GPS
GPS? SINTETICAMENTE STRUTTURA WGS 84 TECNICHE DI MISURAZIONE RILIEVO TOPOGRAFICO PRECISIONE E FONTI DI ERRORE RETE GPS
GPS Global Positioning System è costituito da una costellazione di satelliti NAVSTAR NAVigation Satellite with Timing And Ranging realizzata e gestita dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti
SINTETICAMENTE Il sistema GPS è un sistema satellitare per il rilevamento della posizione di un qualunque oggetto, fermo o in movimento, situato sulla superficie terrestre, mediante la definizione delle sue coordinate spaziali rispetto a un determinato sistema si riferimento
SINTETICAMENTE La caratteristica peculiare dei sistemi di rilievo satellitare risiede nelle trasformazione radicale delle modalità di misura. Nelle operazioni di misura terrestri il punto di osservazione (stazione) e il punto osservato sono entrambi a terra, mentre nei sistemi satellitari le misurazioni sono effettuate da terra verso il cielo. Questo fatto implica notevoli vantaggi, il principale dei quali è che l intervisibilità tra i punti rilevati non è più necessaria. Inoltre è possibile effettuare le misurazioni anche di notte o in condizioni meteorologiche avverse
STRUTTURA È divisa in tre segmenti SPAZIALE CONTROLLO UTILIZZO Il collegamento tra i primi due segmenti è bidirezionale. Il segmento utilizzatore, invece, ha solo la possibilità di ricevere i segnali dai satelliti senza poter trasmettere dati, per cui l accesso al sistema è inibito agli utenti
SEGMENTO SPAZIALE 24 satelliti (piu' alcuni di riserva) 6 orbite ellittiche inclinate di 55 rispetto al piano equatoriale 4 satelliti per ogni orbita Raggio dell'orbita: 26000 Km circa Velocita' dei satelliti: 4 km/s circa Orbita completa in 12 h Il numero dei satelliti e le orbite permettono un ricoprimento totale della superficie terrestre: da qualsiasi punto e in qualsiasi momento è sempre possibile ricevere i segnali trasmessi da almeno 4 satelliti. I satelliti trasmettono su due lunghezze d onda L1 (19 cm) e L2 (24 cm). Le informazioni relative alla posizione dei satelliti si chiamano effemeridi
SEGMENTO DI CONTROLLO Comprende 5 stazioni terrestri. Di queste, quattro seguono continuamente i satelliti determinandone le traiettorie e rilevando parametri necessari al controllo del sistema. La quinta Colorado Springs, è la stazione principale (master control), e comunica i risultati ai satelliti, i quali li invieranno a loro volta ai ricevitori terrestri
SEGMENTO DI UTILIZZO È costituito dai ricevitori terrestri. L equipaggiamento deve comunque comprendere un antenna, un ricevitore in grado di captare e decodificare i segnali radio emessi dai satelliti e una unità di controllo per gestire il rilevamento ed elaborare il segnale. Il ricevitore può essere installato su un treppiede tradizionale o su di un asta che viene spostata dall operatore ad ogni rilevazione. Nelle operazioni di rilievo si deve misurare l altezza dell antenna da terra considerando che il sistema fornisce la posizione del centro dell antenna
WGS 84 - World Geodetic System 1984 È l ellissoide di riferimento globale, cioè unico per tutti i punti della superficie fisica della Terra. Tale sistema è geocentrico, e ha le seguenti caratteristiche: origine nel baricentro della massa terrestre asse Z coincidente con l asse polare asse X intersezione del piano equatoriale con il meridiano di riferimento asse Y sul piano equatoriale e ortogonale all asse delle X Le informazioni ricevute dai satelliti permettono di definire la terna di coordinate X, Y, Z rispetto a questo sistema di riferimento. Le coordinate dei punti possono essere anche espresse in latitudine, longitudine e altezza Appositi software permettono di trasformare le coordinate riferite al WGS 84 in coordinate cartegrafiche N, E, Z del sistema cartografico nazionale (Roma 40), oppure coordinate x, y, z, rispetto a un qualunque sistema di riferimento locale
WGS 84 World Geodetic System 1984
VERTO 2 I.G.M. (Istituto Geografico Militare)
IL PROBLEMA DELLE QUOTE DEI PUNTI Il valore di quota rispetto all'ellissoide WGS84 ottenuto direttamente da un rilievo GPS è un parametro altimetrico puramente geometrico e spesso non collegato alla realtà. Il dislivello tra due punti, ottenuto per differenza di due quote ellissoidiche non sempre è uguale al dislivello reale, ottenuto per differenza tra due quota ortometriche misurate sul geoide. Da queste considerazioni si capisce l'importanza di determinare i legami tra la quote ellissoidiche, misurate lungo la normale, e le quote ortometriche misurate lungo la verticale in un punto. Se l estensione del rilievo non è molto grande, conviene fare stazione con il ricevitore GPS su punti di quota ortometrica nota: in questo modo può essere calcolata la differenza tra la quota ortometrica e quella ellissoidica (scostamento dal geoide) e interpolare poi tale differenza per tutti i punti rilevati
