RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA

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1 RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA Questa modalità di misura è la più precisa, consentendo di raggiungere precisioni subcentimetriche, ma anche la più lenta, a causa dei lunghi periodi in cui i ricevitori vengono lasciati in acquisizione. Si basa su un posizionamento statico relativo (o staticorapido se si diminuiscono i tempi di acquisizione a fronte di una minore accuratezza) con osservazioni di fase. Il ricevitore di riferimento sarà collocato su punto di coordinate note (es.: punto rete IGM95) oppure la rete sarà collegata ad una o più stazioni permanenti GNSS. Nel rilievo GPS NON E NECESSARIA L INTERVISIBILITA e la geometria della rete non è fondamentale. Elementi salienti del rilievo statico: Su ciascun punto viene collocato un ricevitore (eccezione per stazioni permanenti); i ricevitori acquisiscono dati contemporaneamente; le osservazioni continue vengono memorizzate con un assegnato intervallo di campionamento (generalmente da 5 s per statico rapido a 30 s per rilievi statici di diverse ore); la sessione di misura ha durata dipendente dalle precisioni richieste e dalla lunghezza della base; i dati acquisiti sono trasferiti su calcolatore, se necessario vengono scaricate effemeridi precise, e, mediante programmi dedicati, vengono elaborati. Nel rilievo statico-rapido: le sessioni di misura sono molto più brevi; necessità di intervallo campionamento ridotto; necessità di una buona configurazione satellitare; limite di km nella lunghezza delle basi; minore accuratezza, ma maggiore produttività. 1

2 RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA LE TECNICHE DI ACQUISIZIONE posizionamento relativo con misure di fase Metod o Tempo di misura Lung h. Basi Precisione Rate [sec] Note Statico > ½ ora 1 ora 10 km km >100 km Doppia frequenza se con basi maggiori di 20 km Necessità di buona configurazion e satellitare 3 4 ore variabile Statico min <10 Rapido (L1) 15 km 6 8 min (L1+L2) In funzione delle precisioni richieste vanno decise: durata delle sessioni; schema (ridondanza) del rilievo; sessioni e giornate di misura, in funzione dei ricevitori e degli operatori disponibili. 2

3 RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA Durata delle sessioni di misura. Dipende da: precisioni finali richieste; lunghezza delle basi; configurazione satellitare (quindi presenza eventuali ostacoli) durante ciascuna sessione; qualità di ricezione nei diversi punti. Esempi indicativi: per reti topografiche con precisioni di alcuni centimetri, con basi di lunghezza entro i 10 Km, si possono effettuare misure statico rapide, di durata indicativa di circa minuti; per reti di alta precisione sono necessarie sessioni di 3-4 ore per le basi di lunghezza compresa entro i 20 Km; al crescere della lunghezza delle basi deve aumentare la durata delle sessioni. Planning delle sessioni. Notevole importanza della geometria e del numero dei satelliti visibili rispetto ai punti di misura. Nella progettazione di un rilievo cinematico o statico-rapido il planning è fondamentale. In rilievi statici lunghi non è in genere possibile avere continuativamente condizioni ottimali; il planning è comunque utile per decidere orari di inizio e di fine della sessione. Ridondanza del rilievo. Nell ipotesi di rilevare una rete di N punti: N-1=basi indipendenti della rete scelte in diversi modi ma che non formino un poligono chiuso=numero min. basi N ( N 1) N0 R= Nmax = con N0=numero 2 delle basi acquisite, R=fattore N 1 di ridondanza 3

4 RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA Tipo e numero di ricevitori. Generalmente si preferisce utilizzare ricevitori a doppia frequenza; questi in particolare sono necessari per rilievi di alta precisioni, o su distanze maggiori di km. Il numero di ricevitori dipende principalmente da ragioni di tipo economico. Le reti di stazioni permanenti GNSS sono diffuse su scala mondiale (IGS-International GPS Service) e su scala europea (EUREF) principalmente per scopi di ricerca. Esistono inoltre reti a carattere regionale (es.: Labtopo) che distribuiscono i dati delle stazioni con vari campionamenti per le più diverse applicazioni, da quelle scientifiche a quelle tecniche. Potendo utilizzare i dati di queste stazioni il numero di ricevitori da impiegare in campagna diminuisce. Numero e sequenzialità delle sessioni. Stabilito il numero NR di ricevitori da utilizzare e la ridondanza prevista per il rilievo è necessario pianificare il numero, la sequenzialità e la distribuzione delle sessioni di osservazione. In particolare ricordiamo che il numero di basi indipendenti che si possono stimare da una sessione condotta con NR ricevitori è uguale a NR-1; il numero totale di sessioni da effettuare è dunque: R ( N 1) s= NR 1 4

