Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le Produzioni Animali CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le Produzioni Animali (corso TIE) Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale e la sicurezza alimentare – VESPA Università di Milano

TIE per le Produzioni Animali CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI IL GPS TIE per le Produzioni Animali Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale e la sicurezza alimentare – VESPA Università di Milano

ELEMENTI DI BASE

ELEMENTI DI BASE

d = v * ∆t MISURA DELLA DISTANZA TRA SATELLITE E RICEVITORE MISURARE IL TEMPO INTERCORSO TRA IL MOMENTO IN CUI PARTE IL SEGNALE E QUELLO IN CUI ARRIVA “il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dell’atomo di cesio -133” OROLOGIO ATOMICO AL CESIO

Orbite alte per: 24 Satelliti (29) Sicurezza Copertura Precisione IL SEGMENTO SPAZIALE 24 Satelliti (29) 6 piani orbitali elevazione 20200 km 1 rivoluzione in ~12 ore 5 ore al di sopra dell’orizzonte Orbite alte per: Sicurezza Copied from “GPS Navstar User’s Overview” prepared by GPS Joint Program Office, 1984 Copertura Precisione

IL SEGMENTO DI CONTROLLO Riceve informazioni Trasmette informazioni

IL SEGMENTO DI CONTROLLO

I SATELLITI DEL SEGMENTO SPAZIALE HANNO UN OROLOGIO AL CESIO Il Cesio ha 55 protoni nel nucleo e 55 elettroni intorno ad esso. Sono riempiti tutti gli stati elettronici che fanno parte del gas nobile xenon (54 elettroni) fino al livello 5p e poi c'è solo un elettrone fuori da tale distribuzione. Nel livello successivo di energia disponibile c’è l'elettrone 6s, così la chimica del cesio è determinato da quest’ultimo elettrone.

Transizione tra livelli energetici TRANSIZIONE TRA DUE LIVELLI ENERGETICI Transizione tra livelli energetici Alla transizione fra i due sottolivelli corrisponde un'emissione o un assorbimento di fotoni della corrispondente energia. La frequenza di questa radiazione (circa 9  GHz) è del tipo delle microonde: la lunghezza d'onda è qualche centimetro.

Funzionamento di un orologio al cesio FUNZIONAMENTO OROLOGIO Funzionamento di un orologio al cesio

FUNZIONAMENTO OROLOGIO Col primo separatore si escludono dal fascio gli atomi con F=4, lasciando solo quelli con F=3 Il fascio attraversa una cavità che ha una frequenza di risonanza corrispondente alla transizione fra i sottolivelli a diversa energia; se nella cavità c'è un campo elettromagnetico a quella frequenza, esso induce la transizione da 3 a 4. Il campo è generato da un oscillatore esterno, mantenuto alla frequenza necessaria per la transizione. All’uscita dalla cavità gli atomi rimasti nello stato 3 vengono eliminati con un secondo separatore magnetico, e i restanti inviati a un rivelatore, il quale dà un segnale proporzionale al numero di atomi che riceve per unità di tempo al risuonatore. Se la frequenza del risonatore non è quella giusta per produrre le transizioni, gli atomi in uscita sul livello 4 sono ridotti in numero o addirittura scompaiono: il rivelatore se ne accorge e fornisce un segnale diverso. Il segnale che esce dall'oscillatore, così “agganciato” alla frequenza della transizione atomica, viene mandato a un amplificatore. 9.192.631.770 oscillazioni (nel caso di Cs-133) rappresentano un secondo

I SEGNALI GPS

SEZIONE SPAZIALE

STRUTTURA DEI SEGNALI GPS

COME FUNZIONA? TRIANGOLAZIONE 1 satellite 2 satelliti Triangolazione possibile: conoscenza della posizione Minimo 3 satelliti I ricevitori gps hanno più di 3 canali

TRIANGOLAZIONE I ricevitori gps hanno più di 3 canali

Occorre misurare la distanza da ogni satellite in vista rispetto QUAL’ E’ IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO ? Occorre misurare la distanza da ogni satellite in vista rispetto al ricevitore sulla terra. …. E PER OTTENERE QUESTO… Si misura il tempo di viaggio di un segnale radio 50 millisecondi 40 millisecondi

… ma come si calcola il Tempo di viaggio del segnale radio ? LA TRIANGOLAZIONE Distanza “D” satellite/ricevitore a terra = Velocità della luce “c” x Tempo di viaggio del segnale radio “Dt” D = c x Dt D … ma come si calcola il Tempo di viaggio del segnale radio ?

