ARGOMENTO B02 - GNSS XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX ...
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ARGOMENTO XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
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I sistemi di posizionamento satellitare
Tratto dalle dispense D02
11/05/2011
B02 - GNSS
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I sistemi GNSS
GNSS: Global Navigation Satellite Systems
GPS Stati Uniti
GLONASS Russia
GALILEO Europa
COMPASS Cina
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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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Colorado Springs Segmento di Controllo
Segmento Spaziale
Monitor Stations
Diego Garcia
Ascension Is.
Kwajalein
Hawaii
Segmento Utente
I “Segmenti” GPS
……..
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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……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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FASE
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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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FASE
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……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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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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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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Fonti di errore nelle misure
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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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Fonti di errore nelle misure
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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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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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• 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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Le superfici riflettenti possono dare problemi di multipath – percorsi multipli tra satellite e ricevitore
Fonti di errore nelle misure
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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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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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METODOLOGIE DI RILIEVODIFFERENZIALE DI FASE
Statico
Statico Rapido
Cinematico (Stop&GO)
Real Time (RTK / NRTK)
Post Elaborazione
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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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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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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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Trasformazioni di quote
Prodotti IGM per
trasformare quote GPS,
ellissoidiche, in quote
ortometriche.
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XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXELEMENTI 50.000 IGM (GRIGLIATI)
Trasformazioni di quote
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RETI DI STAZIONI PERMANENTI
Schema di una rete di servizio per il posizionamento satellitare
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perdita di produttività In funzione della lunghezza della baseline
(distanza base-rover)
RETI DI STAZIONI PERMANENTI
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Una rete di servizio distribuisce i dati agli utenti -migliora la produttività e la precisione di posizionamento
RETI DI STAZIONI PERMANENTI