Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Civile Anno Accademico 2008/2009 “Verifica dell’attendibilità del posizionamento differenziale in una rete NRTK” Relatore: Prof. Ing. Vincenzo Franco Correlatore: Dott. Ing. Gino Dardanelli Tesi di Laurea di: Giorgio Mirabella

INTRODUZIONE OBIETTIVI SPERIMENTAZIONE CONCLUSIONI VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK INTRODUZIONE OBIETTIVI SPERIMENTAZIONE CONCLUSIONI

Rilievo RTK: Attenzione alla distanza VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK Rilievo RTK: Attenzione alla distanza Precisione: centimetrica, come per il rilievo cinematico post processato. Portata : conviene limitare la distanza entro i 10 km per ottenere precisioni centimetriche, possibile a distanze molto maggiori INTRODUZIONE Buona Cattiva

Virtual Reference Station (VRS) VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK INTRODUZIONE Virtual Reference Station (VRS) Il centro di controllo “master” interpola le correzioni differenziali della rete GPS in una posizione prossima a quella del rover, ottenendo una stazione (virtuale) (correzione puntuale). Il rover applica le correzioni della stazione più vicina (reale o virtuale). Multi Reference Station (MRS-FKP) Nell’approccio MRS vengono generate le correzioni delle misure di fase per ogni satellite su ogni stazione della rete usando tutti i dati del network (correzione areale). Le correzioni vengono usate per generare un modello interpolativo, applicato localmente dal rover. Modalità di correzione: VRS e FKP Multi Reference Station (MRS) 4

INTRODUZIONE Rilievo NRTK VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK INTRODUZIONE Rilievo NRTK 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 Maggiore affidabilità

LA RETE DI STAZIONI PERMANENTI UNIPA VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK INTRODUZIONE LA RETE DI STAZIONI PERMANENTI UNIPA Realizzata e gestita dalDipartimento di Rappresentazione 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” Finalizzata prioritariamente a svolgere sperimentazioni nel campo del posizionamento GPS in tempo reale con soluzioni di rete ma utilizzabile anche per applicazioni topografiche e cartografiche in generale Rete Dinamica Nazionale SISTEMA DI RIFERIMENTO DINAMICO IGS05 SISTEMA DI RIFERIMENTO ETRF89-IGM95 La RDN, identificherà un nuovo SR: ETRF2000 all’epoca 2008. Planimetrica PRECISIONE 5 mm 2 mm RDN 40 mm 25 mm IGM95 Altimetrica

VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK INTRODUZIONE SP ASI + SP INGV + SP EUREF

VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK OBIETTIVI In questo lavoro, dopo una panoramica dello stato attuale delle reti di stazioni GNSS per scopi geodinamici e per il posizionamento in post elaborazione e in tempo reale (NRTK) nel mondo ed in Italia, è stata effettuata una sperimentazione condotta su punti di coordinate note, materializzati nell’area nord-occidentale della rete UNIPA, che ha riguardato: L’AFFIDABILITÀ DEL SISTEMA LA DETERMINAZIONE DELLA PRECISIONE LA RIPETIBILITÀ DELLE MISURE NEL TEMPO, CON DIVERSI SISTEMI DI CORREZIONE.

SPERIMENTAZIONE FASI DI LAVORO VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE FASI DI LAVORO Dislocazione area test e scelta dei punti da rilevare DEMOLITO Operazioni di rilievo in modalità statica Elaborazione dati Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi dell’affidabilità del rilievo in NRTK Analisi della precisione del rilievo in NRTK Analisi della ripetibilità del rilievi in NRTK 22 VERTICI RILEVABILI INDIVIDUATI DURANTE I SOPRALLUOGHI EFFETTUATI NEL MESE DI GIUGNO 2008 9

RILIEVO IN MODALITA’ STATICA VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE RILIEVO IN MODALITA’ STATICA 5 SESSIONI FASI DI LAVORO Dislocazione area test e scelta dei punti da rilevare 4 OTT 08 5 OTT 08 29 NOV 08 6 DIC 08 23 DIC 08 5 VERTICI 3 VERTICI 6 VERTICI Operazioni di rilievo in modalità statica 5 SESSIONI EFFETTUATE TRA I MESI DI OTTOBRE E DICEMBRE 2008 STRUMENTAZIONE UTILIZZATA: ANTENNA GPS A DOPPIA FREQUENZA TOPCON MODELLO PG-A1 RICEVITORE TOPCON MODELLO GB-500 TREPPIEDI GEODETICO TOPCON ACQUISIZIONI VERTICI CAMPIONE + ACQUISIZIONI STAZIONI PERMANENTI INTERVALLO DI CAMPIONAMENTO 10” TEMPO DI ACQUISIZIONE 1 ORA = COORDINATE ESATTE 10

