CAPITOLO 3
Impiego delle reti GNSS per la Infomobilità
Responsabile: Ambrogio Maria Manzino (1)
Alberto Cina (1), Marco Roggero (2), Vincenza Tornatore (3)
(1) DITAG – Politecnico di Torino, corso Duca degli Abruzzi 24 – 10129 Torino (2) DINSE – Politecnico di Torino, viale Mattioli 39 – 10125 Torino (3) DIIAR – Politecnico di Milano, piazza Leonardo da Vinci 32 – 20133 Milano
3.1. INTRODUZIONE
Lo sviluppo della ricerca su questo tema è avvenuto in tre fasi sequenziali che possono essere sintetizzate come segue:
1. Una accurata ricerca sullo stato dell’arte delle applicazioni di infomobilità supportate da una rete GNSS permanente, e nella definizione delle esigenze relative ai diversi tipi di applicazioni.
2. Una valutazione tecnica delle modalità di riuso delle reti regionali per questo tipo di applicazioni, in termini di analisi costi/benefici.
3. Un lavoro di sintesi finale che produrrà un rapporto definitivo.
In questo capitolo cercheremo di rispondere nel paragrafo 3.2 alle esigenze dei diversi tipi di applicazioni. Nel paragrafo 3.4 una bibliografia ragionata servirà a fare il punto sullo stato dell’arte delle applicazioni di rete all’infomobilità.
Nel paragrafo 3.3 si cercherà di proporre una modalità di riuso delle reti di stazioni permanenti per questo tipo di applicazioni. L’analisi dei costi e dei benefici tuttavia è solo qualitativa, in quanto dipende sensibilmente sia dall’applicazione che dal grado di automazione che si desidera fornire all’applicazione stessa.
3.2. LE APPLICAZIONI DI INFOMOBILITÀ DI RETI GNSS E LE LORO ESIGENZE Agli scopi della ricerca, relativi alla definizione delle esigenze dei diversi tipi di applicazione ed allo stato dell’arte delle applicazioni stesse cerchiamo dapprima di rispondere a queste domande:
- Qual è lo stato dell’arte delle applicazioni che possono trarre beneficio dalle reti per il tempo reale? Quali sono le loro esigenze?
- Qual è lo stato dell’arte dei ricevitori a costo relativamente basso, che usualmente sono utilizzati in tali applicazioni e che traggono beneficio dalle reti?
- Quali precisioni possono essere richieste nei vari ambiti di infomobilità?
3.2.1. Stato dell’arte delle applicazioni ed esigenze relative
Vi sono applicazioni di posizionamento legate all’infomobilità che potrebbero richiedere un
incremento di precisione, prestazioni ed affidabilità rispetto al posizionamento stand-alone. Senza
la pretesa di esaurire tutte le applicazioni che la fantasia e le nuove esigenze creano, possiamo
distinguere gli usi diretti ed indiretti legati all’infomobilità. Infine elenchiamo possibilità non
ancora appieno sfruttate ma di possibile futuro sviluppo.
Applicazioni dirette legate all’infomobilità:
Il tracciamento di flotte di automezzi di merci pericolose e di veicoli per soccorso stradale. Può essere utile una affidabilità più spinta delle coordinate in casi di pericolo come deviazioni di corsie e incidenti. Può servire su mezzi di soccorso: ambulanze, VVFF, forze di Polizia, Soccorso Stradale. In questi casi vi possono essere esigenze in tempo reale (forze dell’ordine, polizia, ambulanze ecc.) sia in post processing giornaliero (il tracciamento di flotte non sempre necessita del tempo reale, in alcuni casi è sufficiente il calcolo dei tragitti al termine di una giornata lavorativa). Per questi copi sono sufficienti ricevitori GPS di bassissimo costo, (50€, detti anche mass market), purché dotati della possibilità di applicare le correzioni DGPS in tempo reale e/o di registrare su una periferica, abitualmente sulla memoria di un telefono, o su palmare i dati grezzi. Questa possibilità esiste ad esempio con ricevitori GPS della Ditta Sirf, o della Ditta u-Blox. Vi sono anche prototipi in grado di assemblare tutta la tecnologia necessaria a fare funzionare questi sensori sia con le correzioni differenziali in real time, che in post processing. Non vi sono però ancora strumenti di larga diffusione che abbiano entrambe le capacità elencate.
Per la movimentazione all’interno di un interporto di container in funzione della loro localizzazione. Una precisione elevata consente un buon posizionamento delle gru di sollevamento. Le esigenze sono l’elevata precisione e la buona affidabilità. Ciò è ottenuto applicando le correzioni differenziali a ricevitori di basso o medio costo. Applicazioni diffuse di questo tipo si hanno nei porti e negli interporti del nord Europa con ricevitori mono frequenza della Ditta Septentrio.
In ambiente marino, lacustre o fluviale per la batimetria di precisione, legata ad esempio ai nuovi sensori-scanner subacquei. Le esigenze sono la media od alta precisione in tempo reale.
Nel primo caso non è sufficiente un posizionamento stand-alone, ma si richiede almeno un posizionamento differenziale, i costi tuttavia sono limitati a poche centinaia di €. Nel secondo caso si richiede il fissaggio delle ambiguità di fase, con un ricevitore di fascia media di costo. In entrambi i casi è necessario un inquadramento in un sistema di riferimento standard ed è ciò che abitualmente viene assicurato e prodotto con le correzioni di rete.
Nel soccorso alpino. In condizioni di pericolo: nebbia, ghiaccio, condizioni meteo avverse in genere; nella guida assistita da elicotteri del Servizio Civile o dei VVFF per l’avvicinamento in condizioni critiche. Esigenze: usualmente non servono precisioni migliori di uno o due metri.
Tali precisioni possono essere raggiunte con ricevitori di bassissimo costo purché abilitati alla ricezione del segnale differenziale. In questi casi il vincolo più stringente non è il ricevitore GPS ma il mezzo di comunicazione con la base. Non è sempre possibile in certi siti la comunicazione GSM o GPRS. Le correzioni di rete, sia pure a basso livello di precisione, potrebbero essere allora radiodiffuse o trasmesse con sistemi satellitari, wireless od altro ancora.
Quando serva una certificazione “PVT” (Posizione, Velocità e Tempo) legata al pagamento di parcheggi, al tempo di sosta od ai km percorsi in autostrada. Le esigenze non richiedono elevata precisione, una precisione di uno o due metri è sufficiente e raggiungibile con ricevitori mass market, purché abbiano accesso alle correzioni di rete. A proposito ricordiamo che le reti memorizzano in un file di log non solo il nome dell’utente e i tempi di utilizzo della rete, ma anche le posizioni e le precisioni raggiunte nel posizionamento.
Posizionamento di precisione di piattaforme o cavi poco fuori costa. Le esigenze sono identiche a quelle esaminate nelle applicazioni batimetriche.
Controllo in tempo reale dell’interdistanza tra veicoli. Vi sono degli studi in proposito sia della
General Motors che della Fiat. In questi casi tuttavia l’esigenza principale non è l’applicazione
ma la sua certificazione in termini di affidabilità.
Posizionamento indoor. Le esigenze sono precisioni di tipo metrico. È oggi possibile in alcune favorevoli circostanze grazie alla maggior sensibilità dei ricevitori. Uno dei problemi cruciali è il multipath. La costellazione Galileo promette segnali ancora meglio ricevibili in condizione indoor ed una minore sensibilità al multipath.
Agricoltura di precisione. L’esigenza di precisione è di tipo metrico. Anche in questo caso sono sufficienti ricevitori di basso costo, purché abilitati al posizionamento DGPS. La correzione di rete fornisce sia la certificazione che l’inquadramento in un sistema di riferimento noto.
Applicazioni indirettamente utili all’infomobilità
Aggiornamento speditivo di database topografici, inserimento e reperimento di elementi di infrastrutture viarie e di servizi, sottoservizi ed impianti, sentieristica. Per la costruzione di questi sistemi informativi, la precisione usualmente richiesta è sub metrica. Usualmente è possibile ottenerla con correzioni differenziali applicate a ricevitori di medio costo.
