Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Geofisici GPS & SISTEMI DI POSIZIONAMENTO...

Corso di Geofisica Marina

e

Trattamento dei Segnali Geofisici

GPS & SISTEMI DI GPS & SISTEMI DI POSIZIONAMENTOPOSIZIONAMENTO

Docente:prof. Francesco [email protected]

Assistente:dott.sa Gaia Mattei

[email protected]

Cos’è il GPS?

GPS è il diminutivo di NAVSTAR GPS, acronimo

di NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System.

Il GPS è la soluzione per chi vuole rispondere alla domanda:

In quale parte della terra mi trovo?

Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

Perché si usa il GPS?

Il GPS ha numerosi vantaggi rispetto ai metodi di rilievo tradizionali:

1. Non è richiesta l’intervisibiltà fra i punti stazione2. Si può usare a ogni ora del giorno e della notte, in

ogni stagione3. Produce risultati con una accuratezza geodetica

molto alta4. Il lavoro può essere eseguito in minor tempo e con

pochi uomini


Limiti

Per il funzionamento del GPS è necessario che l’antenna abbia una chiara visuale dei almeno

4 satelliti. Alcune volte il segnale dei satelliti può essere

bloccato da edifici, alberi etc. Chiaramente il GPS non può

essere usato all’interno di edifici, così come è difficile

usarlo nel centro di una città o in una foresta.


All’inizio degli anni ‘70 fu proposto un progetto per un nuovo sistema di posizionamento: il GPS.

Questo progetto, richiesto dal governo degli Stati Uniti, avrebbe consentito di determinare la posizione accurata di qualsiasi punti della terra in ogni momento, e con qualsiasi condizione meteorologica.

Progetto Originale


Costellazione

• Il GPS è un sistema satellitare che usa una costellazione di 24 satelliti per fornire agli utenti posizioni accurate.

• Accuratezza per un soldato nel deserto significa 15m. Per una nave nelle acque costiere, 5m. Per un topografo 1cm o meno.

• GPS può essere usato in tutti questi casi, la differenza sta nel tipo di ricevitore e nelle tecniche utilizzate.


Utenti

Il GPS fu originariamente designato a usi militari, in ogni parte della terra. Ben presto fu chiaro che i civili potevano usare il GPS non solo per stabilire la posizione di una persona (come facevano i militari).

Le prime due applicazioni civili sviluppate, sono state la Navigazione Marina e il Survey.


La configurazione GPS totale è composta da tre segmenti:

• Il segmento spaziale - i satelliti orbitanti intorno alla Terra;

• Il segmento di controllo - Stazioni posizionate lungo l’equatore per controllare i satelliti;

• Il segmento utenti – Chiunque riceva il segnale GPS.

Configurazione GPS


Segmento spaziale

• Il Segmento Spaziale è costituito da 24 satelliti che orbitano intorno alla terra ad una altezza di circa 20.200 km, con un periodo orbitale di circa 12 ore. In realtà i satelliti sono in numero superiore per evitare che, con la caduta di quelli più vecchi, si possa intaccare la configurazione minima.

• Il Segmento Spaziale è stato progettato affinché vi siano almeno 4 satelliti visibili al di sopra dei 15° in ogni punto della superficie terrestre,ad ogni istante.

• Quattro è il numero minimo di satelliti che deve essere visibile per la gran parte delle applicazioni. L’esperienza dimostra che di solito ci sono almeno 5 satelliti visibili al di sopra dei 15° per la gran parte del tempo e, abbastanza spesso, ci sono 6 o 7 satelliti visibili.


Ciascun satellite GPS ha in dotazione un orologio atomico molto preciso.Gli orologi operano ad una frequenza fondamentale di 10.23MHz. Questa è usata per generare i segnali che sono trasmessi dal satellite.I ricevitori GPS usano i differenti codici per distinguere i vari satelliti.

Orologio Atomico

Segmento SpazialeCorso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

Il Segmento di Controllo consiste in una stazione di controllo madre, 5 stazioni di monitoraggio e 4

antenne terrestri distribuite tra le 5 stazioni posizionate lungo l’equatore terrestre.