RILIEVO IN MODALITA’ STATICA VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE RILIEVO IN MODALITA’ STATICA ELABORAZIONE DEI DATI CON IL SOFTWARE “PINNACLE” 3 PANNELLI = 3 FASI DI ELABORAZIONE Compensazione della rete Elaborazione dei vettori Importazione completamento ed organizzazione dei dati grezzi

Coordinate piane UTM-WGS84 IGS05 VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE E’ stato inoltre effettuato un confronto delle coordinate ottenute nel sistema di riferimento ERTS89 con le coordinate monografiche fornite dall’IGM e dalla Regione Sicilia, al fine di verificare la precisione dell’elaborazione svolta. Vertice Coordinate piane UTM-WGS84 IGS05 Nord (m) Est (m) Quota ellis. (m) sqm (mm) N E Q VTR 13 4205241,35 302802,71 341,87 30 21 65 VTR 14 4196276,48 293235,21 172,11 28 22 63 VTR 18 4204033,80 312380,73 204,63 16 56 VTR 19 4187973,73 293867,05 183,57 26 19 77 VTR 21 4197781,44 312269,64 355,67 25 60 VTR 22 4189160,57 303579,56 440,55 39 35 82 VTR 23 4189720,98 310302,97 311,63 27 52 VTR 25 4205353,75 326190,19 270,33 20 15 40 VTR 26 4219412,94 331726,47 121,61 12 VTR 27 4224593,30 333241,79 93,08 79 VTR 28 4189887,98 319040,83 200,99 18 57 VTR 29 4198324,59 323687,57 232,82 29 67 VTR 30 4209759,31 331053,46 211,96 9 6 VTR 31 4225845,50 338497,39 78,99 75 VTR 33 4197590,59 331521,22 441,45 17 43 VTR 35 4212407,14 338444,45 656,56 53 VTR 36 4204658,86 340208,09 441,61 34 87 VTR 38 4197844,28 337647,04 327,87 54 FFSS Isola 4229147,41 347085,42 60,53 42 IGM249801a 4214483,80 327024,03 70,92 IGM 248901 4208988,50 287666,38 85,21 5 14 IGM 258904 4202477,76 332306,44 562,14 59 Min. Max Medio 24 GLI SCARTI OTTENUTI SONO STATI RITENUTI ACCETTABILI IN QUANTO DELLO STESSO ORDINE DI GRANDEZZA DI QUELLI FORNITI RISPETTIVAMENTE PER I VERTICI IGM E VTR. 12 12

FASI DI LAVORO SPERIMENTAZIONE VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE FASI DI LAVORO Dislocazione area test e scelta dei punti da rilevare 22 VERTICI RILEVATI PER 3 SESSIONI Operazioni di rilievo in modalità statica Elaborazione dati 11 CAMPAGNE DI ACQUISIZIONE 30 MARZO 2009 1, 2, 3, 27, 28 APRILE 2009 10, 18, 19, 20, 21 MAGGIO 2009 Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) PROTOCOLLO SCIENTIFICO SPERIMENTALE DEL PROGETTO DI RICERCA PRIN2004 “I SERVIZI DI POSIZIONAMENTO SATELLITARE PER L’E-GOVERNMENT” ESECUZIONE PER CIASCUN PUNTO DI TRE SESSIONI SEPARATE DI OSSERVAZIONE IN DIFFERENTI GIORNI ESECUZIONE, PER OGNI SESSIONE DI MISURA, DI TRE PROVE INDIPENDENTI UN INTERVALLO DI CAMPIONAMENTO DEI DATI PARI A 1 SECONDO TEMPO MASSIMO PER FISSAGGIO AMBIGUITA’ DI FASE 5 MINUTI

