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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

I sistemi di posizionamento satellitare

Tratto dalle dispense D02

11/05/2011

B02 - GNSS

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

I sistemi GNSS

GNSS: Global Navigation Satellite Systems

GPS Stati Uniti

GLONASS Russia

GALILEO Europa

COMPASS Cina

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Il sistema GPS

GPS: Global Positioning System

Sistema PASSIVO,

origine militare

finalità: militari e civili− rilievi topografici− navigazione marina− gestione flotte− dispositivi per autoveicoli− …

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Colorado Springs Segmento di Controllo

Segmento Spaziale

Monitor Stations

Diego Garcia

Ascension Is.

Kwajalein

Hawaii

Segmento Utente

I “Segmenti” GPS

……..

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Segmento Spaziale

24 satelliti (attuali 31)

6 piani orbitali inclinati di 55°

Ogni piano ha almeno 4 satelliti

Orbite molto alte

20.200 km

Periodo orbitale di 11 ore e 56 minuti

Alta precisione

Maggiore sopravvivenza

Ottima copertura

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

SEGMENTO di CONTROLLO

18 stazioni di controllo a terra;.

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXCosa fa

Traccia i satelliti in modo continuo;

Determina la posizione spazio-temporale dei

satelliti (EFFEMERIDI);

Corregge le orbite;

Controlla gli orologi a bordo dei satelliti con lo

speciale orologio all‟idrogeno “Maser”;

Calcola le orbite previste per le 24 ore successive

e le invia ai satelliti.

SEGMENTO di CONTROLLO

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

SEGMENTO UTENTE

• Sono tutti gli utilizzatori del sistema

• strumentazione passiva:− antenna− Ricevitore

• Consentita la sola ricezione di

informazioni da satelliti;

• posizione riferita al “centro di fase”

dell‟antenna.

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

SISTEMA DI RIFERIMENTO “ELLISSOCENTRICO”

• Ellissoide GRS80 (=WGS84).

• Origine OC centro di massa

convenzionale terrestre.

• Asse zasse di rotazione

terrestre.

• Asse xperpendicolare a z e

passante per il meridiano

fondamentale di Greenwich.

• Asse y perpendicolare agli assi

x e z e con direzione volta a

formare una terna destrorsa.

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Ogni satellite trasmette un

segnale complesso costituito

da diverse componenti ma

generate tutte dalla stessa

frequenza fondamentale f0

(f0=10.23 Mhz) che deriva

dell‟oscillatore di bordo del

satellite.

Gli elementi fondamentali allo

stato attuale sono:

− 2 PORTANTI (L1 e L2)

− 3 CODICI binari (C/A, P/Y, L2C) modulati sulle portanti

− Messaggio di navigazione D

IL SEGNALE GPS

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

LE PORTANTI

Le portanti sono ricavate dalla frequenza

fondamentale f0 (f0=10.23 Mhz e = 30 m circa)

– L1 = 154 f0 = 1575,42 MHz

λ(L1) ≅ 19 cm

– L2 = 120 f0 = 1227,60 MHz

λ(L2) ≅ 24 cm

L‟uso di due portanti consente di valutare l‟effetto

ionosferico

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

I CODICI

I codici consentono la stima della distanza satellite-

ricevitore che è alla base del posizionamento GPS.

Questo avviene in base alla stima del tempo

impiegato dal segnale per percorrere il tragitto.

Sono sequenze casuali di stati +1 e -1 che si ripetono

dopo un certo intervallo di tempo (Pseudo Random

Noise, PRN).

Ogni satellite presenta il proprio PRN. Questo

consente il riconoscimento da parte dello strumento

ricevente.

I codici sono “modulati” sulle portanti L1 e L2

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

IL MESSAGGIO DINAVIGAZIONE

Informa l‟utente sullo stato di salute del satellite,

sull‟orologio ed altre notizie utili per il

posizionamento.

Contiene le effemeridi dei satelliti che il ricevitore

tratterà in modo distinto.

Viene trasmesso alla frequenza di 50 Hz

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Le portanti possono trasmettere dati binari

attraverso la tecnica della modulazione della fase

del segnale con il codice binario.