Segmento di controllo


• Il Segmento di Controllo segue la rotta dei satelliti GPS, aggiorna la loro posizione orbitale, calibra e sincronizza i loro orologi.

• Il Segmento di Controllo determina l’orbita dei satelliti e ne predice il percorso per le seguanti 24 ore. Questa informazione viene aggiornata dalle stazioni di controllo, inviata al satellite e, successivamente, trasmessa dallo stesso. Questo rende possibile, per qualsiasi ricevitore GPS, sapere dove si troveranno i satelliti per le successive 24 ore.

• Le stazioni di Ascensione, Diego Garcia and Kwajalein ricevono il segnale dei satelliti, e quindi inviano le misure alla stazione di controllo master, che si trova a Colorado Springs, dove si calcolano tutti gli eventuali errori dei segnali satellitari. Infine queste informazioni corrette sono inviate alla 4 stazioni equipaggiate con antenne terrestri che le inviano a loro volta ai satelliti.

Segmento di controlloCorso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

Segmento utenti

Il Segmento Utenti comprende chiunque usi un ricevitore GPS per ricevere il segnale GPS e determinare la sua posizione /o il tempo. Fra le tipiche applicazioni del segmento utenti ci sono: navigatori per i veicoli su strada, rilievi topografici, campagne marino -oceanografiche, navigazione marina in genere, navigazione aerea, monitoraggio di eventi o di animali etc.


Posizione GPS

• Tutte le posizioni GPS sono basate sul calcolo della distanza tra i satelliti e il ricevitore GPS sulla terra. L’idea di base è quella della intersezione, che la gran parte dei rilevatori usa quotidianamente: se si conosce la distanza di un punto rispetto ad altri tre, si può calcolare la posizione relativa del punto stesso rispetto ai punti noti.

• Nota la distanza di un punto da un satellite, noi sappiamo che la posizione del punto deve essere compresa nella immaginaria sfera che ha centro nel satellite e raggio pari alla distanza stessa.

• La posizione del ricevitore può essere individuata univocamente dalla intersezione di tre sfere immaginarie


Distanza

Per calcolare la distanza del ricevitore da ciascun satellite, si usa la prima Legge di Newton:

Distanza = Velocità x Tempo


Intersezione:dove ci troviamo?

11,000 miles Ci troviamo in qualche punto all’interno della sfera

Distanza


Intersezione tra due sfere

L’intersezione è un cerchio

Distanza


Intersezione tra tre sfere immaginarie

Distanza

L’intersezione sono 2 punti


Intersezione tra 4 sfere Distanza

L’intersezione è 1 punto


Portanti• In ogni punto della terra è sempre possibile "vedere" tra

cinque e otto satelliti. Ciascuno dei satelliti Gps in orbita trasmette in continuazione due portanti a radiofrequenza. La portante L1, a 1575,42 MHz, trasporta il segnale per la localizzazione grossolana ("coarse acquisition") e il segnale di tempo, la portante L2, a 1227,60 MHz, trasporta il segnale per la localizzazione di precisione.

• Le due portanti sono modulate in fase utilizzando tre diversi codici, quello detto C/A, che serve per la localizzazione grossolana, quello detto P, che serve per la localizzazione precisa e quello che trasporta i dati della navigazione, cioè quei bit che descrivono l’orbita del satellite, le correzioni al suo segnale di clock e altri parametri di sistema.

• La portante L1 viene modulata con un clock a 10,23 MHz da un segnale utile alla localizzazione precisa (codice P) e da un segnale a 1,023 MHz utile per la localizzazione grossolana (codice C/A).

Tecniche di misura GPS

• Statico – Il ricevitore misura sempre lo stesso punto, per l’intera sessione (t>1h). Usato per reti geodetiche, offre grande accuratezza sulle lughe distanze ma richiede molto tempo.

• Rapido Statico –Il ricevitore misura nello stesso punto per un certo periodo e poi viene spostato (t<30min). Usato per reti di controllo locale etc. Offre una grande accuratezza su vettori baseline al di sopra dei 20km ed è molto più veloce del metodo statico


Cinematico – Usato per rilievo di dettaglio, misura più punti in una sola sessione. Molto usato in situazioni di rilievo di perimetri, o campagne geofisiche a mare.