5 RILIEVI GPS IN MODALITA STATICA 1 vertice di riferimento 4 punti da occupare: Nmax = 6 basi Misure necessarie: N-1= 3 basi Numero ricevitori Basi indipend. Num. sessioni ogni sessione ricevitori disponibili, 2 sessioni di osservazione, 3 basi indipendenti per ogni sessione 5

6 RILIEVI GPS IN MODALITA CINEMATICA Il GPS cinematico propriamente detto consiste nel tenere fisso uno dei due ricevitori (base) e nel trasportare il secondo (rover) lungo un percorso da determinare muovendosi con continuità. Il tracciato seguito viene determinato per punti, a intervalli di tempo regolari corrispondenti all intervallo di campionamento fissato nei due ricevitori. Il metodo stop and go è una variante operativa del metodo cinematico con cui i punti da determinare vengono occupati successivamente dal rover tenendolo fermo per un certo tempo. Tale metodo consente di ottenere maggiori precisioni del precedente grazie ad un numero maggiore di epoche in cui si occupa il punto e con cui si determinano le ambiguità per ogni satellite. Si impiega però maggiore tempo. 6

7 RILIEVI GPS IN MODALITA CINEMATICA La differenza sostanziale tra il GPS cinematico propriamente detto e lo stop and go consiste nel fatto che nel primo caso si ricostruisce in maniera continua un percorso, nel secondo si compie un rilievo puntuale. La tecnica cinematica è molto più produttiva di quella statica a fronte di una perdita di accuratezza (che rimane comunque centimetrica, quindi compatibile con le applicazione tecniche). Problema: calcolo dell ambiguità intera iniziale: In passato, e oggi in misura minore, si seguiva una procedura di inizializzazione del rilievo, di durata minuti, dalla quale si otteneva l ambiguità. Poi si partiva per il rilievo facendo attenzione di mantenere il contatto con almeno quattro dei satelliti tracciati inizialmente, altrimenti era necessaria un ulteriore inizializzazione. 7

8 RILIEVI GPS IN MODALITA CINEMATICA Nelle applicazioni del GPS cinematico in aereofotogrammetria sono state introdotte procedure OTF (On the fly) che permettono il calcolo rapidissimo delle ambiguità. Non è quindi più necessaria (particolarmente per i ricevitori doppia frequenza) l inizializzazione, è comunque consigliabile una inizializzazione di qualche minuto alla partenza e quando si percorrono tratti con notevoli ostruzioni (passaggio sotto i ponti o sotto gli alberi). Regole pratiche: E fondamentale un planning per scegliere la finestra temporale con la migliore visibilità satellitare; E importante settare il ricevitore con un intervallo di campionamento molto ravvicinato (es.:1 sec) per poter ottenere distribuzione di punti molto densi; Nei rilievi cinematici si ottiene un punto per ogni epoca perciò la distanza tra i punti dipende dall intervallo di campionamento e dalla velocità di spostamento. 8

9 RILIEVI GPS IN MODALITA DIFFERENZIALE Nella modalità cinematica in tempo reale quasi tutto il lavoro può essere svolto in campagna, con un notevole incremento della produttività. Il posizionamento relativo in tempo reale con osservazioni di pseudorange (DGPS): Si colloca un ricevitore GPS su una stazione di posizione nota e si iniziano le osservazioni; per ogni epoca di osservazione si effettua le stima di posizione mediante GPS e la si confronta con la posizione nota a priori; si attribuisce agli errori di sistema la differenza tra la posizione nota e quella calcolata; la stima di tali errori viene quindi comunicata (via radio, modem GSM o internet) al ricevitore in campagna in una posizione incognita, che sta osservando gli stessi satelliti; il secondo ricevitore utilizza le proprie osservazioni di pseudorange per una prestima della posizione; quindi corregge la prestima con i termini di errore comunicatigli dal ricevitore di riferimento. Precisioni raggiungibili: 5 m. o migliori. Se questa tecnica è applicata alle osservazioni di fase (RTK-Real Time Kinematic) si raggiungono precisioni sub-decimetriche. La distanza tra la stazione master e la stazione rover limita fortemente questo tipo di posizionamento (max distanza km). Vantaggi: > produttività rispetto al rilievo statico a 9 frontediditopografia una < precisione. Laboratorio D.I.C.A.

