1 SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI STRUMENTI PER LA CONOSCENZA DEL TERRITORIO ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI. GPS UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI.

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1 1 SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI STRUMENTI PER LA CONOSCENZA DEL TERRITORIO ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI. GPS UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE ANNO ACCADEMICO 2012 - 2013 ERNESTO CRAVERO 8 Con l’ausilio di dati, informazioni, testi reperiti da network, reti informatiche e dal Prof. Mario Capunzo, Centro Interdipartimentale di Ricerca LUPT Università Federico II

2 2 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI CONFIGURAZIONE DEL DATO TERRITORIALE Abbiamo visto nelle precedenti lezioni come la cartografia numerica si avvalga di due diverse modalità di rappresentazione: il formato raster e il formato vector. Nella gestione di un progetto cartografico o geotopografico abbiamo dunque a disposizione due diverse tipologie di lavoro e di operatività. Entrambi efficaci trovano, allo stato attuale, nella loro integrazione la più utile forma di rappresentatività. Espressione portante del FORMATO VECTOR (o VETTORIALE) è la TOPOLOGIA: tramite questa opzione possiamo conoscere la relazione spaziale che intercorre tra le diverse primitive geometriche (punto, linea, poligono). Nello spazio topologico le linee convergono in un punto (sempre); le linee che dividono due aree non possono essere duplicate. Il punto dove convergono le linee si definisce NODO. Le linee che dividono aree si definiscono ARCHI. Le aree si definiscono AREE o FACE. Se una linea topologicamente assume la funzione di ARCO, sarà formata da diversi segmenti che sono uniti da punti, però questi non hanno dignità di nodi ma di punti semplici. NODI saranno definiti solo i punti estremi della linea-ARCO.

3 3 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI In fase di creazione di una TOPOLOGIA, la prima operazione da effettuare è la verifica della correttezza geometrica dei dati che si immettono (correzione). Solo successivamente sarà creata la relazione topologica. Nella costruzione di una primitiva poligono, dobbiamo tenere presente che una linea spezzata approssima una linea curva. Ciò presenta problemi di discretizzazione che causa riduzione o ridondanza del perimetro con la conseguente variazione dell’area che racchiude. Ciò può creare problemi non indifferenti in tema di pianificazione territoriale soprattutto per quel che riguarda la gestione e la normativa di aree sensibili. La creazione di una TOPOLOGIA garantisce coerenza di dati e quindi una maggiore efficienza nell’elaborazione. Essa comporta comunque impegno di gestione che va dall’importazione di dati da altre fonti, all’immissione di nuovi dati e, in pratica, nell’aggiornamento continuo. Su questo fondamento si basa la filosofia dei GIS e dei SIT. Discretizzazione di una curva TOPOLOGIA VETTORIALE

4 4 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel FORMATO VETTORIALE la primitiva PUNTO impone un’attenzione. Nella realtà geografica un punto viene rappresentato da una coppia di coordinate. Nella cartografia numerica ci si rende conto subito della limitazione di questo assunto. Cosa è rappresentabile come punto nella realtà geografica? Un caposaldo geodetico? L’obelisco al centro di una piazza? La cima di un monte? L’area centrale di un campo di calcio? L’estensione di un ipermercato? E’ chiaro che la rappresentazione dipende dal rapporto di scala che voglio usare nella costruzione del mio modello geotopografico. Sotto questo profilo la modellizzazione di un punto diventa solo una necessità grafica. Devo infatti considerare che in funzione della scala operativa del progetto geotopografico alcuni degli oggetti sopra citati possono avere una rappresentatività grafica che può scendere al disotto di 0,5 mm e che il graficismo di output ha una ricaduta dimensionale intorno a 0,2 mm (in qualsiasi rapporto di scala). Per questo motivo, operando in modalità vettoriale, un punto non può essere trascritto dimensionalmente ma verrà memorizzato come entità. Per averne visualizzazione grafica (per es. l’ubicazione di un foro di sondaggio, dobbiamo necessariamente ricorrere alla trascrizione di un cerchio, cioè di una primitiva areale. Gli attributi associati lo caratterizzeranno UNIVOCAMENTE.. QUI SOPRA VIENE TRASCRITTO UN PUNTO NELLA MODALITA’ GRAFICA DI TESTO ARIAL 14 (FRECCIA - 1). PER VISUALIZZARE AL MEGLIO UN PUNTO SI E’ DOVUTO RICORRERE AL FORMATO DI DISEGNO CERCHIO E CONFERIRGLI UN RIEMPIMENTO (2). 1 2