STRUMENTAZIONE UTILIZZATA VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi dell’affidabilità del rilievo in NRTK STRUMENTAZIONE UTILIZZATA “Definita                     la probabilità che il guasto si verifichi fra l'istante t e l'istante t + dt, la probabilità di un guasto fra l'istante iniziale e l'istante T = t è definita dalla relazione                             ove                        ed inoltre                         ed                             L'affidabilità è la probabilità che tale sistema non si guasti ed è definita essere                                             Se si considera un componente elementare, ad esempio una resistenza elettrica in condizioni di lavoro ben determinate, l'affidabilità è evidentemente dovuta unicamente a tale componente”. È diverso il caso in cui un assieme sia costituito da più componenti: il valore di affidabilità dipenderà dalle affidabilità di ciascun singolo componente (come nei nostri casi!!!)” RICEVITORE GNSS TOPCON HIPER-PRO CON CONTROLLER FC-100 COLLEGATO TRAMITE BLUETOOTH TREPPIEDI GEODETICO TOPCON TELEFONO CELLULARE CON MODEM GSM E BLUETOOTH Nel caso di rilievi in modalità NRTK, il termine affidabilità fa semplicemente 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, SINGOLA STAZIONE). 14

Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi dell’affidabilità del rilievo in NRTK PER LE SINGOLE MODALITA’: 44 su 63 (pari al 70%) in modalità FKP; 45 su 63 (pari al 71%) in modalità VRS; 59 su 63 (pari al 93%) da Singola Stazione 189 PROVE EFFETTUATE (63 VRS + 63 FKP + 63 SINGOLA STAZIONE) 149 VALIDE 40 NON VALIDE SATELLITI Considerando le prove con esito positivo, sono state valutate le percentuali di soluzioni fixed in relazione ai tempi di inizializzazione; la valutazione è stata eseguita considerando il tempo trascorso dal momento della connessione del ricevitore al server del centro di controllo fino al momento della determinazione della soluzione fixed. Ulteriore osservazione è stata fatta considerando l’indice GDOP rispetto al tempo di determinazione della soluzione fixed, per verificare se esiste una correlazione tra questi due parametri. 15

Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi della precisione del rilievo in NRTK Differenza coordinate Statico-RTK terza sessione Vertice VRS Sing. Stazione Nord (m) Est Quota IGM 258904 STD FKP -0,004 -0,233 0,022 -0,020 -0,239 IGM 248901 FLOAT 0,009 0,034 -0,027 IGM 249801a -0,036 0,185 -0,010 -0,035 0,240 -0,009 -0,006 0,244 VTR 13 0,002 -0,012 -0,092 0,007 0,027 -0,088 VTR 14 0,013 0,012 0,000 VTR 18 -0,011 -0,029 -0,030 -0,013 -0,008 -0,014 0,001 0,008 VTR 19 0,021 -0,071 -0,055 VTR 21 -0,028 -0,060 0,011 0,014 -0,113 -0,109 VTR 22 -0,182 -0,232 VTR 23 0,020 -0,042 0,003 -0,124 0,043 0,048 -0,173 VTR 25 -0,018 0,019 VTR 26 0,025 0,110 -0,045 0,193 -0,037 0,213 VTR 27 0,016 0,308 -0,031 0,278 VTR 28 -0,091 -0,019 0,063 VTR 29 -0,022 0,037 0,197 0,049 VTR 30 -0,001 0,010 0,072 0,068 VTR 31 0,050 0,201 -0,016 0,203 0,064 -0,017 0,290 VTR 33 VTR 35 -0,049 -0,118 -0,005 -0,183 -0,266 VTR 36 0,241 0,102 VTR 38 0,035 -0,101 -0,021 0,053 0,098 FFSS Isola 0,045 0,251 0,149 Differenza coordinate Statico-RTK prima sessione Vertice FKP VRS Sing. Stazione Nord (m) Est Quota IGM 258904 STD 0,034 -0,007 -0,202 0,033 -0,011 -0,226 IGM 248901 FLOAT 0,002 0,000 0,010 IGM 249801a -0,004 -0,040 0,191 -0,023 -0,035 0,229 -0,005 -0,041 0,242 VTR 13 -0,016 0,023 0,012 -0,019 -0,064 -0,093 VTR 14 0,434 3,789 0,809 VTR 18 -0,030 -0,032 -0,006 -0,008 -0,002 -0,012 -0,025 VTR 19 -0,010 -0,067 -0,020 VTR 21 -0,051 0,007 -0,048 -0,056 -0,597 1,516 VTR 22 0,020 -0,101 0,005 -0,029 -0,270 0,003 -0,026 -0,218 VTR 23 0,021 -0,047 0,017 0,047 -0,114 0,038 0,031 -0,161 VTR 25 -0,043 -0,015 0,018 -0,037 -0,018 VTR 26 0,026 0,102 -0,045 0,201 -0,049 0,207 VTR 27 0,283 -0,014 0,280 VTR 28 0,011 -0,084 -0,033 0,052 VTR 29 -0,052 -0,036 0,041 VTR 30 0,484 2,961 0,091 -0,009 0,004 0,006 0,050 VTR 31 0,055 0,215 0,065 0,265 0,073 VTR 33 VTR 35 0,058 -0,050 -0,131 -0,221 -0,001 -0,255 VTR 36 0,030 -0,000 0,037 0,187 0,213 VTR 38 -0,095 -0,003 0,111 FFSS Isola 0,272 0,124 0,027 0,113 Differenza coordinate Statico-RTK seconda sessione Vertice FKP VRS Sing. Stazione Nord (m) Est Quota IGM 258904 NON RILEVATO IGM 248901 IGM 249801a -0,004 -0,043 0,208 -0,006 -0,036 0,253 0,016 -0,042 0,240 VTR 13 VTR 14 0,033 0,162 STD 0,020 0,003 VTR 18 -0,012 -0,031 -0,040 0,000 -0,005 0,002 VTR 19 0,010 -0,081 -0,001 -0,052 -0,032 0,005 VTR 21 -0,010 -0,024 -0,058 0,009 -0,069 -0,014 -0,106 VTR 22 FLOAT -0,267 -0,007 -0,019 -0,221 VTR 23 -0,029 0,019 VTR 25 -0,059 -0,020 VTR 26 0,025 -0,021 0,112 -0,045 0,193 0,017 -0,048 0,214 VTR 27 -0,027 0,015 -0,187 -0,022 0,322 -0,028 0,281 VTR 28 0,008 -0,002 0,068 VTR 29 0,011 -0,037 0,052 VTR 30 -0,009 0,091 -0,013 0,007 0,074 VTR 31 0,067 0,279 0,032 0,249 0,060 0,290 VTR 33 VTR 35 0,053 -0,050 -0,129 -0,203 VTR 36 0,029 0,221 0,030 0,199 0,028 0,179 VTR 38 -0,092 0,065 -0,016 0,108 FFSS Isola 0,046 0,267 0,035 -0,035 0,347 0,041 Lo studio dell’accuratezza è stato condotto confrontando le coordinate rilevate in modalità statica rispetto a quelle determinate in modalità NRTK. La scelta di utilizzare le coordinate dei vertici calcolate con un rilievo statico consente di effettuare le verifiche nello stesso sistema di riferimento materializzato dalla rete di stazioni permanenti (IGS05). FKP VRS Sing. Stazione Nord (m) Est Quota min -0,030 -0,050 -0,187 -0,043 -0,045 -0,270 -0,038 -0,060 -0,267 max 0,068 0,035 0,279 0,066 0,047 0,347 0,074 0,048 0,290 media 0,009 -0,007 0,013 0,010 -0,014 0,050 0,001 0,038 sqm 0,031 0,026 0,147 0,019 0,020 0,178 0,027 0,022 0,160 Il confronto è stato eseguito separatamente per la modalità VRS, FKP e singola stazione. 16

SOVRASTIMA DELLA PRECISIONE VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi della precisione del rilievo in NRTK Classi di errore CONFRONTO Classi di errore FKP Classi di errore VRS Classi di errore Singola stazione SOVRASTIMA DELLA PRECISIONE DEI RICEVITORI Limite PDOP ottimale Come è noto, la precisione delle misure GPS è anche strettamente legata al valore di PDOP, si è ritenuto quindi opportuno confrontare tale parametro con l’errore tridimensionale delle acquisizioni in VRS, FKP e Singola stazione. Sono inoltre stati calcolati i valori di scarto planimetrico orizzontale in modo da potere confrontare i dati con i valori di precisione forniti automaticamente dagli strumenti di misura. Media errore tridimensionale Differenze coordinate statico-NRTK 17 Scarto planimetrico calcolato

