Analisi preliminare per il posizionamento cinematico ... · Le operazioni descritte in questa tesi...

Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio

Analisi preliminare per il posizionamento cinematico

tramite dati GPS acquisiti nel progetto

Roma Ocean World

Relatore

Chiar.mo Prof.

MATTIA CRESPI

Candidata

CHIARA FRANCESCA

TAGLIACOZZI

matricola 1478787Correlatori

MARA BRANZANTI

AUGUSTO MAZZONI

Anno Accademico 2013-2014

Roma, 6 novembre 2014

Indice

Introduzione vi

1 Progetto Roma Ocean World 1

1.1 Il giro del mondo e l’Eco40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Le attivita di ricerca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Collaborazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Contributo della geomatica al progetto . . . . . . . . . 6

2 Test di acquisizione e qualita dei dati 7

2.1 Problematiche relative alla collocazione ottimale . . . . . . . . 7

2.2 Quality check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Installazione dei GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Elaborazione cinematica VADASE 14

3.1 Pre-elaborazione dei file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1 Kin-VADASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.2 File navigazionali e di configurazione . . . . . . . . . . 18

3.2.3 Elaborazione VADASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo . . . . . . 21

3.3.1 Sincronizzazione delle epoche . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.2 Tracciamento dei grafici della distanza dei ricevitori . . 22

i

INDICE ii

4 Confronto elaborazione VADASE ed LGO 25

4.1 Elaborazione LGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Precisione del Kin-VADASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.1 Differenza Kin-VADASE-LGO in coordinate cartesiane

geocentriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.2 Differenza tra Kin-VADASE e LGO in coordinate car-

tesiane locali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5 Conclusioni 32

Elenco delle figure

1.1 Imbarcazione Eco40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Percorso del giro del mondo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Pannelli fotovoltaici e generatoli eolici installati sull’imbarca-

zione Eco40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Orto interno alla barca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Collocamento delle antenne GPS . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Antenne GPS installate sulla tuga e in poppa alla barca . . . . 11

2.3 Collegamento interno ai tubolari tra le antenne e i ricevitori

GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4 Ricevitori posizionati all’interno dell’imbarcazione . . . . . . . 13

3.1 Esempio di header di un file in formato RINEX . . . . . . . . 15

3.2 Esempio di osservazioni contenute in un’epoca di un file in

formato RINEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Traiettoria dell’imbarcazione Eco40 effettuata durante il test

di navigazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4 Distanze tra le antenne GPS installate sulla barca . . . . . . . 21

3.5 Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla

barca e dei valori del numero di satelliti . . . . . . . . . . . . . 23

3.6 Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla

barca e dei valori del PDOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1 Base GPS stimata con il metodo delle doppie differenze . . . . 26

iii

ELENCO DELLE FIGURE iv

4.2 Andamento differenza elaborazione Kin-VADASE e LGO nel

tempo in coordinate cartesiane geocentriche XYZ . . . . . . . 29

4.3 Andamento della differenza tra elaborazione Kin-VADASE e

LGO nel tempo in coordinate cartesiane locali . . . . . . . . . 30

Elenco delle tabelle

2.1 Parametri calcolati con il Quality Check . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Parametri calcolati con il Quality Check . . . . . . . . . . . . 9

4.1 Indici di completezza per le elaborazioni VADASE e LGO dei

tre ricevitori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Parametri statistici delle differenze tra elaborazione Kin-VADASE

e LGO in coordinate cartesiane geocentriche . . . . . . . . . . 28

4.3 Parametri statistici delle differenze tra elaborazione VADASE

e LGO in coordinate cartesiane locali . . . . . . . . . . . . . . 31

v

Introduzione

La seguente trattazione si propone di descrivere le operazioni di analisi ed

elaborazione dei dati GPS acquisiti nella fase preliminare del progetto Roma

Ocean World.

Il Roma Ocean World e un’iniziativa sportiva, culturale e scientifica in-

quadrata nel contesto dei progetti ambientali ed ecosostenibili: il primo giro

del mondo in barca a vela effettuato in solitario, in autonomia energetica ed

alimentare, realizzato con un Class40 dallo skipper Matteo Miceli.

Durante la navigazione saranno effettuate misure sperimentali di parametri

ambientali, quali condizioni meteo-oceanografiche, vento, pressione atmosfe-

rica, temperatura dell’acqua marina e dell’aria, e correnti superficiali. Saran-

no studiati anche parametri cinematici per determinare sia la posizione che

l’assetto dell’imbarcazione stessa, al fine di descriverne i movimenti durante

la navigazione.

Questi dati verranno acquisiti in parte con strumentazione elettronica

presente sulla barca e in parte con apparecchiature appositamente installate

a bordo da ditte specializzate che hanno collaborato con il Dipartimento di

Ingegneria Civile, Edile e Ambientale (DICEA) dell’Universita La Sapienza.

Fanno parte di questi dispositivi tre ricevitori GPS ad alta precisione, for-

niti dalla societa Leica Geosystems AG in collaborazione con l’Universita La

Sapienza di Roma. Il responsabile tecnico scientifico del progetto e il Prof.

Paolo De Girolamo del DICEA dell’Universita La Sapienza.

Le misure eseguite con questi dispositivi saranno in seguito analizzate per

ottenere i parametri cinematici, studiando, in particolare, la variazione del-

vi

INTRODUZIONE vii

l’assetto dell’imbarcazione nel tempo rispetto ad un sistema di riferimento

interno. Si potranno cosı ricostruire le onde del vento e quelle oceaniche

incontrate in navigazione. I tre GPS sono stati posizionati in modo tale da

poter ricostruire, mediante le coordinate di ogni singolo ricevitore, sia la tra-

iettoria precisa della barca che l’assetto di quest’ultima, in modo da poter

determinare gli ondeggiamenti dell’imbarcazione.

Le operazioni descritte in questa tesi si collocano nella fase di verifica e al-

lestimento precedente l’inizio del progetto Roma Ocean World, e riguardano

l’analisi dati GPS acquisiti nei mesi precedenti la partenza.

Con lo scopo di ricercare un’innovativa metodologia di analisi dei dati

GPS semplice e precisa, le elaborazioni esposte nella trattazione sviluppano

l’analisi dei dati GPS dal momento dell’installazione sino alla traccia della

traiettoria (durante una fase preliminare di test) ed al calcolo della precisione

delle coordinate elaborate.

Il fine e quello di ricercare un procedura che elabori le informazioni com-

plessive registrate durante la navigazione vera e propria restituendo i dati

sperimentali richiesti.

