Il sistema di riferimento e la rete di ordine zero

PREMESSA

Fin dalla loro istituzione, avvenuta negli anni settanta, le Regioni italiane hanno finanziato la realizzazione e l’aggiornamento di carte topografiche a grande scala (a seconda delle zone 1:10.000, 1:5.000, 1:2.000) denominate CTR (Carte Tecniche Regionali) e le hanno messe a disposizione dei Comuni e degli altri Enti Locali quale sfondo nella georeferenziazione dei piani urbanistici e dei piani territoriali. L’utilizzazione delle specifiche tecniche promosse dalla SIFET (Società Italiana di Topografia e Fotogrammetria) ha consentito ad ogni Regione di procedere alla realizzazione delle CTR in maniera autonoma e di garantirne la standardizzazione, il riuso e l’interoperabilità.

Le CTR vengono utilizzate per molteplici attività. Ad esempio quando un cittadino chiede ad un Comune che cosa è possibile costruire su uno specifico appezzamento di terreno, vengono confrontate le zonizzazioni dei piani urbanistici (il piano regolatore ed i suoi derivati moderni piano strutturale e piano operativo) con la definizione dell’appezzamento individuato da un insieme di particelle nella rappresentazione cartografica catastale. Ovvero oggi con strumenti GIS viene elaborata localmente una intersezione tra la georeferenziazione della rappresentazione del piano urbanistico disegnato sulla CTR e la georeferenziazione della cartografia catastale.

Negli anni settanta le modalità operative di gestione delle CTR erano caratterizzate da un ambiente operativo analogico di alta qualità dato da modalità di copia dei disegni cartografici originali realizzate solo per contatto in bromografo e di riproduzione con variazione di scala realizzate solo con strumenti fotomeccanici di alta precisione. Queste accurate e costose tecniche consentivano di garantire la conformità delle riproduzioni gestionali degli archivi cartografici, ovvero di garantire la proprietà fondamentale della rappresentazione topografica rilevata a grande scala: una rappresentazione cartografica inquadrata nel sistema di riferimento nazionale limitata planimetricamente dal solo errore di graficismo (0,04 millimetri alla scala di rappresentazione);

ovvero quattro metri per le CTR 1:10.000; due metri per le CTR 1:5.000; ottanta centimetri per le CTR 1:2.000.

Negli anni novanta lo sviluppo tecnologico ha consentito di passare dalle modalità operative analogiche di gestione delle CTR a modalità digitali. In genere le Regioni fecero digitalizzare le CTR preesistenti con tecniche di elevata qualità finalizzate a mantenerne integra l’accuratezza di georeferenziazione. Alcune Regioni, in occasione di aggiornamenti generali da foto aeree, passarono alla gestione cartografica digitale facendo rifare il rilevamento fotogrammetrico con gli allora recenti strumenti di restituzione digitale.

Nello stesso periodo entrò in uso il GPS per applicazioni geodetiche: con esso l’Istituto Geografico Militare realizzò una nuova rete geodetica denominata “IGM95” materializzata con centrini ad interdistanza media di quindici chilometri. Nell’ambito delle collaborazioni nazionali “IntesaGIS”, le Regioni ne hanno fatto realizzare un raffittimento con materializzazioni ad interdistanza media di sette chilometri denominato “GPS7”.

Negli anni duemila lo sviluppo tecnologico ha consentito di applicare le tecniche di organizzazione e gestione dei Sistemi Informativi anche all’ambiente dei dati georeferenziati mettendo a disposizione strumenti software GIS (sistemi informativi geografici). Nell’ambito italiano le Regioni, in collaborazione con gli Enti Locali, hanno avviato e stanno consolidando una riorganizzazione ad oggetti del contenuto informativo delle CTR definendo anche dei formati di

scambio standard. Il nuovo prodotto è stato denominato DB Topografico e in esso sono state inserite ed integrate alcune altre informazioni tra le quali particolarmente significativi i reticoli stradali e la numerazione civica.