5 5 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel formato VETTORIALE la primitiva LINEA è un elemento di modellazione di base ma, come per il punto, anch’essa presenta problemi di rappresentazione. Il primo problema, come già abbiamo riferito, riguarda la discretizzazione della linea curva. Se devo trasformare una spezzata in una curva, si manifesta un evidente problema geometrico. Prendiamo per esempio una curva di livello. Le isoipse sono rappresentazioni virtuali che congiungono punti battuti su una stessa quota di riferimento. La loro costruzione esige interpolazioni che risultano soggettive. Per di più anch’esse risentono di un’evidente dipendenza dal graficismo, soprattutto quando si opera su scale diverse. Ma questo diventa anche un problema di modellazione. Ci chiediamo infatti: quanto perfettamente la primitiva linea-isoipsa ricalca l’entità planoaltimetrica che vogliamo rappresentare? La stessa problematica si evidenzia anche quando vogliamo configurare una linea di costa. Questa la realizzeremo con una primitiva linea. In realtà sappiamo bene che l’interfaccia acqua-terra emersa è variabile e pertanto dovrebbe essere rappresentata con una fascia. Ma anche questa risulta variabile in funzione del moto ondoso, delle maree, degli efflussi di estuario, della pressione barometrica ecc. Evidente il problema di modellazione che ne deriva. Come per il punto anche per alla primitiva linea vengono associati attributi che la caratterizzano UNIVOCAMENTE.

6 6 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel formato VETTORIALE la primitiva POLIGONO concettualmente non presenta problemi di modellazione. Purtuttavia l’areale che determina è definito da una linea esterna la quale, però, è soggetta a problemi di discretizzazione. L’errore che ne deriva può essere comunque contenuto con correzioni ricadenti nei limiti del graficismo, anche se ciò si deve mettere in relazione alla scala adottata. Alla primitiva poligono vengono associati attributi che la identificano OMOGENEAMENTE. Può capitare nella gestione o nell’aggiornamento dei dati territoriali, e specie nell’ambito deila pianificazione, che uno o più attributi possano variare all’interno di un oggetto. In questo caso la primitiva poligono originaria VA RICOMPOSTA o frammentata in unità derivate al fine di individuare e identificare omogeneamente la nuova realtà territoriale.

7 7 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel formato VETTORIALE prevediamo quindi TRE TIPI DI TOPOLOGIE diverse in relazione alle diverse primitive che usiamo. Ognuna di esse ha una sua funzione specifica. Avremo dunque: - TOPOLOGIA di PUNTI (di ogni punto si conosce la posizione attraverso i suoi attributi). - TOPOLOGIA di RETE. Una serie di elementi sono uniti da un grafo (ARCHI e NODI isolati o di diramazione che hanno una numerazione, cioè una loro identità). Si possono individuare PSEUDONODI in cui è possibile scegliere una direzione come nei normali nodi. - TOPOLOGIA di POLIGONI. Prende in considerazione le aree delimitate dai poligoni (edifici, appezzamenti di terreno, limiti comunali, limiti di affioramento geologico ecc.) Nella creazione di una TOPOLOGIA grande importanza assume un punto interno ad un poligono che viene definito CENTROIDE. E’ possibile interrogare il centroide per acquisire tutte le informazioni su quel determinato poligono. TOPOLOGIA

8 8 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Un CENTROIDE per definizione è il baricentro di un oggetto bidimensionale o tridimensionele. Data una figura qualsiasi Xn, in via informale il centroide si può definire come la media di tutti i punti di X.

