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Presentazione della Rete di Stazioni Permanenti GNSS dell’Emilia Romagna - Bologna - 15/01/09

Rilievo di precisione Real timee

Reti NRTK

Maurizio BarbarellaDISTART -Università di Bologna

[email protected]


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 calcoloPer 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 GPSquesto 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 garantirela contemporaneità delle ricezioni

-Calcoli in ufficio: -scarico dei dati a fine delle operazioni e -post elaborazione con un apposito swPrecisione: 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 ?

Ricevendo con due strumenti da due satelliti contemporaneamente, alcuni errori sono simili, e differenziando le misure si eliminano (quasi)

( ) ( )S S S SR r R iono tropo orb R R

ft f t f t Ncρ δρ δρ δρ δ δ εΦ =− + + + + − + +

errori correlati pazialmente:d’orbita,Ionosfera, Troposfera,

ionosfera

troposfera

dtropo

d ion

o

dorbita

dtsat

d multdfase

orologio sat.

orologio ric..

Ion TropNλ ρ ρλ ρ∇Δ ∇Δ∇Δ ∇Δ∇ΔΦ= − − +

Misure Incognite errori residuiMisure Incognite errori residui


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 positivoSe 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 unricevitore su un punto di posizione nota : Stazione Permanente

In campagna, Il rilevatore acquisisce i dati col suo solo ricevitoreIn 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

• 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

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 )


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

,Ion Tropρ ρ∇Δ ∇Δ5 K

m

20 K

m

10 K

m


Rilievo RTK su aree vaste

La modalità RTK• molto efficiente per rilievi di precisione • ma con portata limitataPer 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 km2 )


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 KinematicLe 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

•Esegue la modellazione dei sistematismi su tutta l’area•Gestisce la disseminazione delle correzioni all’utenza

Ion TropNλ ρ ρλ ρ∇Δ ∇Δ∇ΔΦ=∇Δ − ∇Δ − +

Misure dati noti incognite calcolate


Rete NRTKBastano 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 ControlloCentro 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

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.8

1.4

sec


Efficienza della rete NRTK

2'05''2'10''2'05''3'20''3'40''1'30''3'10''1'50''Totale

60''60''50''2'1'50''20''2'40''Fixed

25''30''35''40''1'10''30''30''30''Float

30''30''30''30''30''30''30''30''Conness.

GSM

CrespMargMaloMarzMedMartSGioTrebTempo

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 quindial fissaggio delle ambiguità

Durata: pochi minuti ( 3) , altrimenti ….


Con quale precisione e affidabilità ?

Dispersione planimetrica

-0.060

-0.040

-0.020

0.000

0.020

0.040

0.060

-0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080

NORD [m]

EST

[m]

crespellanomargheritaSanGiorgioMedicinaPiazza MartiriTrebboMalalbergo

Prove ripetute sugli stessi punti .

Il colore si riferisce a ripetizioni su diversi punti

Dispersione : cm


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 suciascun punto (durata :30 epoche di 1 sec)

• Calcolata media e residui per ciascuna terna

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 > 5

cm

N° o

f acq

uisi

tions

%

DN

DE

Dh

Valori degli scartidalla media di ciascuna misura.

• Solo in pochi casidifferenze a brevedi parecchi cm


Sperimentazione : confronto con posizioni note

DistribuzioneCumulativa delle differenze tra le posizioni NRTK e le coordinate ottenute da campagna statica GPS

Dispersione delle soluzioni rispetto al valore statico di riferimento

50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%

100%

0 - 5 0 - 10 0 - 20 0 - 40

(cm)

N° d

i acq

uisi

zion

i %

DN

DE

Dh

0 100 200 300Acquisizioni

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

(m)

ΔNordΔEstΔh


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


Consistenza rete; 11 + 13 di inquadramentoDurata ricezioni: 500 giorni circaSW usato: BERNESE – GAMIT – GIPSY Stazione: MEDI

Inquadramento rete NRTK BO_POS


•Descrizione del dataset•131 stazioni + 13 inq. IGS•Durata del dataset: 7 mesi•Totale files: 22695

Altro Inquadramento reti, stesso risultato


• 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 Geodeticacon furgoneattrezzato– GPS-NRTK– IMU, odometri,

• Necessità di posizionare il sistemasu lunghi percorsi, appoggiandosi alla reteNRTK


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

Applicazioni diverse rilievi RT: Controllo di movimenti


Località: GaggioMontanoedifici scelti• Municipio• Scuola Media• Cimitero

Realizzazione rete monitoraggio di edifici

Il sistema calcola gli spostamenti fra i sensori rispetto una posizione iniziale spostamenti tra gli edifici sull’area di franaFrequenza 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


GRAZIE

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