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GPS
GPS
GPS ?
SINTETICAMENTE
STRUTTURA
PRECISIONE E FONTI DI ERRORE
WGS 84
TECNICHE DI MISURAZIONE
RILIEVO TOPOGRAFICO
RETE GPS
GPS
Global Positioning System
è costituito da una costellazione di satelliti
NAVSTAR
NAVigation Satellite with Timing And Ranging
realizzata e gestita dal
Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti
SINTETICAMENTE
Il sistema GPS è un sistema satellitare per il rilevamento
della posizione di un qualunque oggetto, fermo o in
movimento, situato sulla superficie terrestre, mediante la
definizione delle sue coordinate spaziali rispetto a un
determinato sistema si riferimento
SINTETICAMENTE
La caratteristica peculiare dei sistemi di rilievo satellitare risiede
nelle trasformazione radicale delle modalità di misura. Nelle
operazioni di misura terrestri il punto di osservazione (stazione) e il
punto osservato sono entrambi a terra, mentre nei sistemi satellitari
le misurazioni sono effettuate da terra verso il cielo. Questo fatto
implica notevoli vantaggi, il principale dei quali è che l’intervisibilità
tra i punti rilevati non è più necessaria. Inoltre è possibile
effettuare le misurazioni anche di notte o in condizioni
meteorologiche avverse
STRUTTURA
È divisa in tre segmenti
SPAZIALE
CONTROLLO
UTILIZZO
Il collegamento tra i primi due segmenti è bidirezionale. Il segmento
utilizzatore, invece, ha solo la possibilità di ricevere i segnali dai satelliti
senza poter trasmettere dati, per cui l’accesso al sistema è inibito agli utenti
SEGMENTO SPAZIALE
24 satelliti (piu' alcuni di riserva)
6 orbite ellittiche inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale
4 satelliti per ogni orbita
Raggio dell'orbita: 26000 Km circa
Velocita' dei satelliti: 4 km/s circa
Orbita completa in 12 h
Il numero dei satelliti e le orbite permettono un ricoprimento
totale della superficie terrestre: da qualsiasi punto e in
qualsiasi momento è sempre possibile ricevere i segnali
trasmessi da almeno 4 satelliti. I satelliti trasmettono su due
lunghezze d’onda L1 (19 cm) e L2 (24 cm). Le informazioni
relative alla posizione dei satelliti si chiamano effemeridi
SEGMENTO DI CONTROLLO
Comprende 5 stazioni terrestri. Di queste, quattro seguono continuamente i satelliti
determinandone le traiettorie e rilevando parametri necessari al controllo del sistema. La
quinta Colorado Springs, è la stazione principale (master control), e comunica i risultati ai
satelliti, i quali li invieranno a loro volta ai ricevitori terrestri
SEGMENTO DI UTILIZZO
È costituito dai ricevitori terrestri. L’equipaggiamento deve
comunque comprendere un’antenna, un ricevitore in grado di
captare e decodificare i segnali radio emessi dai satelliti e una
unità di controllo per gestire il rilevamento ed elaborare il
segnale. Il ricevitore può essere installato su un treppiede
tradizionale o su di un asta che viene spostata dall’operatore ad
ogni rilevazione. Nelle operazioni di rilievo si deve misurare
l’altezza dell’antenna da terra considerando che il sistema
fornisce la posizione del centro dell’antenna
WGS 84 - World Geodetic System 1984
È l’ellissoide di riferimento globale, cioè unico per tutti i punti della superficie fisica
della Terra. Tale sistema è geocentrico, e ha le seguenti caratteristiche:
origine nel baricentro della massa terrestre
asse Z coincidente con l’asse polare
asse X intersezione del piano equatoriale con il meridiano di riferimento
asse Y sul piano equatoriale e ortogonale all’asse delle X