Con 3 satelliti ottengo x ed y LA TRIANGOLAZIONE Note le distanze di un oggetto sulla terra rispetto a tre satelliti nello spazio, c’è un solo punto che può rispettare contemporaneamente queste distanze ! Con 3 satelliti ottengo x ed y Con 4 satelliti ottengo x, y e z (la quota)

COME MISURARE LA DISTANZA SATELLITE-RICEVITORE? I ricevitori di basso costo (meno precisi) sono in grado di ricevere le onde L1 e fanno Misure di Pseudo-range: misura del tempo di volo Dt In generale D = c * Dt I ricevitori di alto costo (più precisi) sono in grado di ricevere anche le onde L2 e fanno anche Misure di fase: misura del n° di cicli necessari per la trasmissione (F) In generale D = F*l/2p

LE MISURE DI PSEUDORANGE Ora orologio satellite: 10.00 pm Ora orologio ricevitore:10.00 pm L1 parte dal sat. alle 10.00 e arriva al ricevitore alle 10.02 pm Dt = 2 secondi

MISURA DI FASE d = v * ∆t

Risoluzione dell’ambiguità di fase (RTK) RISOLUZIONE AMBIGUITA’ DI FASE Risoluzione dell’ambiguità di fase (RTK)

Utilizzo filtri Kalman ALTRE TECNOLOGIE Ricevitori che eseguono misure con impiego integrato di pseudoranges e fase portante Utilizzo filtri Kalman HANNO RAPPORTO PRESTAZIONI/PREZZO MOLTO INTERESSANTE

LA BONTA’ DI UN POSIZIONAMENTO La triangolazione per il calcolo della posizione è tanto più precisa quanto più sono aperti i satelliti in vista all’orizzonte (in mezzo alle case) (in aperta campagna)

PDOP (POSITIONAL DOP 3D) HDOP (HORIZONTAL DOP) VDOP (VERTICAL DOP) LA BONTA’ DI UN POSIZIONAMENTO La bontà di un posizionamento è espressa con la DOP (DILUITION OF PRECISION) o GDOP (GEOMETRIC DOP) Più il valore di DOP è prossimo a 0 e migliore è il posizionamento. La DOP è più nota come: PDOP (POSITIONAL DOP 3D) HDOP (HORIZONTAL DOP) VDOP (VERTICAL DOP) TDOP (TEMPORAL DOP) 1 = Ideale 1-2 = Eccellente 2-5 = Buono 5-10 = Moderato 10-20 = Scarso >20 = Povero

GLI ERRORI DEL GPS ERRORE ASSOLUTO PUNTO STIMATO DAL GPS PUNTO REALE

Imprecisione efemeridi fino a 2 m Ritardo ionosferico fino a 4 m GLI ERRORI DEL GPS Imprecisione efemeridi fino a 2 m Ritardo ionosferico fino a 4 m Ritardo troposferico fino a 0.7 m Precisione orologi fino a 2 m Riflessione (edifici, montagne, ecc.) fino a 1.4 m Tipo ricevitore fino a 0.5 m

RITARDO IONOSFERICO E TROPOSFERICO Ionosfera Troposfera

LE OSTRUZIONI Multipath

IL MULTIPATH Review Questions

sul ricevitore GPS protatile GLI OROLOGI OROLOGIO AL QUARZO sul ricevitore GPS protatile OROLOGIO ATOMICO sul satellite

I RICEVITORI GPS TIPI DI ANTENNA ATTIVA PASSIVA SINGOLA FREQUENZA (L1) PRECISIONE SENZA PRECISIONE CON CORREZIONE CORREZIONE DEGLI ERRORI DEGLI ERRORI basso costo (200 - 500 €) 8 - 10 m 3 - 5 m medio costo (500 – 2.000 €) 4 - 6 m 0,8 – 1,2 m alto costo (2.000 - 3.500 €) 4 - 5 m 0,3 – 0,8 m DOPPIA FREQUENZA (L1+L2) alto costo (10.000-15.000 €) 4 - 5 m 50 cm- 1 mm TIPI DI ANTENNA ATTIVA PASSIVA

Poco Preciso e Poco Accurato BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (1) Posizioni GPS media Posizione Esatta Poco Preciso e Poco Accurato Nuovola di punti raccolti in un certo lasso di tempo rimanendo fermi Media della nuvola di punti

Preciso ma Poco Accurato BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (2) Posizioni GPS media Posizione Esatta Preciso ma Poco Accurato

Posizioni GPS Posizione Esatta Preciso e Accurato BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (4) Posizioni GPS Posizione Esatta Preciso e Accurato

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE (DGPS) DIFFERENTIAL GPS Rimozione degli errori comuni tra ricevitore di riferimento (GPS base a terra o STAZIONE MASTER) ed utente remoto (GPS in movimento o STAZIONE ROVER) in una certa area posizionamento relativo (due ricevitori) GPS Master e GPS Rover errori calcolati nella stazione master (COORDINATE NOTE) applicazione errori per correzione misure stazione rover Condizione ottimale è che le misurazioni di MASTER e ROVER siano fatte sugli stessi satelliti ossia che entrambi i GPS lavorino nello stesso ambiente

Coordinate note = errori noti LA CORREZIONE DIFFERENZIALE T1 DM1 DR1 T2 DM2 DR2 Coordinate note = errori noti DM1 DM2 DR1 = DR2 RIFERIMENTO NOTO CALCOLO DELL’ERRORE UNIONE DATI DEI DUE RICEVITORI

