IL GPS sistema di satelliti segmento di terra segnali elettromagnetici ricevitori

Transcript

1 IL GPS Il GPS Global Positioning System è costituito da un sistema di satelliti orbitanti all altezza di circa km, controllati da un segmento di terra che ne determina con precisione le orbite. I satelliti emettono segnali elettromagnetici che possono essere ricevuti da idonei ricevitori a terra ed elaborati per ottenere posizionamenti assoluti o relativi.

2 La rete di controllo del sistema Il compito di determinare e predire l orbita e lo stato degli orologi dei satelliti è svolto da una rete di stazioni di controllo a terra.

3 Il sistema di riferimento E costituito da una terna destrorsa di assi cartesiani XYZ, geocentrica e solidale alla Terra: - asse Z diretto secondo l'asse di rotazione terrestre (convenzionale) - assi X, Y sul piano equatoriale; - meridiano fondamentale nel piano XZ. sistema geocentrico convenzionale WGS 84 (World Geodetic System) utilizzata dal DoD (Department of Defence) USA. Il WGS 84 è un'approssimazione del sistema internazionale ITRF (IERS Terrestrial Reference Frame), definito a cura dello IERS (International Earth Rotation Service); scostamenti tra WGS84 e ITRF sulle coordinate geocentriche dell'ordine dei 10 cm per punti appartenenti alla superficie terrestre.

4 Alla terna geocentrica è associato un ellissoide geocentrico (definizione internazionale GRS 80, WGS84), avente il centro coincidente con il centro di massa della Terra, asse polare orientato secondo l'asse Z e piano equatoriale coincidente con il piano XY della terna geocentrica. a = m e 2 = 6,

5

6

7 Il principio geometrico del posizionamento: intersezione spaziale distanziometrica

8 D ST = c t v = [(X S -X T ) 2 + (Y S -Y T ) 2 + (Z S -Z T ) 2 ] 1/2 (X,Y,Z) J 3 incognite 3 equazioni 3 satelliti (X,Y,Z) K (X,Y,Z) S D ST (X,Y,Z) T Esiste però un offset temporale t incognito fra il tempo misurato dal satellite e quello del ricevitore 4 incognite 4 equazioni 4 satelliti

9 Posizionamento assoluto Determinazione, in tempo reale, delle coordinate di un punto nel sistema di riferimento globale. (X, Y, Z) WGS84, (φ, λ, H) GRS80 (E, N, H)

10 Il Posizionamento assoluto. Stima delle coordinate di un singolo ricevitore mediante osservazioni a un certo numero minimo (4) di satelliti. L accuratezza fornita è di circa 10 metri in navigazione, 1-2 metri per occupazioni prolungate sui punti da rilevare. La scarsa accuratezza è dovuta a: modellizzazione approssimata dei disturbi atmosferici, errori di posizione ed offset d orologio del satellite (trasmessi dal satellite stesso)

11 Posizionamento relativo: determinazione delle componenti del vettore (baseline) che unisce due punti su cui stazionano due ricevitori.

12 Il posizionamento relativo permette accuratezze superiori al posizionamento assoluto poiché la costruzione delle combinazioni lineari rimuove, almeno al primo ordine, gli errori che influiscono più significativamente. Il metodo venne inizialmente studiato per rilievi statici, ovvero con occupazione prolungata di ciascun punto incognito. Oggi sono anche disponibili sistemi adatti a rilievi cinematici, in cui l occupazione di ciascun punto incognito sia avvenuta per una singola epoca di osservazione. Sia nel caso di rilievo statico, sia in quello di rilievo cinematico, tradizionalmente la stima delle coordinate o delle traiettorie avveniva mediante post-elaborazione dei dati. Attualmente sono disponibili sistemi che permettono la trasmissione dati fra ricevitore di riferimento e ricevitore incognito, e quindi la stima delle coordinate di quest ultimo, in tempo reale (quasi).

13 Posizionamento differenziale: determinazione delle coordinate di un punto eseguita apportando alle distanze satellite-ricevitore una correzione differenziale calcolata su una stazione base di cui sono note le coordinate. correzione differenziale (X, Y, Z) WGS84 (X,Y,Z) Calcolate (X,Y,Z) Note correzione differenziale STAZIONE MASTER

14 Il posizionamento con più stazioni di riferimento. Per determinare la posizione di un punto è possibile effettuare un posizionamento relativo o differenziale rispetto all insieme di più stazioni di riferimento. I risultati ottenuti da questo tipo di elaborazione (compensazione di rete) garantiscono un miglioramento delle accuratezze, poiché gli effetti residui di errore, ovvero i termini di errore rimanenti nella stima della singola base, vengono ulteriormente mediati. La complessità di rilievo e di elaborazione aumentano, se non altro perché è richiesta la disponibilità di più strumenti e operatori e aumenta il numero di dati da trattare.

15 Tale limitazione viene superata se la presenza di una rete di stazioni di riferimento è garantita da stazioni permanenti distribuite sul territorio e coordinate da un centro di controllo che renda disponibili i dati delle stazioni stesse all utenza. RETE di Stazioni Permanenti Si compone dei seguenti elementi minimi: un insieme di ricevitori GPS che acquisiscono dati 24 ore su 24, monumentati stabilmente, con distribuzione omogenea sulla porzione di territorio interessata; uno o più centri di controllo che: gestiscono le SP e ne garantiscono la manutenzione, assimilano i dati delle SP, monitorano la qualità dei dati delle singole SP, compiono le elaborazioni di rete necessarie e in genere distribuiscono dati e prodotti all utenza.