Posa automatica di strutture ed infrastrutture legate alla mobilità stradale e ferroviaria o di tubazioni, cavi ed elettrodotti. In particolare in ambito ferroviario la posa delle traversine sulla massicciata con macchine automatiche; in ambito stradale il monitoraggio di macchine fresatrici della massicciata affinché non danneggino giunti di dilatazione o condutture inserite nella massicciata e precedentemente rilevate; sempre in ambito stradale, la gestione degli scavi per la posa o la riparazione di tubazioni e condutture. Esigenze: in tutti questi casi è necessaria sia la precisione che il tempo reale. La richiesta inderogabile è che sia noto ed unico il sistema di riferimento utilizzato. Tale esigenza è certamente tipica di una rete regionale o nazionale certificata.
La costruzione del Catasto stradale e ferroviario. In questo caso non sempre è necessario il tempo reale, può essere sufficiente ed è spesso più produttivo il posizionamento in post processing. Non per questo non sono utili le reti di stazioni permanenti. La notevole interdistanza tra stazione e luogo del rilievo non assicura il fissaggio delle ambiguità ed il relativo posizionamento di precisione. La possibilità della Rete di costruire, anche a posteriori, un archivio di dati di una stazione virtuale prossima al rilievo, consentirebbe di raggiungere gli scopi prefissi.
Applicazioni tecnicamente possibili ma non diffuse
Molti potenziali utenti che usano il GPS per scopi di navigazione stradale posseggono
strumentazione mass market che usualmente non si presta a scopi di posizionamento di rete. Per
due motivi: il ricevitore non è in grado di applicare le correzioni differenziali o, se anche lo
fosse, il carico trasmissivo risulterebbe elevato rispetto al mezzo trasmissivo e all’esigenza di un
posizionamento di più spinta precisione saltuaria. In questi casi il centro di controllo potrebbe
ricevere, solo quando serve, i dati grezzi del ricevitore. Con tali dati e i prodotti di rete è
possibile correggere il posizionamento stand alone del ricevitore ed infine trasmettere e
certificare la posizione all’utente connesso. In tal modo i mezzi trasmissivi possono avere bande
molto ridotte. Sono avvenute già sperimentazioni di questa procedura utilizzando particolari
ricetrasmettitori VHF in dotazione alla Protezione Civile del Piemonte. Tali ricetrasmettitori
hanno la capacità di eseguire contemporaneamente la trasmissione della voce e dei dati con una
modesta larghezza di banda (9600 baud).
3.2.2. Quali ricevitori traggono beneficio dalla rete? Quali precisioni raggiungono nella rete?
In sintesi, traggono beneficio tutti i ricevitori che hanno la possibilità di applicare una correzione differenziale od anche, in modalità DGPS inversa, la possibilità di trasmettere i propri dati grezzi ad un centro di controllo.
Oggi vi sono praticamente tre fasce di ricevitori, tale panorama tuttavia sarà abbastanza diverso fra cinque anni con l’ammodernamento del sistema GNSS.
Sul mercato sono presenti svariati ricevitori dalle diverse caratteristiche, e con prezzi estremamente diversificati. Si può dire che quasi ogni applicazione possa contare su di un’apparecchiatura GNSS specifica. Associate ad ogni ricevitore sono acquisibili molte opzioni per diversi tipi di utilizzo. Una classificazione dei ricevitori può essere fatta in base alle misure che questi sono in grado di acquisire. In base a questo criterio possiamo individuare quattro categorie di ricevitori:
Ricevitori mass market detti anche “misura di codice” (pseudoranges)
Ricevitori “singola frequenza” (GPS o GPS e Glonass)
Ricevitori “geodetici” (doppia frequenza GPS, Glonass ed aperti all’innovazione GNSS).
Quest’ultimi ricevitori possono essere nella configurazione “rover” o nella configurazione di stazione permanente.
Vediamo le principali caratteristiche.
Ricevitori “mass-market”
Figura 1 – Ricevitori “mass-market”.
Sono la classe più diffusa sul mercato. Generalmente impiegano le misure effettuate sul codice per
il calcolo della posizione. I ricevitori che normalmente si trovano in commercio hanno almeno 6
canali (più spesso 12), hanno dimensioni e prezzi contenuti che vanno dai 50 € ai 400 €. Buona
parte del costo dipende dall’interfaccia utente, che può presentarsi attraverso uno schermo a colori
sensibile ai comandi dell’utente, o limitarsi a pochi tasti. Usualmente vengono impiegati per la
navigazione terrestre e, per questo, hanno capacità di calcolo e visualizzazione della cartografia e di
scelta interattiva delle rotte. Sono spesso detti “palmari” per le loro dimensioni. Questi ricevitori
forniscono coordinate su di un display, spesso non consentono la memorizzazione dei dati grezzi,
anche se alcuni di questi, come molti ricevitori Garmin e SiRF rendono disponibili le misure di
codice e fase su L1 con protocollo proprietario. Tutti i ricevitori invece possono fornire coordinate ad un apparato esterno, mediante un protocollo standard (NMEA), via collegamento seriale. La precisione del posizionamento assoluto è dell’ordine dei 10m in planimetria e può migliorare con una fitta costellazione. Alcuni di questi ricevitori consentono di applicare la correzione RTCM di codice, in tal caso la precisione planimetrica è di alcuni metri (2-5m) e può migliorare leggermente mediando le misure nel caso statico.
Altri ricevitori di questo tipo hanno un’interfaccia limitatissima od assente. Trasmettono semplicemente via protocollo bluetooth il messaggio NMEA che fornisce, ad un’altra periferica la posizione dell’antenna. Il costo è di circa 60€.
Altri ricevitori di questo tipo sono schede GPS OEM, che possono essere anche molto piccole. Il costo si aggira attorno ai 20€. Hanno lo svantaggio di dover essere montate in una struttura più complessa. Alcuni di questi ricevitori prevedono l’ingresso della correzione differenziale in formato RTCM 2.xx.
Ricevitori “singola frequenza”
DG14 RTK
Figura 2 – Ricevitori singola frequenza.
Possono acquisire oltre al codice C/A anche la portante L1 per il GPS ed hanno almeno 12 canali. I più recenti consentono di tracciare una frequenza anche della costellazione Glonass. Normalmente memorizzano i dati per il post processing su una memoria interna o su scheda estraibile, ma consentono la correzione differenziale per il tempo reale.
Sono di dimensioni contenute e perciò l’antenna, l’unità ricevente e l’alimentazione possono essere contenute in un alloggiamento da montare a vite su una palina o su un supporto. Di solito si comandano con pochi tasti o con un’interfaccia seriale.
Alcuni di questi ricevitori sono inseriti all’interno di un vero e proprio computer che permette anche funzioni GIS e di visualizzazione di immagini digitali.
La precisione centimetrica (di qualche cm) può essere raggiunta in post processing, trattando i dati
con quella di una stazione master non più distante di 15 km. Le correzioni RTCM che vengono
utilizzate sono di solito quelle di codice,che consentono, anche se la stazione base dista un centinaio
di km, un posizionamento con precisione metrica (80 cm – 1m) in planimetria.
Normalmente nessuno di questi ricevitori è in grado di usare, in tempo reale, le correzioni di fase.
Per meglio dire, nessuno ha la capacità di trattare codice e fase e giungere ad un posizionamento RTK di tipo centimetrico.
Attualmente ci risulta possibile solo con due ricevitori della Casa Magellan®. In particolare il modello DG14 RTK che vediamo sia nella versione OEM che nella versione inscatolata nella parte destra della figura è maggiormente indicato per applicazioni di infomobilità.
Il costo varia da 800€ nelle versioni OEM, a 5000€ nelle versioni GIS e con ricezione Glonass.
Al termine del paragrafo è riportata una tabella dello stato dell’arte di questi ricevitori di fascia media. Tale tabella fornisce anche un costo indicativo e le modalità di utilizzo dei sensori.
Ricevitori geodetici e multi costellazione
Questi ricevitori possono essere acquistati nella versione “rover”, nella versione “base” e nella versione “stazione permanente”, nonché in versioni OEM.
Figura 3 – Ricevitori geodetici.
Questi tipi di ricevitori sono i più completi e possono acquisire tutte le parti del segnale GPS (L1, L2, C/A, P), nonché tutte le parti del segnale Glonass. Alcuni di essi sono già abilitati a ricevere la terza frequenza delle nuove costellazioni, nonché la costellazione Galileo. Tali ricevitori sono i più indicati per costituire una stazione permanente. A detti ricevitori va in tal caso associata un’adeguata antenna, opportunamente monumentata.