Nello stesso periodo diverse Regioni hanno finanziato e fatto realizzare reti locali di stazioni permanenti GPS/GNSS quali infrastrutture tecnologiche finalizzate a ridurre i costi degli operatori nel settore “rilevamento sul terreno georiferito in modo accurato”; quindi investimenti finalizzati a ridurre i costi di aggiornamento dei dati topografici rilevati. A livello di coordinamento interregionale si è sentita l’esigenza di coordinare le varie iniziative regionali GPS/GNSS sia per condividere e riusare i ricevitori delle stazioni permanenti poste in prossimità dei confini regionali, sia per standardizzarne le modalità di gestione e di sviluppo anche nella prospettiva di una loro estensione agli altri ambiti regionali.

Per questo motivo nel 2007 il CPSG (Comitato Permanente sui Sistemi Geografici) del CISIS (Centro Interregionale per i Sistemi informatici, geografici e statistici), organismo tecnico delle Regioni, ha promosso e finanziato alcune ricerche applicate tra cui anche quella sulla moderna geodesia i cui risultati sono descritti in questo volume.

Valuto molto positivo il fatto che sia stato possibile affidare la ricerca al team dei docenti universitari che avevano condotto gli studi in materia di geodesia nell’ambito dei PRIN (Progetti di Rilevante Interesse Nazionale) cofinanziati dal MIUR (Ministero dell’Università e della Ricerca).

Ho potuto conoscere questo team di docenti non solo per la competenza ma anche per l’entusiasmo e la passione con cui hanno condotto la nostra ricerca: una importante attività che ha poi consentito alle Regioni di dialogare in modo costruttivo con gli Enti Nazionali sul tema operativo geodetico. In particolare ha consentito di collaborare con l’Istituto Geografico Militare e con l’Agenzia del Territorio nel calcolo della RDN (Rete Dinamica Nazionale) e nella preparazione del DPCM (Decreto Presidente Consiglio dei Ministri) 2009 sul nuovo sistema geodetico nazionale.

Condivido gli esiti di questa ricerca anche nella parte delle conclusioni in cui si propongono ulteriori step di studio quali la standardizzazione e la certificazione operativa dei processi di rilevamento in tempo reale per l’aggiornamento dei dati topografici a grande scala e dei dati cartografici catastali. Il CISIS sta già ricercando soluzioni di collaborazione delle Regioni con altri soggetti della pubblica amministrazione per promuoverne il finanziamento.

CISIS

IL VICEPRESIDENTE Domenico Longhi

INTRODUZIONE

Le informazioni territoriali sono strumento fondamentale di programmazione e di gestione del territorio e di realizzazione di opere da parte di soggetti pubblici e privati. Ciascuna Pubblica Amministrazione, Ente Locale o organizzazione privata lavora in ambiti territoriali ben definiti e organizza l’acquisizione e le modalità di gestione dei dati secondo le proprie esigenze e ai propri fini istituzionali. Queste attività si sviluppano su tutto il territorio nazionale ed è necessario che i dati siano coerenti per ambiti territoriali limitrofi. Con tutta evidenza, attualmente il problema della integrazione e interoperabilità dei dati geografici si pone non solo a livello nazionale ma almeno a quello europeo.

Se dati acquisiti in tempi diversi, da parte di soggetti diversi e per finalità anche diverse debbono avere una completa coerenza e interagire senza conflitti, non è solo necessario procedere alla definizione di standard formali condivisi, ma è anche indispensabile che la collocazione geografica delle informazioni sia riferita ad una infrastruttura geodetica unica su tutto il territorio nazionale (almeno): deve cioè essere possibile riferire le coordinate associate alle informazioni ad un unico sistema di riferimento. Questo problema non è ovviamente nuovo, ma la risposta ad esso è figlia dei tempi e del livello tecnologico raggiunto.

Una struttura geodetica si concretizza dal punto di vista pratico in una Rete di vertici materializzati in modo stabile, distribuiti uniformemente sul territorio nazionale, di coordinate note in un Sistema Geodetico e pienamente accessibili alla misura, in modo che qualsiasi rilievo che venga effettuato appoggiandosi a quei vertici viene ad essere inquadrato anch’esso nel Sistema.

