Affidabilità e precisione di misure NRTK di lunga durata Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Civile Dipartimento di Rappresentazione Anno Accademico 2009/2010 Affidabilità e precisione di misure NRTK di lunga durata Relatori Ch.mo Prof. Ing. Vincenzo Franco Dott. Ing. Gino Dardanelli Tesi di Laurea di Antonio Rotondi

Introduzione Obiettivi Sperimentazione Conclusioni

Introduzione Il rilievo RTK La tecnica di rilievo RTK consente di poter ottenere le coordinate del punto sul quale si fa stazione in tempo reale utilizzando due ricevitori, il Master e il Rover, e un sistema di trasmissione dati (radio modem, cellulare). Rispetto ad altre modalità di rilievo (quali lo statico), il rilievo RTK consente di avere i seguenti vantaggi: - Si riducono i tempi di rilievo; - È possibile conoscere già in loco le coordinate del punto; Per poter raggiungere però precisioni centimetriche, è necessario mantenere una distanza tra Master e Rover che non sia superiore a 20 Km.

Introduzione Il rilievo NRTK Con il termine Network RTK si intende fare riferimento a quella tecnica che consente di utilizzare, per il calcolo delle coordinate di un punto, le correzioni fornite da una rete di stazioni permanenti. Il rilievo NRTK, rispetto al rilievo RTK, consente di: Realizzare rilievi con un solo ricevitore e un solo operatore Operare senza avere il problema della distanza dalla stazione di riferimento e sempre con la stessa precisione nel posizionamento Ottenere una maggiore affidabilità nelle misure

Vantaggi nell’uso delle reti NRTK Introduzione Vantaggi nell’uso delle reti NRTK •diradamento delle SP GPS (interdistanza fino a 70-100 km); •possibilità di operare in maniera precisa e affidabile in RT con precisione centimetrica; fornitura di servizi GPS RT(tempo reale o postprocessamento) su scala regionale.

Introduzione La rete di stazioni permanenti UNIPA Le stazioni permanenti, se organizzate in reti, sono in grado di fornire un insieme di servizi in tempo reale, tra cui le correzioni differenziali del segnale proveniente dal sistema GNSS. Ogni stazione permanente è dotata di un ricevitore e un’antenna di tipo geodetico ed acquisisce con continuità tutti i segnali emessi dai satelliti visibili trasmettendoli ad un centro di controllo della rete dal quale vengono resi accessibili all’utenza. Realizzata e gestita dal Dipartimento di Rappresenta- zione dell’Università di Palermo nell’ambito del progetto PRIN2005 dal titolo: “Reti di stazioni permanenti GPS per il rilievo in tempo reale in impieghi di controllo e emergenza” Rete di stazioni permanenti GNSS per la Sicilia Occidentale. Finalizzata a svolgere sperimentazioni nel campo delle posizionamento GPS in tempo reale.

Introduzione La rete di stazioni permanenti UNIPA Rete Dinamica Nazionale La RDN, identificherà un nuovo SR: ETRF2000 all’epoca 2008. Planimetrica PRECISIONE 5 mm 2 mm RDN 40 mm 25 mm IGM95 Altimetrica

OBIETTIVI In questo lavoro, dopo un’analisi dei test di lunga durata che sono già stati realizzati in Italia e all’estero, si è effettuata una sperimentazione avente i seguenti obiettivi: Verifica dell’affidabilità di misure NRTK di lunga durata Verifica della precisione di misure NRTK di lunga durata

SPERIMENTAZIONE FASI DEL LAVORO Operazioni di rilievo in modalità statica - elaborazione dati Studio di dieci schemi riguardanti la rete di stazioni permanenti Operazioni di rilievo in modalità NRTK analisi dell’affidabilità delle misure NRTK analisi dell’accuratezza delle misure NRTK

SPERIMENTAZIONE Rilievo in modalità statica Strumentazione utilizzata: -Ricevitore Topcon HiPer Pro con antenna incorporata a doppia frequenza L1 e L2. Impostazioni del ricevitore: - Intervallo di campionamento: 1sec - Angolo di cut off: 5° - Tempo di acquisizione: 2 ore