Durante la traversata, i ricevitori GPS registreranno i dati acquisiti in ap-

posite schede di memoria. Queste informazioni, una volta terminata la na-

vigazione, saranno sottoposte ad elaborazione e analisi da parte dell’Area di

Geodesia e Geomatica del DICEA dell’Universita La Sapienza di Roma.

Tramite metodologie innovative, seguendo l’iter di procedimento descritto

in questa trattazione, si otterra un resoconto complessivo ed accurato delle

posizioni occupate dall’imbarcazione durante i cinque mesi di navigazione.

L’algoritmo Kin-VADASE, utilizzato per elaborare i dati GPS acquisiti, e

un’estensione realizzata nel settembre 2014 del software VADASE sviluppato

dall’Area di Geodesia e Geomatica del DICEA e brevettato dall’Universita

La Sapienza di Roma.

Il VADASE, originariamente pensato per applicazioni statiche, stima le velo-

cita (quindi tramite integrazione anche gli spostamenti) di un ricevitore stand

alone posizionato in qualsiasi punto della superficie terrestre. In questa oc-

INTRODUZIONE viii

casione, e grazie alla suddetta estensione, tale algoritmo e stato impiegato

per la prima volta per il posizionamento cinematico.

Saranno illustrati i passaggi necessari per trasformare le osservazioni acquisite

dai ricevitori GPS in coordinate ad elevata precisione, al fine di dimostrare la

riuscita dell’applicazione di tale metodologia in questo particolare contesto.

Capitolo 1

Progetto Roma Ocean World

Il Roma Ocean World e un pro-

Figura 1.1: Imbarcazione Eco40

getto sportivo, culturale e scientifi-

co che si inquadra nel contesto delle

iniziative ambientali ed ecososteni-

bili, realizzando, in modo estremo,

una rappresentazione dell’avventu-

ra dell’umanita imbarcata sulla ter-

ra.

L’iniziativa prevede l’esecuzione

di un giro del mondo effettuato in

barca a vela, la quale, lontano dal-

le coste e immersa nell’oceano, e di

fatto come un piccolo mondo isola-

to, metafora del mondo in cui vivia-

mo, dove l’equipaggio e costretto a

confrontarsi realmente con la scarsita delle risorse imbarcate, alimentari ed

energetiche, le quali sono destinate ad esaurirsi se non vengono rinnovate e

soprattutto utilizzate con criterio [3].

Lo skipper protagonista dell’impresa e Matteo Miceli, mentre il responsabi-

le tecnico scientifico del progetto e il Prof. Paolo De Girolamo del DICEA

1

1.1 Il giro del mondo e l’Eco40 2

dell’Universita La Sapienza di Roma.

Concretamente, il progetto si propone di raggiungere quattro eco-obiettivi

principali:

• Mostrare i cambiamenti visibili, in atto nelle terre e nei mari toccati in

questo periodo.

• Contribuire all’indagine scientifica, sia oceanografica biologica che fisica

con campionamenti, misure e prelievi.

• Dimostrare la possibilita di una navigazione effettuata solamente con

fonti energetiche rinnovabili, attraverso odierne tecnologie e un atteg-

giamento responsabile;

• Effettuare una sperimentazione reale dell’effettiva efficacia e affidabilita

delle innovative soluzioni tecnologiche per la mobilita sostenibile [3].

1.1 Il giro del mondo e l’Eco40

Il progetto, patrocinato dall’Universita La Sapienza e dalla Regione La-

zio, punta a battere tre record: compiere il primo giro del mondo in solitario

senza combustibili fossili a bordo e quindi in autonomia energetica, il pri-

mo giro del mondo in solitario in autonomia alimentare e il primo giro del

mondo in solitario dall’Europa con un Class40. La rotta di ECO40 prevede

di doppiare i “Tre Capi”, quello di Buona Speranza, Capo Lewinn e Capo

Horn, circumnavigando quindi l’Antartico.

La finalita ultima dell’impresa e la realizzazione di un giro del mondo su

un’imbarcazione ecosostenibile a bordo dell’unita prototipica sviluppata Eco40.

L’imbarcazione, la Class40 che il velista Matteo Miceli condurra in so-

litario attorno al globo per circa 27.000 miglia nautiche, senza assistenza

e senza scalo, viaggia in completa autonomia energetica, idrica e alimenta-

re. La Class40, realizzata con la tecnica dell’infusione sottovuoto di resina

epossidica e con albero e bompresso in carbonio, e alimentata da pannelli fo-


Figura 1.2: Percorso del giro del mondo

tovoltaici calpestabili, due generatori eolici e due idroturbine a immersione,

che trasformano in energia elettrica il movimento dello scafo.

L’energia prodotta a bordo e accumulata mediante batterie al litio e l’il-

luminazione e interamente costituita da led ecologici; a bordo e presente un

motore elettrico da 7 KW, necessario per le manovre nei porti.

Figura 1.3: Pannelli fotovoltaici e generatoli eolici installati sull’imbarcazione

Eco40


Il sistema di acquisizione dati di bordo e il software di controllo sono stati

progettati e realizzati dagli ingegneri dell’Universita La Sapienza, che si sono

occupati anche dell’integrazione delle varie fonti energetiche. Il nutrimento

del suo comandante e invece assicurato da un orto biologico, illuminato ar-

tificialmente, irrigato con acqua di mare desalinizzata e fertilizzato con un

compost marino a base di alghe e residui alimentari e fisici prodotti dal pilota.

Per le proteine necessarie alla sopravvivenza, ad integrazione di quelle

fornite dalla pesca, ci saranno due compagne di viaggio speciali: le galline

LaBionda e LaMora che hanno gia affrontato il mare aperto in numerose

occasioni.

Figura 1.4: Orto interno alla barca

Questa spartana imbarcazione, che tuttavia nella sua semplicita e un

”patrimonio” sia economico che culturale, ha preso il largo salpando dal porto

di Riva di Traiano il 19 ottobre 2014. La navigazione e prevista della durata

di circa cinque mesi, in completa autosufficienza energetica ed alimentare.

1.2 Le attivita di ricerca 5

1.2 Le attivita di ricerca

I parametri oggetto di misura riguardano sia le condizione meteo-ocea-

nografiche incontrate dall’imbarcazione durante la navigazione, sia la po-

sizione e l’assetto dell’imbarcazione stessa nel tempo. I parametri meteo-

oceanografici che verranno misurati riguardano il vento, la pressione atmo-

sferica, la temperatura dell’acqua marina e dell’aria e le correnti superficiali,

mentre i parametri cinematici di posizione e assetto (e loro variazioni) del-

l’imbarcazione consentiranno di descrivere i movimenti della barca nel tempo.

