Strumentazione GPS e Reti di Stazioni Permanenti Eugenio Realini eugenio.realini@polimi.it M. Grazia Visconti grazia@geomatica.como.polimi.it
Modalità di posizionamento Posizionamento assoluto Posizionamento relativo
Il posizionamento assoluto Stima delle coordinate di un singolo ricevitore mediante osservazione contemporanea a più satelliti (almeno 4) La stima può avvenire in tempo reale Per applicazioni navigazionali La precisione è scarsa: 2-10 metri in modalità navigazionale 1-2 metri per un rilievo statico prolungato nel tempo SOLO CON OSSERVAZIONI DI CODICE!!!!
Il posizionamento relativo Due ricevitori effettuano misure simultanee ai medesimi satelliti. Si stimano le coordinate di uno dei due se e solo se l altro è posizionato in un punto di coordinate note. La precisione dipende da: Dal tipo di ricevitore Dalla distanza fra i ricevitori Dalla durata del rilievo Dal metodo di elaborazione dei dati 1-2 metri con osservazioni di codice in tempo reale Meglio del centimetro con osservazioni di fase per posizionamento statico prolungato
Le stazioni permanenti GPS Ricevitore monumentato in modo stabile che acquisisce dati 24h su 24h I dati sono campionati a diverse frequenze da 1-30 Le stazioni possono essere dotate di orologi atomici (di solito rubidio) La materializzazione è di solito accurata: analisi radiometriche su L1/L2 antenna montata con centramento forzato su pilastrino oculata scelta del sito in modo da garantire ampia visibilità satellitare sopra i 10 ricevitore e componenti accessori (PC, Orologio atomico) alloggiati in ambiente riparato fornitura elettrica e connessione internet facilità di accesso a personale autorizzato
Le stazioni permanenti GPS L operatività in post-processing: Si effettuano le misure in una data finestra temporale Si scaricano, successivamente (da qualche ora dopo a qualche giorno dopo), tramite web, i dati di fase (o di codice) da una o più stazioni permanenti presenti nelle vicinanze dell area rilevata (entro un raggio di 20-30 km) Si elaborano i dati e si stimano le coordinate dei punti a partire dalle coordinate note della stazione permanente
Le stazioni permanenti GPS L operatività in tempo reale: Si effettuano le misure e, contestualmente, si ricevono i dati da una stazione permanente (di solito a 1-5 s) Si elaborano i dati direttamente in campagna, nell istante in cui si effettuano le misure (necessità di avere un controller) E necessario avere un collegamento con la stazione permanente attraverso il quale scaricare, in tempo reale, i dati e le coordinate della stazione permanente (collegamento radio, GSM, ) Come detto, la modalità di posizionamento in tempo reale era basata sulla connessione ad una stazione permanente dalla quale si ricevevano i dati Questa connessione era a una via, dalla stazione permanente al ricevitore Da questo schema, si è passati allo schema di rete di stazioni permanenti gestite da un centro di raccolta ed elaborazione dati
Verso il concetto di rete La precisione dipende dalla distanza tra i due ricevitori. Per il tempo reale la distanza massima è di circa 15-30 km; oltre tale distanza non si ottengono stime finali fixed (ad ambiguità fissate). Con l utilizzo delle reti di stazioni permanenti minimizzo la dipendenza dalla distanza.