9 9 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Per creare una TOPOLOGIA è necessario creare tanti layers per quanti sono gli oggetti da raggruppare. Per esempio, se parliamo di edifici questi li possiamo differenziare in base alla loro destinazione d’uso. Creeremo così un layer abitazioni, un layer scuole, un layer chiese ecc. Su ogni gruppo di edifici immetto dei numeri in colore diverso per ogni gruppo-layer che potranno essere utili per creare una carta tematica. Lo stesso posso fare per gli affioramenti o gli oggetti geologici di una determinata area. Nelle CARTE TEMATICHE attraverso le topologie per poligoni vengono evidenziate aree oppure oggetti di diverso interesse mediante la sovrapposizione di campiture colorate che evidenzino le diversità.

10 10 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel FORMATO RASTER se prendiamo in considerazione due entità raffifurabili mediante un punto sulla carta, per esempio un foro di sondaggio e la quota di un punto, queste due entità avranno un significato concettuale diverso. Nel primo caso si parla di un oggetto geografico concreto e definito; nel secondo caso esprimeremo un concetto di grandezza riferita a un sistema di misura e pertanto non perfettamente definita. Parleremo allora nel primo caso di PUNTO-OGGETTO e nel secondo caso di PUNTO-MISURA. Il punto-eggetto occupa una precisa posizione nello spazio; il punto-misura si può estendere su uno spazio anche abbastanza ampio (misura della piovosità, della temperatura, della salinità; distribuzione della tonalità cromatica, intensità luminosa, ecc.). Posizionamento di punti-oggetto di sondaggio Estensione areale di punti-misura termici

11 11 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI In generale una MISURA DI GRANDEZZA può essere espressa con un punto (quota) una linea (ispoipsa) o un’area (piano quotato o livellato). I PUNTI-MISURA che descrivono una certa grandezza (nel formato digitale o numerico) possono essere distribuiti in modo irregolare o regolare: in quest’ultimo caso si parla di PIXEL. Il termine PIXEL deriva da “picture element” e indica una parte di un’immagine che è stata divisa in modo regolare in piccoli elementi. L’idea di dividere un’immagine in una serie di elementi regolari (TASSELLAZIONE) in modo da poter misurare quantità associate ai singoli elementi, è un’opportunità da tempo consolidata. TASSELLAZIONE DELLO SPAZIO TRAMITE UNA GRIGLIA REGOLARE NELLE DUE DIREZIONI. Sono esempi di tassellazione: - Rasterizzazione di immagini fotografiche. - Rilevamento di immagini da satellite o da aereo tramite scanner. - Immagine televisiva (per le righe e non all’interno di una riga). -Rilevamenti tematici. - Inventari territoriali. TASSELLAZIONE DI UNA CARTA TEMATICA

12 12 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Nel Formato RASTER la forma dei pixel è generalmente quadrata: l’adozione di una stessa dimensione sui due assi facilita le operazioni matematiche. Tuttavia nella maggior parte dei casi la tecnologia di acquisizione ha processi separati sui due assi e una tassellazione rettangolare sarebbe possibile. La sequenza di immagini ottenute da una foto aerea e ingrandite ogni volta con un fattore pari a 3 mostra chiaramente come un pixel sia il luogo dove una grandezza assume un certo valore e non si possa in alcun modo associare ad un pixel uno specifico oggetto. INGRANDENDO UN’IMMAGINE RASTER COMPARE L’ARCHITETTURA DELLA TASSELLAZIONE (PIXELS).

