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 CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

IL GPS CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI 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

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

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

Trasmette informazioni Riceve informazioni IL SEGMENTO DI CONTROLLO

8 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. I SATELLITI DEL SEGMENTO SPAZIALE HANNO UN OROLOGIO AL CESIO

Transizione tra livelli energetici 9 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. TRANSIZIONE TRA DUE LIVELLI ENERGETICI

Funzionamento di un orologio al cesio 10 FUNZIONAMENTO OROLOGIO

11 1.Col primo separatore si escludono dal fascio gli atomi con F=4, lasciando solo quelli con F=3 2.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. 3.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. 4.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. 5.Il segnale che esce dall'oscillatore, così “agganciato” alla frequenza della transizione atomica, viene mandato a un amplificatore oscillazioni (nel caso di Cs-133) rappresentano un secondo FUNZIONAMENTO OROLOGIO

In realtà oltre a questi esistono anche i codici Y (criptato dai militari) e D (navigazione), altre 2 frequenze a 1783,74 MHz e 2227,5 MHz e una detta L3 a 1381,05 MHz (per il rilievo delle esplosioni nucleari) I SEGNALI GPS

SEZIONE SPAZIALE

STRUTTURA DEI SEGNALI GPS

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

I ricevitori gps hanno più di 3 canali TRIANGOLAZIONE

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

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

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 ! LA TRIANGOLAZIONE Con 3 satelliti ottengo x ed y Con 4 satelliti ottengo x, y e z (la quota)

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

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

d = v * ∆ t MISURA DI FASE

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

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

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)

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 = Scarso >20 = Povero

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

Imprecisione efemeridifino a 2 m Ritardo ionosfericofino a 4 m Ritardo troposfericofino a 0.7 m Precisione orologifino a 2 m Riflessione (edifici, montagne, ecc.)fino a 1.4 m Tipo ricevitorefino a 0.5 m GLI ERRORI DEL GPS

Ionosfera Troposfera RITARDO IONOSFERICO E TROPOSFERICO

Multipath LE OSTRUZIONI

Review Questions IL MULTIPATH

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

SINGOLA FREQUENZA (L1) PRECISIONE SENZA PRECISIONE CON CORREZIONE CORREZIONE DEGLI ERRORI DEGLI ERRORI basso costo ( €) m m medio costo (500 – €) m 0,8 – 1,2 m alto costo ( €) m 0,3 – 0,8 m DOPPIA FREQUENZA (L2) alto costo ( €) m 50 cm- 1 mm TIPI DI ANTENNA ATTIVA PASSIVA I RICEVITORI GPS

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

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

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

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 LA CORREZIONE DIFFERENZIALE (DGPS) DIFFERENTIAL GPS 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 posizionamento relativo (due ricevitori) GPS Master e GPS Rover

RIFERIMENTO NOTO CALCOLO DELL’ERRORE UNIONE DATI DEI DUE RICEVITORI LA CORREZIONE DIFFERENZIALE T1T1  M1  R1 T2T2  M2  R2 Coordinate note = errori noti  M1  M2  R1   R2 

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

IL DGPS IN POST-PROCESSING VANTAGGI 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 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 IL DGPS IN REAL-TIME

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 Coordinate note = errori noti LA CORREZIONE IN REAL-TIME T1T1 T2T2

? SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

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

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

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

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

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

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

Ricevitori singoli senza correzione differenziale ACCURATEZZA E PRECISIONE

Ricevitori singoli con correzione differenziale ACCURATEZZA E PRECISIONE

CRITERI DI SCELTA

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

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