Dai movimenti della barca verranno dedotte le altezze delle onde che l’imbar-

cazione incontrera durante la navigazione. Inoltre, l’analisi dei movimenti e

delle accelerazioni consentira di definire le azioni a cui l’imbarcazione e sog-

getta, con lo scopo di migliorare i relativi parametri di progetto.

Questi parametri verranno acquisiti in parte con strumentazione elettroni-

ca facente parte dell’equipaggiamento della barca e in parte con quella che

e stata appositamente installata a bordo da ditte specializzate che hanno

collaborato con il DICEA dell’Universita La Sapienza. L’analisi dei dati mi-

surati a bordo verra eseguita da ricercatori, dottorandi di ricerca e assegnisti

di ricerca afferenti al DICEA, coordinati dai docenti Paolo De Girolamo e

Mattia Crespi.

1.3 Collaborazioni

Al progetto hanno partecipato, a titolo gratuito o in qualita di sponsor

tecnici, alcuni ricercatori italiani, ad esempio afferenti del CNR e della facolta

di Agraria dell’Universita Federico II di Napoli, insieme a numerose societa

specializzate nella realizzazione delle attrezzature utilizzate in barca o nella

fornitura di servizi.

1.3 Collaborazioni 6

1.3.1 Contributo della geomatica al progetto

La societa svizzera Leica Geosystems AG, leader mondiale della strumen-

tazione GPS, si fara carico del traffico dati via satellite di Eco40 e ha inoltre

fornito tre ricevitori GPS ad alta precisione installati a bordo. Le misure

eseguite con questi dispositivi saranno analizzate per ottenere i parametri ci-

nematici al fine di studiare le onde del vento attraverso la ricostruzioni degli

spostamenti e delle inclinazioni della barca nel tempo rispetto ad un sistema

di riferimento interno.

Durante la navigazione i GPS acquisiranno dati che saranno post-processati

a fine traversata.

In questa trattazione ci occuperemo di descrivere le analisi preliminari ef-

fettuate prima della partenza dell’imbarcazione, dall’installazione di GPS alla

verifica dei metodi di elaborazione che saranno usati in seguito per elaborare

dati acquisiti durante la traversata.

Capitolo 2

Test di acquisizione e qualita

dei dati

2.1 Problematiche relative alla collocazione

ottimale

La prima operazione e stata quella di studiare e testare i GPS sull’imbar-

cazione, al fine di installarli nei punti migliori, sia rispetto alla ricezione del

segnale, sia rispetto alla collocazione ottimale dal punto di vista pratico.

Per esaminare la risposta dei GPS alle diverse situazioni di utilizzo a

cui andranno incontro, i ricevitori sono stati testati in differenti condizioni

di umidita, ponendo al di sopra dell’antenna vari strati di tessuto spugnoso

imbevuto di acqua salata. Il risultato, come ci si poteva aspettare, e stato

quello di veder diminuire la qualita del segnale con l’aumentare degli strati

bagnati, fino ad arrivare a quattro strati, che impedivano completamente la

ricezione del segnale.

La ricezione e ostacolata anche dalla transizione di flussi d’acqua sopra

l’antenna: per questo motivo e stata eseguita una prova ponendo l’antenna

all’interno della barca, a contatto con lo strato di resina che costituisce il

pavimento della coperta, in cui e stata fatta scorrere dell’acqua. Per piccoli

flussi il segnale era ancora presente, mentre per portate piu grandi (corrispon-

7

2.2 Quality check 8

denti circa a 20 l d’acqua riversata sul pavimento in pochi secondi) scompare

definitivamente.

In base a questi test si e pertanto deciso di posizionare i ricevitori in un

luogo in cui assolutamente non ristagni l’acqua, e che sia protetto dai flussi

che in navigazione attraversano la coperta della barca.

E’ stata studiata inoltre la geometria della barca, al fine di individuar,e

per il posizionamento dei GPS, luoghi saldi e protetti che non siano di

ostacolo alla navigazione.

Inoltre, per rappresentare e descrivere con piu accuratezza e precisio-

ne il piano della barca, le antenne dovrebbero rispettare una disposizione

simmetrica ed essere tra loro il piu distanziate possibile.

Durante questo prima fase di verifica, i ricevitori sono stati testati ac-

quisendo dati per brevi intervalli di tempo (circa dieci minuti ogni test) in

diversi punti e in differenti condizioni della barca.

I dati raccolti sono stati quindi registrati e analizzati, per confrontarli e

controllare ulteriormente la loro qualita.

2.2 Quality check

I dati acquisiti durante il primo sopralluogo, effettuato il 19 luglio 2014,

sono stati sottoposti ad un Quality check , ovvero una verifica della qualita

di ricezione, al fine di confermare le scelte di posizionamento operate durante

il sopralluogo.

I GPS registrano i dati salvandoli in formato proprietario (binario), i

quali, per essere analizzati, devono essere convertiti in formato standard

RINEX.

Questa operazione viene effettuata per mezzo del software Teqc, svilup-

pato dall’UNAVCO. Una volta creati i file RINEX, e possibile effettuare il

Quality Check semplicemente usando uno specifico comando in grado di crea-

re file di testo contenenti parametri e tabelle che riassumono la qualita dei

dati e del segnale.

2.2 Quality check 9

first last hrs dt expt have expt/ mp1 mp2 o/

epoch epoch have slps

10:30 11:03 .5531 1 13937 13395 96 0.28 0.27 197

Tabella 2.1: Parametri calcolati con il Quality Check

La tabella 2.1 raccoglie i parametri confrontati e analizzati a partire dal

file di testo prodotto dall’elaborazione del Quality Check. Sono indicati i

tempi di ricezione, informazioni sui satelliti e sulle osservazioni disponibili

ed effettuate, e parametri indicativi sul disturbo della ricezione, ovvero il

multipath.

S/N L1 summary S/N L2 summary

elev tot SN1 sig mean elev tot SN2 sig mean

85 - 90 0 0.000 0.000 85 - 90 0 0.000 0.000

80 - 85 0 0.000 0.000 80 - 85 0 0.000 0.000

75 - 80 0 0.000 0.000 75 - 80 0 0.000 0.000

70 - 75 0 0.000 0.000 70 - 75 0 0.000 0.000

65 - 70 912 1.761 39.926 65 - 70 912 2.238 34.514

60 - 65 1982 1.537 42.237 60 - 65 1982 2.277 34.381

55 - 60 982 1.776 41.881 55 - 60 982 4.182 30.485

50 - 55 588 2.184 39.612 50 - 55 586 4.052 29.682

45 - 50 657 1.975 40.170 45 - 50 991 3.493 32.241

35 - 40 3278 2.021 38.902 35 - 40 3253 5.053 29.544

30 - 35 1878 2.632 37.78 30 - 35 1828 5.326 29.055

25 - 30 341 2.992 38.023 25 - 30 340 4.758 30.230

20 - 25 1956 1.812 35.064 20 - 25 1864 5.707 29.539

15 - 20 0 0.000 0.000 15 - 20 0 0.000 0.000

Tabella 2.2: Parametri calcolati con il Quality Check

2.2 Quality check 10

A partire dai parametri sopraelencati, rappresentativi della qualita dei dati,

sono state tratte delle conclusioni riportando in tabelle riassuntive i dati piu

caratteristici delle diverse situazioni di acquisizione, calcolandone parametri

statistici come media e varianza. Nelle tabelle compaiono la percentuale di

osservazioni effettuate rispetto alle osservazioni disponibili, il multipath, e il

rapporto tra il numero di osservazioni e il disturbo.