13 13 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI OGNI PIXEL di un RASTER rappresenta UN PUNTO-MISURA. Quando si riprende un territorio attraverso una fotografia aerea o satellitare, questo viene codificato artificialmente e di fatto ‘TASSELLATO’, cioè scomposto in tante piccole celle quadrate. Ogni tassello corrisponde alla RIFLETTANZA di ogni piccola parte del territorio, cioè corrisponde alla risposta spettrale (descritta elettronicamente) di ciò che viene ripreso e che sarà omogenea in tutto il singolo tassello-pixel. La somma dei diversi pixel, con la loro variabilità, ricostruirà l’informazione relativa ai diversi oggetti reali del territorio. Quello che ci rappresenta è però UN’IMMAGINE VIRTUALE del vero. ESEMPIO DI RASTER TELERILEVATI

14 14 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI Il RASTER può essere convertito in un FORMATO VETTORIALE con l’ausilio di software dedicati (per es. Autodesk Raster Design o altri). Dalla trasformazione si ottengono serie di primitive geometriche che descrivono i diversi oggetti territoriali. Il prodotto della trasformazione sarà un layer, per esempio poligonale, delle impronte areali di un’agglomerato urbano o di un affioramento geologico o di altro. RAPPRESENTAZIONI OMOLOGHE VECTOR-RASTER

15 15 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. IL G.P.S. - GLOBAL POSITIONING SYSTEM La sigla GPS sta per NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System, un sistema di posizionamento continuo globale su base satellitare gestito dal Dipartimento della Difesa USA. Nato per evidenti scopi militari è stato successivamente (1991) acquisito agli usi civili anche se con qualche limitazione di precisione e di operatività. L’Unione Europea sta provvedendo al completamento di una propria rete di rilevamento satellitare, il SISTEMA GALILEO, anch’esso per scopi civili e militari. La condivisione del progetto fra diversi stati membri ne dovrebbe garantire uso e continuità del servizio.

16 16 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. La rete del SISTEMA DI NAVIGAZIONE GPS si avvale di diversi segmenti operativi articolati in diverse componenti: -un SEGMENTO SPAZIALE; - un SEGMENTO DI CONTROLLO; - un SEGMENTO DI UTILIZZO. Come componenti: - un minimo di 24 satelliti (con i supplementari attualmente sono 32) divisi a quattro a quattro su sei piani orbitali distanti 60° fra loro e inclinati di 55° sul Piano equatoriale; - 2 cicli completi riferiti al giorno sidereo; - una rete di stazioni di tracciamento; - un centro di calcolo; - due stazioni di soccorrimento o messaggere; - un ricevitore GPS.

17 17 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. SEGMENTO SPAZIALE Il satellite (sono 24 di base, 32 gli operativi; trasmettono segnali agli operatori ed hanno coordinate note in funzione di tempo e orbita) SEGMENTO DI CONTROLLO composto da stazioni a terra che controllano e trasmettono dati ai satelliti (correzioni degli orologi, effemeridi, nuove effemeridi ovvero informazioni che consentono il computo della posizione del satellite in base alle stelle fisse). Queste stazioni a terra sono di coordinate note e servono solo per apportare periodicamente le correzioni di posizione dei satelliti. SEGMENTO DI UTILIZZO: calcola la posizione del punto a terra con l'utilizzo di un'antenna (ricevitore) in base ai segnali ricevuti dai satelliti. I TRE SEGMENTI

18 18 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. 1. IL SEGMENTO SPAZIALE Un satellite ogni giorno compie due rivoluzioni attorno alla terra ad una quota di 20.200 km. Il segmento spaziale si basa sul complesso minimo di una costellazione base di 24 satelliti distribuiti su 6 piani orbitali (4 per ogni piano) inclinati di 55° rispetto all’Equatore ad intervalli di longitudine di 60° (attualmente il numero di satelliti è variabile da un minimo di 24 ad un massimo di 32 (6 di scorta), a seconda delle loro condizioni di funzionamento).

19 19 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Nel tempo si sono susseguite diverse generazioni di satelliti GPS, fra loro differenti per le componenti installate e cioè: - I generazione: lanciati dal 1978 al 1985 non più operativi; -II generazione: lanciati dal 1989 al 1990; - generazione IIA: lanciati dal 1990 ad oggi. A partire dalla II generazione, ciascun satellite dispone di 4 oscillatori, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio: tali oscillatori servono per garantire un segnale di tempo quanto più accurato possibile. Per il proprio approvvigionamento energetico ciascun satellite dispone di pannelli solari, con superficie di circa 7 metri e di retrorazzi per manovre correttive sull’orbita.