All’indomani dell’unità d’Italia si trattò di unificare le strutture geodetiche e le cartografie degli Stati pre-unitari per realizzare una unica infrastruttura alla quale appoggiare la sia la cartografia di base, che quella catastale, che altre cartografie ‘tematiche’, oltre evidentemente ad inquadrare tutti i rilievi necessari alla società civile.

Alla fine della prima guerra mondiale questa infrastruttura, la Rete Trigonometrica Italiana, era stata creata e calcolata, con un lavoro durato mezzo secolo; i Vertici Trigonometrici di posizione nota che essa forniva all’utenza per riattaccare i propri rilievi erano scelti in modo da facilitare le misure, che all’epoca erano quasi esclusivamente di tipo angolare. Chiunque operava in campagna organizzava i rilievi dei nuovi punti collegandoli ai Vertici esistenti nell’area e ne calcolava le coordinate a partire da quelle – note – dei Vertici Trigonometrici; tanto bastava ad inserire il nuovo rilievo nel Sistema di riferimento nazionale.

Alla fine della seconda guerra mondiale la Rete di Vertici Trigonometrici viene ricostruita e le sue coordinate permettono di accedere al nuovo Sistema Geodetico Nazionale Roma 40 e al Sistema Cartografico Gauss Boaga. La introduzione a partire dagli anni settanta dei distanziometri ad onda che permettono finalmente di effettuare agevolmente le misure di distanza e delle nuove capacità di elaborazione consentite dai computer, non spostano il senso e la struttura della Rete Trigonometrica, ma ne migliorano solo la affidabilità e la precisione.

L’introduzione delle tecniche di rilievo satellitare invece segna una svolta decisiva: a partire dalla metà degli anni ’80 infatti i ricevitori GPS diventano lo strumento di misura più efficace per il rilievo, soprattutto per il collegamento di punti a grande distanza. Non si richiede più la intervisibilità reciproca dei punti che si intende collegare con misure, ma piuttosto la completa

visibilità del cielo dai punti di stazione. La Rete Trigonometrica, basata su punti ben visibili a distanza ma non sempre facilmente occupabili (assi di campanili, ad esempio) non risponde alle esigenze del rilievo satellitare. A metà degli anni ’90 viene realizzata una nuova infrastruttura, nei limiti del possibile coincidente con quella esistente, ma orientata specificatamente all’uso di tecniche di rilievo satellitare, con punti facilmente raggiungibili, non intervisibili tra di loro, ma con completa visibilità del cielo.

Tale infrastruttura è nota come “Rete IGM95” e costituisce la Rete Geodetica fondamentale italiana atta al rilievo col GPS e comunque collegata e derivata dalla precedente Rete Trigonometrica.

La tecnica che fa uso di ricevitori satellitari consente di effettuare misure che raggiungono ampiamente la precisione e la affidabilità richieste dai rilievi topografici tecnici e catastali e dalla realizzazione di cartografia tecnica a scala regionale e comunale anche a grandissima scala. Questo avviene mediante il rilievo di “basi GPS”: due ricevitori fanno contemporaneamente stazione su punti comunque distanti e generalmente non intervisibili per un sufficiente lasso di tempo, poi i dati raccolti vengono scaricati su un computer e un apposito programma calcola la differenza di posizione tra i punti sui quali si è fatta stazione. Tale “base GPS”, ovvero la posizione relativa tra i punti di stazione è definita in un Sistema di Riferimento condiviso e unico per tutti gli utenti, il

“WGS84” : tale Sistema, visto che deve essere lo stesso in tutto il mondo, è ovviamente diverso da quello italiano, ma è ad esso riconducibile con opportune procedure di misura e di calcolo.

Più recentemente ci si è posti il problema di realizzare una tecnologia che consentisse di semplificare ulteriormente, rendendolo più rapido e più produttivo – e quindi più economico – il rilievo con ricevitori GPS: per esempio abbreviando la durata dello stazionamento che permette di generare la base, o magari utilizzando un solo ricevitore, o evitando di dover fare i calcoli al rientro in ufficio.

