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Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Geofisici GPS & SISTEMI DI POSIZIONAMENTO Docente: prof. Francesco Giordano

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Presentazione sul tema: "Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Geofisici GPS & SISTEMI DI POSIZIONAMENTO Docente: prof. Francesco Giordano"— Transcript della presentazione:

1 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Geofisici GPS & SISTEMI DI POSIZIONAMENTO Docente: prof. Francesco Giordano Assistente: dott.sa Gaia Mattei

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3 Cosè 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

4 Perché si usa il GPS? Il GPS ha numerosi vantaggi rispetto ai metodi di rilievo tradizionali: 1. Non è richiesta lintervisibiltà fra i punti stazione 2. Si può usare a ogni ora del giorno e della notte, in ogni stagione 3. Produce risultati con una accuratezza geodetica molto alta 4. Il lavoro può essere eseguito in minor tempo e con pochi uomini Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

5 Limiti Per il funzionamento del GPS è necessario che lantenna 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 allinterno di edifici, così come è difficile usarlo nel centro di una città o in una foresta. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

6 Allinizio 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 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

7 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

8 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

9 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 lequatore per controllare i satelliti; Il segmento utenti – Chiunque riceva il segnale GPS. Configurazione GPS Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

10 Segmento spaziale Il Segmento Spaziale è costituito da 24 satelliti che orbitano intorno alla terra ad una altezza di circa 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. Lesperienza 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

11 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 Spaziale Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

12 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 lequatore terrestre. Segmento di controllo Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

13 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 lorbita 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 controllo Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

14 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

15 Posizione GPS Tutte le posizioni GPS sono basate sul calcolo della distanza tra i satelliti e il ricevitore GPS sulla terra. Lidea 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 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

16 Distanza Per calcolare la distanza del ricevitore da ciascun satellite, si usa la prima Legge di Newton: Distanza = Velocità x Tempo Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

17 Intersezione:dove ci troviamo? 11,000 miles Ci troviamo in qualche punto allinterno della sfera Distanza Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

18 Intersezione tra due sfere Lintersezione è un cerchio Distanza Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

19 Intersezione tra tre sfere immaginarie Distanza Lintersezione sono 2 punti Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

20 Intersezione tra 4 sfere Distanza Lintersezione è 1 punto Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

21 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 lorbita 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).

22 Tecniche di misura GPS Statico – Il ricevitore misura sempre lo stesso punto, per lintera 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 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

23 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 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

24 Metodi di misura GPS Esistono molti metodi per ottenere una posizione usando il GPS. Il metodo dipende dalla precisione richiesta dallutente 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

25 Posizione con differenza di fase Da una precisione di mm. E usata per rilievi topografici, controllo di macchinari etc. Metodi di misura GPS Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

26 Metodi di misura GPS Doppia Frequenza - Alcuni ricevitori misurano entrambe le frequenze L1 and the L2 del segnale GPS. Questo metodo implica luso 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 allistante 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

27 Metodi di misura GPS 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

28 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. Metodi di misura GPS A Base Station B Rover Station Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

29 Base Station Lantenna 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 allinizio 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. Metodi di misura GPS Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

30 Metodi di misura GPS Il ricevitore Rover è laltra 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 Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

31 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

32 Ellissoidi Esistono molti ellissoidi o superfici matematiche che approssimano quella terrestre. L'ellissoide usato dal GPS è conosciuto come WGS84 o World Geodetic System 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 dallorigine o centro dello sferoide (coordinate piane). Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

33 Ellissoidi Nonostante la terra possa apparire una sfera perfetta guardandola dallo spazio, essa è lontana dallessere 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

34 Ellissoidi Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

35 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 atmosferico 2. Errore dellorologio del satellite o del ricevitore 3. Multipath 4. Dilution of Precision 5. Selective Availability (S/A) Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

36 Dilution of Precision Lerrore 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 leffetto degli errori spaziali. Quando i satelliti sono ben spaziati, la posizione può essere determinata con una precisione compresa allinterno dellarea individuata in figura. Errori di misura Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

37 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: Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

38 GDOP Il più utile DOP da conoscere è GDOP poiché è la combinazione di tutti i fattori. Alcun ricevitori calcolano il PDOP o lHDOP e non includono la comonente tempo. Il modo migliore per minimizzare leffetto del GDOP è quello di osservare più satelliti possibile. Ricordando che il segnale derivante da satelliti a bassa elevazione sullorizzonte 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° sullorizzonte. La posizione più precisa sarà registrata quando il GDOP è basso, (generalmente 8 o meno). Errori di misura Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

39 Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Errori di misura Ritardo atmosferico e ionosferico 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. Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

40 Multipath Il Multipath si verifica quando lantenna del ricevitore è posizionata in prossimità di una larga superficie riflettente come un lago o un edificio. Il segnale del satellite non raggiunge direttamente lantenna ma urta prima gli oggetti vicini e poi viene riflesso sullantenna 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 lantenna. Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Errori di misura Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

41 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 lerrore quando si presenta Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Errori di misura Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali

42 Selective Availability (S/A) LS.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. Leffetto dellS.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. Ionospheric and atmospheric delays Satellite and Receiver Clock Errors Multipath Dilution of Precision Selective Availability (S/A) Errori di misura Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali


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