20 20 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. 2. IL SEGMENTO DI CONTROLLO Il segmento di controllo comprende 4 stazioni a terra equispaziate lungo l’equatore. Ricevono continuamente i segnali emessi da tutti i satelliti per controllare le loro effemeridi (dati descrittivi sulla posizione dei satelliti) e predire la loro orbita: 1. Hawaii 2. Ascension Island 3. Diego Garcia (Chagos) 4. Kwajalein (Marshalll) I dati raccolti da ciascuna stazione vengono inviati alla stazione Master (Colorado Springs) che effettua una stima quotidiana dell’orbita e dell’offset d’orologio previsti per ciascun satellite nelle 24 ore successive.

21 21 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. 3. IL SEGMENTO DI UTILIZZO E’ costituito da tutti gli Utenti siano essi civili che militari. Ogni utente è dotato di un’attrezzatura sofisticata che consiste in: un’antenna un ricevitore capaci di acquisire i segnali emessi dai satelliti GPS. Viene stimato il posizionamento tridimensionale in tempo reale e nel contempo si raccolgono dati per una compensazione successiva che fornirà risultati più precisi. Ciascun ricevitore è costituito da: Un’antenna per la ricezione e l’amplificazione del segnale satellitare. Una o più schede elettroniche per l’elaborazione dei segnali ricevuti. Un dispositivo di comando per l’elaborazione e la memorizzazione dei dati. DOTAZIONE MINIMALE

22 22 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Ricevitori GPS GPS Total Station

23 23 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Frequenza fondamentale = 10,23 Mhz da cui vengono generate due frequenze portanti in banda L: · L1 - 1575.42 Mhz - Lunghezza d‘onda cm 19 · L2 - 1227.60 Mhz - Lunghezza d‘onda cm 24 Tre modulazioni (codici): · Due codici per la determinazione della distanza · Codice (C/A): Solo su L1 (civile) · Codice (P/Y): P1 su L1 e P2 su L2 (militare) Un codice di messaggio (NAVDATA) su entrambe le frequenze: · Dati di correzione (orbite e clock) · Stato dei satelliti (orbite e stato di salute) STRUTTURA DEL SEGNALE N.B. L'esistenza di utenti non militari richiede l‘utilizzo di due tipi di segnali diversi per permettere precisioni differenti nel posizionamento. Da questa differenza deriva l'esistenza dei codici P (preciso, uso militare) e C/A (civile).

24 24 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Si basa sulla misura del tempo di percorso dei segnali emessi da più satelliti verso il ricevitore. Per effettuare un posizionamento GPS occorre calcolare la distanza che intercorre tra il ricevitore ed almeno quattro satelliti correttamente posizionati (principio della triangolazione spaziale). IL PRINCIPIO DI DETERMINAZIONE GPS Immaginiamo allora che uno dei satelliti dei quali dobbiamo misurare la distanza, disti dal nostro punto stazione 24.001,25 Km. Per coprire questa distanza il segnale impiega: 24.001,25 Km / 300.000 Km/s = 0,080005 s Se il ricevitore contenesse un cronometro ad altissima precisione sincronizzato con l’orologio atomico del satellite misurerebbe: 0,080005 s x 300.000 Km/s = 24.001,25 Km

25 25 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Il segnale emesso da un satellite è un’onda elettromagnetica sferica che si propaga nello spazio. Un punto nello spazio è individuato da tre coordinate e per tale punto passano solo tre sfere. E’ necessario impostare un sistema di tre equazioni a tre incognite dove ciascuna equazione descriva la sfera all’istante t i e quindi anche la posizione del suo centro (posizione del satellite), mentre le incognite rappresentano le coordinate x, y, z da rilevare IL PUNTO DI INTERSEZIONE DELLE SFERE Ma R i (pseudodistanza calcolata come differenza di orari fra satellite e ricevitore) è imprecisa a causa della sfasatura degli orologi. Occorre individuare almeno una quarta equazione (quarto satellite) per determinare la corretta posizione del Punto di coordinate (x, y, z, t).

