Posizionamento satellitare GNSS: metodi di impiego e misure di distanza

Posizionamento satellitare GNSS

IIS E. Guala - CAT - Topografia
Posizionamento satellitare GNSS
parteIl GPS è un sistema molto flessibile che consente svariate modalità di
utilizzo in funzione di impieghi, precisioni, tempi e costi.
In generale le fondamentali modalità di impiego del GPS sono
caratterizzate da diversi fattori che possono essere classificati secondo i
seguenti criteri.

DI CODICE
TEMPO REALE

1
TIPO DI
MISURA
2
TIPO DI
ELABORAZIONE
DI FASE
POST
TRATTAMENTO
ASSOLUTO
STATICO
3
TIPO DI
IMPIEGO
DIFFERENZIALE
DI CODICE
DIFFERENZIALE
DI FASE
4
TIPO DI
POSIZIONAMENTO
CINEMATICO

Tipi di misura della distanza ricevitore-satellite

Misura di codice (code pseudo-range)

2TIPO DI MISURA DELLA DISTANZA RICEVITORE-SATELLITE
misura di codice
(code pseudo-range)

• E basata sulla stima della
  differenza
  di
  tempo
  ottenuta
  valutando
  il
  codice binario (PRN) emesso
  dal satellite e quello generato
  nel ricevitore (replica).
• Sono
  le
  misure
  più
  semplici
  e
  rapide
  da
  acquisire
  e
  da
  elaborare
  (ricevitori
  più
  economici,
  perlopiù eseguite in tempo
  reale dal ricevitore stesso),
  ma sono affette da errori
  dovuti
  alla
  valutazione
  dell'intervallo di tempo.

S
0110110100101101011011010010110
PSEUDO-RANGE
A
errori di
valutazione
del tempo
R
GPSmap
...
GARMIN

Misura di fase (phase true-range)

3TIPO DI MISURA DELLA DISTANZA RICEVITORE-SATELLITE
misura di fase
(phase true-range)

• E
  basata
  sul
  calcolo
  della
  differenza di fase tra la portante
  demodulata (preferibilmente la L1)
  emessa dal satellite, e la replica
  della
  stessa
  portante
  generata
  all'interno del ricevitore.
• Ciò consente di stabilire il numero
  di lunghezze d'onda (parti intere e
  parte
  frazionale)
  presenti
  fra
  il
  satellite e il ricevitore, ottenendo la
  relativa
  distanza
  (approssimata
  a
  1/100 della lunghezza d'onda).
• Sono le più complesse da acquisire
  e da elaborare (ricevitori più costosi e
  software dedicato), tuttavia sono le
  più accurate e affidabili.

S
V
TRUE-RANGE
R

Tempi di elaborazione

Post-elaborazione (post-processing)

4TEMPI DI ELABORAZIONE
in post-elaborazione (post-processing)
il risultato della elaborazione delle misure è disponibile in tempi
differiti, successivi alle operazioni effettuate in campagna, durante le
quali vengono acquisiti e elaborati i dati trasmessi dai satelliti in un
opportuno intervallo di tempo, Il vantaggio, rispetto all'elaborazione
in tempo reale, è la possibilità di affinare il modello delle cause degli
errori sistematici delle misure (più spesso misure di fase), ottenendo
le massime precisioni.

Tempo reale (real-time)

in tempo reale (real-time)
la posizione dei ricevitori (in un certo istante) è direttamente e
immediatamente disponibile in sito durante le operazioni di
campagna. Essa, in origine era ottenuta solo con misure di codice
(pseudo-range), quindi con una precisione della misura non molto
elevata (posizionamento assoluto in ambito navigazione). Tuttavia,
ben presto, l'evoluzione tecnologica del sistema ha permesso di
ottenere la posizione in tempo reale anche con misure di fase
(tecnica RTK) dunque con maggior affidabilità.

Tecniche di impiego dei ricevitori

Posizionamento assoluto

5TECNICHE DI IMPIEGO DEI RICEVITORI
Posizionamento assoluto

• Viene utilizzato
  un solo ricevitore
  col quale devono essere agganciati
  almeno 4 satelliti.
• Il sistema fornisce le coordinate
  cartesiane assolute (X, Y, Z) del
  centro dell'antenna del ricevitore nel
  sistema di riferimento geocentrico
  WGS84,
  talvolta
  trasformate
  in
  coordinate
  geografiche
  (latitudine,
  longitudine e quota ellissoidica: o, 2,
  h).
• Il
  metodo
  non
  presenta
  precisioni
  adeguate
  ad
  appli-
  cazioni topografiche, pertanto viene
  utilizzato perlopiù nella navigazione