Hanno la possibilità di memorizzare internamente una grande quantità di dati, nonché la possibilità di trasmettere, via porta seriale, una o più correzioni differenziali per mezzo di alcuni accessori (radiomodem, gsm-modem, internet)
I ricevitori geodetici possono essere usati anche nelle versioni “base” e “rover”. Spesso questa
definizione riguarda solo il modo con cui lo stesso ricevitore è utilizzato, ma entrambi hanno
caratteristiche identiche. In alcuni casi il ricevitore “rover” è più leggero e compatto. Il ricevitore
base deve calcolare e trasmettere la correzione differenziale. Il ricevitore rover deve essere in grado di riceverla ed applicarla ai propri dati grezzi. L’applicazione più importante è il posizionamento RTK, che si attua quando il ricevitore, utilizzando codici e fasi, è in grado di fissare,con sufficiente affidabilità, l’ambiguità intera di fase. In tal caso si raggiunge, in tempo reale,la precisione centimetrica.
Alcuni ricevitori necessitano il posizionamento statico, in attesa di questi calcoli necessari al fissaggio. Dopo il fissaggio e sino ad un’eventuale perdita delle ambiguità, il ricevitore può muoversi e mantenere la precisione centimetrica.
Altri ricevitori riescono a raggiungere il calcolo del fissaggio anche se si trovano in moto, utilizzando a tal fine una delle numerose tecniche definite On The Fly (OTF).
I tempi necessari al fissaggio, sia in posizione statica, sia in modalità OTF, variano da pochi secondi sino a tre minuti. Tale fissaggio in genere non avviene o, peggio ancora, avviene in modalità errata (falso fissaggio) quando il ricevitore base dista svariati km dal rover (10 o 15 km è un limite ragionevole). A questo proposito gli esperimenti eseguiti sulla rete di stazioni permanenti del Politecnico di Torino hanno mostrato che il posizionamento di rete permette tempi di fissaggio praticamente indipendenti dalla distanza dalla più vicina stazione permanente. Tali tempi sono inoltre limitati nel 95% dei casi a non oltre un minuto.
Si sono verificati casi (rari ma presenti) di falsi fissaggi anche a minor distanza.
L’uso di più di una costellazione è di buon aiuto all’interno di valli o di canyon urbani. Non risolve tuttavia tutti i problemi in quanto, per il buon posizionamento è anche necessario che gli indici Diluition Of Precision (DOP) siano alquanto bassi, ciò non avviene normalmente nei canyon urbani.
I ricevitori geodetici sono normalmente molto flessibili, consentendo la connessione con svariati sensori. I più utilizzati sono ad esempio gli orologi atomici, tipica periferica di una stazione permanente, oppure camere fotogrammetriche, o batimetri, nel caso di ricevitori rover. È molto attuale l’associazione tra ricevitori e sensori inerziali (INS). Tale associazione permette sinergicamente il posizionamento di precisione anche durante la perdita del segnale GNSS dovuta ad ostacoli e in genere ad interruzioni. Se queste sono limitate a pochi secondi è possibile recuperare quasi istantaneamente le ambiguità di fase.
Dati in uscita
Il ricevitore GPS può generalmente fornire dati in uscita e in particolare dati grezzi (codici e fasi per una loro successiva elaborazione) o coordinate in tempo reale. In tal caso il formato più conosciuto con il quale vengono fornite è secondo uno standard denominato National Marine Electronics Association (NMEA). Questo è organizzato secondo parecchi tipi di formati di “record”, riconoscibili da un identificativo iniziale: all’interno, oltre la posizione, possono essere contenuti vari dati.
Dati di codice e fase (per post processamento).
Alcuni ricevitori (solitamente quelli singola e doppia frequenza) possono memorizzare le acquisizioni dei dati di codice o di fase. Il formato con cui vengono scaricati i dati dalla memoria del ricevitore è normalmente quello proprietario della ditta costruttrice (normalmente un file binario). Questo può essere poi convertito in un formato standard, riconosciuto internazionalmente, e leggibile da tutti i programmi di elaborazione GPS. Il formato si chiama Receiver INdipendent Exchange (RINEX) l’ultima versione è la 3.0, che prevede la possibilità di inserire i dati delle future costellazioni. L’ultima versione in uso è la 2.30. Esiste anche una versione “compressa” (RINEX formato Hatanaka) già precedentemente menzionata.
Il formato RINEX si compone di un file di osservazioni contenente le osservazioni di codici e fasi
di ogni costellazione ed altri files, di navigazione, uno per ogni costellazione, contenente i parametri
per il calcolo delle orbite dei satelliti. Nel caso di presenza di una stazione meteorologica è prevista
anche la possibilità di fornire dati meteo in un opportuno file.
Tabella 1 - Ricevitori GNSS di medio costo adatti anche a scopi di infomobilità
Prodotto Marca post-
processato
real time GNSS mapper optional integrati prezzo al pezzo (IVA esclusa)
MobileMapperCX Magellan 30 cm submetrico GPS sì.
Windows
3.000€: compreso sw nel ricev.
GS20 PDM Leica
Geosystems
30 cm 50 cm GPS sì.
Windows
3.000€ : compreso sw nel ricev.
SR20 Leica
Geosystems
30 cm 50 cm GPS No 7.000 € la coppia
GMS-2 Topcon 1-2 m 1-2 m GPS&GLONASS sì.
Windows
Fotocamera 4.500 € escluso sw
GMS-2 PRO Topcon 1-2 m 1-2 m GPS&GLONASS sì.
Windows
Fotocamera,
distanziometro, bussola
5.000€: compreso sw nel ricev.
GeoXH Trimble 30 cm submetrico GPS sì.
Windows
5.000€: compreso sw nel ricev.
GeoXT Trimble submetricosubmetrico GPS sì.
Windows
4.000 €: escluso
ProXH Trimble 30 cm submetrico GPS palmare sw
esterno
3.500 €: escluso
ProXT Trimble submetricosubmetrico GPS palmare sw
esterno
2.500 € escluso sw
PathfìnderPROXRS Trimble 50 cm ~1m GPS palmare
esterno
4.500 € escluso sw
Nessuno ha il modem per la connessione per la ricezione dei dati differenziali, va acquistato a parte un cellulare o un palmare/cellulare.
Il sw per il post-processamento è a parte.
I MobileMapper sono commercializzati sia da Leica che da Codevintec.
3.2.3. Le precisioni ottenibili con ricevitori di basso costo in varie applicazioni
Nel paragrafo precedente abbiamo già valutato, nelle diverse classi di ricevitori oggi sul mercato, quali sono le precisioni raggiungibili in rete. Al contrario occorrerebbe partire dalle esigenze di precisione, affidabilità e tempi di risposta delle svariate applicazioni per costruire per queste il sistema idoneo allo scopo.
Nell’ambito dell’infomobilità esiste un gran numero di applicazioni per cui le precisioni tipiche del posizionamento stand alone sono più che sufficienti. Si pensi alla navigazione automobilistica, alla gestione dei sistemi di trasporto pubblico, ma anche, salvo i casi descritti in precedenza, al tracciamento di flotte. Tuttavia, nel settore dei trasporti esistono anche ambiti in cui un incremento della precisione è desiderabile se non indispensabile, in particolare quando questo è legato alla sicurezza.
Un esempio è il tracciamento di convogli ferroviari, in particolare in relazione al monitoraggio del carico e della posizione del treno, specie nella logica di separazione dell’esercizio da quella dell’infrastruttura. Anche il tracciamento e la guida di aeromobili, in ambito aeroportuale in assenza di visibilità normale e nelle fasi di avvicinamento o decollo assistito, possono rientrare in questo ambito. Tuttavia qui ci allontaniamo decisamente dalle finalità tipiche dell’infomobilità, per scontrarci con problematiche diverse maggiormente legate all’affidabilità dei servizi.
La precisione e l’affidabilità del posizionamento non possono in ogni caso essere disgiunte da valutazioni sul contenuto e sull’accuratezza del supporto informativo. L’efficienza di gestione di qualsiasi servizio di infomobilità è infatti strettamente legata alla struttura GIS di supporto. In questo senso l’apporto dato dalle RTN è più che altro legato al sistema di riferimento. Oltre al miglioramento della precisione di posizionamento, la rete fornisce infatti anche un unico inquadramento: è un piccolo vantaggio ma non trascurabile. È necessario ribadire che tale sistema di riferimento deve essere unificato perlomeno a livello nazionale.
Anche l’impiego di un’unica base cartografica per tutti gli enti pubblici e privati va nella stessa direzione, e in questo senso la rete geodetica di ordine zero ne costituisce l’ossatura.