Nell’analisi dei file del Quality Check creati a partire dalle diverse acquisizio-

ni, e stata concentrata l’attenzione sul parametro o/slps, indice del disturbo

con la quale sono state acquisite le osservazioni. Tale parametro e calcola-

to mediante rapporto tra le osservazioni effettuate e il numero di cycle-slip,

ovvero le interruzioni del segnale. Maggiore e il rapporto o/slpl, minori so-

no le interruzioni dell’acquisizione a causa dei cycle-slip, quindi migliore e il

segnale ricevuto.

Una ricezione ottimale richiede quindi una alta percentuale di osservazio-

ni effettuata, un basso multipath ed infine un elevato rapporto o/spls.

Queste tabelle hanno aiutato ad operare un confronto tra le diverse acqui-

sizioni, effettuate in luoghi e contesti diversi, scegliendo come luoghi ottimali

i punti in rosso indicati nella figura:

Figura 2.1: Collocamento delle antenne GPS

2.2 Quality check 11

I punti rossi nel disegno in figura 2.1 indicano il posizionamento ottimale

e quindi definitivo scelto per le antenne:

• Nella tuga della barca non arriva acqua (essendo protetta superior-

mente da un piano di vetro e inferiormente da una superficie in resina

facente parte del tetto della stiva) ed il flusso d’acqua che, durante la

navigazione, proviene dalla prua viene frazionato in due portate che

scorrono sui lati della coperta. Inoltre, essendo l’antenna riparata da

un piano di vetro inclinato, non ristagna acqua sopra di esso.

• Gli altri due ricevitori sono invece posizionati sul roll-bar di poppa, una

struttura in acciaio costruita per sostenere le pale eoliche ed i pannelli

solari collocati nella poppa della barca, in modo da non ostacolare la

navigazione.

In questo modo i tre ricevitori costituiscono un triangolo isoscele (come si puo

vedere in figura 2.1) simmetrico rispetto all’asse longitudinale della barca.

Figura 2.2: Antenne GPS installate sulla tuga e in poppa alla barca

2.3 Installazione dei GPS 12

2.3 Installazione dei GPS

Le due antenne di poppa sono state installate sul roll-bar, quindi collegate

ai ricevitori interni alla barca facendo passare i cavi antenna nei tubolari che

sostengono la struttura.

Figura 2.3: Collegamento interno ai tubolari tra le antenne e i ricevitori GPS

Tale soluzione, oltre a proteggere i cavi (seppur impermeabili) dall’ambiente

esterno, e anche ottima dal punto di vista pratico poiche, in questo modo, la

navigazione non e ostacolata da cavi che attraversano la coperta costituendo

cosı un impedimento agli spostamenti e alla gestione delle cime.

La terza antenna, ubicata nella tuga della barca, e stata montata sul

piano di resina che costituisce la copertura dell’ingresso nella stiva, e quindi

collegata (forando la resina) con i ricevitori situati, naturalmente, all’interno

della cabina.

2.3 Installazione dei GPS 13

Collegate tutte le antenne ai ricevitori, questi ultimi sono stati connessi

uno alla volta con un pc, tramite il quale sono stati attivati. Sono state cosı

fornite le impostazioni base per il salvataggio dei dati, che saranno registrati

in schede di memoria da 8 Gb, per un totale di 72 Gb, interne ai ricevitori.

Tra le impostazioni, ricordiamo:

• Intervallo di acquisizione di 2 Hz ( una acquisizione ogni 0.5 secondi)

• Lunghezza dei file delle osservazioni di un’ora.

• Denominazione dei file archiviati.

Figura 2.4: Ricevitori posizionati all’interno dell’imbarcazione

Capitolo 3

Elaborazione cinematica

VADASE

Per testare la ricezione del segnale durante la navigazione, simulando il

contesto nel quale i ricevitori acquisiranno i dati, e stata eseguita una prova

di navigazione nei dintorni del porto di Traiano, della durata di circa due ore.

In questo intervallo di tempo i GPS hanno acquisito le osservazioni a 2 Hz,

le quali, una volta estratte dalle schede di memoria ed elaborate, consentono

di rappresentare la traiettoria effettuata dall’imbarcazione (oltre ad altre

elaborazioni finalizzate all’analisi dell’assetto della barca non descritte in

questa trattazione).

Sono esposte in seguito le operazioni eseguite per trasformare i file creati

dai ricevitori in effettive coordinate, con le quali si possono descrivere gli

spostamenti e gli altri parametri cinematici dell’imbarcazione.

3.1 Pre-elaborazione dei file

Come gia descritto nel Capitolo 2 e stato necessario convertire i file in

formato standard RINEX (Capitolo 2).

I dati salvati dai GPS sono tuttavia frazionati in file di preimpostati

intervalli di tempo, nel nostro caso di un’ora. Otterremo quindi tanti file

14

3.1 Pre-elaborazione dei file 15

RINEX quante sono le ore contenute nel tempo di ricezione.

Per elaborarli in modo completo e necessario unirli, pero ogni ricevitore in

un unico file RINEX, all’interno del quale e possibile trovare le osservazioni

totali effettuate da ciascun ricevitore in uno specifico intervallo che si intende

analizzare.

Figura 3.1: Esempio di header di un file in formato RINEX

La figura 3.1 riporta le prime righe di un file di tipo RINEX contenente

le osservazioni effettuate dai ricevitori GPS. Il file RINEX inizia con una

parte di intestazione in cui vengono indicate alcune importanti informazioni:

il tipo di file (in questo caso sono osservazioni), il nome del file, la marca

e il modello dell’antenna e del ricevitore GPS, le coordinate approssimate

iniziali del ricevitore, la durata di ogni epoca di acquisizione, la prima e

l’ultima epoca di ricezione.