Le informazioni ricevute dai satelliti permettono di definire la terna di coordinate X, Y,
Z rispetto a questo sistema di riferimento. Le coordinate dei punti possono essere
anche espresse in latitudine, longitudine e altezza
Appositi software permettono di trasformare le coordinate riferite al WGS 84 in
coordinate cartegrafiche N, E, Z del sistema cartografico nazionale (Roma 40), oppure
coordinate x, y, z, rispetto a un qualunque sistema di riferimento locale
WGS 84
World Geodetic System 1984
VERTO 2 I.G.M. (Istituto Geografico Militare)
Il valore di quota rispetto all'ellissoide WGS84 ottenuto
direttamente da un rilievo GPS è un parametro altimetrico
puramente geometrico e spesso non collegato alla realtà. Il
dislivello tra due punti, ottenuto per differenza di due
quote ellissoidiche non sempre è uguale al dislivello reale,
ottenuto per differenza tra due quota ortometriche
misurate sul geoide. Da queste considerazioni si capisce
l'importanza di determinare i legami tra la quote
ellissoidiche, misurate lungo la normale, e le quote
ortometriche misurate lungo la verticale in un punto. Se
l’estensione del rilievo non è molto grande, conviene fare
stazione con il ricevitore GPS su punti di quota ortometrica
nota: in questo modo può essere calcolata la differenza tra
la quota ortometrica e quella ellissoidica (scostamento dal
geoide) e interpolare poi tale differenza per tutti i punti
rilevati
IL PROBLEMA DELLE QUOTE DEI PUNTI
TECNICHE DI MISURAZIONE
Il compito assegnato al sistema è quello di
determinare la posizione tridimensionale di un
qualsiasi punto della superficie terrestre
utilizzando la rete dei satelliti
Perchè un punto sia univocamente determinato
devono essere note le distanze tra il punto e
quattro satelliti. Lo schema può essere ricondotto
a quello di una trilaterazione multipla dove i
satelliti rappresentano i punti di coordinate note
TECNICHE DI MISURAZIONE
La determinazione della posizione di un punto in
tempo reale con un solo ricevitore, GPS assoluto
(posizione di navigazione), presenta errori di qualche
metro e non può essere utilizzata nei rilievi
topografici
Precisioni adeguate alle esigenze del rilievo
topografico, si ottengono con il GPS differenziale
DGPS, con la quale si impiegano almeno due ricevitori
per acquisire da entrambi i segnali emessi da almeno
quattro satelliti
TECNICHE DI MISURAZIONE
Con il GPS differenziale le sessioni di misura non
vengono effettuate per punti isolati ma per
coppie di punti sui quali si collocano
simultaneamente due ricevitori. In questo modo
si ottiene la posizione di un punto rispetto ad un
altro, che deve essere di posizione nota,
attraverso le differenze Δx, Δy, Δz tra le
coordinate dei due punti nel sistema di
riferimento WSG84. Il segmento che unisce
ciascuna coppia di punti viene denominato linea di
base (baseline)
TECNICHE DI MISURAZIONE
RTK
Il rilievo RTK (Real Time Kinematic – Rilievo GPS
cinematico in tempo reale) viene effettuato con
due ricevitori, uno fisso (base), ed uno mobile
(rover). I due ricevitori sono collegati tramite
radiomodem o telefono cellulare. Il ricevitore
base, posto in un punto opportuno, acquisisce la
propria posizione e trasmette un segnale che
contiene le “correzioni”, ovvero i parametri,
principalmente atmosferici, essenziali per il
posizionamento RTK. Il ricevitore rover,
acquisisce la propria posizione e le correzioni
inviate dal ricevitore base. La precisione che può
essere raggiunta nel posizionamento dei punti è
intorno ad 1 cm
TECNICHE DI MISURAZIONE