La rete di stazioni permanenti GPS Il centro di elaborazione raccoglie il flusso di dati da tutte le stazioni collegate e calcola, sulla base di questi dati, sull area coperta dalla rete, l andamento della funzione d errore Il centro di elaborazione mette a disposizione, via web, queste quantità che sono utilizzate dagli utenti per correggere le proprie misure, sempre in tempo reale E necessario che l utente trasmetta la propria posizione (pointpositioning) al centro di elaborazione che invia poi le correzioni nel punto di misura (connessione a due vie) Anche in questo caso, il ricevitore deve essere dotato di un controller per effettuare i calcoli necessari alla stima delle coordinate e di un GSM per poter comunicare con il centro di elaborazione e controllo I due approcci utilizzati per realizzare questo tipo di operatività sono: FKP (Parametri di correzione d area) VRS (Virtual Reference Station)
L approccio VRS VRS: la rete calcola la funzione d errore nella posizione dell utente e invia all utente la funzione d errore sommata ai dati della stazione permanente più vicina viene simulata una stazione permanente virtuale caratterizzata dagli stessi errori dell utente
L approccio FKP FKP: la rete comunica al ricevitore utente le osservazioni della Stazione Permanente più vicina e i parametri della funzione d errore. Il ricevitore utente costruisce le doppie differenze con i dati della stazione permanente correggendole con la funzione d errore
La rete di Stazioni Permanenti della Regione Lombardia 15 stazioni attive. Servizi per il posizionamento in post processing e in tempo reale Alcune stazioni saranno utilizzabili anche per studi di carattere geodinamico (geodinamica delle Alpi progetto Alps-GPSquakenet Bormio, Sondrio, ) http://www.gpslombardia.it
La rete IGS International GNSS Service 384 stazioni (al 7 aprile 2007) 16 Operating Data Centers 8 AnalysisCenters 6 Regional Data Centers 3 Global Data Centers 1 Project Data Center Stima e monitoraggio del sistema di riferimento globale IGb05 Stima delle orbite e della calibrazione degli orologi del segmento spaziale Distribuzione del sistema di riferimento globale attraverso coordinate e velocità delle stazioni permanenti distribuzione di informazione su ionosfera e troposfera definizione degli standard generali per la realizzazione delle SP http://igscb.jpl.nasa.gov
La rete EPN Euref Permanent Network (EPN) Raffittimento europeo della rete IGS 199 stazioni permanenti (7 aprile 2007) Operative Centers Local Data Center Combination Center Central Bureau coordinate e velocità delle stazioni permanenti all epoca iniziale coordinate e velocità delle stazioni permanenti soluzione settimanale http://epncb.oma.be
La rete ASI 40 stazioni permanenti: 6 in IGS 21 in EUREF 13 solo in ASI Centro di Elaborazione Dati e Controllo: Matera (Centro di Geodesia Spaziale) soluzioni settimanali /serie temporali delle stazioni permanenti soluzione giornaliera del disturbo troposferico mappe giornaliere del disturbo ionosferico file SINEX e velocità della rete rispetto alla placca euroasiatica http://geodaf.mt.asi.it/html_old/index.html
Standard trasmissione dati RINEX (Receiver Independent Exchange Format Version) 3 tipi di file ASCII: File di osservazione (Observation Data File) File di navigazione (Navigation Message File) File dei dati meteo (Meteorological Data File) SSSSDDDF.YYT SSSS = marker name della stazione DDD = giorno GPS (progressivo dell anno) F = identificativo della sessione YY = anno T = identificativo del tipo di file O osservazione N navigazionale M meteo
RINEX Header section Data section
NMEA NMEA (National Marine Electronics Association),. Standard per interfacciare apparecchiature digitali Nato per scopi nautici Applicato nell ambito del GPS per interfacciare ricevitore PC Sequenza di caratteri ASCII [prefisso, campo, campo,, checksum] $GPGGA - Global Positioning System fix data N satelliti in vista Qualità rilevamento HDOP Epoca Latitudine Longitudine Quota ortometrica Checksum
Strumentazione GPS Classificazione della strumentazione: Un solo codice C/A Un codice lisciato con una fase C/A L1 singola frequenza Due codici e due fasi C/A-P-L1-L2 doppia frequenza / geodetici
Ricevitori geodetici Leica RX1250 Antenna : ATX1230 Segnale: codice C/A, frequenza L1,L2 Canali: 12L1 + 12L2 + 2 SBAS Accuratezza: 10 mm + 1 ppm in RTK TopCon GB1000 Antenna : Segnale: codice C/A, frequenza L1,L2 Canali: Accuratezza:
Ricevitori middle-level Leica GS20 Antenna : AT501 Segnale: codice C/A, frequenza L1 Canali: 12 Accuratezza: 40 cm in DGPS
Ricevitori low-level EbonTek egps248 Chip: NEMERIX Segnale: codice C/A, frequenza L1 Canali: 16 Accuratezza: 3 m EbonTek egps597 Chip: ANTARIS 4 Segnale: codice C/A, frequenza L1 Canali: 16 Accuratezza: 2.5 m