26 26 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. ARTICOLAZIONE DEL SISTEMA GPS 1 2 3

27 27 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. Interferenza della bassa ionosfera e troposfera. Errori nell'orologio e nell'orbita dei satelliti. Errori del ricevitore. Multipath - Il segnale rimbalza su superfici riflettenti ed interferisce con il segnale diretto. S/A (selective availability) - Il governo USA può introdurre un errore artificiale sull'orologio dei satelliti e sulla loro orbita per degradare la precisione del sistema (non più attivo). GDOP - La geometria dei satelliti GLI ERRORI MULTIPATH

28 28 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. LA GEOMETRIA DEI SATELLITI GDOP (Geometric Dilution Of Precision) quantifica l’indebolimento della geometria per un posizionamento 3D nel tempo e nello spazio. Il suo calcolo richiede almeno 4 satelliti. I valori di GDOP che permettono una buona determinazione delle coordinate sono compresi tra 1 e 8 (ricordando che 1 corrisponde al caso ottimale e 8 al limite inferiore). Il GDOP può essere definito schematicamente come inversamente proporzionale al volume della piramide in cui il vertice è rappresentato dal ricevitore, la base dal piano contenente i satelliti e gli spigoli sono le congiungenti tra i satelliti ed il ricevitore.

29 29 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. IL LIVELLO DI PRECISIONE DIPENDE DA: - Tempo impiegato nella misura. - Tipo di ricevitori utilizzati. - Algoritmo di correzione applicato alle misure. - Modalità d’uso (assoluto o differenziale). Circa 30 metri Per un ricevitore utilizzato in modo assoluto 1 - 5 metri Per ricevitori in modalità differenziale DGPS < 1 cm Per i sistemi più sofisticati LIVELLI DI PRECISIONE

30 30 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. POSIZIONAMENTO ASSOLUTO E DIFFERENZIALE Il posizionamento assoluto è il metodo di misura più diffuso dalla maggioranza degli utenti. Un solo ricevitore, infatti, è sufficiente a fornire le coordinate geografiche di un punto subito dopo la sua accensione e dopo l’avvenuto tracciamento delle orbite dei satelliti da parte dello strumento Con il metodo differenziale, le coordinate di un punto vengono determinate rispetto ad una stazione di riferimento posta in un punto noto. Stazione mobile ROVER Stazione fissa REFERENCE Il concetto base di questo metodo è il presupposto che la maggioranza degli errori che degradano le prestazioni del GPS in modo assoluto siano comuni a tutti i ricevitori funzionanti sulla medesima area e nello stesso momento. Il calcolo differenziale può essere effettuato: a posteriori in "Post-processing“ - DGPS (Differential - GPS) immediatamente nella fase di misura in "Real time" RTDGPS (Real Time Differential - GPS). Le compensazioni tra le stazioni avvengono durante la misura grazie ad un collegamento radio tra il reference e il rover

31 31 E. CRAVERO – SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE E GEOFISICHE 2012-2013 - UNINA RAPPRESENTAZIONE DELLA TERRA : ACQUISIZIONE DI DATI TERRITORIALI – IL SISTEMA G.P.S. World Geodetic System (WGS) E’ un sistema di riferimento cartesiano geocentrico, solidale con la Terra, al quale dobbiamo riferire la posizione dei satelliti e dei punti da determinare. Nel WGS: gli assi x, y individuano un piano che giace sul piano equatoriale della Terra l’asse z coincidente con l’asse di rotazione il piano individuato dagli assi x, z, è in corrispondenza con il meridiano di Greenwich IL SISTEMA DI RIFERIMENTO WGS84 Per riportare i punti rilevati nella cartografia esistente dovremo trasportare le coordinate da noi rilevate nell’ambito del sistema di riferimento in uso. Occorre, perciò, conoscere il DATUM locale.