Orbite satelliti
Calcolo in tempo reale
delle coordinate X, Y, Z
dalle quali anche q, 2, h

Posizionamento differenziale (DGPS) di codice

6TECNICHE DI IMPIEGO DEI RICEVITORI
Posizionamento differenziale
(DGPS) di CODICE
Vengono
utilizzati
almeno
due
ricevitori
dai
quali
devono
essere
agganciati
simultaneamente
almeno
4
satelliti, e che presentano le
seguenti caratteristiche :
un
ricevitore
fisso
collocato
su un
punto
di
coordinate note (ricevitore
base),
che
registra
con
continuità il segnale GPS.
un
secondo
ricevitore
fisso
ricevitore remoto)
0
itinerante (ricevitore rover).

Orbite satelliti
R
Ricevitore
Base (Master)
di posizione
nota: XR, YR, ZR
baseline
Ricevitore Remoto
(Rover)
Con calcolo in post-elabora-
zione delle coordinate X, Y, Z
quindi anche q, 2, h

Osservazioni sul posizionamento differenziale

7TECNICHE DI IMPIEGO DEI RICEVITORI
Osservazioni sul posizionamento differenziale
Con
la
tecnica
differenziale,
si
possono
rimuovere gli errori
sistematici (detti bias) dalle misure effettuate dai due ricevitori.

• Si basa sulle correzioni da apportare, in tempo reale o differito, alle
  misure di codice del ricevitore remoto, determinate dal ricevitore
  base che deve essere su un punto di posizione nota.
  Nel posizionamento differenziale le sessioni di
  misura non vengono effettuate per punti isolati,
  ma per coppie di punti ottenendo la posizione
  relativa del ricevitore rover, rispetto
  al
  ricevitore base (di coordinate note XR, YRy
  ZR), attraverso le componenti AX, AY, AZ del
  vettore tridimensionale detto
  `baseline'
  che
  unisce i centri delle antenne dei due ricevitori.
  In effetti sommando queste componenti alle
  coordinate della stazione base, si ricavano le
  coordinate assolute (X, Y, Z)
  anche del
  secondo punto (stazione remota).

Z
baseline
I
AZ
P2
P1
Y
O
1
ΔΥ
AX
X

Posizionamento differenziale di fase

8TECNICHE DI IMPIEGO DEI RICEVITORI
Posizionamento differenziale di FASE
La tecnica ha le stesse caratteristiche del
posizionamento
differenziale
di
codice
(rimozione degli errori sistematici comuni
ai
due
ricevitori
determinandone
la
posizione relativa) ma è basato sulle
misure di fase (true-range).

• Le misure vengono poi trattate, come
  detto,
  considerando
  le
  combinazioni
  lineari (differenze singole, doppie, triple)
  delle equazioni di misura effettuate tra i
  ricevitori
  e i
  satelliti
  simultaneamente
  agganciati con l'applicazione di algoritmi che
  permettono di eliminare dalle equazioni di
  misura gli errori sistematici dipendenti dai
  satelliti o dal ricevitore, fornendo precisioni
  al centimetro.

Ricevitore
rover
Ricevitore
base
TOPCON

Posizionamento differenziale RTK (Real Time Kinematic)

9TECNICHE DI IMPIEGO DEI RICEVITORI
Posizionamento differenziale RTK ( Real Time Kinematic)
Quando le correzioni vengono apportate in tempo reale, con il ricevitore remoto
in movimento (ricevitore rover), il metodo viene indicato con la sigla RTK.

• Tuttavia, in questo caso, è necessario che le correzioni da apportare al ricevitore
  rover vengano trasmesse dal ricevitore base, durante le operazioni di campagna,
  attraverso un collegamento radio UHF, o per telefonia cellulare (GSM).

orbite dei satelliti
A
invio delle correzioni
al ricevitore rover
ricevitore
base (master)
di posizione
nota: XR, YR, ZR
antenna
radio
ricevitore
remoto
(rover)
calcolo delle coordinate X, Y, Z
in tempo reale, quindi
anche di q, , h

Tecniche di rilievo

Tecniche statiche

10TECNICHE DI RILIEVO
statiche

• i ricevitori permangono fermi (e accesi) sui punti per un certo tempo
  (in generale tra 5' e 60') durante il quale registrano i segnali emessi dai
  satelliti.

Tecniche cinematiche

cinematiche
uno (o più) dei ricevitori (rover) è in continuo movimento itinerante.

