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Introduzione ai Sistemi di Navigazione Satellitari (GNSS) e ai Servizi di Posizionamento
 
 
Introduzione ai Sistemi di Navigazione Satellitari (GNSS) e ai Servizi di Posizionamento
 
 
Introduzione ai Sistemi di Navigazione Satellitari (GNSS) e ai Servizi di Posizionamento

Introduzione ai Sistemi di Navigazione Satellitari
GPS
GLONASS
GALILEO
Strumenti
Introduzione ai Servizi di Posizionamento

 


Introduzione ai Sistemi di Navigazione Satellitari (GNSS)

I Sistemi di Navigazione Satellitari (o Global Navigation Satellite Systems - GNSS)
sono strumenti costruiti per rispondere alle seguenti domande:
- che ora è?
- in che posizione ci troviamo?
- qual’è la nostra velocità?

 

Per fornire la risposta a queste tre domande i GNSS sono costituiti da tre segmenti:
- segmento spaziale
- segmento di controllo
- utenza

 

Il segmento spaziale è la costellazione dei satelliti che orbitano attorno alla Terra; i piani orbitali materializzano un sistema di riferimento inerziale.
Le posizioni dei satelliti (effemeridi) sono note al variare del tempo con precisione relativa molto elevata (0.05 ppm), l'orologio di bordo è di elevata stabilità (perde un secondo ogni 3'000'000 di anni).
Il segmento di controllo è costituito da stazioni permanenti distribuite in modo omogeneo sulla Terra e svolge svariate funzioni: in primo luogo monitora lo stato di "salute" dei satelliti, nel senso che determina se l'orologio di bordo funziona correttamente, valuta se vi sono malfunzionamenti, calcola le effemeridi (o orbite), che provvede poi a ritrasmettere agli stessi, infine materializza un sistema di riferimento terrestre.
L'utenza è costituita da tutti coloro che usufruiscono dei servizi offerti dai GNSS. Le applicazioni sono svariate: navigazione (navigatori da auto, imbarcazioni ecc), geofisica, geodesia, topografia ecc. A livello topografico le principali applicazioni sono: rilievi di inquadramento, rilievi di dettaglio, rilievi GNSS/GIS, rilievi catastali, mobile mapping system, monitoraggi, ecc.

 

GPS

GPS è un acronimo che sta per NAVigation Satellite Time and Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System
E' il sistema di navigazione satellitare degli USA, progettato negli anni "70 ed operativo dalla mezzanotte del 6 gennaio 1980.
Il segmento spaziale del GPS consta di una costellazione di oltre 30 satelliti che orbitano ad una quota di circa 20000 km, distribuiti su 6 piani orbitali equispaziati in longitudine ed inclinati rispetto al piano equatoriale di 55°.
Ogni satellite impiega poco meno di 12 ore a compiere una rivoluzione totale, da Terra in assenza di ostacoli è visibile per circa 5 ore. Queste caratteristiche garantiscono che l'intera costellazione sia visibile in maniera ottimale da un osservatore al suolo per 24 ore su 24.
I satelliti trasmettono il segnale su due frequenze portanti, L1=1575.42 MHz (lunghezza d'onda di circa 19 cm), ed L2=1227.60 MHz (lunghezza d'onda di circa 24 cm).
Alle portanti vengono sommati i codici C/A (Coarse Acqusition o Acuisizione Grezza) e P (Precision).
Il segmento di Controllo è fatto di 16 stazioni permanenti assolvono ai compiti di determinare le effemeridi dei satelliti e monitoraggio degli stessi.
Le orbite dei satelliti sono note nel sistema di riferimento WGS84 (World Geodetic System 1984).
Il numero di utenti GPS è andato progressivamente aumentando negli anni, differenziandosi per tipologie e applicazioni (navigazione, geofisica, geodesia, topografia, ecc).