Tale ottimizzazione, nella sua forma più evoluta e completa, è in effetti ora tecnicamente possibile ma passa sostanzialmente attraverso la realizzazione di un’ulteriore infrastruttura: quella costituita da una serie di Stazioni Permanenti munite di un ricevitore satellitare funzionante in continuazione e distribuite sul territorio. Lo sviluppo delle comunicazioni tramite telefonia cellulare rende inoltre possibile il trasferimento di dati in tempo reale tramite normali cellulari: i dati delle Stazioni Permanenti possono raggiungere l’operatore in campagna con un ritardo estremamente contenuto.

Inizialmente le Stazioni Permanenti GPS sono state realizzate per scopi scientifici quali il controllo dei sistemi di riferimento mondiali e lo studio della dinamica della crosta terrestre, ma presto si è incominciato ad istituire delle stazioni fisse GPS allo scopo di semplificare rilievi effettuati per scopi tecnici.

Le Ditte produttrici e distributrici di ricevitori per il rilievo satellitare (oggi per GPS e GLONASS, presto auspicabilmente anche per Galileo) operanti in Italia hanno seguito la politica di facilitare la diffusione di Stazioni Permanenti allo scopo di incrementare l’impiego dei ricevitori e quindi aumentarne la vendita. Gli operatori professionisti da parte loro hanno intravisto la possibilità di nuovi sviluppi nelle modalità operative con le quali esplicano il proprio lavoro e le Università e strutture di ricerca hanno avuto la possibilità di sperimentare nuove strumentazioni e software altrimenti non accessibili con i fondi disponibili.

La diffusione delle Stazioni Permanenti è avvenuta inizialmente in modo del tutto volontaristico e quindi senza coordinamento e priva di logica unificante: professionisti, scuole secondarie, università, le stesse Ditte hanno seguito le modalità di istallazione e di funzionamento ritenute più opportune.

Un tentativo riuscito di istituire una infrastruttura unitaria di stazioni permanenti che costituisse una rete fondamentale – di ordine zero – dalla quale derivare ogni altro punto rilevato in Italia , è stato effettuato dall’IGM che ha pensato di riutilizzare le materializzazioni esistenti di un sottoinsieme appositamente scelto di Stazioni Permanenti per effettuare il calcolo in blocco delle posizioni definendo così un frame, una realizzazione che costituisce una rete Fondamentale, attualmente nota come Rete Dinamica Nazionale. A questa operazione hanno contribuito con calcoli separati e

indipendenti alcune Università e il CISIS ha offerto un contributo per consentirne la realizzazione pratica.

Parallelamente a queste attività di individuazione di un frame unico italiano, sono state realizzate Reti di Stazioni Permanenti interagenti tra loro in tempo reale in grado di fornire su un territorio sostanzialmente ricompreso tra le stazioni stesse, un servizio real time all’utenza: tale servizio consente all’operatore di ricevere via telefono opportuni dati (derivati da quelli acquisiti dalle stazioni di Riferimento che interloquiscono con un Centro di Calcolo) e di determinare tramite essi la posizione della propria antenna in un sistema di coordinate unico per la struttura, in tempo praticamente reale e quindi senza esigenza di post processamento: tutto questo con precisione di alcuni centimetri. Queste strutture, denominate NRTK (Network Real Time Kinematic) o CORS (Continuously Operating Reference Stations) sono state per lo più sviluppate a livello territoriale di una Regione a cura di Enti o di organizzazioni professionali, con contributo totale o parziale delle Regioni nel cui ambito la struttura è realizzata.

Oramai gli uffici “Cartografici” Regionali si sono trasformati in uffici “Sistemi Informativi Geografici” ovvero in strutture che realizzano e gestiscono informazioni strutturate georeferenziate organizzate per la comunicazione e fruizione da parte di vasti settori di utenza in ambito regionale, e non più la sola Cartografia: la necessità di georeferenziazione precisa e univoca diviene ancora più impellente ai fini istituzionali.

La constatazione da parte dei coordinatori degli Uffici SIT regionali della disomogeneità delle iniziative in atto relative alle Stazioni Permanenti GNSS, della necessità di evitare incongruenze e delle opportunità che queste iniziative possono portare, ha spinto il CISIS a emanare un Bando rivolto specificamente a Università e Enti di ricerca, per uno studio sullo “Sviluppo delle tecnologie per le reti geodetiche”. Al Bando emanato ha risposto un pool di Università che ha affrontato i problemi posti e il cui lavoro è riportato in questo volume.