Un’alternativa ai servizi di rete per migliorare la precisione del posizionamento sono i servizi di
“augmentation” forniti a livello continentale o globale. Il più importante per il nostro paese è EGNOS.
Nel caso di Egnos tale servizio permette il miglioramento della precisione dal livello decametrico a
quello di alcuni metri. Il servizio è completamente gratuito e il segnale di correzione, che non è
abitualmente in uno standard RTCM, viene comunque interpretato correttamente dai più comuni ed
economici ricevitori, come ad esempio molti ricevitori della Ditta Garmin, molti ricevitori Sirf ed
altri ancora di tipo mass-market.
Il segnale di correzione è trasmesso per mezzo di satelliti geostazionari situati allo zenith a latitudine equatoriale. Il problema dell’utilizzo di tali segnali non è solamente nella bassa precisione fornita, a causa del numero stazioni permanenti che forniscono i dati ancora limitato, ma è la scarsa visibilità dei satelliti, specialmente in ambito urbano.
Un recente esperimento per valutare le precisioni e le applicabilità, condotto al Politecnico di Torino, ha riscontrato la possibilità di utilizzate tali correzioni in meno del 10% di un percorso urbano, a causa della scarsa visibilità dei satelliti. Tali satelliti infatti si trovano a circa 40°-45° di elevazione alle nostre latitudini.
Per tali motivi, da tempo, il consorzio EGNOS ha previsto di diffondere tali correzioni, gratuitamente, per mezzo di internet. Sperimentazioni in tal senso debbono ancora essere condotte.
Va ricordato tuttavia che il miglioramento del posizionamento non è elevato e, con tali premesse,potrebbe essere percorribile la scelta di utilizzare una delle qualsiasi stazioni permanenti europee che forniscono il dato di correzione RTCM che fanno parte del progetto EUREF-IP.
A livello globale esiste un servizio di “augmentation” privato della Ditta Fugro, denominato
“OmniSTAR”. Il servizio è ovviamente a pagamento (http://www.omnistar.com/pricing.html) e prevede una quota di 1500 US$ per ricevitore e per anno nella modalità a precisione standard (VBS). La copertura globale è fornita da 70 stazioni permanenti. E due centri di controllo calcolano le correzioni. Per l’uso di tali correzioni, diffuse via satellite, servono tuttavia particolari ricevitori che decodificano il segnale,oppure ricevitori tradizionali,purché dotati di scheda di ricezione del segnale Omnistar. In ogni caso si parla di ricevitori di non meno di 5k€ di costo.
Il servizio prevede tre livelli di precisione differenziale, denominati VBS, HP, and XP.
OmniSTAR VBS dichiara una precisione sub metrica. In 24 ore di acquisizione la precisione tipica 2-sigma (95%) è minore di un metro in planimetria.
Il servizio OmniSTAR HP prevede un errore planimetrico 2-sigma (95%) di 6 centimetri, con gli stessi tempi. La Fugro indica l’agricoltura come il settore tipico di impiego
Il servizio OmniSTAR XP fornisce una accuracy di circa 5 cm a breve termine ed una ripetibilità a lungo termine migliore di 10 cm, 95%CEP.
3.3. VALUTAZIONE DELLE POSSIBILITÀ TECNICHE E DELLE MODALITÀ DI RIUSO DELLE RETI REGIONALI PER APPLICAZIONI DI INFOMOBILITÀ, IN TERMINI DI ANALISI COSTI/BENEFICI
In tutte le applicazioni legate all’infomobilità salvo casi particolarissimi, vi sono due caratteristiche comuni da considerare:
1) non serve quasi mai una precisione centimetrica, ma è utile spesso un miglioramento (augmentation) della precisione stand-alone che oggi è attorno ai 5m al 95%. Questa caratteristica di precisione è legata tuttavia in parte ai ricevitori oggi a disposizione ed alle loro fasce di costo, in parte potrà cambiare nei prossimi anni a causa del futuro ammodernamento del sistema GNSS.
Per tale motivo in questo capitolo si introdurrà un paragrafo che, in qualche modo esprime qual è la tendenza costruttiva dei futuri ricevitori GNSS in questi ambiti applicativi.
2) è indispensabile quasi sempre che, da Regione a Regione, si possa seguire l’oggetto in movimento in un unico sistema di riferimento. Ciò attualmente non avviene: quasi ogni Regione adotta un “Datum” proprio.
Quest’ultimo problema dovrebbe essere sanato a breve termine, con l’adozione di un unico e più
preciso sistema di riferimento Nazionale, grazie anche all’avvio del calcolo di un nuovo sistema di
riferimento Nazionale e Dinamico eseguito in questi giorni dall’IGM. In ogni caso il problema è di
carattere più generale, specie se si vuole un coordinamento continentale su certi “corridoi” di
comunicazione strategici a livello Europeo.
La soluzione che si propone è appunto un riutilizzo anche per il tempo reale e per scopi di media precisione di alcune stazioni delle reti delle Regioni.
Già attualmente le reti delle Regioni forniscono gratuitamente dati con decimazione a 30 secondi che vengono utilizzati in post processing. Questi dati sono parzialmente utilizzati da Enti pubblici, alcune stazioni sono già inserite nella rete Euref, altre stazioni sono utilizzate per il calcolo in post processing della nuova Rete Dinamica Nazionale dell’Istituto Geografico Militare.
Per scopi di inquadramento Nazionale è infatti sufficiente disporre dei dati di una o due stazioni regionali, purché ben distribuite e ben monumentate. Ciò permette il riutilizzo per la costruzione e l’unificazione dei sistemi di riferimento in un unico sistema di riferimento nazionale.
Ciò che si propone è fare altrettanto per gli scopi legati all’infomobilità. In tal caso il numero di stazioni necessarie potrebbe essere identico al caso precedente, ma ciò che si richiede è il flusso di dati ad un secondo. Tale flusso non sempre è disponibile gratuitamente, ma potrebbe esserlo per una sola stazione della rete regionale, agli scopi previsti legati ad un servizio pubblico nazionale.
È chiaro che in tal caso è necessario costruire non solo una rete per il tempo reale a livello nazionale, ma un vero e proprio servizio nazionale dotato di attrezzatura, personale e competenze.
Dal punto di vista tecnico è improbabile (perlomeno nella situazione della sola costellazione GPS del 2008) che si arrivi con sole 20 stazioni su tutta Italia, al fissaggio delle ambiguità di fase su tutta la rete nazionale. Tale risultato non è ciò che si richiede e neppure ciò che si desidera, anche per non entrare in concorrenza con i vari servizi nazionali.
Ciò che invece è molto probabile è, anche senza fissaggio, un miglioramento della precisione del posizionamento in tempo reale dell’utenza. Tale miglioramento, pur non portando al calcolo centimetrico della posizione riteniamo possa essere idoneo nella maggior parte dei casi utili all’infomobilità. Come conseguenza importante si avrebbe l’unificazione automatica dei vari sistemi di riferimento anche per gli scopi previsti dal posizionamento in tempo reale.
Il Politecnico di Torino sta sperimentando le precisioni ottenibili per questi scopi con una rete di stazioni permanenti molto rada, costituita da sole cinque stazioni ad elevata interdistanza. La sperimentazione è eseguita con due software di rete commerciali ed i risultati sono ancora in fase di controllo.
3.3.1. Cosa potrebbe fare una rete nazionale e cosa le reti regionali ancora non fanno completamente
Come si evince dalla bibliografia ragionata, vi sono ancora delle zone d’ombra in cui le reti regionali non sono ancora in grado di intervenire. D’altra parte alcune delle proposte che seguiranno hanno senso solo a livello nazionale e per scopi di infomobilità.
Una caratteristica critica agli scopi di infomobilità è l’affidabilità del posizionamento. Ciò è descritto in tutta la bibliografia che tenta di affrontare il “real time monitoring” del segnale GNSS.
Se si vuole controllare un solo ricevitore usualmente si affianca a tale ricevitore un secondo sensore e si confrontano, ad esempio con un posizionamento in tempo reale, i dati provenienti da entrambi.
Il problema è più serio e più complesso se si vuole controllare un’intera rete. Ciò che serve all’utente, non è solo capire se la rete sta funzionando correttamente, ma se le coordinate che il suo ricevitore calcola sono più o meno affidabili. Premesso che il risultato finale dipende ovviamente da come il ricevitore rover calcola l posizione, e su ciò non si può intervenire in nessun modo, ciò che può garantire la rete è che la correzione che l’utenza sta ricevendo è idonea a calcolare una posizione in tempo reale con un certo livello di accuratezza. Inoltre è possibile certificare che i dati inviati dalla rete sono completamente integri.