Le misure GPS si effettuano utilizzando due tipologie di misure:
STATICHE
DINAMICHE (cinematiche e stop and go)
Nel primo nel caso i due ricevitori rimangono fermi su due punti
base per tutto il tempo occorrente all’acquisizione dei dati. Nel
secondo un ricevitore è fisso e l’altro itinerante, può cioè
spostarsi durante la fase di acquisizione dei dati, aumentando la
produttività del rilievo
TECNICHE DI MISURAZIONE STATICHE
Il rilievo è costituito da un certo numero di sessioni di misura e prevede
l’utilizzo di due ricevitori (GPS differenziale) che rimangono fermi per ogni
sessione. Il metodo consiste nel posizionare un ricevitore su un punto di
coordinate note e l’altro su di un punto di coordinate incognite (realizzando
così la prima baseline), quindi si inizia la sessione di misura, che può durare dai
30 ai 60 minuti. Al termine, anche il secondo punto avrà coordinate note e
potrà essere utilizzato per le successive sessioni. Procedendo in questo modo si
andranno a rilevare tutti i punti incogniti. Il rilievo sarà così formato da un
certo numero di baseline, che dovranno essere opportunamente collegate tra
loro. Le tecniche di misurazioni statiche sono utilizzate per il rilievo delle reti
di inquadramento, prima quindi del rilievo di dettaglio vero e proprio. Con
queste tecniche di misurazione gli errori sono inferiori a 2 cm per baseline fino
a 10 km
TECNICHE DI MISURAZIONE DINAMICHE
Il rilievo cinematico, che viene eseguito in modo differenziale, cioè con due
ricevitori che captano il segnale di almeno 4 satelliti, inizia con la
determinazione della baseline di partenza che viene effettuata in modo
statico; in seguito un ricevitore, che è in continua registrazione, rimane fermo
sul primo punto della baseline di coordinate note mentre l’altro ricevitore,
anch’esso in registrazione continua, abbandona il secondo punto per spostarsi
su tutti i punti da rilevare
Il rilievo stop and go è del tutto simile al rilievo cinematico e differisce da
questo solo per il fatto che, dopo aver determinato in metodo statico la
baseline di partenza, si fa stazione per pochi secondi su tutti i punti da rilevare
in modo da poter inserire alcune informazioni riguardanti il punto stesso.
Questo procedimento è il più utilizzato in campo topografico e risulta
particolarmente valido per i rilievi di dettaglio
RILIEVO TOPOGRAFICO
VANTAGGI
Il sistema GPS presenta numerosi vantaggi rispetto ai tradizioni metodi di rilevamento:
non è richiesta l'intervisibilità fra punti
può essere usato in qualsiasi momento del giorno e della notte e con qualsiasi
condizione meteorologica
produce risultati molto accurati
consente di completare il lavoro in minor tempo e con un minor numero di addetti
RILIEVO TOPOGRAFICO
LIMITI
Per utilizzare il sistema GPS è essenziale che l'antenna GPS abbia la
possibilità di ricevere il segnale da almeno 4 satelliti.
In qualche caso i segnali del satellite possono essere bloccati da edifici alti,
alberi, ecc. Non è quindi possibile utilizzare il GPS al chiuso e l'uso può
risultare difficoltoso anche nei centri urbani o nei boschi
A causa di questo limite per alcune applicazioni può essere più conveniente
ed economico utilizzare una stazione totale o associare l'uso di tale
strumento al sistema GPS
RILIEVO TOPOGRAFICO
ESEMPI DI RILIEVO CON STAZIONE TOTALE E GPS ASSOCIATI
P1
P2
P3
P7
P5
P6
P4
Antenna
Stazioni determinate con modalità GPS
Punti di dettaglio rilevati per coordinate polari
PRECISIONE GPS
Il GPS consente di ottenere precisioni notevolmente variabili.