In cofigurazione stad alone la precisione della misura non supera i 10 metri, per essere migliorata è necessario il post – processing dei dati. In cofigurazione differenziale la precisione è submetrica.

Tecniche di misura GPS


Metodi di misura GPS

Esistono molti metodi per ottenere una posizione usando il GPS. Il metodo dipende dalla precisione richiesta dall’utente e dal tipo di ricevitore GPS disponibile. Le tecniche possono essere divise in tre classi:

Navigazione Autonoma usando un singolo ricevitore. La precisione della posizione

è inferiore a 100m per usi civili e di circa 20m per usi militari.


Posizione con differenza di fase Da una precisione di 0.5-20mm. E’ usata per

rilievi topografici, controllo di macchinari etc.




Doppia Frequenza - Alcuni ricevitori misurano entrambe le frequenze L1 and the L2 del segnale GPS. Questo metodo implica l’uso dei ricevitori a doppia frequenza. E’ noto che quando un segnale radio viaggia attraverso la ionosfera, esso rallenta di una quantità inversamente proporzionale alla sua frequenza. Quindi all’istante di arrivo i due segnali vengono confrontati, calcolando così con precisione il ritardo, provocato dalla ionosfera.

N.B. Questo è possibile ottenerlo solo con ricevitori che ricevono entrambe le frequenze.



Posizione corretta con differenziale Più comunemente conosciuto come DGPS, questo

metodo dà una accuratezza compresa fra 0.5-5m. Usato per campagne marino – oceanografiche, acquisizione di

dati GIS etc.


DGPS Il posizionamento differenziale GPS (DGPS) (A.Cina, 2001) è una

tecnica nella quale si usano due o più ricevitori: uno su di un vertice di riferimento A (base station), di posizione nota, ed uno su B (rover station), solitamente in movimento che occupa i punti di nuova determinazione. La stazione base calcola le correzioni e le loro variazioni nel tempo e le invia alla rover station.


ABase Station

BRover Station


Base Station• L’antenna del ricevitore GPS è montata in un

punto precedentemente misurato di coordinate note. Il GPS posizionato in questo punto è meglio noto come Reference Receiver o Base Station. Il ricevitore viene acceso all’inizio della sessione di lavoro e registra la rotta del satelliti.

• Poiché esso è situato in un punto noto, può misurare con molta precisione tutte le variazioni dei satelliti.




• Il ricevitore Rover è l’altra parte del sistema. Esso ha radio data link integrato, in grado di ricevere le correzioni registrate dal ricevitore Reference.

• Il ricevitore Rover applica quindi le correzioni calcolate dalla Reference alle misure in tempo reale

Rover Station


RTK

Real Time Kinematic usa un radio data link per trasmettere i dati del satellite da una stazione Reference a una Rover. Questo rende possibile di calcolare le coordinate in tempo reale durante il survey. Usato per applicazioni simili al Cinematico. E’ un metodo molto efficiente per ottenere risultati precisi mentre si sta svolgendo il rilievo.

Questa tecnica si realizza grazie ad un radio link, quindi, è soggetta ad interferenze da parte di altre sorgenti radio.


Ellissoidi

• Esistono molti ellissoidi o superfici matematiche che approssimano quella terrestre. L'ellissoide usato dal GPS è conosciuto come WGS84 o World Geodetic System 1984.

• Un punto sulla superficie della terra può essere definito usando Latitudine, Longitudine e altezza ellissodica (coordinate geografiche), oppure usando un sistema di Coordinate Cartesiane, dove un punto è definito dalle distanze degli assi X, Y, e Z dall’origine o centro dello sferoide (coordinate piane).


Ellissoidi

• Nonostante la terra possa apparire una sfera perfetta guardandola dallo spazio, essa è lontana dall’essere regolare. Poiché il GPS restituisce le coordinate di ogni punto della superficie terrestre, esso usa un sistema di coordinate basato su un ellissoide. Un ellissoide è (anche conosciuto come sferoide) è una sfera appiattita o meglio schiacciata.

• Un ellissoide viene utilizzato quando approssima con maggiore accuratezza la certa porzione della Terra che interessa. Questo ellissoide non è una superficie fisica ma una superficie definita matematicamente.