Uno dei primi impegni è consistito nell’inventario delle centinaia di Stazioni Permanenti operanti in Italia: la fotografia scattata, assai accurata al momento della realizzazione, sarà probabilmente superata al momento della pubblicazione. Ciascun gestore è infatti libero di attivare o dismettere una Stazione GPS senza doverne rendere conto o informare chicchesia. Tale lavoro è stato comunque assai importante anche per aiutare la scelta del sottoinsieme che poi ha costituito la Rete Dinamica Nazionale. Un tema primario posto ai ricercatori riguardava infatti lo studio delle problematiche inerenti il “coordinamento operativo nazionale delle varie infrastrutture a scala regionale al fine di concorrere, anche in collaborazione con strutture nazionali interessate al problema, alla definizione di un datum geodetico nazionale di ordine zero e del suo costante aggiornamento temporale”. Questo è stato effettivamente realizzato in buon accordo con L’IGM, tanto che, come detto, alcune Università hanno successivamente concorso al calcolo della rete RDN su progetti autonomi.

Un punto assai importante tante per la comunità dei Topografi quanto per la società civile riguarda le attività svolte in relazione al Catasto: la ottimizzazione delle procedure produce semplificazione delle stesse e risparmio per la committenza e una migliore integrabilità con la cartografia a grande scala. Un intero capitolo del presente volume è dedicato a studi finalizzati alla redazione di specifiche per il raffittimento geodetico GPS ai fini della rideterminazione di Punti Fiduciali Catastali. Si è ritenuto di interesse per il lettore riportare integralmente alcuni studi già sviluppati e parzialmente pubblicati in canali strettamente scientifici; gli Autori sono vivamente ringraziati per la disponibilità mostrata.

A fianco dei basilari aspetti sopra descritti, non si può non prendere atto dell’esistenza di reti NRTK, sia pure in ambito “locale”, istituite primariamente per agevolare le attività professionali. E’

peraltro assai plausibile prevedere nel breve-medio periodo lo sviluppo di infrastrutture regionali analoghe a quelle esistenti, su tutto il territorio nazionale.

Tali strutture possono allargare il proprio campo di applicazione verso tematiche di grande interesse generale, e in un contesto territoriale gradualmente più vasto. Un esempio è costituito dalla

infomobilità, che in alcuni suoi aspetti può trarre grande vantaggio dai livelli di precisione consentiti dalle reti NRTK: il terzo capitolo è rivolto ad una valutazione tecnica, in termini di analisi costi/benefici, per il riuso delle infrastrutture regionali finalizzato a quel tema.

Analogamente nel quarto capitolo si è discussa la possibilità di un riuso delle Reti NRTK per per la sorveglianza del territorio e la prevenzione dei rischi: la possibilità offerta di monitoraggio in tempo reale permette di allargare il campo di applicazioni possibile.

I COORDINATORI DELLA RICERCA

Maurizio Barbarella, Fabio Radicioni e Fernando Sansò

CAPITOLO 1

Il sistema di riferimento e la rete di ordine zero

Responsabile: Ludovico Biagi(1)

Stefano Caldera (1), Mattia Crespi (2), Donatella Dominici (3), Guido Fastellini (4), Ambrogio

Maria Manzino (5), Augusto Mazzoni (2), Livio Pinto (6), Fabio Radicioni (4), Marco Roggero (7), Fernando Sansò (1)

(1) DIIAR – Politecnico di Milano, c/o Polo Regionale di Como, via Valleggio 11 – 22100 Como (2) DITS – Sapienza Università di Roma, via Eudossiana 18 – 00184 Roma

(3) DAU – Università degli Studi dell’Aquila, loc. Monteluco di Roio – 67100 L'Aquila (4) DICA – Università degli Studi di Perugia, via Duranti 93 – 06125 Perugia (5) DITAG – Politecnico di Torino, corso Duca degli Abruzzi 24 – 10129 Torino (6) DIIAR – Politecnico di Milano, piazza Leonardo da Vinci 32 – 20133 Milano

