI D ORBITA DEI SATELLITI Correzioni imposte dalla master di controllo diverse tipologie di EFFEMERIDI. L errore rimane nelle misure di codice con ricevitore isolato Viene eliminato nelle misure differenziali di fase e nel DGPS 37

38 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X Le superfici riflettenti possono dare problemi di multipath percorsi multipli tra satellite e ricevitore 38

39 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X Gli ostacoli possono schermare i segnali provenienti dai satelliti: cycle slips, aumento DOP o interruzioni (< 4 SV) 39

40 Fonti di errore nelle misure ARGOMENTO X Le Interferenze Radio determinano una riduzione del Rapporto Segnale su Rumore (S/N), con conseguente peggioramento dell errore di misura della fase e del codice Tappeto di rumore con sommata una interferenza radio Tappeto di rumore Livello del segnale prima della correlazione Livello del segnale dopo correlazione Rapporto S/R Originario 40

41 METODOLOGIE DI RILIEVO DIFFERENZIALE DI FASE X Statico Statico Rapido Post Elaborazione Cinematico (Stop&GO) Real Time (RTK / NRTK) 41

42 Metodi, distanze e precisioni X Tecnica Occupazione Distanza Precisione STATICO Singola frequenza >45 min <10 km 1cm+1ppm Doppia frequenza >45 min >50 km 1cm+0.5ppm STATICO-RAPIDO Singola frequenza 20 min (>6SV) <10 km 1-2cm+1ppm Doppia frequenza 8 min (>6SV) <40 km 1-2cm+0.5ppm CINEMATICO Singola frequenza <30 sec <10 km 2cm+1-2ppm Doppia frequenza <30 sec <20 km 2cm+1-2ppm RTK Doppia frequenza 5-10 sec < 15 km 3-5cm+1-2ppm NRTK Doppia frequenza 5-30 sec >30 km 5-10 cm+1-2ppm 42

43 Il problema delle quote X h= altezza ellissoidica Q= quota ortometrica A N= ondulazione del geoide h = Q + N B Q A Q B Superficie topografica h B h A N A N B Geoide Ellissoide 43

44 Il problema dei dislivelli X A Dislivello ellissoidico: Δh = (84-73)m = 11m Dislivello ortometrico: ΔQ = (50-43)m = 7m ΔQ Δh h = altezza ellissoidica Q= quota ortometrica N= ondulazione del geoide B Q A =43m h B =84m Q B =50m Superficie topografica h A =73 m N A =30m N B =34m Geoide Ellissoide 44

45 Trasformazioni di quote X Prodotti IGM per trasformare quote GPS, ellissoidiche, in quote ortometriche. 45

46 Trasformazioni di quote X ELEMENTI IGM (GRIGLIATI) 46

47 RETI DI STAZIONI PERMANENTI ARGOMENTO X Schema di una rete di servizio per il posizionamento satellitare 47

48 RETI DI STAZIONI PERMANENTI ARGOMENTO X perdita di produttività In funzione della lunghezza della baseline (distanza base-rover) 48

49 RETI DI STAZIONI PERMANENTI ARGOMENTO X Una rete di servizio distribuisce i dati agli utenti - migliora la produttività e la precisione di posizionamento 49