La figura 2.2 e un esempio dei valori osservati contenuti in un’epoca di

osservazione di in un file RINEX. La prima riga sta ad indicare l’epoca di

acquisizione, specificando anno, mese, giorno, ora, secondi e millesimi di

secondo, (utili nel caso di acquisizioni con frequenza maggiore di 1 Hz). I

valori che scorrono a seguire sono i veri e propri dati che acquisisce il GPS

a partire dai segnali ricevuti dai satelliti. Questi valori sono quelli che i

3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE 16

Figura 3.2: Esempio di osservazioni contenute in un’epoca di un file in

formato RINEX

software di decifrare ed elaborare al fine ricostruire le coordinate dei GPS ad

ogni istante di acquisizione.

3.2 Elaborazione tramite Kin-VADASE

3.2.1 Kin-VADASE

Il processamento dei dati e stato realizzato mediante il software Kin-

VADASE, sviluppato nell’ Area di Geodesia e Geomatica del Dipartimento

di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale e brevettato dall’Universita La Sa-

pienza. L’estensione cinematica del software VADASE e stata applicata per

la prima volta su dati reali nell’ambito di questo progetto, al fine di valuta-

re gli spostamenti e le velocita dell’imbarcazione. E stato necessario infatti

modificare ed estendere l’algoritmo alla modalita cinematica implementando

il Kin-Vadase.

Tale modalita consente di ricavare tra due epoche successive la variazione di

posizione del ricevitore e dunque la velocita.

Mediante integrazione numerica delle soluzioni si ottengono gli spostamenti,

mediante differenziazione le accelerazioni.


L’algoritmo di elaborazione del VADASE parte da una soluzione inizia-

le, alla quale epoca per epoca, somma lo spostamento calcolato mediante

l’integrazione delle velocita stimate. Questa metodologia permette la stima

delle coordinate di ricevitori stand alone posizionati in qualsiasi punto della

superficie terrestre, indipendentemente dall’ausilio di stazioni di riferimento

permanenti.

Attualmente, l’elaborazione dati GPS con finalita cinematiche avviene

prevalentemente facendo ricorso al posizionamento differenziale. Questo ap-

proccio, sia in tempo reale che in post processing, consente di determinare la

posizione di un ricevitore mobile incognito rispetto ad uno o piu ricevitori di

riferimento, ovvero stazioni permanenti le cui posizioni sono note a propri,

generalmente gestite da un centro di controllo. In particolare, nel posiziona-

mento in tempo reale vengono sfruttate particolari informazioni inviate dal

centro di controllo delle stazioni di riferimento al ricevitore di cui si vuole

studiare il moto. Per tale ragione, e sempre necessaria una connessione dati

tra i ricevitori in questione.

Sarebbe alquanto proibitivo applicare questa metodologia nel progetto in

questione, sia per ragioni economiche, sia perche la navigazione potrebbe

risultare molto lontana dalle stazioni di riferimento.

Il vantaggio principale del Kinematic VADASE risiede quindi nella possi-

bilita di garantire la continuita delle soluzioni anche durante un’interruzione

momentanea della connessione alla rete. L’approccio variometrico infatti ri-

chiede esclusivamente messaggio navigazionale ed osservazioni collezionati da

un unico ricevitore stand-alone.

Il VADASE in modalita statica (cosı come sino ad ora e stato utilizato)

consente di determinare unicamente spostamenti del ricevitore di tipo oscilla-

torio, ovvero che si manifestano attorno ad una posizione media di equilibrio.

L’algoritmo in questo caso stima lo spostamento del ricevitore tra due epoche

successive a partire da un valore di posizione iniziale invariata la quale e nota

grazie alla lettura del file RINEX (input del software). Allo stato attuale di

sviluppo, il VADASE in modalita statica e in grado di lavorare solo quando


il movimento avviene in un’area prossima alla suddetta posizione iniziale. In

queste condizioni i risultati sono caratterizzati da una precisione dell’ordine

del centimetro in planimetria e di alcuni centimetri in quota. E’ per questa

ragione che ad oggi il VADASE ha trovato grande riscontro nel campo della

sismologia [2].

Per consentire lo studio con il VADASE di movimenti molto piu ampi, e

invece necessario aggiornare in maniera iterativa il valore di posizione iniziale

nel tempo, una volta determinato lo spostamento tra due epoche consecutive.

Pertanto, a partire da una posizione iniziale corrispondente alla prima

epoca di osservazione, l’approccio variometrico stima la variazione di posi-

zione del ricevitore tra due epoche consecutive, quindi la velocita.

Il VADASE richiede in input i seguenti file:

1. RINEX delle osservazioni

2. File navigazionali broadcast

3. File di configurazione

3.2.2 File navigazionali e di configurazione

I file navigazionali racchiudono le informazioni riguardanti il posiziona-

mento dei satelliti durante il tempo di ricezione dei dati GPS. I parametri

che permettono di ricostruire l’orbita del satelliti, chiamate efemeridi, sono

state prese dal portale online dalla NASA [5] , che fornisce quotidianamente

le efemeridi, sia broadcast che a lungo termine, di tutti i satelliti in orbita

sulla terra.

Nel nostro caso sono state usate le efemeridi broadcast disponibili in tem-

po reale, le quali vengono stimate mediante una previsione statistica sulla

base di dati registrati precedentemente al giorno dell’anno a cui si riferisco-

no. Questi parametri sono meno precisi di quelli a lungo termine, che sono

processati nelle settimane successive. Tuttavia essi sono state usati poiche

rappresentano meglio la condizione di utilizzo di dispositivi applicati su mez-

zi di trasporto per i quali, come nel nostro caso, vi e la necessita di calcolare


la traiettoria percorsa in tempo reale.

**** VADASE CONFIGURATION FILE ****

COMBINATION

L3

CONSTELLATION(S)

G

OBSERVATION(S)

L1W+L2W

PROCESSING SETTINGS

1

MINIMUM NUMBER OF SATELLITES

4

SATELLITE(S) TO BE EXCLUDED

NULL

TROPOSPHERE MODEL

4

IONOSPHERE MODEL

1

FILTER DATA IN DIFF VAR

0

SAGNAC EFFECT

1

COMPUTE RCV CLK OFFSET

1

Il Configuration file e un file di testo contenente specifiche impostazioni

di elaborazione che il VADASE legge ed esegue. A seconda delle esigenze e

del contesto di applicazione del software, dovra essere effettuata una scelta

sui parametri:


• Combination: tipo di combinazione lineare tra le portanti, in questo

caso L3 sta per una combinazione lineare (ionospheric free).

• Constellation: costellazione di satelliti utilizzata, G = GPS, R =

GLONASS, E = GALILEO.

• Observation: tipo di osservazioni utilizzate.

• Processing setting: scelta di processamento statico o cinematico.

