Rilievo di precisione Real time e Reti NRTK

Rilievo di precisione Real time e Reti NRTK Maurizio Barbarella DISTART -Università di Bologna maurizio.barbarella@unibo.it

Rilievo di precisione GPS Le modalità di rilievo che consentono di raggiungere precisioni di alcuni cm a distanze dell ordine dei km sono al centro dell attività del topografo L operatore topografo è interessato: a raggiungere le precisioni richieste dall applicazione e/o dal committente; alla possibilità di verificare di aver raggiunto le precisioni cercate e di poterlo dimostrare; alla massima efficienza delle operazioni sia di campagna che di calcolo Per raggiungere precisioni elevate con ricevitori satellitari occorre eseguire misure in relativo

Per ottenere la precisione utile ai Topografi dunque Occorre eseguire misure con due ricevitori contemporaneamente : Posizionamento relativo : BASE GPS questo richiede : in campagna -due squadre che operano in contemporanea: due ricevitori di fase, in singola ( L1 ) o doppia frequenza (L1 + L2), due operatori in contatto per garantire la contemporaneità delle ricezioni -Calcoli in ufficio: -scarico dei dati a fine delle operazioni e -post elaborazione con un apposito sw Precisione: qualche mm per ogni km di distanza (+5 mm) Ma: non si ha sempre la certezza che le misure abbiano dato esito positivo, me ne accorgo dai calcoli

Come è possibile? Φ S f S S S R() t = r ( ρr δρiono δρtropo δρorb) fδt fδtr NR ε c + + + + + + dt sat d orbita orologio sat. ionosfera Ricevendo con due strumenti da due satelliti contemporaneamente, alcuni errori sono simili, e differenziando le misure si eliminano (quasi) d ion o troposfera λ ΔΦ = Δρ λ ΔN Δρ + Δρ Ion Trop d tropo Misure Incognite errori residui d mult orologio ric.. d fas e errori correlati pazialmente: d orbita, Ionosfera, Troposfera,

Pro e contro posizionamento relativo (basi) Limiti del rilievo relativo : Richiede coordinamento tra più squadre Richiede uno stazionamento prolungato Richiede tempo per il calcolo per delle basi misurate non si ha garanzia in campagna che le misure abbiano dato esito positivo Se il rilievo è complesso e richiede più basi, occorre eseguire la compensazione in blocco delle basi; Se richiesto, effettuare l inquadramento in rete pre esistente, tecnica o geodetica, occorre inserire tra i punti rilevati anche vertici appartenenti alla rete d inquadramento effettuare il calcolo di inquadramento - impegnativo organizzativamente, - il lavoro non finisce in campagna + l uso di basi indipendenti in numero ridondante garantisce l analisi di qualità dei dati e la possibilità di dimostrare la qualità del lavoro svolto

Incremento di efficienza Un incremento di efficienza è ottenibile per due vie: 1. riducendo l onere di misura in campagna 2. Riducendo l onere di calcolo

Per una maggiore efficienza in campagna Si può tenere sempre acceso un ricevitore su un punto di posizione nota : Stazione Permanente In campagna, Il rilevatore acquisisce i dati col suo solo ricevitore In ufficio calcola - la base relativa alla S.P. - la posizione del punto di stazione (nota quella della S.P.)

Stazioni permanenti in Italia Censimento organizzato dal CISIS Oltre 400 S.P. Riportate a fianco ALCUNE S.P. di Enti Pubblici Fonte: CISIS, Sviluppo delle tecnologie per le reti geodetiche

Per una maggiore efficienza : Rilievo RTK Disponendo di : una coppia di ricevitori opportuni RTK (Master e Rover) e di un sistema di trasmissione dati (Radio modem, cellulari GSM, GPRS) è possibile evitare il post-processamento e ottenere la posizione del ricevitore già in campagna, (amodalità Real Time Kinematic ) Dati sono inviati dal Master al Rover, che li elabora calcolando la base Osservazioni usate: Doppie differenze di fase, intervallo di campionamento 1 sec < 10 (- 15) km