In generale la precisione nel posizionamento dipende da fattori quali:
tipologia di strumento utilizzato
modalita' di posizionamento
modalita' del rilievo
durata del rilievo
distanza del ricevitore dalla stazione permanente piu' vicina
METODO DESCRIZIONE PRECISIONE INDICATIVA
Assoluto in
tempo reale
Il ricevitore in movimento acquisisce le
informazioni per il posizionamento
In modo indipendente dalla qualita'
dello strumento, si può ottenere una
bassa precisione, non superiore a 10
metri
Cinematica
Il ricevitore in movimento acquisisce le
informazioni per il posizionamento, che
vengono elaborate in tempo reale con le
correzioni provenienti da una stazione di
riferimento
E' possibile ottenere una precisione di
pochi cm in pochi secondi di misura. La
precisione diminuisce se il ricevitore e'
in movimento e dipende dalla qualita'
dello strumento
Statica
Il ricevitore viene posizionato e lasciato sul
punto di posizione incognita. Le
informazioni registrate vengono elaborate
successivamente, mediante un opportuno
software di post - elaborazione
E' possibile ottenere una precisione di
pochi cm o inferiore. La precisione
dipende dalla qualita' dello strumento
PRECISIONE GPS
FONTI DI ERRORE
Fino a questo punto si è ipotizzato che la posizione derivata dal sistema
GPS sia molto precisa ma in realtà esistono varie fonti di errori che
diminuiscono la precisione della posizione GPS di alcuni metri. Tali fonti di
errore sono:
Ritardi di origine ionosferica ed atmosferica
Errori degli orologi di satellite e ricevitore
Multipath
Diluizione della precisione
Anti Spoofing (A-S)
FONTI DI ERRORERitardi di origine atmosferica
Il segnale GPS attraversando l'atmosfera può subire
un rallentamento, con un effetto simile alla luce che
si rifrange attraverso un blocco di vetro
Tale rallentamento può introdurre un elemento di
errore nel calcolo della posizione a Terra in quanto
la velocità del segnale viene alterata. (La velocità
della luce infatti è costante solamente nel vuoto)
La ionosfera non causa un ritardo costante del
segnale, ma esistono vari fattori che contribuiscono
ad influenzarne l'effetto
FONTI DI ERRORE
Multipath
Il Multipath del segnale GPS si verifica quando
l'antenna del ricevitore è posizionata vicino ad
un'ampia superficie riflettente, quale per esempio un
lago o un edificio. Il segnale del satellite non si dirige
direttamente sulla antenna, bensì colpisce l'oggetto
vicino e viene riflesso sull'antenna, dando luogo quindi
ad una falsa misurazione. Le antenne GPS dell'ultima
generazione sono in grado di filtrare il segnale che ha
subito un Multipath. Il Multipath influisce solamente
sulle misure di precisione, del tipo richiesto dai rilievi
topografici. I semplici ricevitori portatili per
navigazione non utilizzano tecniche di filtro per i
segnali riflessi
RETE GPS
Con il termine di stazioni permanenti GPS si intendono dei
ricevitori GPS fissi, sempre attivi, che registrano in continuo il
segnale GPS. L'unione di più stazioni permanenti (solitamente
almeno 4) costituisce una RETE GPS
Una rete GPS è un insieme di stazioni di riferimento, omogeneo
per caratteristiche di precisione e qualità dei sensori utilizzati,
costantemente connesse tramite linee ad alta velocità ed
affidabilità, ad una infrastruttura informatica costituita da
hardware e software dedicati. L'infrastruttura dovrà essere in
grado di gestire il flusso dati proveniente dalle stazioni di
riferimento e di erogare servizi all’utenza
LA RETE GPS DELL’IGMI
L’IGMI (Istituto Geografico Militare Italiano)
ha utilizzato il sistema GPS per realizzare una
nuova rete di vertici trigonometrici. La nuova
rete, denominata IGM95, è composta da 1150
vertici, disposti sul territorio nazionale con una
densità media di 1 vertice ogni 10 kmq
Istituto Geografico Militare
Servizio Geodetico