• Minimum number of satellites: numero minimo di satelliti neces-

sari per l’elaborazione.

• Troposphere model: scelta sulla modellizzazione della troposfera.

• Ionosphere model: scelta sulla modellizzazione della ionosfera.

3.2.3 Elaborazione VADASE

Il VADASE restituisce in output una serie di file, tra i quali un file di

testo contenente i parametri cinematici stimati epoca per epoca.

A partire da questi risultati e stato possibile quindi graficare una prima

traiettoria approssimata della barca. Studiando il funzionamento del soft-

ware VADASE appare chiara l’importanza della precisione delle coordinate

di partenza, in quanto le coordinate delle epoche successive sono ottenute

integrando le velocita stimate.

In un’elaborazione preliminare sono state usate come coordinate del punto

di partenza quelle approssimate fornite dagli stessi ricevitori GPS. Tuttavia

utilizzando i dati registrati prima della partenza, e possibile ricavare coordi-

nate piu precise delle posizioni iniziali dei tre ricevitori. Questa operazione

e stata effettuate tramite un server online () che consente, con approccio

Precise Point Positioning (PPP) in modalita statica, di stimare le coordinate

dei ricevitori sulla base delle osservazioni acquisite in fase di ormeggio.

3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevitori nel tempo 21

Figura 3.3: Traiettoria dell’imbarcazione Eco40 effettuata durante il test di

navigazione

3.3 Elaborazione sulle distanze tra i ricevito-

ri nel tempo

Al fine di avere una stima qualitativa della precisione del kin-VADASE,

e stato eseguito un calcolo delle reciproche distanze tra i tre ricevitori e

dell’andamento di queste ultime nel tempo. Come termine di confronto, la

distanza fisica misurata a mano tra le due antenne di poppa e di 3.175 metri,

mentre tra quelle di poppa e quella ubicata nella tuga e di 4.175 metri.

Figura 3.4: Distanze tra le antenne GPS installate sulla barca


3.3.1 Sincronizzazione delle epoche

Per poter operare un confronto tra i dati registrati dai singoli ricevitori e

stata effettuata una sincronizzazione delle epoche e delle coordinate tramite

Excel. In particolare sono state condotte due operazioni:

• Sincronozzazione epoche iniziali e finali: sono stati fatti partire

tutti e tre i file di osservazione dalla stessa epoca, corrispondente all’i-

stante in cui e stato acceso l’ultimo ricevitore, e fatti finire nel medesimo

tempo, istante in cui e stato spento il primo ricevitore. In questo modo,

i file di osservazione dei tre GPS hanno tutti la stessa epoca di inizio

e di fine. Quindi, a meno di momenti di interruzione del segnale, il

numero di epoche totali del file dovrebbe risultare coincidente.

• Eliminazione epoche di non ricezione: le epoche di non ricezione

sono gli istanti in cui i GPS non ricevono il segnale, generando un’in-

terruzione nel file delle osservazioni, o, piu esattamente un salto tra le

epoche. Identificate tali interruzioni, per le epoche corrispondenti so-

no state cancellate anche le coordinate elaborate dai GPS che avevano

ricevuto bene il segnale.

Il passaggio descritto sopra ha portato alla creazione di un foglio di lavoro

Excel in cui ad ogni singola epoca corrispondono le diverse coordinate rilevate

dai tre GPS.

3.3.2 Tracciamento dei grafici della distanza dei rice-

vitori

Come indicatori della precisione del software di elaborazione, sono stati

tracciati dei grafici che riportano l’andamento delle reciproche distanze tra

i ricevitori nel tempo. In aggiunta sono stati graficati anche il PDOP e

il numero di satelliti visibili, al fine di spiegare eventuali discontinuita o

imprevisti nell’andamento delle curve di distanza.


Figura 3.5: Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla

barca e dei valori del numero di satelliti

Dai grafici e possibile notare che le distanze stimate tra i ricevitori, seb-

bene siano fisicamente costanti nel tempo, variano in funzione del numero

di satelliti visibili, dei disturbi atmosferici e delle condizioni di navigazione

dell’imbarcazione.

In particolare sono evidenti salti e discontinuita considerevoli, dell’ordine an-

che di qualche metro, negli istanti riconducibili a virate o a variazioni dell’

andamento della barca. In tali momenti i ricevitori hanno osservato un basso

numero di satelliti in condizioni di alto PDOP di disturbo (quindi disturbo

elevato). E possibile notare infatti tre grandi salti nel valore delle distanze,

collocati approssimativamente nelle stesse epoche per tutti e tre i ricevitori.

Essendo l’approccio del VADASE variamotrico (ovvero si necessitano os-

servazioni per epoche consecutive), e fisiologico che nei momenti di inter-

ruzione nel segnale esistano discontinuita. Tuttavia questa analisi e stata


Figura 3.6: Andamento delle distanze tra le antenne GPS installate sulla

barca e dei valori del PDOP

eseguita per avere una prima stima della qualita della ricezione nelle diverse

situazioni di acquisizione.

Capitolo 4

Confronto elaborazione

VADASE ed LGO

Il Kin-VADASE e uno software di recente realizzazione, e per questo e

stato posto il problema di determinare la sua precisione.

A tal scopo sono state confrontate le soluzioni del Kin-VADASE con quelle

elaborate attraverso il software Laica Geomatic Office (LGO), considerate

soluzioni di riferimento. E stata calcolata la differenza tra i risultati delle

due elaborazioni, quindi alcuni caratteristici parametri statistici quali media,

deviazione standard ed RMS.

4.1 Elaborazione LGO

Il software LGO stima, con precisione variabile da pochi centimetri al

decimetro, le coordinate dei ricevitori GPS attraverso le differenze doppie,

e quindi con l’ausilio di dati registrati da una stazione di riferimento. Nel

nostro caso e stata presa in considerazione la stazione permanente di Civi-

tavecchia, distante pochi chilometri dal porto di Traiano in cui e ormeggiata

l’imbarcazione. Quindi sono stati forniti al software i dati registrati dalla

suddetta stazione, insieme alle coordinate di quest’ultima.

25

4.1 Elaborazione LGO 26

La base teorica di elaborazione del software LGO e il concetto delle

doppie differenze. Senza dilungarsi troppo sull’equazione analitica che re-

gola questo calcolo, si vuole dare solo una breve spiegazione del metodo di

elaborazione attraverso il quale si stimano le coordinate di un punto mediante

l’ausilio di una stazione permanente.

Attraverso questo approccio non vengono stimate direttamente le coor-

dinate di un punto, bensı la base, o vettore, tra tale punto e un altro punto

dello spazio. Questo vettore ha percio bisogno di un punto di riferimen-

to di coordinate note (materializzato dalla stazione permanente) per essere

esattamente collocato all’interno di un sistema di riferimento [1].