(7) DINSE – Politecnico di Torino, viale Mattioli 39 – 10125 Torino

Riassunto

In questi anni, le reti di stazioni permanenti finalizzate a servizi di posizionamento in tempo reale e postprocessati sono in rapida espansione in Italia. Per ragioni amministrative i servizi di posizionamento vengono progettati, implementati e gestiti alla scala spaziale delle Regioni. Si ricorda che una rete di stazioni permanenti (RSP) materializza e distribuisce alla propria utenza un sistema di riferimento (SR); per garantire che RSP locali distribuiscano il medesimo SR è necessario che esse condivano un’infrastruttura comune, ovvero che siano inquadrate e monitorate in una comune RSP di ordine zero, inoltre seguendo un protocollo comune di elaborazione dei dati.

Da un punto di vista teorico, la RSP globale di IGS e le linee guida IGS per la compensazione di sottoreti locali costituiscono l’infrastruttura comune; da un punto di vista pratico, le stazioni IGS da sole non possono costituire la rete di ordine zero perchè sono troppo rade e non omogeneamente distribuite sul territorio nazionale. Inoltre IGS non si pone lo scopo di monitorare sottoreti locali, mentre l’istituzione di una rete di ordine zero dovrebbe essere naturalmente accompagnata da una sorta di organo di governo e controllo. Evidentemente, la scelta naturale è quella di istituire una RSP di ordine zero a livello nazionale, in modo da soddisfare le priorità nazionali; tale RSP dovrebbe essere inquadrata e monitorata in IGS, in modo da fornire il collegamento fra la rete globale e i servizi locali di posizionamento; inoltre la RSP di ordine zero può costituire lo strumento di controllo della consistenza fra servizi locali contigui. Per garantire tali scopi, la RSP di ordine zero dovrà soddisfare numerosi requisiti di ordine scientifico e tecnico, che vanno dal disegno della rete alle scelte di inquadramento.

Il presente documento si focalizza su tali argomenti: la situazione Italiana viene analizzata e un primo test numerico viene descritto. Una rete test di circa 60 SP è stata selezionata in accordo a criteri di buon disegno; i loro dati relativi a 3 mesi sono stati analizzati, al fine di valutare le difficoltà intrinseche nelle operazioni di inquadramento. Inoltre, nell’ambito di una collaborazione con l’Istituto Geografico Militare, è stato effettuato l’inquadramento della Rete Dinamica Nazionale.

Questo capitolo illustra:

1. la situazione Italiana,

2. i criteri di selezione per le stazioni permanenti da includere nella RSP di ordine zero, 3. la scelta delle stazioni per la rete test,

4. la definizione delle procedure di processamento giornaliero della rete, 5. i risultati ottenuti dall’elaborazione dei tre mesi della rete test,

6. i suggerimenti relativi all’interpretazione delle serie temporali, 7. la rete dinamica nazionale di IGM.

1.1. INTRODUZIONE

Negli anni 80 e 90, reti fondamentali di vertici GPS vennero monumentate in tutta Europa: esse erano progettate per distribuire il SR con un’accuratezza di alcuni cm, per applicazioni cartografiche. Sufficientemente dense, tali reti vennero tipicamente rilevate all’epoca della loro monumentazione e quindi inquadrate nel SR europeo, ETRS89 (Adam et al, 1999), vincolando un insieme di punti fondamentali alle loro coordinate ETRS89 già stimate e ufficialmente pubblicate.

Nel caso una rete non sia mai stata rilevata nuovamente, né spostamenti nel tempo, né velocità possono essere stimate per i suoi vertici: per tali ragioni la rete può essere definita statica, e materializza staticamente il SR.

A quell’epoca, le tipiche tecniche di rilievo erano quelle statiche (o statico rapide) postprocessate.

