Politecnico di Milano, DIIAR c/o Polo Regionale di Como ludovico.biagi@polimi.it

Reti Geodetiche

e Stazioni Permanenti GPS - GNSS

Ludovico Biagi, Fernando Sansò

Politecnico di Milano, DIIAR c/o Polo Regionale di Como ludovico.biagi@polimi.it

fernando.sanso@polimi.it

Perugia, 13 Dicembre 2006

Le reti di SP di servizio: il razionale

Favorire l’utilizzo dei metodi GNSS (oggi GPS) per le applicazioni di

rilevamento e controllo del territorio, posizionamento in generale.

Permettere agli utenti l’approccio differenziale nel posizionamento garantendone i vantaggi (accuratezze/tempi),

eliminandone gli svantaggi (costi/complessità), mediante l’approccio di rete,

garantendo affidabilità e continuità,

certificando l’accuratezza (potenziale) dei risultati, supportando e formando gli utenti.

Ovvero:

una rete di SP ma anche, necessariamente, un centro

qualificato di controllo, di calcolo e di supporto all’utenza.

La distribuzione delle SP

Dipende dagli scopi:

per servizi di posizionamento, accuratezze topocartografiche in tempi ragionevoli di rilievo:

in teoria

una SP a non più di 15 Km dall’utente.

SP distanti 20 Km, 1 SP ogni 400 Km ² ,

per la Lombardia (≅24.000 Km ² ), 60 SP!

Enorme complessità di posa e gestione.

Quali servizi aggiunti può dare una rete di SP?

I servizi aggiunti permettono di diradare la rete?

L’approccio di rete alla minimizzazione degli errori

Si consideri una rete di

SP di coordinate note a priori.

La rete

ribalta il concetto geodetico classico:

1. le SP acquisiscono le osservazioni grezze, 2. le SP inviano le osservazioni grezze a un

centro di elaborazione,

3. il CE utilizza le osservazioni grezze e la conoscenza delle coordinate delle SP per:

4. stimare gli errori sulle singole SP,

stimare i parametri della funzione di errore

nell’area interessata.

Analizzando opportunamente i dati si arriva a disporre di modelli stimati per gli errori d’orbita dei satelliti e i disturbi atmosferici

ˆ ˆ 0

( ), ( , , ), ( , , ) ˆ ⁱ t T ⁱ ϕ λ t I ⁱ ϕ λ t δx

Tali modelli possono essere trasmessi all’utenza attraverso tre

approcci.

Il metodo VRS

L’utente comunica la propria posizione approssimata: x _VRS .

Presso il Centro di calcolo, per ogni satellite, data la posizione approssimata dell’utente, vengono calcolati i termini di disturbo:

i i i

ˆ 0 ˆ

, ( ), ( ).

δρ ˆ _VRS I x _VRS T x _VRS

Si utilizzano i dati di una SP della rete (la più vicina all’utente);

da questi vengono costruite le osservazioni virtuali per una stazione

nelle coordinate approssimate dell’utente.

Il centro distribuisce

coordinate e dati della VRS;

l’utente costruisce

le DD rispetto alla VRS:

, , , , ,

, = ρ , − , + , + λ ,

i j i j i j i j i j

R VRS R VRS R VRS R VRS R SP

L I T N

vincola le coordinate delle VRS,

stima la propria posizione.

Se i modelli stimati per i disturbi sono corretti,

l’approccio permette di ottenere risultati identici al

posizionamento rispetto a una stazione di riferimento a pochi metri:

nessun errore di modello.

Ovviamente i modelli stimati presentano un margine d’errore:

questo si propaga sulla stima delle coordinate dell’utente.

Il metodo VRS può essere anche applicato nel

postprocessamento (distribuzione di RINEX di una VRS).

L’approccio FKP

Il centro trasmette all’utente:

1. le coordinate e i dati di una SP,

2. i parametri di modellizzazione degli errori.

Il ricevitore dell’utente

1. costruisce le DD rispetto alla SP, 2. calcola i termini d’errore con i

parametri ricevuti,

3. corregge le DD per i termini d’errore,

stima la propria posizione.

L’approccio multibase

La rete comunica all’utente le correzioni di fase di singola stazione per tutti i satelliti e per le 4 stazioni più vicine.

L’utente può interpolare le correzioni e predirle nella propria posizione e

(nel prossimo futuro) autodeterminarsi con un metodo multibase.

Le implementazioni dell’approccio di rete

SW commerciali “operativi” attualmente più diffusi:

GNSMART della GEO++, SpiderNet della Leica,

VRS della Trimble.

L’esempio di GNSMART (Regione Lombardia) Compensazione di rete in (quasi) tempo reale:

1. coordinate delle SP fissate, efemeridi e EOP scaricati da IGS;

2. acquisizione dei dati in tempo reale da tutte le SP della rete;

3. stima e fissaggio dei cycle slip e delle ambiguità intere;

4. modellizzazione per i disturbi:

5. Trasmissione di FKP e/o VRS all’utenza.

I vantaggi dell’approccio di rete nel posizionamento differenziale

Nel tempo reale (FKP o VRS)

Il territorio coperto dalla rete è rilevabile con accuratezza non dipendente dalla distanza della SP più vicina;

l’efficacia e l’accuratezza dipendono ancora significativamente dall’affidabilità della trasmissione dati e dalla qualità del sito.