Ellissoidi


Errori di misura

Fin ora abbiamo assunto che la posizione GPS è molto precisa e libera da errori, in realtà esistono molte fonti di errore che degradano la recisione da qualche centimetro a decine di metri.

Le principali fonti di errore sono:1. Ritardo ionosferico ed atmosferico2. Errore dell’orologio del satellite o del ricevitore3. Multipath4. Dilution of Precision5. Selective Availability (S/A)


Dilution of Precision

• L’errore Dilution of Precision (DOP) è una misura collegata alla geometria dei satelliti ed in particolare alla loro distanza reciproca e posizione nel cielo. Il DOP può esaltare l’effetto degli errori spaziali.

• Quando i satelliti sono ben spaziati, la posizione può essere determinata con una precisione compresa all’interno dell’area individuata in figura.

Errori di misura

Ionospheric and atmospheric delays

Satellite and Receiver Clock Errors

Multipath


Selective Availability (S/A)


Errori di misura

• VDOP . Vertical Dilution of Precision. Misura la degradazione del segnale nella direzione verticale.

• HDOP . Horizontal Dilution of Precision. Misura la degradazione del segnale nella direzione orizzontale

• PDOP . Positional Dilution of Precision. Misura la degradazione del segnale nella posizione 3D

• GDOP . Geometric Dilution of Precision. Misura la degradazione del segnale nella posizione 3D e nel tempo

Il DOP si può differenziare in:



Multipath




GDOP• Il più utile DOP da conoscere è GDOP poiché è la

combinazione di tutti i fattori. Alcun ricevitori calcolano il PDOP o l’HDOP e non includono la comonente tempo.

• Il modo migliore per minimizzare l’effetto del GDOP è quello di osservare più satelliti possibile. Ricordando che il segnale derivante da satelliti a bassa elevazione sull’orizzonte è generalmente influenzato da una maggiore degradazione, dovuta alla gran parte delle sorgenti di errore.

• Per un rilievo su campo con GPS è meglio osservare satelliti che sono a più di 15° sull’orizzonte. La posizione più precisa sarà registrata quando il GDOP è basso, (generalmente 8 o meno).

Errori di misura



Multipath






Multipath


Selective Availability (S/A) Errori di misura

Ritardo atmosferico eionosferico

Quando il segnale del satellite passa attraverso la ionosfera, esso può essere rallentato a causa di un effetto simile alla rifrazione della luce che attraversa un blocco di vetro. Questo ritardo atmosferico introduce un errore nel calcolo della posizione a causa della la variazione di velocità del segnale.


Multipath• Il Multipath si verifica quando

l’antenna del ricevitore è posizionata in prossimità di una larga superficie riflettente come un lago o un edificio. Il segnale del satellite non raggiunge direttamente l’antenna ma urta prima gli oggetti vicini e poi viene riflesso sull’antenna creando una falsa misura.

Il Multipath può essere ridotto usando delle antenne GPS speciali che incorporano un groud plane (un disco metallico circolare di circa 50cm di diametro) che evita che i segnali a bassa elevazione raggiungano l’antenna.



Multipath




Satellite and Receiver clock errors

• Solitamente gli orologi interni ai satelliti sono molto precisi (circa 3 nanosecondi), a volte però vanno leggermente alla deriva creando un errore sulla precisione della posizione

• Il dipartimento della Difesa statunitense controlla gli orologi satellitari usando il Segmento di controllo, e quindi corregge l’errore quando si presenta



Multipath





• L’S.A. è un errore indotto dal Dipartimento della Difesa degli USA sui segnali GPS per degradare la precisione dei ricevitori ad uso civile e nonché quelli usati da governi stranieri ostili. Il segnale inviato dagli orologi satellitari viene sottoposto a un processo denominato dithering, inoltre le effemeridi (cioè i percorsi che effettueranno i satelliti) che vengono trasmesse sono leggermente differenti da quelle reali. Il risultato finale è una degradazione nella precisione della posizione. L’effetto dell’S.A. inficia le misure effettuate con GPS singolo in modalità navigazione autonoma. Nel caso di misure effettuate in modalità differenziale questo errore non è significativo.



Multipath




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