Deviazione Standard (m) SPERIMENTAZIONE Rilievo in modalità statica Le coordinate del pilastrino posto sul tetto del Dipartimento di Rappresentazione dell’Università degli Studi di Palermo, da utilizzare come termine di paragone per le misure in tempo reale, si sono ottenute per mezzo di un rilievo statico relativo. Si sono quindi determinate, tramite il programma di compensazione TOPCON TOOLS le componenti dei vettori baseline che collegavano il nostro punto (Pilastrino) a tre stazioni permanenti della rete UNIPA: Alcamo (TP), Prizzi (PA) e Termini Imerese (PA). Precisione orizzontale (m) 0,013 Precisione verticale (m) 0,022 n° epoche 7154 Soluzione Fixed Satelliti GPS 12 Satelliti GLONASS 3 DN (m) 13966,162 DE (m) 34723,123 DQ (m) -249,790 Baseline Pilastrino-Alcamo Precisione orizzontale (m) 0,015 Precisione verticale (m) 0,025 n° epoche 7154 Soluzione Fixed Satelliti GPS 12 Satelliti GLONASS 7 DN (m) -43027,834 DE (m) 7065,688 DQ (m) 857,498 Baseline Pilastrino-Prizzi Precisione orizzontale (m) 0,012 Precisione verticale (m) 0,02 n° epoche 7154 Soluzione Fixed Satelliti GPS 12 Satelliti GLONASS 8 DN (m) -14061,660 DE (m) 30853,941 DQ (m) -49,128 Baseline Pilastrino-Termini Imerese Coordinate (m) Deviazione Standard (m) Nord 4218813,51 0,006 Est 355171,35 0,004 Quota 102,95 0,008

Operazioni di rilievo in modalità statica - elaborazione dati SPERIMENTAZIONE FASI DEL LAVORO La sperimentazione è stata effettuata considerando la rete in dieci configurazioni diverse, ottenute togliendo di volta in volta alcune stazioni permanenti; in questo modo è stato possibile avere informazioni sull’affidabilità e l’accuratezza dei risultati ottenuti. Operazioni di rilievo in modalità statica - elaborazione dati Studio di dieci schemi riguardanti la rete di stazioni permanenti Operazioni di rilievo in modalità NRTK analisi dell’affidabilità delle misure NRTK analisi dell’accuratezza delle misure NRTK

SPERIMENTAZIONE FASI DEL LAVORO Operazioni di rilievo in modalità statica - elaborazione dati AFFIDABILITA’ Studio di dieci schemi riguardanti la rete di stazioni permanenti Operazioni di rilievo in modalità NRTK analisi dell’affidabilità delle misure NRTK analisi dell’accuratezza delle misure NRTK

SPERIMENTAZIONE AFFIDABILITA’ Con il termine affidabilità si intende la garanzia che un impianto, un apparecchio o un organo possa funzionare correttamente nel tempo. In particolare, nel caso di rilievi NRTK, il termine affidabilità fa riferimento alla probabilità che l’operatore possa determinare correttamente la sua posizione all’interno della rete di stazioni permanenti, in funzione della modalità di calcolo adoperata (VRS,FKP,Near e Far). Si effettua adesso una analisi sulle percentuali di soluzioni fissate, sul numero di satelliti ricevuti e sul tempo di connessione per le quattro modalità di misura e considerando i dieci schemi insieme: I risultati più attendibili in termini di affidabilità si sono ottenuti nella modalità VRS (83% delle soluzioni sono fixed) e ricevendo le correzioni dalla stazione più vicina (Near 93% delle soluzioni sono fixed).

SPERIMENTAZIONE AFFIDABILITA’

Disponibilità dei due sistemi satellitari GPS e GLONASS SPERIMENTAZIONE AFFIDABILITA’ Disponibilità dei due sistemi satellitari GPS e GLONASS Relazione tra la percentuale di soluzioni fixed e i satelliti ricevuti Percentuale oraria di connessione per ogni modalità di misura Il 56% delle soluzioni fixed si ottiene con un numero di satelliti compresi tra 7 e 8. Per problemi relativi alla connessione, per ogni modalità di misura si è ridotto il tempo di acquisizione.

SPERIMENTAZIONE FASI DEL LAVORO Operazioni di rilievo in modalità statica - elaborazione dati ACCURATEZZA Studio di dieci schemi riguardanti la rete di stazioni permanenti Operazioni di rilievo in modalità NRTK analisi dell’affidabilità delle misure NRTK analisi dell’accuratezza delle misure NRTK

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Dalla differenza tra le coordinate ottenute in modalità NRTK e le coordinate ottenute in modalità statica si è ottenuto l’errore di cui sono affette le coordinate NRTK: L’accuratezza di una misura si definisce come il grado di concordanza tra il valor medio desunto attraverso una o più misure e il relativo valore assunto come riferimento. Dal rilievo in modalità NRTK si sono ottenute le seguenti grandezze: coordinata Nord; coordinata Est; quota; tipologia di soluzione (fixed o float); scarto quadratico medio orizzontale; scarto quadratico medio verticale; parametri PDOP e GDOP; numero di satelliti GPS; numero di satelliti GLONASS. VRS   FKP Errori sqm DN -0.024 0.027 -0.019 0.020 DE -0.002 -0.008 DQ 0.059 0.022 Near Far 0.030 -0.033 0.058 -0.004 0.014 0.043 0.034 0.039 0.084 Tali grandezze sono state confrontate con i valori di riferimento ottenuti in modalità statica: coordinata Nord; coordinata Est; quota; parametri VDOP, PDOP e HDOP.