Schema riepilogativo degli errori

ERRORI
ASSOLUTO
3 - 15m
TEMPO REALE
DGPS
DIFFERENZIALE
0,3 - 1,5m
CODICE
SCHEMA
ASSOLUTO
1,5 - 5m
POST-
TRATTAMENTO
DIFFERENZIALE
0,2 - 1m
GPS
ASSOLUTO
NON
IMPIEGATO
TEMPO REALE
RTK
DIFFERENZIALE
1 - 10cm
FASE
ASSOLUTO
NON
IMPIEGATO
POST-
TRATTAMENTO
DIFFERENZIALE
1 - 50mm
RIEPILOGATIVO

La misura di fase (true range)

11LA MISURA DI FASE
(true range)

12LA MISURA di FASE
Con questa tecnica, all'interno del ricevitore si misura la differenza di fase Ao
tra l'onda portante ricevuta dal satellite, e un'onda di uguale frequenza generata
nel ricevitore. Da essa si ottiene
la frazione di lunghezza d'onda
42=(4/27).2, che è parte della distanza ricevitore-satellite.
La misura di fase consente
maggiori precisioni
ma in un contesto che, che si
basa sui seguenti punti:

• le misure di fase sono impiegate nel posizionamento differenziale;
• le misure di fase vengono utilizzate con complesse combinazioni di misura,
  da più ricevitori a più satelliti, per eliminare gli errori del sistema
  Portante modulata ricevuta dal satellite
  Codice
  1
  1
  1 0 0 0 1 1 0 00
  Portante demodulata nel ricevitore
  Portante riprodotta nel ricevitore (replica)
  1

Posizionamento differenziale con misure di fase

13POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE con MISURE di FASE
Per effetto della distanza percorsa
dal segnale, l'onda portante emessa
dal satellite arriva nel ricevitore con la
differenza di fase Ao (che viene
misurata),
rispetto
alla
copia
generata localmente nel ricevitore.

• La differenza di fase Lo dipende solo
  dalle posizioni relativa tra satellite e
  ricevitore.
• La misura della distanza ricevitore-
  satellite avviene contando il numero
  intero N
  (ambiguità intera)
  di lun-
  ghezze d'onda » della portante, più la
  frazione
  di
  lunghezza
  d'onda
  ^2=(40/2T).2 ottenuta, nel ricevitore,
  dalla
  misura
  dello
  sfasamento:
  d=N.A+ (Δφ/2π).λ
  ₹
  N.2 + 42
  TO
  41 =
  feica

Combinazioni lineari delle equazioni delle misure di fase

14COMBINAZIONI LINEARI
delle EQUAZIONI delle MISURE DI FASE

• La precisione ottenibile con il posizionamento differenziale è
  maggiore di quella che si ottiene con il posizionamento assoluto, non
  solo perché vengono impiegate misure di fase invece che misure di
  codice, ma anche perché esso consente di rimuovere (o limitare in
  modo significativo) alcuni errori sistematici.
• Riassumendo, il posizionamento differenziale di fase si basa
  essenzialmente sui seguenti fattori:
  misure di fase da almeno due ricevitori
  costruzione di combinazioni lineari delle misure tra i ricevitori e i
  satelliti per eliminare gli errori sistematici secondo una tecnica detta
  delle differenze multiple (singole, doppie, triple)
  impiego di appositi software che permettono di trattare le misure
  per ottenere le incognite ricercate sia in post trattamento, ma anche in
  tempo reale (RTK).

Aspetti altimetrici del GPS

15ASPETTI ALTIMETRICI
DEL GPS

Il sistema WGS84

16IL SISTEMA WGS84
Le informazioni ottenute dai satelliti GPS
permettono di definire la posizione dei
punti su cui sono collocati di ricevitori
sotto forma di:

• Coordinate geocentriche (X, Y, Z)
• coordinate geografiche (pe , Ne,h)
  Notiamo
  subito
  che la coordinata
  geocentrica Z, non è legata al concet-to
  di "distanza dalla superficie di rife-
  rimento" indispensabile nel contesto
  tecnico-operativo, nel quale pertanto,
  vengono
  preferite
  le
  coordinate
  geografiche (De , Nerh).
  E poi possibile, utilizzando apposite
  procedure di calcolo (Verto-IGM), la
  trasformazione delle coordinate geo-
  grafiche elissoidiche Qe Ner h, nelle
  corrispondenti coordinate cartografiche
  N,E,Z del sistema GaussBoaga
  Datum
  Roma40).

1Z
meridiano
per Po
1
ellissoide
WGS84
Pi
G
h
Piano equatoriale
Pod
1
ZP
Y
O
Xp
2!i
X
Y !
P
17
meridiano
origine