Figura 4.1: Base GPS stimata con il metodo delle doppie differenze

4.2 Precisione del Kin-VADASE 27

4.2 Precisione del Kin-VADASE

Il seguente paragrafo riporta le operazoni effettuate per ricavare, a partire

dalle elaborazioni Kin-VADASE e LGO dei dati GPS, parametri statistici in

grado di quantificare la precisione del Kin-VADASE.

A tal scopo e stato utilizzato un foglio di calcolo Excel al fine di ripor-

tare in tabelle i dati elaborati dai diversi strumenti. Per ogni epoca e stata

calcolata la differenza tra le due soluzioni dopo averle sincronizzate. In par-

ticolare e stato studiato l’andamento delle differenze nel punto medio dei

tre ricevitori, considerato come punto rappresentativo della posizione della

barca.

Tuttavia nel calcolo delle coordinate del suddetto punto e emersa un’a-

nomalia nell’elaborazione LGO dei dati acquisiti dal GPS di prua, collocato

nella tuga. Infatti, mentre le elaborazioni LGO dei due ricevitori di poppa

hanno rilevato una sola interruzione di qualche secondo, il ricevitore interno

alla tuga, situato in una posizione piu coperta e quindi disturbata, ha cumu-

lato salti di elaborazione di circa dieci minuti.

Gli Indici di completezza (definiti come il rapporto tra in numero di so-

luzioni reali e quelle ipotetiche) riportati nella tabella 4.1 mostrano la man-

canza di circa il 5% delle soluzioni nell’elaborazione LGO del GPS collocato

in prua. Questo risultato ci porta ad affermare che in condizioni di segnale

POPPA DX POPPA SN PRUA

VADASE 1.000 1.000 1.000

LGO 0.999 1.000 0.952

Tabella 4.1: Indici di completezza per le elaborazioni VADASE e LGO dei

tre ricevitori

disturbato, e quindi ricezione non ottimale, il software VADASE riesce ad

elaborare i dati restituendo le posizioni dei ricevitori, mentre l’elaborazione

LGO risulta frammentata.


Pertanto, nella stima del punto medio tra i ricevitori, sia per quanto

riguarda l’elaborazione Kin-VADASE che LGO, non sono stati considerati

i dati acquisiti dal ricevitore di prua, bensı soltanto da quelli acquisiti dai

ricevitori di poppa.

4.2.1 Differenza Kin-VADASE-LGO in coordinate car-

tesiane geocentriche

Il confronto e stato eseguito calcolando la differenza (in metri) epoca

per epoca delle soluzioni fornite dai due software, dapprima in coordinate

cartesiane geocentriche XYZ, e successivamente riferite ad un sistema di ri-

ferimento locale (Est, Nord, Up) originato nel punto medio tra i ricevitori di

poppa. La figura 4.2 mostra l’andamento della differenza tra l’elaborazione

Kin-VADASE ed LGO nelle tre componenti XYZ.

Come si puo facilmente notare, il confronto ha portato ad un risultato

significativamente positivo per quanto riguarda la precisione dell’approccio

variometrico VADASE: dal confronto le soluzioni restituite dal Kin-VADASE

risultano comprese in un intorno di 1.5 metri delle soluzioni di riferimento.

Nella tabella 4.2 sono riportati i parametri statistici del confronto in

coordinate cartesiane geocentriche.

X [m] Y [m] Z [m]

Media 0.118 0.008 -0.405

Dev. standard 0.234 0.272 0.435

RMS 0.362 0.272 0.594

Tabella 4.2: Parametri statistici delle differenze tra elaborazione

Kin-VADASE e LGO in coordinate cartesiane geocentriche

L’RMS sulle tre componenti da un indicazione dell’accuratezza delle so-

luzioni ottenute con il Kin-VADASE, risultante dell’ordine di grandezza di


Figura 4.2: Andamento differenza elaborazione Kin-VADASE e LGO nel

tempo in coordinate cartesiane geocentriche XYZ

circa mezzo metro.

In particolare dalla 4.2 emerge che vale circa 36 cm per la componente X, 27

cm per la componente Y, e 59 cm per la componente Z.

4.2.2 Differenza tra Kin-VADASE e LGO in coordina-

te cartesiane locali

Il confronto tra le elaborazioni Kin-VADASE e LGO, per poter meglio

evidenziare il comportamento in planimetria ed in quota, e stato successi-

vamente riferito ad un sistema cartesiano locale Est, Nord e Up. Ricordiamo

che il sistema di riferimento locale ha l’asse z (componente Up) diretto come


la normale all’ellossoide passante per il punto, e assi x e y diretti lungo le

direzioni Nord ed Est.

Per la trasformazione tra i due sistemi di coordinate e stato necessario il cal-

colo della direzione della normale nel punto di applicazione, e la longitudine

e la latitudine di tale punto (λ e φ).

A partire da questi dati, attraverso la matrice di rotazione tra sistemi di

riferimento, calcoliamo la differenza dell’elaborazione cinematica VADASE

dalla traiettoria di riferimento in coordinate locali Est, Nord e Up.

Figura 4.3: Andamento della differenza tra elaborazione Kin-VADASE e

LGO nel tempo in coordinate cartesiane locali

Dal grafico in figura 4.3 vediamo che gli andamenti nel tempo delle compo-

nenti del vettore differenza nel sistema locale sono differenti rispetto a quelli

in coordinate geocentriche (4.2). Tuttavia, come ci potevamo aspettare visto

che l’operazione effettuata e stata soltanto una rotazione, il Kin-VADASE


restituisce risultati che si posizionano in un intorno di circa un metro dell’e-

laborazione standard.

Sono state quindi calcolate media, deviazione standard ed RMS delle diffe-

renze nel sistema di riferimento locale, riportate nella tabella 4.3:

Est [m] Nord [m] Up [m]

Media -0.016 .0.379 -0.185

Dev. standard 0.333 0.292 0.429

Rms 0.334 0.478 0.467

Tabella 4.3: Parametri statistici delle differenze tra elaborazione VADASE e

LGO in coordinate cartesiane locali

I valori numerici dell’rms sono di circa 33 cm per la componente Est, 46

cm per la componente Nord, e 46 cm per la componente UP.

Sempre dal grafico in figura 4.3 notiamo che la componente con il valore

di differenza maggiore e la componente Up. Questo risultato e una dimo-

strazione di quanto gia noto riguardo la precisione delle elaborazioni dei dati

GPS: la precisione in quota e minore che in planimetria.