Quando il codice varia il suo stato (passaggio da +1

a –1 e viceversa) la portante inverte il segno

(sfasamento di ).

Modulazione delle fasi

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

TIPOLOGIE DIPOSIZIONAMENTO

Posizionamento assoluto (CODICE)− utilizza un unico ricevitore che determina la

posizione assoluta (nel sistema GPS – WGS84).

Posizionamento relativo (FASE)− utilizza almeno due ricevitori contemporaneamente

e porta al calcolo del vettore (baseline) che unisce i due punti su cui sono posti i ricevitori. Consente la massima precisione grazie alla

Correzione Differenziale.

− Se collegato alle “reti” internazionali, consente l‟inserimento cartografico del rilievo con precisione ±10cm

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

X, Y, Z

X, Y, Z

X, Y, Z

X, Y, Z

Posizionamento assoluto (codice)

Un solo ricevitore in acquisizione,

precisione 3 ÷ 10 m

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX“Pseudo” distanza tra Ricevitore e Satelliti

tvd d è la pseudo-distanza (pseudo-range);

t è il tempo impiegato dal segnale a percorrere

la distanza satellite-ricevitore;

v è la velocità media della luce

Posizionamento assoluto (codice)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUna misura costringe la nostra posizione

sulla superficie di una sfera

20.000 Km Noi siamo da

qualche parte

sulla superficie

di questa sfera.

Posizionamento assoluto (codice)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUna seconda misura restringe le possibilita‟

all‟intersezione tra due sfere

L’intersezione di due

sfere e’ una circonferenza

Posizionamento assoluto (codice)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXLa terza misura riduce l‟incertezza a solo due punti (ma uno solo ha una posizione accettabilmente vicina alla Terra)

Posizionamento assoluto (codice)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXLa quarta misura permette di risolvere l‟incognita temporale legata all‟orologio del ricevitore e porta a una soluzione univoca con precisione ±3 - 10m

Posizionamento assoluto (codice)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

DGPS

POSIZIONAMENTO (CODICE) MA CON CORREZIONE DIFFERENZIALE

elaborando i dati di posizione del ricevitore mobile insieme a quelli di una stazione fissa di posizione nota, si possono correggere o attenuare molti errori ottenendo precisioni sub-metriche (0.3 – 1.0 m)

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Posizionamento relativo

Con CORREZIONE DIFFERENZIALE di FASE

E‟ possibile determinare la posizione del Ricevitore „B‟ relativa a quella del Ricevitore „A‟:

– Le coordinate del Ricevitore A sono fissate (anche se non sempre sono precise)

– Gli stessi Satelliti

sono tracciati contemporaneamente

BA

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

……il Differenziale:

– elimina errori degli orologi dei Satelliti e dei Ricevitori

– elimina gli errori delle orbite

– minimizza gli errori atmosferici

– accuratezza ±1-10 cm B

A

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Ambiguità sul numero intero

PER CIASCUN SATELLITE AL MOMENTO DEL PRIMO CONTATTO

LA DISTANZA dSATELLITE – ANTENNA è data da:

d = F + N

F è la misura di fase

N è l’ambiguità:

(numero intero incognito di lunghezze d’onda)

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXCon questa sequenza di immagini si mostra come il calcolo della posizione relativa del punto estremo della baseline sia legato alla soluzione della ambiguità intera.

I fronti d‟onda sono distanziati tra loro di

19 cm – cioè di L1

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

FASE

29

ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

……il rilievo Differenziale elimina tutti gli errori sistematici:- elimina gli errori degli orologi dei Satelliti e dei

Ricevitori- elimina gli errori delle orbite dei satelliti

come nelle misure di distanza ricavate per differenza, si eliminano gli errori sistematicianche se AC e AB fossero sbagliate (offset prisma), BC = AC - AB è esatta

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXIl risultato delle misure differenziali di fase è una

BASELINE:

vettore orientato nello spazio cartesiano

ellissocentrico – si calcolano le sue componenti

cartesiane X,Y,Z

FASE

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

DOP (Diluition of Precision)

PDOP:

Maggiore e‟ il volume della

piramide, più piccolo e‟ il valore

di DOP (migliore è la misura)

PDOP - Posizione (tre coord.)