Nel postprocessamento (VRS)

Dovrebbe potenzialmente permettere il posizionamento con buona accuratezza anche per ricevitori in singola frequenza, operanti in statico rapido: necessaria adeguata sperimentazione.

Permette il posizionamento di alta accuratezza, evitando le

complessità del multibase?

Un esempio di rete nazionale di SP di servizio

Rete SAPOS (National German Survey),

una rete di SP coordinata a livello nazionale,

ma ripartita funzionalmente in sottoreti regionali.

Servizi di posizionamento in tempo reale:

SAPOS EPS: servizi DGPS (accuratezza di 1-3 metri),

SAPOS HEPS: servizi RTK (accuratezza di 1-5 centimetri).

Servizi di posizionamento in post processamento:

SAPOS GPPS: dati RINEX delle SP,

SAPOS GHPS: dati RINEX delle VRS.

In figura: la rete SAPOS

In Italia

Assenza di un’autorità nazionale che potesse coordinare a livello nazionale.

Enti Regione:

buona autonomia normativa e finanziaria,

scala spaziale corretta per la gestione di reti.

Quindi l’iniziativa si sviluppa a livello regionale.

Primo servizio operativo a livello regionale:

Servizio di Regione Lombardia;

altre reti test, operate da Università, operative:

alcune distribuiscono dati e prodotti;

molte altre regioni in fase di realizzazione o di aggiudicazione.

Il Servizio di Posizionamento per la Lombardia Gli attori (convenzione quadro)

Regione Lombardia,

Direzione Generale Territorio e Urbanistica:

coordinamento e promozione dell’iniziativa.

Istituto di Ricerca per

l’Ecologia e l’Economia applicate alle Aree Alpine:

realizzazione del Servizio.

Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como:

redazione del progetto preliminare

e supervisione tecnico-scientifica.

Sperimentazione PRIN

FKP Num 215

Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm)

Media 1.2 1.7 3.1 0.5

Deviazione Standard 2.1 1.8 1.5 4.3

Minimo -4.0 -3.0 0.5 -10.8

Massimo 5.8 6.6 7.1 13.3

VRS Num 205

Est (cm) Nord (cm) 2D (cm) h (cm)

Media 1.3 1.8 3.3 0.7

Deviazione Standard 2.2 2.0 1.6 4.5

Minimo -3.3 -5.3 0.4 -12.6

Massimo 6.1 8.7 8.9 14.8

Le statistiche FKP e VRS sono simili:

l’accuratezza è dell’ordine di 2 cm in planimetria, 4 cm in quota.

Attenzione!

Con gli attuali livelli di precisione

Panta rei!

Nulla sta fermo!

Il problema del Sistema di Riferimento

Una rete regionale di stazioni permanenti (SP),

distribuendo dati, prodotti e servizi, distribuisce coordinate.

Ovvero:

materializza e distribuisce un sistema di riferimento.

Due esigenze verso l’utenza:

- massima efficienza e accuratezza, - massima semplificazione.

In contrapposizione?

Ci servono due passi indietro

Per fornire servizi in tempo reale/postprocessamento, le coordinate delle SP devono essere note:

ovvero la rete di SP di servizio deve essere inquadrata in un SR.

Qualunque SR?

Per garantire la massima accuratezza nella distribuzione dei servizi,

l’inquadramento deve essere fatto con la massima accuratezza,

nel sistema di riferimento proprio del GPS:

la scelta naturale è quella di un

monitoraggio continuo nel SR IGS: IGb00/IGS05.

L’aggiornamento delle coordinate delle SP

Tutto si muove,

è necessario aggiornare in continuo le coordinate delle SP?

E’ sufficiente

aggiornare le coordinate quando queste

siano cambiate

in modo significativo, ad esempio 1-2 cm,

probabilmente ogni 6 mesi.

La trasformazione a ETRF89-IGM95 nel tempo reale

L’utente tipicamente richiede risultati in ETRF89-IGM95:

un servizio deve stimare e diffondere la trasformazione.

Allo stato attuale,

nel protocollo RTCM non è prevista

la trasmissione dei parametri di una trasformazione;

due vie alternative per l’utente:

- inserire i parametri della trasformazione nel ricevitore, - trasformare a posteriori i risultati del tempo reale.

In prospettiva (necessità internazionale), necessità di prevedere in RTCM

la trasmissione dei parametri di una trasformazione.

Attenzione,

il lavoro non è terminato;

non esiste un kit “Servizio di Posizionamento”

che vada in automatico:

1. si può e si devono migliorare i servizi di rete,

2. occorre già ora cominciare a pensare all’era della 3 ^a

frequenza.