 


GLONASS

GLONASS sta per Global'naja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema (GLObal NAvigation Satellite System)

E’ il sistema di navigazione satellitare russo.
Il lancio del primo satellite è avvenuto il 12 ottobre 1982, la costellazione doveva essere costituita da 24 satelliti, ma le vicissitudini storico/economiche che hanno riguardato l'URSS hanno portato alla crisi del sistema. La Russia, tra molte difficoltà, è riuscita a mantenere la costellazione operativa fino ad oggi e di recente è stato siglato un accordo di collaborazione con l'India.
I satelliti GLONASS, più di 20, orbitano su 3 piani inclinati rispetto al piano dell'equatore di circa 65° e si trovano ad una quota di circa 19000 km, il periodo di rivoluzione è di 11 ore e 15 minuti. Le orbite dei satelliti sono note nel sistema di riferimento PZ-90.
Il segnale di ogni satellite GLONASS ha proprie le frequenze portanti L1 ed L2.
In altre parole un satellite è distinguibile dagli altri in base al valore delle frequenze a cui trasmette. L'intero segmento di controllo si trova sul territorio dell'ex-Unione Sovietica.
Il Centro di Controllo (e Time Standards) si trova a Mosca, le stazioni per il controllo telemetrico e tracciamento dei satelliti si trovano a San Pietroburgo, Ternopil, Enisejsk, Komsomolsk-na-Amure.

 

 

GALILEO

Galileo è il nome del progetto del Sistema di Navigazione Satellitare europeo.
Il primo satellite (Giove A) è stato lanciato il 28 dicembre 2005, il secondo, Giove B, il 27 aprile 2008, un altro satellite, Giove A2, dovrebbe essere lanciato prossimamente.
Il sistema dovrebbe essere pienamente operativo nel 2013, e dovrebbe essere costituito da 30 satelliti orbitanti su 3 piani inclinati rispetto al piano equatoriale terrestre di circa 56°e ad una quota di circa 24000 km.

 

 

STRUMENTI

La strumentazione di cui l'utenza si deve dotare per usare i GNSS è costituita da antenna, ricevitore e palmare.
L'antenna è progettata per ricevere e filtrare i segnali provenienti dai satelliti.
L'eventuale piatto metallico (ground plain) ad essa solidale permette di ridurre l'effetto dei multipath (segnali riflessi dal suolo e/o da ostacoli).
Nelle antenne i segnali sono ricevuti nel centro di fase che non è un punto materiale ma una regione dello spazio in cui viene captata l'onda elettromagnetica del segnale e la sua posizione è funzione dell'elevazione del satellite.

All'interno del ricevitore è presente un orologio, che per ragioni economiche, è di stabilità molto inferiore a quella dell'orologio del satellite (perde un secondo ogni 100 giorni).
A causa della differenza di stabilità tra gli orologi dei satelliti e dei ricevitori si genera, abbastanza rapidamente, un non sincronismo. Questo è uno degli errori che è presente nelle misure GNSS, che viene eliminato con opportuni modelli matematici nell'elaborazione delle misure stesse.
Il segnale ricevuto dall'antenna è crittografato, nel ricevitore viene decodificato e memorizzato sotto forma di misure di fase e pseudorange.
Il palmare è lo strumento che consente la gestione delle operazioni di rilievo tramite software.

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Introduzione ai Servizi di Posizionamento

Nella pratica professionale l'impiego della strumentazione satellitare avviene principalmente con due modalità: in post-elaborazione o in cinematico (in tempo reale o in post-elaborazione).
Il rilievo in post-elaborazione, statico o statico-rapido, richiede lo stazionamento di due strumenti GNSS (GPS e Glonass) su due vertici per una sessione di durata dipendente dalla distanza tra i due punti (da qualche decina di minuti fino a svariate ore).
Nel rilievo cinematico, in tempo reale (Real Time Kinematic RTK) o in post-elaborazione, la posizione del punto occupato dal ricevitore mobile viene calcolata rispetto ad uno strumento fisso in stazione su un vertice di coordinate note.
Per lavorare in tempo reale è necessario integrare alla strumentazione GNSS un sistema di rice-trasmissione di dati (radio o gsm/gprs/umts) dalla stazione fissa alla mobile.

 

Negli ordinari rilievi RTK un utente deve disporre di due strumenti, inoltre la distanza tra i due non dovrebbe superare i 15/20 Km; alcuni errori sistematici delle misure GNSS, infatti, dipendono dalla distanza (errori delle orbite, atmosferici e ionosferici) ed assumono entità quasi mai tollerabile quando questa supera la soglia indicata.
Per ovviare a queste problematiche di carattere economico e di natura tecnica si può ricorrere ad una Rete di Stazioni GNSS Permanenti; in questo modo per prima cosa per eseguire il rilevo è sufficiente disporre di un solo strumento, inoltre diventa possibile stimare gli errori indicati
tramite interpolazioni su tutta l'area ricoperta dalla rete. La conoscenza di questi ultimi permette di aumentare la distanza tra gli strumenti (stazione permanente e ricevitore/utenza) oltre i 15/20 km. Un centro di controllo si occupa della gestione della rete e della fornitura all'utenza di diverse tipologie di servizi per il posizionamento in tempo reale ed in post-elaborazione.