Il servizio SBAS di EGNOS prevede ad esempio un controllo di integrità.
Un’altra opzione prevedibile è la modalità di diffusione di correzioni nazionali. Se rimane ancora sensata l’opzione di internet, può avere senso in alcuni casi la diffusione delle correzioni sia in sottoportanti radio, sia per via satellitare.
In entrambi i casi occorre studiare la modalità di trasmissione di rete della correzione. Il mezzo
trasmissivo infatti è tipicamente “ad una via” e ciò non è percorribile con gli standard più diffusi di correzione a livello regionale.
Ciò è possibile, in parte, con l’uso della correzione con formato FKP. L’alternativa è l’utilizzo di un formato SBAS compatibile con EGNOS. Tali correzioni sono già attualmente leggibili dalla maggior parte dei ricevitori mass-market. Il problema è che i software di rete per il tempo reale non sono ancora in grado, dopo il calcolo dei vari bias, di convertirli e trasmetterli con tale formato.
Con ciò si raggiungerebbe probabilmente un livello di precisione dell’ordine di cinque volte migliore di quello attualmente raggiunto da EGNOS.
Se fossero disponibili gli errori sistematici calcolati dalla rete in tempo reale, sarebbe teoricamente possibile e percorribile ciò che viene denominato “PPP” (Precise Point Positioning) anche in modalità cinematica, con l’utilizzo delle correzioni di rete.
Un’altra possibilità non offerta dalle reti è il posizionamento DGPS inverso. Tale possibilità non è inserita sia per la bassa precisione (ma utile in ogni caso per l’infomobilità) sia per l’esigua richiesta che avrebbe. Tale poco rilevante richiesta, in termini di mercato, può invece essere rilevante in termini di utenza privilegiata. Tale posizionamento è in genere discontinuo e su richiesta, ma fatto in condizioni di emergenza. L’uso di tale posizionamento può essere utile, come accennato, per il soccorso alpino, per emergenze stradali, in zone dove non si disponga di un collegamento internet ma di semplici collegamenti radio VHF. Più in generale conviene fare ciò in tre casi: quando il carico trasmissivo della correzione differenziale è troppo elevato per il mezzo, che può essere così un semplice modem duale: voce/dati. Quando non occorre un posizionamento ogni secondo, ma ci si accontenta di un rate minore, ed infine quando il ricevitore rover non ha capacità di applicazione delle correzioni di rete (è il caso ad esempio di GPS integrati in telefonini).
Quale che sia la tipologia di applicazione, anche di bassa precisione, è sempre opportuno che il gestore del servizio o anche l’utente disponga di informazioni sull’integrità del dato.
In questo caso è l’utente che invia i dati grezzi (basta un’epoca) al centro di calcolo. A sua volta il centro di calcolo esegue il posizionamento, corregge la posizione in funzione dei bias calcolati dalla rete ed infine ritrasmette la posizione all’utenza fornendo anche un livello di affidabilità.
3.3.2 Con l’ammodernamento del sistema i nuovi ricevitori non avranno più bisogno delle reti (regionali o nazionali)?
Come già detto, purtroppo ancor oggi la rete EGNOS è poco sfruttata, sia per lo scarso contributo in precisione, dovuto alla grande interdistanza tra le stazioni permanenti a terra, sia per i satelliti geostazionari che usa, poco visibili alle nostre latitudini. Con una rete nazionale, molto più fitta delle stazioni europee e già predisposta alla diffusione dei dati, entrambi i problemi sarebbero superati. Ciò assumerebbe maggiore importanza nell’ottica dell’ammodernamento delle costellazioni GPS e Glonass e delle nuove costellazioni Galileo e Compass. Sino ad oggi infatti aveva poco senso applicare correzioni di rete a ricevitori di solo codice a causa del grande rumore dei dati di codice. Tale rumore supera, o meglio, è quasi dello stesso ordine di grandezza dell’“augmentation” che può fornire una rete continentale. Il futuro però è ben diverso: con i nuovi satelliti sono previsti codici molto più precisi e molto meno rumorosi. A sua volta le case costruttrici prevedono la costruzione di ricevitori di basso costo che utilizzino detti codici (si veda ad esempio fra tutte la Ditta U-blox: http://www.u-blox.com/products.html). Mentre sinora le fasce di precisione erano grossomodo (a seconda dei ricevitori) tre: 5m per il posizionamento stand alone, 1-2m per il posizionamento DGPS e 5cm per il posizionamento RTK, in futuro avrà senso una precisione submetrica nel caso si utilizzino questi nuovi codici e congiuntamente un posizionamento di rete.
Anche se i nuovi ricevitori promettono il tracciamento di più costellazioni (3.3.3) e delle precisioni sui codici decimetriche, rimane sempre il problema della modellazione dei bias, troposferico e ionosferico su una vasta area. Tali bias sono di ordine metrico o decametrico e non è possibile raggiungere precisioni decimetriche se prima non sono stati adeguatamente stimati ed applicati.
Inoltre, per garantire la piena inter-operabilità dei sistemi di navigazione occorre che gli stessi
utilizzino un comune sistema di riferimento. Tale sistema è implicitamente trasmesso dalle effemeridi. Purtroppo così attualmente non avviene, non solo per le tre dimensioni di posizione, ma anche per la variabile tempo.
Per il trattamento dei dati in post processing il problema non si pone in quanto è risolto attraverso una trasformazione tra i sistemi di riferimento. Il problema principale rimane l’inter-operabilità in tempo reale: anche se gli USA, la Russia e l’UE sono interessati a rendere le effemeridi trasmesse sempre più coerenti con il sistema ITRF, rimangono delle discordanze. Per quanto riguarda la scala dei tempi è previsto nel messaggio navigazionale delle tre costellazioni di inserire un valore di ritardo che permetta il collegamento almeno con la scala GPS. In ogni caso la differenza temporale
tra costellazioni sarà dell’ordine del nanosecondo (10-9s=30 cm) e si recupera al costo di una osservazione ad un satellite nel point positioning. Queste differenze non sono tali da interessare le numerosissime applicazioni di bassa precisione.
Un ruolo fondamentale per questi calcoli è giocato dalle reti di stazioni permanenti. Queste stazioni infatti, se tracciano più di una costellazione, possono rappresentare il modo di unificare i vari sistemi di riferimento.
I benefici apportati da reti di stazioni permanenti di questo tipo non si limitano alla sola unificazione del sistema di riferimento, ma sono numerosi e importanti. Citiamo ad esempio la possibilità di monitorare, quasi in tempo reale, la quantità di vapore precipitabile che, grazie ai numerosi satelliti tracciabili contemporaneamente fra le tre costellazioni, permetterà una conoscenza della troposfera molto più accurata. Queste ricadute tuttavia non fanno parte degli scopi del presente lavoro, ma sono citate in quanto è stata proposta l’istituzione di una rete a carattere nazionale.
3.3.3. I futuri ricevitori
Già attualmente sul mercato sono disponibili ricevitori che promettono di tracciare le future frequenze Galileo, GPS e Glonass. Ad esempio Topcon® dispone del ricevitore NETG3 a 72 canali
“universali” in grado di tracciare le tre costellazioni, Javad® ha annunciato un ricevitore equivalente di nome GeNiuSS; NovAtel® ha annunciato un ricevitore in grado di tracciare due frequenze GPS e due Galileo, Septentrio® il ricevitore AsteRx1 in grado di tracciare anch’esso queste due costellazioni.
Parlare dei futuri ricevitori può apparire allora come parlare delle previsioni del tempo della settimana appena trascorsa. Così non è non solo perché le costellazioni non sono ancora ammodernate od in orbita, ma anche perché il mercato proporrà una vasta fascia di ricevitori per diversi tipi di applicazioni. In ogni caso è utile capire come si muoverà l’industria in questa direzione.
Occorre a tal fine fare utilizzare almeno quattro grandi categorie: i ricevitori geodetici di alta precisione, tipicamente usabili per stazioni permanenti, i ricevitori geodetici per applicazioni RTK, i ricevitori per applicazioni GIS ed infine i ricevitori da includersi in ricevitori telefonici o usabili sulle autovetture.