TECNICHE DI MISURAZIONE Il compito assegnato al sistema è quello di determinare la posizione tridimensionale di un qualsiasi punto della superficie terrestre utilizzando la rete dei satelliti Perchè un punto sia univocamente determinato devono essere note le distanze tra il punto e quattro satelliti. Lo schema può essere ricondotto a quello di una trilaterazione multipla dove i satelliti rappresentano i punti di coordinate note
TECNICHE DI MISURAZIONE La determinazione della posizione di un punto in tempo reale con un solo ricevitore, GPS assoluto (posizione di navigazione), presenta errori di qualche metro e non può essere utilizzata nei rilievi topografici Precisioni adeguate alle esigenze del rilievo topografico, si ottengono con il GPS differenziale DGPS, con la quale si impiegano almeno due ricevitori per acquisire da entrambi i segnali emessi da almeno quattro satelliti
TECNICHE DI MISURAZIONE Con il GPS differenziale le sessioni di misura non vengono effettuate per punti isolati ma per coppie di punti sui quali si collocano simultaneamente due ricevitori. In questo modo si ottiene la posizione di un punto rispetto ad un altro, che deve essere di posizione nota, attraverso le differenze Δx, Δy, Δz tra le coordinate dei due punti nel sistema di riferimento WSG84. Il segmento che unisce ciascuna coppia di punti viene denominato linea di base (baseline)
TECNICHE DI MISURAZIONE RTK Il rilievo RTK (Real Time Kinematic Rilievo GPS cinematico in tempo reale) viene effettuato con due ricevitori, uno fisso (base), ed uno mobile (rover). I due ricevitori sono collegati tramite radiomodem o telefono cellulare. Il ricevitore base, posto in un punto opportuno, acquisisce la propria posizione e trasmette un segnale che contiene le correzioni, ovvero i parametri, principalmente atmosferici, essenziali per il posizionamento RTK. Il ricevitore rover, acquisisce la propria posizione e le correzioni inviate dal ricevitore base. La precisione che può essere raggiunta nel posizionamento dei punti è intorno ad 1 cm
TECNICHE DI MISURAZIONE Le misure GPS si effettuano utilizzando due tipologie di misure: STATICHE DINAMICHE (cinematiche e stop and go) Nel primo nel caso i due ricevitori rimangono fermi su due punti base per tutto il tempo occorrente all acquisizione dei dati. Nel secondo un ricevitore è fisso e l altro itinerante, può cioè spostarsi durante la fase di acquisizione dei dati, aumentando la produttività del rilievo
TECNICHE DI MISURAZIONE STATICHE Il rilievo è costituito da un certo numero di sessioni di misura e prevede l utilizzo di due ricevitori (GPS differenziale) che rimangono fermi per ogni sessione. Il metodo consiste nel posizionare un ricevitore su un punto di coordinate note e l altro su di un punto di coordinate incognite (realizzando così la prima baseline), quindi si inizia la sessione di misura, che può durare dai 30 ai 60 minuti. Al termine, anche il secondo punto avrà coordinate note e potrà essere utilizzato per le successive sessioni. Procedendo in questo modo si andranno a rilevare tutti i punti incogniti. Il rilievo sarà così formato da un certo numero di baseline, che dovranno essere opportunamente collegate tra loro. Le tecniche di misurazioni statiche sono utilizzate per il rilievo delle reti di inquadramento, prima quindi del rilievo di dettaglio vero e proprio. Con queste tecniche di misurazione gli errori sono inferiori a 2 cm per baseline fino a 10 km
TECNICHE DI MISURAZIONE DINAMICHE Il rilievo cinematico, che viene eseguito in modo differenziale, cioè con due ricevitori che captano il segnale di almeno 4 satelliti, inizia con la determinazione della baseline di partenza che viene effettuata in modo statico; in seguito un ricevitore, che è in continua registrazione, rimane fermo sul primo punto della baseline di coordinate note mentre l altro ricevitore, anch esso in registrazione continua, abbandona il secondo punto per spostarsi su tutti i punti da rilevare Il rilievo stop and go è del tutto simile al rilievo cinematico e differisce da questo solo per il fatto che, dopo aver determinato in metodo statico la baseline di partenza, si fa stazione per pochi secondi su tutti i punti da rilevare in modo da poter inserire alcune informazioni riguardanti il punto stesso. Questo procedimento è il più utilizzato in campo topografico e risulta particolarmente valido per i rilievi di dettaglio
RILIEVO TOPOGRAFICO VANTAGGI Il sistema GPS presenta numerosi vantaggi rispetto ai tradizioni metodi di rilevamento: non è richiesta l'intervisibilità fra punti può essere usato in qualsiasi momento del giorno e della notte e con qualsiasi condizione meteorologica produce risultati molto accurati consente di completare il lavoro in minor tempo e con un minor numero di addetti