Pro e Contro del rilievo R T K Oltre alla riduzione del tempo di misura e di calcolo, col rilievo RTK si ottengono due vantaggi: sapere già al momento del rilievo se questo è riuscito correttamente o meno; conoscere le coordinate del rover già in campagna, e quindi ad esempio poter effettuare un tracciamento, ovvero andare ad occupare punti del terreno dei quali si conoscono le coordinate. conoscere le coordinate nel sistema voluto, se su questo sono assegnate le coordinate del master Contro: Deve funzionare il collegamento le misure non sono ridondanti, ( a meno di non rioccupare il punto e fare una nuova misura) per cui non ci si accorge di eventuali errori

Rilievo RTK: Attenzione alla distanza Precisione: centimetrica, come per il rilievo cinematico post processato. Portata : limitare la distanza entro i 10 km per le ottenere precisioni centimetriche, (possibile a distanze molto maggiori) Effetto errori residui Δρ Ion, Δρ Trop 5 Km 10 Km 20 Km

Rilievo RTK su aree vaste La modalità RTK molto efficiente per rilievi di precisione ma con portata limitata Per servire in modalità RTK zone vaste Occorrerebbe disporre di più master a distanza opportuna, dell ordine di 20 km L utente in campagna deve riferirsi al Master più vicino (quale è?) Cerchio: portata del singolo master (diciamo, 400 km 2 )

Rilievo RTK su aree vaste: Emilia Romagna Tenendo conto dei limiti di portata utile per l alta precisione, occorre un elevato numero di stazioni per coprire una vasta area S. R. autonome S. R. interoperanti

Reti NRTK - Network Real Time Kinematic Le SR in posizione nota tracciano i satelliti in vista (ricevitori L1+L2) trasferiscono automaticamente i dati verso il centro di controllo Un software residente nel centro di controllo Riceve in R.T i dati acquisiti esegue un controllo di qualità dei dati Calcola gli effetti sistematici (ionosfera, correzioni orbitali e degli orologi,..) per tutti i satelliti λ ΔΦ = Δ ρ λ Δ N Δρ + Δρ Esegue la modellazione dei sistematismi su tutta l area Gestisce la disseminazione delle correzioni all utenza Ion Trop Misure dati noti incognite calcolate

Rete NRTK Bastano 14-16 stazioni a decine di km a consentire il rilievo in tempo reale su tutta l Emilia Romagna : le correzioni vengono trasmesse all utente autorizzato che si collega al Centro di controllo il ricevitore RTK dell operatore calcola istantaneamente la posizione, qualunque sia la distanza dalle S.R.!

Esperienze DISTART: rete NRTK BoPOS Sperimentazione operative NRTK dal 2002, grazie alle Ditte che hanno fornito software di rete e ricevitori : Sperimentati: GPSNet, Geo++ GNSMART, SpiderNET Sviluppo della rete BO_POS del DISTART- UNI BO: Rete Laboratorio Aspetti tecnologici -Strumenti -Comunicazioni tra SP e Centro Controllo Centro Controllo e Utenza Aspetti geodetici -Software gestione -Inquadramento -Trecisione -Affidabilità

Criticità: connessioni tra S. di Riferimento Connessioni tra Reference Stations in rete Internet mista: Rete GARR, Universitaria Rete Interbusiness (Telecom), Servizio commerciale : ADSL Tempi latenza : attorno al secondo. Buco: interruzione 1.6 1.4 1.4 1.2 1 0.8 0.8 0.6 sec 0.4 0.2 0

Efficienza della rete NRTK Produttività di una rete NRTK dipende da una serie di fattori che debbono consentire il fissaggio delle ambiguità tra S.R., il calcolo delle correzioni, l invio delle correzioni e la ricezione da parte del Rover. Durata misura : Tempo necessario alla inizializzazione e quindi al fissaggio delle ambiguità Tempo Treb SGio Mart Med Marz Malo Marg Cresp Conness. GSM 30'' 30'' 30'' 30'' 30'' 30'' 30'' 30'' Float 30'' 30'' 30'' 1'10'' 40'' 35'' 30'' 25'' Fixed 40'' 2' 20'' 1'50'' 2' 50'' 60'' 60'' Totale 1'50'' 3'10'' 1'30'' 3'40'' 3'20'' 2'05'' 2'10'' 2'05'' Durata: pochi minuti ( 3), altrimenti.

