Sistemi di riferimentopeople.dicea.unifi.it/fausto.sacerdote/dispense/capitolo...Sistemi di...
Transcript of Sistemi di riferimentopeople.dicea.unifi.it/fausto.sacerdote/dispense/capitolo...Sistemi di...
Sistemi di riferimento
▪ Sistema di riferimento solidale con la terra
(coordinate dei punti sulla terra non variano nel tempo - a meno di deformazioni - movimenti placche tettoniche)
non inerziale:
i moti della terra
▫ rotazione diurna, ▫ precessione-nutazione, ▫ moto del polo – asse di rotazione non fisso rispetto alla terra, ▫ moto orbitale
danno luogo a forze apparenti es.: accelerazione centrifuga ra 2ω= distanza dall’asse di rotazione
km6000max ≅r (all’equatore)
510*3.7 −≅ω (1 giro in 86400sec) 22 m/sec10*3 −≅a (la gravità è )
2m/sec10≅
▪ Sistema inerziale
definito in base ad osservazioni astronomiche usato per il calcolo delle orbite dei satelliti artificiali
Sistemi di riferimento terrestri
Direzione della verticale Campo della gravità (+ accelerazione centrifuga)
• campo centrale 3rkM rg −=
2m/sec8.9||terra≅Rg
[distribuzione di massa a simmetria sferica] superfici equipotenziali sferiche concentriche
• campo di gravità terrestre
- distribuzione di massa irregolare ⇓
o variazione irregolare del vettore gravità sulla superficie terrestre o irregolarità delle superfici equipotenziali
Misure di latitudine e longitudine astronomica
A causa delle irregolarità, da queste misure non è possibile ricavare con precisione relazioni spaziali fra i punti di stazione
Geoide Superficie equipotenziale a livello degli oceani (approssimativamente) ortogonale alla verticale approssimato con ellissoide biassiale (a simmetria rotazionale) Parametri geometrici a semiasse maggiore (raggio equatoriale)
abaf −
= (schiacciamento), oppure 2
222
abae −
=
150/1 ; 300/1 ; km6378 2 ≅≅≅ efa • Ondulazione del geoide:
separazione geoide-ellissoide <100m • Deviazione della verticale:
angolo fra verticale (normale al geoide) e normale all’ellissoide
dipendono non solo dalla forma geometrica, ma anche dal posizionamento e all’orientazione dell’ellissoide rispetto al geoide
HNh +=
altezza ondulazione altezza ellissoidica del geoide sul geoide
(livello del mare) dato un ellissoide, corrispondenza (quasi) biunivoca
),,(),,( hzyx λϕ↔ latitudine longitudine
Posizionamento e orientazione dell’ellissoide
▪ coordinate astronomiche di un punto ),( ΛΦ
sul geoide 0P ▪ punto sull’ellissoide 0Q
orientazione della normale in : 0Q Φ=ϕ ▪ geoide ed ellissoide tangenti 00 QP ≡
(normale=verticale) ▪ asse di simmetria dell’ellissoide parallelo
all’asse di rotazione della terra ▪ Λ=λ (si fissa il meridiano di riferimento) Posizionamento 3-D di un punto
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΛΦ
coord.astronomiche + H altezza sul geoide
oppure
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛λϕ
coord.geodetiche + altezza sull’ellissoide h
Sistema di riferimento nazionale (Roma40)
Ellissoide internazionale (Hayford, 1924)
32 10*722670022.6 , m6378388 −== eaorientato a Monte Mario
EN "4.08'2712 , "51.25'5541 00 == λϕ Longitudini misurate da Monte Mario Sistema di riferimento europeo (ED50 – European Datum) Ellissoide internazionale “con orientamento medio europeo”
coordinate di M.Mario in ED50 : EN "93.10'2712,"49.31'5541 00 == λϕ
Ellissoide biassiale
Coordinate cartesiane in un sistema di assi con origine nel centro di simmetria, asse z lungo l’asse di simmetria, asse x nel piano del meridiano di riferimento per le longitudini (Greenwich)
ϕϕλϕϕλϕϕ
sin))1)(((sincos))((coscos))((
2 heNzhNyhNx
+−=+=+=
),( λϕ direzione della normale all’ellissoide
NOTA la normale all’ellissoide incontra l’asse di simmetria, ma non nel centro
2/122 )sin1()( −−= ϕϕ eaN
)(φN
φ
Trasformazioni inverse
0 , 0 arctan
0 , 0 arctan
0 arctan
><+
<<−
>
=
yxxy
yxxy
xxy
π
πλ
ϕ formula chiusa complicata, oppure
determinazione numerica ricorsiva
Trasporto di coordinate
▪ In linea di principio
collimazione di P da P0
⎪⎭
⎪⎬
⎫
zenitale angolo azimut
distanza
coord. Polari componenti del vettore → 0PP
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛→
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛→
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
→⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
hzyx
zyx
hϕλ
ϕλ
0
0
0
0
0
0
sistema locale
↓ rototraslazione
sistema globale (ellissoide)
Trasporto di coordinate
▪ In pratica
reti geodetiche Trasporto di coord. geodetiche (planimetriche)
↓ misure → lunghezze e azimut → coord. geodetiche di archi di geodetica
↓ arco sull’ellissoide di lunghezza minima
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
→≈
→≈
sferica appross. 70km)-60(
geodetico campo
piana appross. 10km)(
co topograficampo
per coord. planimetriche
Rotazioni attorno agli assi cartesiani x y z