stesso metodo di misurazione stesso operatore VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi della ripetibilità delle misure in NRTK stesso metodo di misurazione stesso operatore stesso strumento di misura medesimo luogo medesime condizioni di utilizzo dello strumento effettuate in un breve periodo La ripetibilità è definita come grado di concordanza tra una serie di misure di uno stesso misurando, quando le singole misurazioni sono effettuate lasciando immutate le condizioni di misura. In particolar modo, le misure devono rispettare le seguenti condizioni In relazione ad i tempi di fissaggio delle ambiguità di fase, si è notato che su ogni vertice tale dato risulta indipendente dalla modalità utilizzata, ma mediamente ben al di sotto dei 5 minuti limite. Per valutare quantitativamente l’errore di ripetibilità è stato quindi necessario effettuare una serie significativa di misure nelle quali sono state mantenute le stesse condizioni di contorno. SI È SEMPRE OTTENUTA ALMENO UNA CORREZIONE NRTK! 18 Rispetto ai 63 vertici rilevati: in 33 (52% del totale), VRS + FKP + Singola stazione in 20 (32% del totale), VRS + FKP o VRS + Singola stazione o FKP + Singola stazione in 10 (16% del totale), VRS o FKP o Singola stazione

E’ QUINDI PIENAMENTE CONFERMATA LA VALIDITA’ DELLA RETE DI SP UNIPA! VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK SPERIMENTAZIONE Operazioni di rilievo in modalità NRTK (3 sessioni) Analisi della ripetibilità delle misure in NRTK VRS Confronto scarti di ogni singolo vertice FKP Confronto scarti di ogni singolo vertice Singola stazione Confronto scarti di ogni singolo vertice SI SONO RISCONTRATI ERRORI DI RIPETIBILITÀ IN PLANIMETRIA INFERIORI A 3 CM NEL 90% DEI CASI ED IN QUOTA INFERIORI A 10 CM 94% DEI CASI! In merito alle coordinate rilevate, si sono confrontati gli scarti di ogni singolo vertice acquisito in tutte le tre modalità di correzione. E’ QUINDI PIENAMENTE CONFERMATA LA VALIDITA’ DELLA RETE DI SP UNIPA! 19 Tali valori possono quindi essere considerati pienamente soddisfacenti se confrontati con gli s.q.m. determinati in fase di studio della precisione e con gli s.q.m. caratteristici del rilievo rtk!

VERIFICA DELL’ATTENDIBILITA’ DEL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE IN UNA RETE NRTK CONCLUSIONI L’attività della ricerca condotta ha permesso di verificare: il buon funzionamento della infrastruttura della rete l’affidabilità, prove valide pari al 79% dei rilievi effettuati equivalenza tra modalità VRS, FKP e Singola stazione; nel 52% dei casi si sono ottenute tutte le tre correzioni utilizzate nella sperimentazione ed è stato sempre possibile, su ogni vertice, effettuare una prova positiva. i tempi di inizializzazione: oltre il 90% delle prove si conclude favorevolmente entro il secondo minuto di connessione per tutte tre le modalità di correzione. Accuratezza: residui centimetrici (3-4), ad eccezione della quota per le quali si ottengono anche residui decimetrici (comunque in linea con i risultati di sperimentazioni analoghe). Ripetibilità: scarti irrilevanti tra misure effettuate su uno stesso punto con la medesima modalità in giornate diverse. LA RETE DI SP UNIPA FORNISCE RISULTATI EQUIVALENTI AL CLASSICO RTK, MA OFFRE UNA COPERTURA DEL SERVIZIO ESTESA ALL’INTERA SICILIA CENTRO-OCCIDENTALE SFRUTTANDO SOLO 9 RICEVITORI FISSI ALLA LUCE DEI RISULTATI OTTENUTI SI PUO’ AFFERMARE CHE LA RETE DI SP UNIPA E’ IDONEA AI PRINCIPALI USI INGEGNERISTICI COME TRACCIAMENTO STRADALE ED EDILIZIO, AGGIORNAMENTO CARTOGRAFICO ED USI CATASTALI. NRTK RTK