Con quale precisione e affidabilità? Prove ripetute sugli stessi punti. Il colore si riferisce a ripetizioni su diversi punti Dispersione : cm Dispersione planimetrica 0.060 0.040 EST [m] 0.020 0.000-0.080-0.060-0.040-0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080-0.020 crespellano margherita SanGiorgio Medicina Piazza Martiri Trebbo Malalbergo -0.040-0.060 NORD [m]

Verifica sistematica precisione e affidabilità Poligono di circa 60 vertici, interdistanza media 7 km Rilevato prima con misure statiche coord. di riferimento Punti misurati poi in NRTK, tramite tre ripetizioni a distanza di mesi

Ripetibilità a breve termine In ciascuna campagna, sono eseguite tre ripetizioni su ciascun punto (durata :30 epoche di 1 sec) Calcolata media e residui per ciascuna terna N of acquisitions % 100% 80% 60% 40% 20% DN DE Dh Valori degli scarti dalla media di ciascuna misura. Solo in pochi casi differenze a breve di parecchi cm 0% 0-1 1-2 2-3 3-4 > 5 cm

Sperimentazione : confronto con posizioni note 100% N di acquisizioni % 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 0-5 0-10 0-20 0-40 (cm) DN DE Dh Distribuzione Cumulativa delle differenze tra le posizioni NRTK e le coordinate ottenute da campagna statica GPS (m) 0.4 0.2 0-0.2-0.4 ΔNord ΔEst 0 100 200 300 Acquisizioni Δh Dispersione delle soluzioni rispetto al valore statico di riferimento

Inquadramento della rete Cosa serve per raggiungere i migliori risultati? Sicuramente alta congruenza delle coordinate delle Stazioni di Riferimento tra di loro e con le orbite Contesto internazionale: Stazioni Permanenti IGS posizione congruente con le orbite precise Le stazioni si muovono con velocità sensibile cm all anno Usate 13 Stazioni IGS per l inquadramento Utilizzati tre diversi sw per l inquadramento

Inquadramento rete NRTK BO_POS Consistenza rete; 11 + 13 di inquadramento Durata ricezioni: 500 giorni circa SW usato: BERNESE GAMIT GIPSY Stazione: MEDI

Altro Inquadramento reti, stesso risultato Descrizione del dataset 131 stazioni + 13 inq. IGS Durata del dataset: 7 mesi Totale files: 22695

Varie altre Applicazioni possibili per il rilievo GNSS in tempo Reale e per le Reti NRTK

Applicazioni diverse rete NRTK: Navigazione. MMS, Sistemi ad alta produttività Navigazione Geodetica con furgone attrezzato GPS-NRTK IMU, odometri, Necessità di posizionare il sistema su lunghi percorsi, appoggiandosi alla rete NRTK

Applicazioni diverse rilievi RT: Controllo di movimenti I rilievi in tempo reale possono essere realizzati anche su scala più ridotta, per il monitoraggio di: - frane, movimenti terreno - manufatti quali edifici, ponti, muri di sostegno,.. Sistemi locali di monitoraggio basso costo possono essere collegati alle S.R. di una rete NRTK, consentendo: -collegamento ad un Centro di Controllo in R.T. -riferimento a strutture lontane stabili e controllate (ricalcolate) in continuazione

Realizzazione rete monitoraggio di edifici Località: Gaggio Montano edifici scelti Municipio Scuola Media Cimitero Il sistema calcola gli spostamenti fra i sensori rispetto una posizione iniziale spostamenti tra gli edifici sull area di frana Frequenza di aggiornamento : 1 Hz

Monitoraggio First Severn Bridge Ricevitori collocati in cima alle torri e nella mezzeria del cavo di sospensione Base in prossimità dell imbocco Distanza tra riferimento ricevitori: 1200-1600-2200 m trasmissioni radio da autorizzare

Severn Bridge. Movimenti verticali Spostamenti verticali mezzeria. Primi risultati 22 Andamento del fenomeno in tre giorni circa Range degli spostamenti verticali in un giorno : circa 20cm Netta correlazione con la temperatura

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