 

Un servizio di posizionamento GNSS è un'infrastruttura che fornisce dati all'utenza affinché questa possa determinare la propria posizione con la miglior precisione possibile in funzione dell'applicazione per cui questa è richiesta.
La posizione può essere determinata in tempo reale, si parla allora di servizi Network Real Time Kinematic (NRTK), o in post-elaborazione, con rilievi in modalità statica o statica-rapida.
La precisione può essere centimetrica nelle applicazioni NRTK e post-elaborazione, o sub-metrica in quelle DGPS (GPS/GIS), utilizzate per la realizzazione di Sistemi Informativi Territoriali (SIT/GIS).
Come i sistemi di navigazione satellitare anche un Servizio di Posizionamento è costituito da diversi segmenti:

 

- Rete di Stazioni GNSS Permanenti
- Centro di Controllo
- Utenza

 

La rete di stazioni permanenti è la parte dell'infrastruttura installata direttamente sul territorio.
Ogni stazione è costituita da un'antenna e un ricevitore GNSS, collegati al centro di controllo tramite Internet.
La stazione trasmette in tempo reale i dati ricevuti dai satelliti delle costellazioni GPS e Glonass (in futuro anche Galileo) al Centro di Controllo.

 

Il Centro di Controllo ha svariati compiti: ricezione, elaborazione e memorizzazione dei dati provenienti dalle stazioni permanenti, fornitura dei servizi in tempo reale (NRTK) e per la post-elaborazione all'utenza.
Per fornire i servizi NRTK i dati sono elaborati in tempo reale in modo da ottenere una "mappatura" degli errori presenti nelle misure GNSS (ionosferici, troposferici, delle orbite, degli orologi, multipath), sull'intero territorio coperto dalla rete; gli errori determinati per le singole stazioni permanenti sono usati per generare dei polinomi di interpolazione definiti sull'area coperta dalla rete. All'utente che richiede il servizio in tempo reale vengono fornite le correzioni differenziali ricostruite a partire da questi ultimi.
Le correzioni possono essere fornite in diversi formati:

 

- NEAREST: vengono fornite le correzioni prodotte dalla stazione permanente più vicina all'utente;
- VRS (Virtual Reference Station): vengono fornite le osservazioni e le correzioni di una stazione permanente viruale (pertanto inestistente nella realtà), ricostruite come se la stazione avesse realmente misurato. La VRS viene posta in una posizione prossima all'utente (variabile da pochi metri a 4-5 km, a seconda del software usato per la gestione della rete);
- FKP (Flächen-Korrektur-Parameter, parametri di correzione d’area): vengono fornite le osservazioni di una stazione di riferimento e le correzioni di rete calcolate e personalizzate per l’utente;
- MAC (Master-Auxiliary-Station): vengono fornite le osservazioni di una stazione di riferimento e le correzioni di stazioni ausiliarie, ridotte ad un livello comune di ambiguità (le ambiguità sono sottratte alle osservazioni);
- DGPS (Differential GPS): vengono fornite le correzioni necessarie alle applicazioni GPS/GIS.

 

Le correzioni sono trasmesse secondo il formato standard Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM 2.x o 3.x) via internet con il protocollo Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP).
Per la post-elaborazione il Centro di Controllo fornisce all'utenza le misure registrate dalle singole stazioni con diverso campionamento (tipicamente da 1 a 30 secondi) in formato di interscambio RINEX.

 

L'utenza può usufruire dei servizi allo scopo di eseguire rilievi topografici di varie tipologie: rilievi di inquadramento, rilievi di dettagli, rilievi catastali, monitoraggi, catasto strade, realizzazione di SIT, ecc.

 

Una Rete di Stazioni Permanenti dovrebbe garantire di poter lavorare sia con la costellazione GPS che con il GLONASS, e dovrebbe essere predisposta per GALILEO. Per l'utenza il vantaggio principale di avere un ricevitore che usi i segnali provenienti da più costellazioni è quello di poter lavorare sempre con un numero elevato di satelliti specialmente nei casi in cui ostacoli (alberi, case, ecc.) limitino l'apertura al cielo e quindi la ricezione dei segnali.
In futuro l'impiego di strumentazione GPS+GLONASS+GALILEO potrà sicuramente garantire una operatività superiore rispetto a quella raggiungibile con una soluzione solamente GPS.
 

 

 
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