DGPS IN POST-PROCESSING TECNICHE DI CORREZIONE DIFFERENZIALE DGPS IN POST-PROCESSING per rilievi GIS topografici rilievi molto accurati, centimetrici o decimetrici DGPS IN REAL-TIME per posizionamento veicoli in movimento per mappature in rilievi GIS

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE IN POST-PROCESSING

VANTAGGI SVANTAGGI IL DGPS IN POST-PROCESSING Bassi costi di gestione Bassa probabilità perdita informazioni di posizione Nessun rischio perdita segnale DGPS Cycle slips ricostruiti Utilizzo effemeridi precise Esclusione satelliti malfunzionanti Maggiore precisione rispetto al real-time SVANTAGGI Consistente quantità di dati registrati Posizionamento preciso solo a posteriori Costo elevato dei software di correzione (?) Necessità di training per gli operatori

VANTAGGI SVANTAGGI IL DGPS IN REAL-TIME Ridotta quantità dati registrati Posizione precisa istantanea SVANTAGGI Alti costi di gestione per maggiore complessità del sistema Necessità di un mezzo trasmissivo per la connessione master-rover in tempo reale (Radio o GPRS con protoccolo trasmissione RTCM-104) Alta probabilità di perdita informazioni di posizione Perdita DGPS Perdita per Cycle slips Normalmente meno preciso rispetto al post-processing

Coordinate note = errori noti LA CORREZIONE IN REAL-TIME T1 T2 Coordinate note = errori noti MAGGIOR COMPLESSITA’ DEL SISTEMA NECESSITA’ DI TRASMETTERE IN TEMPO REALE LA TRASMISSIONE PROTOCOLLO DI TRASMISSIONE: RTCM 104 NORMALMENTE RISULTATI MENO PRECISI RISPETTO AL POST-PROCESSING

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE ?

VIA RADIO DA STAZIONE DI TERRA SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE VIA RADIO DA STAZIONE DI TERRA RADIO-MODEM RICEVITORE PREDISPOSTO SERVONO DUE GPS CANONE ANNUO (?) COSTO ATTREZZATURA MAGGIORE (?) ALTA PRECISIONE (1 cm) E RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE

VIA GSM DA STAZIONE DI TERRA SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE VIA GSM DA STAZIONE DI TERRA GSM-MODEM RICEVITORE PREDISPOSTO TARIFFA TELEFONICA PROBLEMI SULLA COPERTURA TELEFONICA

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE SATELLITE PRIVATO VIA SATELLITE PRIVATO (OMNISTAR) RICEVITORE PREDISPOSTO CANONE ANNUO PRECISIONE +/- 10 CM OPPURE 3-5 CM RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE TEMPO DI ATTIVAZIONE LUNGO

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE SATELLITE PUBBLICO VIA SATELLITE PUBBLICO SISTEMA WASS-EGNOS RICEVITORE PREDISPOSTO COMPLETAMENTE GRATUITO PRECISIONE +/- 15-30 CM NON RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE ANCHE DOPO 20 MINUTI

I SISTEMI DI RIFERIMENTO SISTEMA INTERNAZIONALE Ellissoide: WGS84 Orientamento: Geocentrico Geoide : WGS84 Proiezione: UTM / Lat.Long. SISTEMA EUROPEO UTM ED50 Ellissoide: Internazionale (Hayford) Orientamento: Locale del 1950 Geoide: EGM96 Proiezione: Gauss SISTEMA NAZIONALE ROMA 1940 Ellissoide: Internazionale (Hayford) Orientamento: Locale – Roma M. Mario Geoide: IGM95 Proiezione: Gauss

ACCURATEZZA E PRECISIONE

Parametri statistici con cui si valuta L’ACCURATEZZA ACCURATEZZA E PRECISIONE Parametri statistici con cui si valuta L’ACCURATEZZA

Prova statica ricevitore ACCURATEZZA E PRECISIONE Prova statica ricevitore Accuratezza = 0,51 m Errore medio = 0,24 m CEP = 0,19 m 95% = 0,50

Ricevitori singoli senza correzione differenziale ACCURATEZZA E PRECISIONE Ricevitori singoli senza correzione differenziale

Ricevitori singoli con correzione differenziale ACCURATEZZA E PRECISIONE Ricevitori singoli con correzione differenziale

CRITERI DI SCELTA

CRITERI DI SCELTA Bassa Media Alta ACCURATEZZA PRECISIONE Identificazione luoghi lavoro o posizione animali Rilievo tracciati lavori Applicazioni logistiche Mappature Automazione distribuzione sito-specifica fattori Navigazione flotta Guida assistita Sistemazione terreni Trapianto Guida automatica

CRITERI DI SCELTA

CRITERI DI SCELTA

PERCHE’ USIAMO IL SISTEMA GPS? Posizione assoluta WGS84 Linea di vista Condizioni di luce Nessuna interferenza meteorologica Satellite Ranging