È chiaro che i ricevitori più costosi e più precisi saranno in grado di tracciare le tre frequenze GPS, Glonass e le tre frequenze Compass o Galileo aperte a tutti. Sono già tecnicamente disponibili sul mercato a costi, tuttavia, tre volte superiori a quelli di un ricevitore GPS geodetico. L’applicazione ideale è proprio per stazioni permanenti, l’ideale accessorio è un orologio al rubidio e il beneficio che potrà dare alla comunità intera è l’unificazione dei tre sistemi di riferimento spazio temporali GNSS. Ovviamente saranno utilizzati ancora all’interno di reti di stazioni permanenti per il posizionamento in tempo reale.
I ricevitori per scopi RTK, secondo alcuni studiosi e secondo Septentrio® potrebbero essere più semplici ed economici. Per giustificare questa affermazione vediamo prima di tutto le premesse.
I ricevitori potranno essere solo GPS + Galileo. Le tecniche di acquisizione di questi ricevitori a
duplice costellazione (CDMA) sono molto simili e più semplici rispetto ai ricevitori Glonass
(FDMA) e i ricevitori sono molto più economici.
Utilizzando ricevitori a doppia costellazione (CDMA) occorre considerare ancora che i segnali Galileo sono molto migliori degli attuali segnali GPS ed in parte migliori anche di GPS ammodernato; ciascun segnale Galileo include un cosiddetto “segnale pilota” che può essere acquisito indipendentemente. Ciò ha un positivo impatto proprio nelle applicazioni RTK a ragione del fatto che, in caso di perdita di contatto (cycle slip) la riacquisizione della fase, contrariamente al GPS, è pressoché immediata.
Gli schemi di modulazione delle fasi rendono i codici più precisi e meno soggetti al multipath.
Per contro le frequenze che dovrebbero tracciare sono quattro, con due frequenze in comune: L1 con E1 e L5 con E5. Ciò comporterebbe aggravi di costo non tanto nei ricevitori, ma principalmente nella costruzione delle antenne. I nuovi ricevitori non dovrebbero far uso di schemi indiretti i tracciamento della portante L2 (codeless o semicodeless).
La soluzione, secondo gli autori citati, sarebbe quella di utilizzare le sole due frequenze comuni GPS e Galileo. Vi sono altre motivazioni a favore.
Tali frequenze, non le altre, sono infatti riservate all’Aeronautica (ARNS Aeronautical Radio Navigation Service) e quindi protette sia per scopi aeronautici che civili; queste bande infine hanno la massima separazione in frequenza e consentono una buona stima della ionosfera all’interno delle distanze tipiche del posizionamento RTK (che potrebbero essere aumentate a una ventina di km).
Le antenne in questo caso sarebbero molto semplici da costruire.
Questa strada, seguita da Septentrio, è già stata adottata anche da NovAtel con il ricevitore 15-a.
Un vantaggio non trascurabile di questi ricevitori a doppia costellazione rispetto alle attuali due frequenze GPS, è la possibilità di tracciare contemporaneamente un alto numero di satelliti, particolarmente utile in città o in zone boscose, dove i codici Galileo promettono una resa migliore.
Vi sono ragioni per cui i ricevitori di fascia elevata sono già oggi disponibili sul mercato, mentre quelli di fascia minore, salvo due eccezioni, non sono presenti. La prima è questi ricevitori di alta precisione hanno costi che compensano l’alta tecnologia e il basso numero di esemplari prodotti, la seconda è nella tecnica di costruzione dotata di processori FPGA (Field Programmable Gate Array).
Per spiegare il vantaggio in modo poco corretto ma abbastanza chiaro, questa tecnica permette di costruire ricevitori il cui firmware è completamente programmabile attraverso opportuno software.
Ciò consente di costruire ricevitori dotati di “generic / universal channel”, cioè di canali in grado di tracciare un generico segnale di una generica costellazione, quindi già pronto in teoria, a tracciare segnali non ancora disponibili.
Ad esempio, il ricevitore NovAtel 15-a dispone di 16 canali in tutto, ma questi canali possono essere utilizzati, a seconda del desiderio dell’utente, in cinque configurazioni diverse. Nella configurazione numero 4 ad esempio si prevedono 6 canali GPS L1, cinque per Galileo L1 e cinque per Galileo E5a.
Le ragioni numeriche per le quali i più probabili ricevitori RTK saranno probabilmente 2+2 frequenze derivano dal calcolo, all’interno delle 24 ore di ciò che si definisce il “success rate”, cioè la probabilità della determinazione corretta delle ambiguità di fase ad una certa epoca.
Figura 4a: in rosso il success rate per ricevitori Galileo a
tre frequenze, in verde il numero di satelliti
Figura 4b: in rosso il success rate per ricevitori
2GPS+2Galileo, (2-IGG) in verde il numero totale di
satelliti
Riportiamo nelle figure solo il caso di utilizzo delle tre frequenze Galileo (3-GAL), il caso di utilizzo delle tre frequenze GPS è molto simile ed anzi leggermente più scadente, mentre il risultato di utilizzo di tre frequenze GPS e tre Galileo è praticamente identico al risultato 2-IGG. Le probabilità, ricavate nelle ipotesi che si utilizzi l’algoritmo lambda (integer least squares) per la ricerca degli interi, sono sempre superiori al 99% e maggiori nel caso 2-IGG che nel caso 3-GAL.
Una novità che non è solo una tendenza, in questo settore, è l’inserimento in questi strumenti per RTK di accelerometri triassiali e giroscopi che rendono lo strumento un vero e proprio sistema di navigazione inerziale.
Il beneficio maggiore di questa sinergia si ha quando i due tipi di misura sono strettamente accoppiati (tightly coupled), intendendo con ciò che l’unità di calcolo deve essere in grado di trattare, assieme alle accelerazioni e alle velocità angolari non le posizioni spaziali, ma le osservabili grezze di fase e di codice.
Solo in questo modo è possibile “ricucire” eventuali cycle slips e tener conto in maniera più fine degli errori sistematici presenti in entrambi i tipi di misura.
Ci sono già tre grandi case costruttrici di ricevitori GNSS che hanno progettato all’interno dei loro ricevitori sistemi tightly coupled per il posizionamento di precisione, utilizzando e trattando, oggi solo con i dati GPS, codici, fasi accelerazioni e velocità di rotazione angolare. Si parla dell’inserimento di accelerometri triassiali addirittura in ricevitori GPS utilizzati abitualmente per autovetture.
Rimangono da completare le previsioni inerenti i nuovi ricevitori per applicazioni GIS. Molto probabilmente saranno ricevitori identici o molto simili a quelli RTK, molto meno costosi grazie solo al fatto di non avere al loro interno grandi capacità di calcolo in grado di ottenere il posizionamento RTK, ma solo quelle necessarie a lisciare i codici con le fasi od, al più, ricavare il posizionamento differenziale “float”, con semplici tecniche di misura. Saranno ricevitori in grado di tracciare entrambe le costellazioni anche per permettere di ricevere un ampio numero di satelliti anche in condizioni sfavorevoli dovute a numerose ostruzioni, dotati al solito di un ampio schermo per visualizzare la cartografia esistente ed inserire in mappa le entità rilevate.
La gran parte del mercato dei ricevitori GNSS sarà però costituito da ricevitori in grado di essere inseriti nei telefoni cellulari o nelle automobili. Allo scopo, anche in Italia, all’Istituto Superiore Mario Boella (http://www.ismb.it/) si stanno studiando chip di dimensioni adatte ai telefonini, in grado di costare non più di 5 US$. Per queste applicazioni è privilegiata la costellazione Galileo, a motivo del fatto che è un sistema civile e che è dotato di un messaggio di integrità sui codici.
Probabilmente si utilizzeranno i codici delle due frequenze più separate.
3.4. BIBLIOGRAFIA RAGIONATA
Abwerzger G., Wasle E., Hoffman-Wellenhof B., Hanley J., Holgado J. A.,J., Claverotte L., Dalmas M., Guard J., Fridh M., Gomes P., Lem O., Roberts W., Scarda S. “Location based services – ready for take off?” ION GNSS 2007, pagg. 1894-1902.
Applicazione, risultati e critica: Il lavoro è un’indagine di mercato globale sui LBS, nati nel mercato all’inizio del boom delle telecomunicazioni, cioè negli anni ’90.