La media e l’RMS delle differenze nelle tre direzioni sono dell’ordine di al-

cuni decimetri, risultato significativo essendo il Kin-VADASE uno strumento

variometrico che restituisce soluzioni senza l’ausilio di una stazione di rife-

rimento permanente. Ad avvalorare il risultato ottenuto si consideri il fatto

che i ricevitori GPS comunemente installati a bordo di veicoli (terrestri, aerei

e marittimi) restituiscono le posizioni con una precisione di alcuni metri.

Capitolo 5

Conclusioni

Il lavoro di tesi e stato condotto all’interno del progetto Roma Ocean

World, un’iniziativa che prevede l’esecuzione di un giro del mondo effettuato

in barca a vela, in solitario e in completa autonomia energetica ad alimentare,

realizzato con un Class40 dallo skipper Matteo Miceli.

Della strumentazione installata sull’imbarcazione fanno parte tre ricevitori

GPS ad alta precisione: il fine a lungo termine del progetto e quello di

studiare, mediante la ricostruzione dell’inclinazione e della posizione della

barca nel tempo, le onde di vento e quelle oceaniche incontrate durante la

navigazione.

Questa trattazione si colloca nella fase preliminare del progetto Roma

Ocean World, durante la quale sono state condotte prove e analisi al fine

di ricercare una strategia innovativa con la quale elaborare i dati GPS che

saranno acquisiti nel corso di tutta la traversata.

La ricerca e stata effettuate tenendo conto delle particolare condizioni di ac-

quisizione dei dati. I ricevitori GPS infatti acquisiranno dati lontano dalle

coste e quindi dalle stazioni di riferimento, situazione in condizioni in cui i

software di elaborazione differenziali sarebbero erronei e poco appropriati.

L’algoritmo utilizzato in questa trattazione per l’elaborazione dei dati

GPS, il Kin-VADASE, e un’estensione realizzata nel settembre 2014 del soft-

32

33

ware VADASE sviluppato dall’ Area di Geodesia e Geomatica del DICEA

e brevettato dall’Universita La Sapienza di Roma. Impiegato per la prima

volta nel posizionamento cinematico, il VADASE e un software in grado di

stimare le coordinate di un ricevitore stand alone in qualsiasi punto della

superficie terrestre.

In questa trattazione, tramite il Kin-VADASE, sono stati elaborati i dati

acquisiti dai tre ricevitori GPS durante i mesi precedenti la partenza della

barca.

E stata sviluppata una metodologia preliminare che, partendo dall’estra-

zione dei dati dalle schede di memoria, consente l’analisi dei dati GPS fino alla

stima delle coordinate dei ricevitori. Tale procedura di pre-trattazione dei

dati verra in seguito applicata a fine navigazione, quando saranno disponibili

le osservazioni effettuate nei cinque mesi di acquisizione vera e propria.

I dati registrati dai ricevitori sono stati quindi elaborati dal Kin-VADASE,

e, per valutarne la precisione, e stato effettuato un confronto con una soluzio-

ne di riferimento. Questa e stata ottenuta attraverso un approccio differen-

ziale implementato nel software Leica Geomatic Office, al quale e stata fornita

come stazione di riferimento quella permanente di Civitavecchia. Precisiamo

che la metodologia di elaborazione del software LGO, seppure efficiente, non

potra essere quella definitiva, da applicarsi per la navigazione in giro per il

mondo, dal momento che non si avranno a disposizione stazioni di riferimento

permanenti rispetto alle quali elaborare i dati.

Il confronto e stato condotto sui dati acquisiti durante una navigazione

della durata di circa 2 ore, effettuata nei pressi del porto di Traiano nel set-

tembre 2014.

Un primo risultato dell’analisi e stato il seguente: relativamente al ricevi-

tore di prua (ubicato nella tuga della barca) l’elaborazione LGO ha un basso

indice di completezza, dal momento che risente in maniera significativa della

presenza di cycle slip (interruzione del segnale) e di epoche con un basso

numero di satelliti visibili. Al contrario questo problema non va ad impatta-

34

re significativamente le soluzioni del VADASE, in quanto, anche per epoche

disturbate, l’algoritmo variometrico restituisce soluzioni accettabili.

Il confronto tra l’elaborazione VADASE e LGO e stato eseguito sulla po-

sizione del punto medio dei ricevitori di poppa, stimando un valore RMS (in-

dicazione dell’accuratezza delle soluzioni ottenute) delle differenze tra le due

soluzioni in un sistema di riferimento geocentrico. La precisione e risultata

di qualche decimetro, variabile nelle tre componenti X, Y e Z.

Per poter meglio evidenziare il comportamento in planimetria ed in quota,

il confronto e stato successivamente riferito ad un sistema cartesiano locale

Est, Nord e Up. I valori ottenuti di RMS anche in questo caso sono variabili

in un intorno di circa 40 cm. Inoltre, dal grafico riportante l’andamento delle

differenze Est, Nord e Up nel tempo, emerge che la componente con il valore

di differenza maggiore e la componente Up. Questo risultato e una dimo-

strazione di quanto gia noto riguardo la precisione delle elaborazioni dei dati

GPS, ovvero che la precisione in quota e minore di quella in planimetria.

La media e l’RMS delle differenze nelle tre direzioni sono dell’ordine di alcu-

ni decimetri, risultato significativo essendo il Kin-VADASE uno strumento

variometrico che restituisce soluzioni senza l’ausilio di una stazione di rife-

rimento permanente. Ad avvalorare il risultato ottenuto si consideri il fatto

che i ricevitori GPS comunemente installati a bordo di veicoli (terrestri, aerei

e marittimi) restituiscono le posizioni con una precisione di alcuni metri.

I significativi risultati ottenuti hanno portato all’effettiva individuazio-

ne di una metodologia di analisi dei dati GPS: attraverso l’elaborazione

variometrica VADASE e stato stabilito un iter di procedimento, che a se-

guito del completamento della traversata effettuata dall’imbarcazione Eco

40 e dell’acquisizione complessiva dei dati, portera ad ottenere le coordinate

dell’imbarcazione, con precisione al decimetro, in ogni istante di navigazione.

Bibliografia

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Bibliografia

[1] Biagi, Ludovico (2009), I fondamenti del GPS, Geomatics Workbooks.

[2] M. Branzanti, G. Colosimo, M. Crespi, A. Mazzoni (2012), GPS

Near Real Time Coseismic Displacements for the Great Tohoku oki

Earthquake, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letter.

[3] Sito ufficiale di Matteo Miceli, www.matteomiceli.com.

[4] Tracking Eco40, www.sgstracking.com/live/romaoceanworld2014.php.

[5] NASA.gov, ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss/data/daily/2014/brdc/.

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Analisi preliminare per il posizionamento cinematico ... · Le operazioni descritte in questa tesi...

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