RILIEVO TOPOGRAFICO LIMITI Per utilizzare il sistema GPS è essenziale che l'antenna GPS abbia la possibilità di ricevere il segnale da almeno 4 satelliti. In qualche caso i segnali del satellite possono essere bloccati da edifici alti, alberi, ecc. Non è quindi possibile utilizzare il GPS al chiuso e l'uso può risultare difficoltoso anche nei centri urbani o nei boschi A causa di questo limite per alcune applicazioni può essere più conveniente ed economico utilizzare una stazione totale o associare l'uso di tale strumento al sistema GPS
RILIEVO TOPOGRAFICO ESEMPI DI RILIEVO CON STAZIONE TOTALE E GPS ASSOCIATI P3 P5 Antenna P1 P4 P7 P2 P6 Stazioni determinate con modalità GPS Punti di dettaglio rilevati per coordinate polari
PRECISIONE GPS Il GPS consente di ottenere precisioni notevolmente variabili. In generale la precisione nel posizionamento dipende da fattori quali: tipologia di strumento utilizzato modalita' di posizionamento modalita' del rilievo durata del rilievo distanza del ricevitore dalla stazione permanente piu' vicina
PRECISIONE GPS METODO DESCRIZIONE PRECISIONE INDICATIVA Assoluto in tempo reale Il ricevitore in movimento acquisisce le informazioni per il posizionamento In modo indipendente dalla qualita' dello strumento, si può ottenere una bassa precisione, non superiore a 10 metri Cinematica Il ricevitore in movimento acquisisce le informazioni per il posizionamento, che vengono elaborate in tempo reale con le correzioni provenienti da una stazione di riferimento E' possibile ottenere una precisione di pochi cm in pochi secondi di misura. La precisione diminuisce se il ricevitore e' in movimento e dipende dalla qualita' dello strumento Statica Il ricevitore viene posizionato e lasciato sul punto di posizione incognita. Le informazioni registrate vengono elaborate successivamente, mediante un opportuno software di post - elaborazione E' possibile ottenere una precisione di pochi cm o inferiore. La precisione dipende dalla qualita' dello strumento
FONTI DI ERRORE Fino a questo punto si è ipotizzato che la posizione derivata dal sistema GPS sia molto precisa ma in realtà esistono varie fonti di errori che diminuiscono la precisione della posizione GPS di alcuni metri. Tali fonti di errore sono: Ritardi di origine ionosferica ed atmosferica Errori degli orologi di satellite e ricevitore Multipath Diluizione della precisione Anti Spoofing (A-S)
FONTI DI ERRORE Ritardi di origine atmosferica Il segnale GPS attraversando l'atmosfera può subire un rallentamento, con un effetto simile alla luce che si rifrange attraverso un blocco di vetro Tale rallentamento può introdurre un elemento di errore nel calcolo della posizione a Terra in quanto la velocità del segnale viene alterata. (La velocità della luce infatti è costante solamente nel vuoto) La ionosfera non causa un ritardo costante del segnale, ma esistono vari fattori che contribuiscono ad influenzarne l'effetto
FONTI DI ERRORE Multipath Il Multipath del segnale GPS si verifica quando l'antenna del ricevitore è posizionata vicino ad un'ampia superficie riflettente, quale per esempio un lago o un edificio. Il segnale del satellite non si dirige direttamente sulla antenna, bensì colpisce l'oggetto vicino e viene riflesso sull'antenna, dando luogo quindi ad una falsa misurazione. Le antenne GPS dell'ultima generazione sono in grado di filtrare il segnale che ha subito un Multipath. Il Multipath influisce solamente sulle misure di precisione, del tipo richiesto dai rilievi topografici. I semplici ricevitori portatili per navigazione non utilizzano tecniche di filtro per i segnali riflessi
RETE GPS Con il termine di stazioni permanenti GPS si intendono dei ricevitori GPS fissi, sempre attivi, che registrano in continuo il segnale GPS. L'unione di più stazioni permanenti (solitamente almeno 4) costituisce una RETE GPS Una rete GPS è un insieme di stazioni di riferimento, omogeneo per caratteristiche di precisione e qualità dei sensori utilizzati, costantemente connesse tramite linee ad alta velocità ed affidabilità, ad una infrastruttura informatica costituita da hardware e software dedicati. L'infrastruttura dovrà essere in grado di gestire il flusso dati proveniente dalle stazioni di riferimento e di erogare servizi all utenza
LA RETE GPS DELL IGMI L IGMI (Istituto Geografico Militare Italiano) ha utilizzato il sistema GPS per realizzare una nuova rete di vertici trigonometrici. La nuova rete, denominata IGM95, è composta da 1150 vertici, disposti sul territorio nazionale con una densità media di 1 vertice ogni 10 kmq Istituto Geografico Militare Servizio Geodetico