Secondo gli autori vi è una certa crisi nel settore, almeno in Europa. Ciò è dovuto in parte al fatto che le ditte costruttrici di telefoni cellulari sono restii ad introdurre sensori GPS nei telefoni mass-market, ma solo in quelli di più alto costo. (PDA e Smartphones) In Europa inoltre non esiste una adeguata norma come negli USA (norma US E911). Le diverse esigenze, il diverso linguaggio, la diversa legislazione degli stati europei, specie quella relativa alla telefonia mobile, non aiuta il diffondersi di queste tecniche. Gli operatori non hanno perciò interesse a sviluppare infrastrutture idonee. Gli autori pensano che il mercato europeo LBS possa subire una ripresa con l’avvento di Galileo, in relazioni alle migliori capacità della costellazione e dei nuovi ricevitori nel posizionamento indoor e combinando le satellite based positioning con le network based positioning.
Basnayake C.: “GNSS Messaging scheme for vehicle to vehicle (V2V) and Vehicle to infrastructure (V2I) communications based precise positioning with low-cost hardware”. ION GNSS 2007, pagg 1346-1446
Tecnologia: Prevede l’uso di strumentazione basso costo in grado di ricevere il segnale di correzione, associata a strumentazione GNSS sviluppata ad hoc in grado di eseguire un posizionamento RTK relativo tra veicoli o tra veicolo ed infrastruttura. Allo scopo è necessario comunicare un codice identificativo del veicolo. Per tali scopi è idoneo il formato di trasmissione delle correzioni RTCM 3.xx
Applicazione, risultati e critica: L’applicazione è il posizionamento di precisione (metrico) tra veicoli in moto o tra il veicolo ed un’infrastruttura. Non propone l’utilizzo di reti di stazioni permanenti, ma ciò è dovuto all’applicazione sperimentale eseguita nei lavoratori e nelle piste della General Motors USA. È chiaro che gli aspetti più stringenti in questo cosao riguardano la comunicazione tra veicolo e veicolo o tra veicolo e il centro di controllo e, d’altro canto, l’affidabilità del posizionamento. Le zone di inapplicabilità sono quelle comuni al posizionamento di bassa precisione: i tunnel e l zone oscurate dal segnale GNSS. Le prove sono state eseguite in due scenari stradali diversi: il primo in una pista aperta ed il secondo su una autostrada. Sono state comparate le posizioni secondo la modalità: single point positioning, GPD differenziale, Soluzione di fase Float e soluzione di fase fix. In entrambi gli scenari l’uso di strumentazione a basso costo in DGPS ha permesso un posizionamento relativo migliore di 2m nel 90% dei casi, mentre la strumentazione RTK ha portato ad un errore relativo migliore di 1m nell’86% dei casi.
Biagi L., Capra A., Castagnetti C., Dubbini M., Unguendoli F.: Agricoltura di precisione: l'aiuto del GPS nella guida dei veicoli. Atti 11a Conferenza Nazionale ASITA, Torino, 11/2007
Tecnologia: Posizionamento differenziale in tempo reale con ricevitori di classe media e bassa.
Applicazione: Agricoltura di precisione. Il GPS assiste l’operatore nella guida del veicolo, fornendo la traiettoria per coprire in modo ottimale l’area. La sperimentazione è stata eseguita su ricevitori a basso costo, in modalità di posizionamento assoluto.
Bonacina C., Vassena G., Gadola M., Morbioli S.: Posizionamento di mezzi in moto ad alta velocità mediante tecniche GNSS ad alta frequenza: confronto con i sensori utilizzati nei sistemi di acquisizione di bordo In:
Ludovico Biagi, Fernando Sansò Editori. Un libro bianco su i servizi di posizionamento satellitare per l'e- government. (ISSN 1591-092X.: Geomatics Workbooks (Italy).Capitolo 7.2
Tecnologia: posizionamento RTK al alta frequenza per ottenere in tempo reale traiettorie di veicoli da controllare o da guidare ad alta velocità.
Applicazione: controllo e guida di veicoli da corsa. Il contributo descrive la procedura utilizzata e i risultati ottenuti strumentando un’autovettura impiegata nell’automobilismo da competizione.
Brovelli M. A., Grazioli A., Realini E., Sampietro D.,: Qualità dei sistemi di localizzazione individuale in ambito urbano: alcuni esempi: Atti 11a Conferenza Nazionale ASITA, Torino, 11/2007
Tecnologia: Il sistema integra ricevitori GNSS, telefoni di nuova generazione e un computer centrale che su internet GIS segue gli spostamenti della persona in tempo reale, comunicando ostacoli e fornendo indicazioni di percorsi tramite un sintetizzatore vocale.
Applicazione: supporto della mobilità di non vedenti e ipovedenti. L’ambito di interesse è prevalentemente urbano, situazione nella quale i sistemi di posizionamento potrebbero avere problemi connessi all’occlusione del segnale; sono state eseguite sperimentazioni con strumenti GNSS di medio e basso livello.
Errico A., Robustelli U., Santamaria R. Navigazione indoor e pseudolite: a che punto siamo? Atti 11
aConferenza Nazionale ASITA, Torino, 11/2007
Tecnologia: posizionamento GNSS indoor con l’uso di pseudoliti ed apparecchiature GPS . I test e le simulazioni, in ambiente Matlab, confermano le proprietà di un segnale pseudolite, ma soprattutto hanno evidenziato come l’uso delle tecniche Direct Sequence Spread Spectrum e Frequency Hopping riducano fortemente gli effetti prodotti dal multipath e dal problema near/far e,in particolare, riducano le interferenze che affliggono il segnale utile, sia l’interferenza che lo stesso
segnale utile provoca sulle altre comunicazioni in corso.
Applicazione: posizionamento indoor.
Fastellini G. Radicioni F.. Schiavoni A. Stoppini A.: Confronto dei parametri cinematici del moto di un veicolo determinati con metodi satellitari GNSS e con sistema integrato GPS/IMU. Atti della X Conferenza Nazionale ASITA, Bolzano, Novembre 2006.
Tecnologia: Il veicolo strumentato realizzato per la sperimentazione è dotato di quattro ricevitori GNSS (GPS/GLONASS) e una piattaforma inerziale integrata con un proprio sistema GPS Omnistar. L’elaborazione dei dati GNSS è stata eseguita in cinematico OTF in post-processamento.
Applicazione: Sperimentazione di un autoveicolo per rilevamento di strade e catasto stradale, dotato di strumentazione GNSS e inerziale. Sono state confrontate soluzioni di posizione ottenute in varie configurazioni dai soli ricevitori GNSS e dalla piattaforma inerziale.
Foy S., Deegan C., Mulvihill C., Fitzgerald C., Markham C., McLoughlin S.: Road sign safety identification through the use of a mobile survey system The 5th International Symposium on Mobile Mapping Technology (MMT '07). Padova, Maggio 2007.
Tecnologia: Il lavoro mostra come è più conveniente associare al posizionamento GPS dei sensori IMU MEMS, anche a basso costo, piuttosto che rilevare la posizione GNSS con una elevata frequenza. Anche se l’applicazione non sfrutta la tecnologia di posizionamento di rete, le applicazioni che coinvolge sono quelle del rilevamento stradale, che più convenientemente possono eseguirsi con posizionamenti di rete. il concetto che governa il lavoro è che il posizionamento GNSS, sia a causa delle ostruzioni he a causa delle basse frequenze del dato deve essere necessariamente integrato con l’uso di altri sensori, anche di basso costo..
Applicazioni: Il rilevamento stradale di media od alta precisione, a supporto della georeferenziazione di immagini riprese da un veicolo rilevatore (Mobile mapping System).
Gandolfi S., Gusella L., Milano M.: Precise point positioning: studio sulle accuratezze e precisioni ottenibili:
Bollettino di Geodesia e Scienze affini, n° 4, 2005. pagg. 228-252
Tecnologia: Posizionamento non differenziato dei dati di stazioni permanenti per mezzo del software Gipsy-Oasis e di modelli molto accurati di biases.
Applicazione: L’autore vede le applicazioni nel calcolo o nella verifica con due o più software indipendenti gli uni dagli altri delle posizioni ottenute a livello globale delle stazioni permanenti regionali o nazionali. La modellazione dei vari bias, ottenibili ad esempio da reti regionali o nazionali, apre il campo anche al posizionamento cinematico ad una via.