Frequenza degli errori per le diverse modalità di misura SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Frequenza degli errori per le diverse modalità di misura FKP VRS Far Near Nella modalità Far gli errori che maggiormente si ripetono sono i seguenti: - DN = -0,016 m con una frequenza di F = 15% - DE = -0,012 m con una frequenza di F = 16% - DQ = 0,018 m con una frequenza di F = 25% Nella modalità VRS gli errori che maggiormente si ripetono sono i seguenti: - DN = -0,021 m con una frequenza di F = 68% - DE = 0,005 m con una frequenza di F = 72% - DQ = 0,048 m con una frequenza di F = 38% Nella modalità FKP gli errori che maggiormente si ripetono sono i seguenti: - DN = -0,001 m con una frequenza di F = 98% - DE = 0,020 m con una frequenza di F = 78% - DQ = -0,030 m con una frequenza di F = 49% Nella modalità Near gli errori che maggiormente si ripetono sono i seguenti: - DN = -0,022 m con una frequenza di F = 70% - DE = 0,002 m con una frequenza di F = 81% - DQ = 0,054 m con una frequenza di F = 39%

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA DN DE DQ VRS FKP Near Far Dai grafici appena visti è possibile desumere che nelle modalità VRS e Near, le misure più accurate riguardano la coordinata Est (gli errori DE con maggiore frequenza hanno valore prossimo allo zero); nella modalità FKP le misure più accurate riguardano la coordinata Nord; infine nella modalità Far si ha una più uniforme distribuzione degli errori.

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Orizzontale Verticale VRS FKP Near Far Relazione tra gli errori DN, DE, DQ e i parametri HDOP e VDOP per le diverse modalità di misura Far VRS Near FKP Dall’analisi dei grafici appena visti, è possibile desumere che non esiste una relazione specifica tra la variazione degli errori sulle coordinate e i parametri HDOP e VDOP.

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Orizzontale Verticale VRS FKP Near Far Relazione tra gli errori DN, DE, DQ e lo scarto quadratico medio per le diverse modalità di misura Far FKP Near VRS Dall’analisi dei grafici appena visti, è possibile notare che per tutte le modalità di misura (tranne la Far sulla DQ), lo scarto quadratico medio fornito dalla macchina risulta sempre inferiore all’errore fornito dalle nostre misurazioni.

Relazione tra gli errori DN, DE, DQ e il numero di satelliti ricevuti SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA N E Q VRS FKP Near Far Relazione tra gli errori DN, DE, DQ e il numero di satelliti ricevuti Far FKP Near VRS Dall’analisi dei grafici appena visti, è possibile notare che per le modalità di misura VRS, FKP e Near, al variare del numero di satelliti entro un range compreso tra quattro e dieci, gli errori sulle coordinate non subiscono alcuna influenza legata al numero di satelliti; tale discorso vale anche per la modalità Far in cui si ha però un andamento degli errori più irregolare (andamento non dovuto appunto al variare del numero dei satelliti).

Schemi con piccole interdistanze SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA E’ possibile, a questo punto, analizzare l’influenza che le interdistanze tra le stazioni permanenti hanno sugli errori DN, DE, DQ. Per questo motivo sono stati suddivisi gli schemi dalla rete unipa in schemi con piccole interdistanze, in cui la massima interdistanza è inferiore a 85 Km, e schemi con grandi interdistanze, in cui la massima interdistanza è superiore a 85 Km. Schemi con piccole interdistanze Influenza delle interdistanze tra le stazioni permanenti, sugli errori

Schemi con grandi interdistanze SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Schemi con grandi interdistanze