RDOP - Relativa (posizione,

mediata nel tempo)

HDOP - Orizzontale (due

coordinate orizzontali)

VDOP - Verticale (solo altezza)

TDOP - Tempo (solo offset

orologio)

GDOP = PDOP e TDOP.

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXL‟errore dell‟orologio del ricevitore deve essere

sempre eliminato, sia nelle misure di codice che in quelle di fase

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Fonti di errore nelle misure

35

ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Gli errori ionosferici vengono attenuati:

• con modelli matematici (codice) e ricevitori monofrequenza (solo L1 – baselines < 10 km)

•Analizzando le differenze tra L1 e L2 (L5) nei ricevitori multifrequenza (baselines > 10 km)

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Disturbi Atmosferici

D1

D2

D1≠D2

Diversi strati di atmosfera

attraversati:

• satelliti alti o bassi,• basi lunghe o corte.

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

• ERRORI D‟ORBITA DEI SATELLITI

• Correzioni imposte dalla master di controllo –

diverse tipologie di EFFEMERIDI.

• L‟errore rimane nelle misure di codice con ricevitore

isolato

• Viene eliminato nelle misure differenziali di fase e

nel DGPS

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Le superfici riflettenti possono dare problemi di multipath – percorsi multipli tra satellite e ricevitore

Fonti di errore nelle misure

39

ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Gli ostacoli possono schermare i segnali provenienti dai satelliti: cycle slips, aumento DOP o interruzioni (< 4 SV)

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Le Interferenze Radio determinano una riduzione del Rapporto Segnale su Rumore (S/N), con conseguente peggioramento dell‟errore di misura della fase e del codice

Livello del

segnale dopo

correlazione

Livello del segnale

prima della correlazione

Tappeto di rumore

con sommata una

interferenza radio

Tappeto di rumore

Rapporto S/R

Originario

Fonti di errore nelle misure

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

METODOLOGIE DI RILIEVODIFFERENZIALE DI FASE

Statico

Statico Rapido

Cinematico (Stop&GO)

Real Time (RTK / NRTK)

Post Elaborazione

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Metodi, distanze e precisioni

Tecnica Occupazione Distanza Precisione

STATICO

Singola frequenza >45 min <10 km 1cm+1ppm

Doppia frequenza >45 min >50 km 1cm+0.5ppm

STATICO-RAPIDO

Singola frequenza 20 min (>6SV) <10 km 1-2cm+1ppm

Doppia frequenza 8 min (>6SV) <40 km 1-2cm+0.5ppm

CINEMATICO

Singola frequenza <30 sec <10 km 2cm+1 - 2ppm

Doppia frequenza <30 sec <20 km 2cm+1 - 2ppm

RTK

Doppia frequenza 5-10 sec < 15 km 3-5cm+1-2ppm

NRTK

Doppia frequenza 5-30 sec >30 km 5-10 cm+1-2ppm

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Il problema delle quote

Superficie

topografica

Geoide

AB

NA

QA

hA

QB

hB

NB

h= altezza ellissoidica

Q= quota ortometrica

N= ondulazione del geoide

h = Q + N

Ellissoide

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Il problema dei dislivelli

Superficie

topografica

Geoide

AB

NA=30m

QA=43m

hA=73 m

QB=50m

hB=84m

NB=34m

h = altezza ellissoidica

Q= quota ortometrica

N= ondulazione del geoide

Dislivello ellissoidico: Δh = (84-73)m = 11m

Dislivello ortometrico: ΔQ = (50-43)m = 7m

ΔQ≠Δh

Ellissoide

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Trasformazioni di quote

Prodotti IGM per

trasformare quote GPS,

ellissoidiche, in quote

ortometriche.

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXELEMENTI 50.000 IGM (GRIGLIATI)

Trasformazioni di quote

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

RETI DI STAZIONI PERMANENTI

Schema di una rete di servizio per il posizionamento satellitare

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

perdita di produttività In funzione della lunghezza della baseline

(distanza base-rover)

RETI DI STAZIONI PERMANENTI

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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Una rete di servizio distribuisce i dati agli utenti -migliora la produttività e la precisione di posizionamento

RETI DI STAZIONI PERMANENTI