Mazzone F.: I Sistemi Intelligenti per il Trasporto: Atti della Conferenza Mobilità Informata Roma, 13 Dic 2007
Tecnologia: L’Autore propone ciò che chiama “ITS: Intelligent Transport System come sistema costituito non solo da sensori di posizionamento, ma da strumentazione informatica e di comunicazione atta alla gestione del traffico. Tale strumentazione è sia una componente del veicolo, sia tutta la componente della rete di gestione del veicolo e del traffico.Applicazione: L’autore vede le applicazioni ITS in questi ambiti:
La gestione del traffico e della mobilità
Il pagamento automatico
La gestione del trasporto pubblico
L’informazione all’utenza
Il controllo avanzato del veicolo per la sicurezza del trasporto e la navigazione
La gestione delle flotte e del trasporto merci
La gestione delle emergenze e degli incidenti
Infomobilità
Per tutti gli ambiti prevede un impiego via via più diffuso perché in grado di fornire “soluzioni a basso costo” all’attuazione ed al miglioramento delle politiche di mobilità. L’Autore fa anche un’analisi del mercato italiano che prevede un aumento annuo del settore attorno al 20%.
Meng X., Dodson A., Moore T., Liu C., Cheng P., Wang Q., Li C. Exploiting Network Real-time kinematic GNSS positioning for Transport applications : ION GNSS 2007, pagg 135-141.
Tecnologia: posizionamento GPS all’interno di una rete NRTK, in particolare la rete della Gran Bretagna su un veicolo in movimento. Strumenti utilizzati: un ricevitore GPS basso costo Sirf con connessione Blue tooth, un cellulare per la trasmissione delle correzioni differenziali dalla rete al ricevitore Sirf, un PDA per memorizzare le posizioni GPS corrette dal flusso RTCM della Rete GNSS, un ricevitore geodetico per la verifica di precisione dei risultati ottenuti con il ricevitore Sirf.
Applicazione, risultati e critica: L’applicazione riguarda non soltanto la navigazione stradale di precisione, ma vuole porsi come scopo il rilevamento “catastale” i basso costo delle strade percorse. In particolare propone l’abbinamento della strumentazione ad accelerometri per sondare lo stato di degrado della pavimentazione. A causa dell’alta densità del fogliame sulle strade le soluzioni DGPS corrette dalla rete variano dal 58% al 31% delle epoche. La precisione dei risultati, controllata con un ricevitore geodetico ha messo in luce un’alta percentuale di risultati di precisione metrica.
Montillet J-P., “Achieving the centimeter level of accuracy in Urban canyons using LocataLites” ION GNSS 2007, pagg 1782-1789
Tecnologia: L’autore propone l’uso di strumentazione denominata LocataLite, formata da almeno tre trasmettitori in banda 2.4 GHz e da più ricevitori. I trasmettitori emettono un segnale di codice simile al codice PRN dei satelliti GPS. Il posizionamento del ricevitore è simile a quello GPS. I risultati di alta precisione negli ambienti descritti, derivano dall’aver posizionato opportunamente i trasmettitori in posti noti con alta precisione (per mezzo di misure GPS ad esempio). Il sistema trasmissivo è in grado di sincronizzarsi con elevata precisione su di un’unica scala temporale.
Applicazione, risultati e critica: Il lavoro non riguarda il posizionamento GNSS di rete, ma è riportato ugualmente perchè è un’alternativa, valida solo per piccole aree, quando è necessaria l’alta precisione in canyon urbani. Come si sa il posizionamento GNSS è particolarmente critico in canyon urbani, specie a ridosso di alti edifici. È questo il caso applicativo che riguarda la posa o la ricerca di tubazioni, condotte elettriche od idriche, reti tecnologiche ecc. Con la strumentazione descritta, senza far uso di strumentazione topografica tradizionale,si raggiunge la precisione centimetrica anche in questi casi critici. Si mostrano i risultati ottenuti presso l’Università del South Wales.
Pacifico A., Greco A., Vultaggio M.: RTK-Egnos: prove dinamiche nel golfo di Napoli in navigazione marittima . Atti 11a Conferenza Nazionale ASITA, Torino, 11/2007
Tecnologia: In fasi critiche della navigazione (operazioni di attracco delle navi, avvicinamenti aeroportuali di velivoli, etc.) sono richieste prestazioni superiori che non possono essere fornite dal solo GPS. Molti studi sono stati condotti sul sistema europeo EGNOS in modalità statica, i quali hanno evidenziato le capacità di “Augmentation” del sistema rispetto al GPS.
Qui viene investigato il comportamento di EGNOS in modalità dinamica, usando come campione la soluzione di posizione di un ricevitore (Rover) GPS differenziale in modalità RTK (Real Time Kinematic).
Applicazione: sperimentazione eseguita sulla nave oceanografica “Universitatis” del CONISMA. L’obiettivo della ricerca è stato quello di verificare la possibilità d’uso dei ricevitori SBAS per applicazioni dove è richiesta accuratezza submetrica.
Analizzando i dati relativi alle evoluzioni imposte alla nave, EGNOS dimostra di lavorare regolarmente anche durante il moto non rettilineo uniforme, con accuratezza (scostamento dall’RTK) anche submetrica in modalità dinamica.
Pacifico A., Vultaggio M.: Setup e risultati sperimentali di una stazione Egnos (static mode) nell’Italia meridionale.
In: Ludovico Biagi, Fernando Sansò Editori. Un libro bianco su i servizi di posizionamento satellitare per l'e- government. (ISSN 1591-092X.: Geomatics Workbooks (Italy).Capitolo 7.1.
Tecnologia: sono stati realizzati e sperimentati due prototipi. I due sistemi attualmente attivi in via sperimentale sono operanti nell’aeroporto di Linate per il GBAS (attualmente in fase di trasferimento presso l’aeroporto di Catania), e sulla regione ECAC per il sistema SBAS. Il lavoro ha verificato le potenzialità del sistema SBAS europeo denominato EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). I risultati possono considerarsi omogenei in quanto ottenuti con programmi standard di riferimento ed utilizzati nei principali centri di ricerca europei.
Applicazione: Supporto alla Navigazione Aerea nelle operazioni di Cat. I e per fornire opportuni servizi di posizionamento.
I sistemi satellitari GNSS infatti, pur assicurando una copertura globale, una buona precisione ed una semplicità d’uso, per talune applicazioni nel settore della Navigazione Aerea e Marittima hanno necessità di sistemi di potenziamento (noti come Augumentation Systems.
Radicioni F., Stoppini A., Grohmann F., Tittarelli L. : GPS vehicle tracking and GIS data collection for fire prevention in forest areas. Proc. of "DGPS Trieste" Meeting, Trieste, marzo 1999. In: Reports on Geodesy, Warsaw University of Technology, 1999.
Tecnologia: Metodologia DGPS (impiego del solo codice); correzione generata da stazione permanente ubicata a Perugia;
trasmissione della correzione con radio modem via rete ponti radio della Regione Umbria; visualizzazione in tempo reale a video della posizione dei mezzi nel GIS del Servizio Forestale.
Applicazione: Progetto e realizzazione di un sistema di tracciamento in tempo reale con interfaccia GIS di autoveicoli della Regione Umbria (Servizio Forestale) impegnati in attività di rilevamento e monitoraggio del patrimonio boschivo e in servizi di prevenzione e spegnimento incendi.
Radicioni F., Stoppini A.: Applicazioni in post-processamento e in real-time su reti locali di stazioni permanenti GPS/GNSS. Atti della 9a Conferenza Nazionale delle Associazioni Scientifiche per le Informazioni Territoriali e Ambientali (ASITA), Catania, novembre 2005.
Tecnologia: Ai fini del catasto strade, cinematico in post-processamento con dati GPS e GLONASS, applicato per la determinazione dei tracciati di un veicolo strumentato per rilevamento (MMV).
Applicazione: L’articolo descrive come i dati delle reti di stazioni permanenti GPSUMBRIA (Rete regionale GNSS della Regione Umbria e Università degli Studi di Perugia) e LabTopo (rete coordinata dal Laboratorio di Topografia del DICA) sono stati utilizzati in diverse applicazioni tra cui, con riferimento al presente capitolo, il catasto stradale.
Radicioni F., Fastellini G., Schiavoni A., Stoppini A.: “Comparison of kinematic parameters of a moving vehicle by GNSS measurements and Inertial/GPS navigation system”. The 5th International Symposium on Mobile Mapping Technology (MMT '07). Padova, Maggio 2007.
Tecnologia: Il veicolo strumentato realizzato per la sperimentazione è dotato di quattro ricevitori GNSS (GPS/GLONASS) e una piattaforma inerziale integrata con un proprio sistema GPS Omnistar. L’elaborazione dei dati GNSS è stata eseguita in cinematico OTF in post-processamento.
Applicazione: Sperimentazione di un autoveicolo per rilevamento di strade e catasto stradale, dotato di strumentazione