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA FKP VRS Near Far Confronto tra i valori medi degli errori (in metri) nelle due diverse configurazioni di schemi con piccole e grandi interdistanze: Schemi con piccole interdistanze: (1-2-3-4-6) Schemi con grandi interdistanze: (5-7-8-9-10)   DN DE DQ Minimo -0.053 -0.041 0.032 Massimo -0.003 0.018 0.098 Media -0.023 -0.002 0.068 Dev. Standard 0.004 0.008   DN DE DQ Minimo -0.048 -0.017 -0.013 Massimo -0.008 0.007 0.074 Media -0.024 -0.005 0.025 Dev. Standard 0.004 0.017   DN DE DQ Minimo -0.056 -0.006 -0.053 Massimo 0.052 0.066 0.110 Media -0.007 0.033 0.048 Dev. Standard 0.027 0.016 0.039   DN DE DQ Minimo -0.036 -0.024 0.010 Massimo -0.002 0.009 0.079 Media -0.020 -0.008 0.045 Dev. Standard 0.006 0.005 0.012   DN DE DQ Minimo -0.046 -0.012 0.014 Massimo -0.010 0.011 0.078 Media -0.026 -0.002 0.047 Dev. Standard 0.004 0.003 0.007   DN DE DQ Minimo -0.103 0.008 -0.092 Massimo -0.042 0.048 0.003 Media -0.068 0.027 -0.062 Dev. Standard 0.013 0.006 0.016   DN DE DQ Minimo 0.277 -0.772 -0.415 Massimo 0.318 -0.747 -0.360 Media 0.300 -0.759 -0.386 Dev. Standard 0.007 0.005 0.010   DN DE DQ Minimo -0.047 -0.014 0.017 Massimo -0.012 0.011 0.081 Media -0.025 -0.003 0.048 Dev. Standard 0.004 0.003 0.007 FKP VRS Near Far Dal confronto tra le tabelle appena riportate, è possibile notare che i valori medi degli errori DN, DE, DQ e della deviazione standard, assumono lo stesso ordine di grandezza indipendentemente dall’interdistanza tra le stazioni permanenti.

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,003 0,005 0,033 E 0,002 0,016 Q 0,007 0,035   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,005 0,006 0,004 0,013 E 0,003 0,002 Q 0,007 0,009 0,008 0,016   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,007 E 0,010 Q 0,019   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,004 0,008 0,003 E Q 0,007 0,010 0,006   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,004 0,006 E 0,003 Q 0,008 0,009   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,005 0,004 0,013 E 0,006 0,003 0,010 Q 0,007 0,014 0,050   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,003 0,029 E 0,021 Q 0,007 0,006 0,033   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,004 0,007 E 0,003 Q 0,009 0,006   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,006 0,005 0,033 E 0,008 0,004 0,016 Q 0,012 0,017 0,035   VRS FKP Near Far Dev. Standard N 0,006 0,022 E 0,007 Q 0,015 0,051 Analisi delle deviazioni standard ottenute per ogni singolo schema, considerando sempre le quattro modalità di misura. I valori mancanti delle deviazioni standard riguardano i casi in cui si è avuta una interruzione della connessione alla rete internet.

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Schemi Deviazione Standard sulla coordinata N Deviazione Standard sulla coordinata E Deviazione Standard sulla coordinata Q VRS FKP Near Far 1 0,003 0,005 0,033 0,002 0,016 0,007 0,035 2 0,006   0,008 0,004 0,012 0,017 3 0,022 0,015 0,051 4 0,029 0,021 5 0,009 6 0,013 0,010 0,014 0,050 7 8 9 10 0,019 Riportando i valori delle deviazioni standard di tutti gli schemi e per tutte le modalità di misura in un’unica tabella, è possibile notare che i valori più bassi delle deviazioni standard si ottengono sulla coordinata Est, e in particolare per gli schemi in cui sono presenti le stazioni permanenti più vicine (Palermo, Partinico e Termini Imerese).

SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Q VRS FKP Near Far Influenza del numero di stazioni permanenti mancanti sui valori delle Deviazioni Standard Dall’analisi dei grafici appena visti è possibile dire che il numero di stazioni permanenti mancanti dallo schema principale (n°1), non ha alcuna influenza sui valori della deviazione standard.

Confronto tra le singole modalità di misura, degli errori DN, DE, DQ. SPERIMENTAZIONE ACCURATEZZA Confronto tra le singole modalità di misura, degli errori DN, DE, DQ. Eccetto qualche picco degli errori ottenuto nella modalità FKP, tutti gli altri errori rientrano in un range di 20 cm.

Conclusioni Non esiste alcuna relazione tra gli errori DN, DE, DQ e i parametri HDOP e VDOP; La strumentazione utilizzata tende a sottostimare gli scarti quadratici medi ottenuti; Non esiste alcuna relazione tra gli errori DN, DE, DQ e il numero di satelliti ricevuti; Non esiste alcuna dipendenza tra gli errori DN, DE, DQ e le interdistanze tra le stazioni permanenti; Ai fini dell’accuratezza delle misure NRTK, è molto importante la presenza delle stazioni permanenti vicine al punto sul quale si fa stazione; Non esiste alcuna relazione tra il numero di stazioni permanenti mancanti rispetto allo schema completo e la deviazione standard.

Ringraziamenti Desidero ringraziare quanti mi hanno aiutato per la realizzazione di questo lavoro ed in particolare: Tutto il collegio docenti del Corso di Laurea in Ingegneria Civile; Il mio relatore Prof. Ing. Vincenzo Franco per il Suo sostegno allo sviluppo della tesi; Il mio relatore Dott. Ing. Gino Dardanelli che tramite il Suo aiuto ha reso possibile la realizzazione del presente lavoro.

Grazie per la cortese attenzione.