10 RINEX - Receiver INdipendent EXchange La maggior parte delle applicazioni GPS di alta precisione in geodesia e nel rilievo topografico coinvolgono il post-processamento dei dati raccolti da due o più ricevitori nel modo differenziale (relativo). Ogni ricevitore sul mercato ha sviluppato un formato proprio per i files di memorizzazione dei dati (binari), detti raw data. E stato quindi definito un unico formato di scambio dati: RINEX. Particolari softwares convertono i dati GPS grezzi (raw data) in questo formato unico di scambio. Il formato RINEX (Receiver Indipendent Exchange), sviluppato inizialmente dall Istituto Astronomico dell Università di Berna (AIUB), è attualmente adottato nella versione 2.1 Il RINEX è un file testo (ASCII). Nel formato RINEX la massima lunghezza della linea (record) è di 80 caratteri. Attualmente sono definiti all interno del formato RINEX tre differenti tipi di files: delle Osservazioni; dei Messaggi di Navigazione trasmessi dai Satelliti (GPS, GLONASS); dei dati Meteorologici a Terra (se registrati). 10

11 RINEX - Receiver INdipendent EXchange Ogni files consiste di una sezione di testata (Header), con informazioni che descrivono il contenuto dell intera registrazione. La seconda sezione contiene i dati effettivi. In particolare, nei file RINEX delle osservazioni sono contenute: misure pseudorange, misure di fase delle portanti L1 ed L2, tempo GPS delle osservazioni, misure doppler. 11

12 GLONASS Il segmento spaziale del Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema gestito dalla Russia, al contrario del GPS, non è ancora completo, infatti dei 24 satelliti previsti sono attualmente attivi 14 e 2 impegnati nei test (situazione a maggio 2006). Nonostante ciò comunque alla fine della messa in orbita i satelliti dovrebbero occupare 3 piani orbitali inclinati di 64,8 rispetto al piano equatoriale terrestre con orbite di raggio pari a circa Km, e tempo di rivoluzione di 11 ore e 16 minuti siderali. Alla completa operatività prevista nel 2011, il sistema dovrà garantire perlomeno la visione di 5 satelliti nel 99% della superficie terrestre. Anche i satelliti GLONASS montano orologi atomici al Cesio, mentre il tempo di riferimento è realizzato con orologi Maser. 12

13 GLONASS Il segmento di controllo è costituito da una serie di stazioni (Command Tracking Station) dislocate nel territorio russo, il centro di controllo del sistema (System Control Center) si trova nei pressi di Mosca e il suo compito è quello di ricavare le correzioni degli orologi e i messaggi di navigazione. Le frequenze sono definite da: dove n è il numero di canale. Questo significa che ogni satellite trasmette su una propria frequenza, diversa da quelle degli altri satelliti. Alcuni satelliti hanno in effetti la stessa frequenza, ma sono posti agli antipodi sullo stesso piano orbitale, per cui non possono essere ricevuti contemporaneamente. GALILEO Il sistema GALILEO è il primo sistema di uso esclusivamente civile progettato e in corso di realizzazione dalla Comunità Europea con la partecipazione di privati. La piena operatività dovrebbe essere raggiunta entro il L architettura del GALILEO comprende il segmento spaziale ed il relativo segmento di terra ovviamente necessario per fornire servizi specifici e le funzioni per l operatività del sistema nelle varie fasi della missione. 13

14 GALILEO La costellazione consiste in 30 satelliti posizionati in tre piani orbitali con una inclinazione di 56 sul piano equatoriale ad un altezza di circa Km. Il segmento di terra è diviso in due segmenti completamente separati ed indipendenti ovvero: il segmento di controllo che provvede alla determinazione delle orbite, il tempo di sincronizzazione ed il sistema di controllo dei satelliti; il segmento responsabile dell integrità del sistema. Le caratteristiche principali dei segnali emessi da GALILEO sono: 3 segnali trasmessi nella gamma di frequenza MHz (L1); 4 segnali trasmessi nella gamma di frequenza MHz (E5a-E5b); 3 segnali trasmessi nella gamma di frequenza MHz (E6). GALILEO apre una nuova era di satelliti per la navigazione ed il posizionamento. La problematica futura sarà la piena interoperabilità sia con il GPS americano sia con il GLONASS russo, soprattutto le prospettive future sono molto interessanti, perché dopo il 2010 le tre costellazioni pienamente operative conteranno in totale più di 70 satelliti in orbita. Una volta attivo il GALILEO fornirà validi aiuti nelle tecnologie che potranno rivoluzionare il sistema dei trasporti, nell aumento della sicurezza personale e nell efficienza dei soccorsi, in agricoltura, nei segnali orari accurati ed in molti altri aspetti della nostra vita sociale. 14