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ −
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
− 1000cossin-0sincos
cos0sin
010sin0cos
cossin0sincos0
001γγγγ
ββ
ββ
αααα
(in verso antiorario visti dal semiasse positivo di rotazione per 0,, >γβα )
▪ rotazioni attorno ad assi diversi non commutano
NOTA: vzyx RRR
↑
l’ordine delle rotazioni è da destra a sinistra (ossia nell’ordine in cui sono applicate al vettore)
Rotazioni infinitesime al I ordine ααα ≅≅ sin 1cos
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛−=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ −=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−=
1000101
10010
01
1010
001γ
γ
β
β
αα zyx RRR
al I ordine ⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
−=
11
1
αβαγβγ
zyx RRR
le rotazioni commutano
Roto-traslazione con variazione di scala
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+++
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
zyx
RRIwvu
zyx
Rwvu
wvu
00
0
0
0
0
0
0
))(( δδλλλ
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
zyx
RRzyx
Rzyx
Rwvu
00000
0
0
0
ord.) I (al δλδλλ
Per semplicità si pone IR == 00 , 1λ
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
−+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
zyx
zyx
wvu
zyx
wvu
00
0
0
0
0
αβαγβγ
δλ
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
−+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
δλ
γ
β
α
0
0
0
0
00
100010001 w
v
u
zyx
xyxz
yz
zyx
Composizione di rotazioni attorno agli assi Date 2 terne di assi cartesiani di orientazione relativa arbitraria, per sovrapporre la prima alla seconda
■ rotazione attorno a in modo che 1z 1xcoincida con la proiezione di su 2z 11 yx
)(1 λzR (antioraria se 0>λ )
■ rotazione attorno a in modo che 1y
si sovrapponga a 1z 2z )2
(2 ϕπ−yR
■ rotazione attorno a 21 zz ≡ in modo che 1xsi sovrapponga a , a . 2x 1y 2y
)2
(3 απ−zR (α = azimut : angolo con la direzione del nord )
πα 20 <≤ , in verso orario
La direzione di è individuata da 2z
x2 y1
z1z2
x1 y2
ϕ angolo col piano , 11 yx 2/2/ πϕπ ≤≤− λ angolo della proiezione ortogonale di su con , 2z 11 yx 1x
πλπ ≤<−
Esempio: roto-traslazione da sistema globale a sistema locale
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
zyx
nel sistema globale (“geocentrico”)
origine del sistema locale:
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛→⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
0
0
0
0
00 :
zyx
Pλϕ
coordinate di P0 nel sistema globale: traslazione
↓
orientazione della normale alla sup. di riferimento
- per la sfera è la direzione radiale
Orientazione del sistema locale
asse z in dir. ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
0
0
λϕ
asse x verso E piano xy tangente alla sup.di rif. asse y verso N
Determinazione di grandezze geodetiche (fig.10)
Si misurano
▪ distanze rettilinee d ▪ angoli zenitali z , z’ Si vogliono ottenere
▪ distanze (curvilinee) sull’ellissoide ▪ dislivelli Calcoli in approssimazione sferica
Determinazione di grandezze geodetiche – distanze (fig.10)
αRs =
Misurando z e z’
ππππα −+=−−−−= ')'()( zzzz
Misurando z e d
)sin( arctan oror zdd
hRd
=+∆−
=α
risulta
zRd
Rh
zdscos1
sin
++=
↓ riporta a quota 0
Determinazione di grandezze geodetiche – dislivelli (fig.10)
)'sin()'()sin()( zhRzhR −+=−+ ππ ↓
z−+πα
⇓
)2
cot()1('Rsz
Rh
shh m −+≅−
↓ ↓ porta piccole in quota correzioni
Dislivelli (livellazione geometrica)
'' BBAAhAB −=∆ Livello : cannocchiale
messo in stazione con asse orizzontale
per mezzo di una livella toroidale
Lettura su stadie graduate Strumento nel mezzo : si compensano
- errori di rifrazione atmosferica - difetti costruttivi (asse ottico non parallelo al supporto della livella)
Altezza ortometrica (sul geoide)
livellazione geometrica
↓ non parallelismo delle superfici equipotenziali altezza ortometrica
Differenze di potenziale HgW δδ −= determinazione delle differenze di potenziale lungo un profilo
↓ livellazione geometrica + misura di g Correzioni ortometriche della livellazione
tengono conto delle densità di massa fra geoide e superficie terrestre
Raggio di curvatura
)(srr = s = ascissa curvilinea
dsdr
=τr versore tangente
nRds
d 1=
τr raggio di curvatura 0>R
normale principale =n
θddsR =
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
θθ
sincos
dsdr
sdsd
dsd δδθ
θθ
δ 2
2
cossin rr
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
sdsd
dsd δδθδ 2
2rr==
δθδs
dsd
R ==
2
2
1r
Curve geodetiche
)(srr = arco di curva su superficie 0),,( =zyxf
fcdsd
∇=2
2r
Geodetiche su una sup. di rotazione
costsin =αρ =ρ distanza dall’asse di rotazione =α azimut della tangente
raggi di curvatura delle sezioni normali (con azimut α )
NMRαα
α
22 sincos1+=
2/122 )sin1( −−= ϕeaN
2/3222 )sin1)(1( −−−= ϕeeaM