Negli anni, gli algoritmi di processamento dei dati GPS si sono grandemente evoluti. Senza entrare nel dettaglio storico, al presente la tecnica Real Time (RT) rappresenta il metodo più rapido per ottenere accuratezze compatibili con le applicazioni cartografiche e catastali; tipicamente, il postprocessamento è dedicato ad applicazioni altamente specializzate, come ad esempio la ricostruzione di traiettorie cinematiche per la fotogrammetria aerea oppure il monitoraggio di alta precisione di deformazioni. Per utilizzare al meglio le nuove tecniche GPS (a breve GNSS), segnatamente quelle in RT, in molte nazioni europee sono state attivate reti di stazioni permanenti (RSP) che forniscono servizi di posizionamento alla propria utenza: queste, oltre a distribuire i file RINEX e le coordinate delle stazioni, tipicamente forniscono dati e prodotti per il posizionamento in RT (si veda ad esempio, Wübbena et al., 2001, Xiaoming et al., 2003). Diversi servizi di posizionamento sono già operativi in Europa; essi sono generalmente coordinati, o perlomeno certificati, a livello nazionale da una autorità cartografica; da un punto di vista tecnico, le reti più piccole, come ad esempio quella svizzera AGNES (www.swisstopo.admin.ch) sono gestite in un unico cluster; viceversa quelle più grandi, come ad esempio la tedesca SAPOS (www.sapos.de), sono ripartite in più sottoreti, che vengono gestite e monitorate separatamente.

Per garantire la massima affidabilità e accuratezza, un servizio di posizionamento dovrebbe monitorare le coordinate delle proprie stazioni mediante un inquadramento continuo nella rete globale IGS, vincolando le coordinate delle stazioni IGS, adottando nell’elaborazione i prodotti finali IGS e applicando nell’elaborazione dei dati GPS le linee guida internazionali per la compensazione di RSP. In questo modo, alla sua scala spaziale, un servizio di posizionamento materializza e distribuisce la realizzazione IGS del SR globale ITRS. (Kouba et al., 1998, Beutler et al., 1999, Mc Carthy et al., 2003, Ferland et al., 2004, Ray et al., 2004): in particolare, al presente, IGS05.

Tuttavia, la maggior parte degli utenti richiede la connessione al SR nazionale cartografico, che in quasi tutte le nazioni Europee è una qualche realizzazione di ETRS89. Per tale ragione, al fine di essere veramente fruibile, un servizio di posizionamento deve anche stimare e distribuire la trasformazione fra IGS05 e il SR nazionale cartografico: tutti i dettagli rilevanti sono discussi in Benciolini et al., (2008), Biagi et al., (2008).

Mediante l’inquadramento continuo, un servizio di posizionamento monitora con continuità le coordinate delle proprie stazioni e materializza dinamicamente il SR, con riferimento non solo ai movimenti lenti e lisci, quali tipicamente quelli dovuti alla tettonica a placche, ma anche alle brusche discontinuità, come quelle dovute ad esempio a eventuali cedimenti locali o strutturali. Ciò non è possibile per le reti statiche, i cui vertici non vengono rilevati neppure periodicamente: perciò, le RSP e i relativi servizi di posizionamento rappresentano effettivamente la prima possibilità storica di controllo continuo delle coordinate distribuite. Ciò evidentemente è importante alla scala

dei millimetri per le applicazioni di alta precisione ma lo è anche, alla scala di alcuni centimetri, per le applicazioni cartografiche e catastali: per tale motivo le reti fondamentali dei paesi sviluppati stanno migrando dalle realizzazioni statiche a quelle dinamiche.

Da ultimo, si noti che da un punto di vista tecnico, l’automazione delle operazioni di inquadramento di una RSP richiede uno sforzo iniziale significativo; poi, a regime, la manutenzione del software risulta minima e l’analisi scientifica dei risultati rappresenta lo sforzo maggiore e più stimolante.

Nel seguito, viene discussa la situazione italiana e la necessità di una RSP di ordine zero a livello nazionale come rete di inquadramento per i servizi di posizionamento regionali; quindi, vengono dettagliate le linee guida per l’istituzione di tale rete; alla fine, per dimostrare la facile realizzabilità di una RSP di ordine zero, vengono illustrati e discussi i risultati del primo esperimento numerico su una rete test.

1.2. LA SITUAZIONE ATTUALE IN ITALIA

Il SR geodetico ufficiale è ETRF89-IGM95, realizzato mediante una rete statica, inizialmente composta da circa 1250 vertici rilevati negli anni 1992-1994 dall’ Istituto Geografico Militare Italiano (IGM, http://www.igmi.org/, Surace, 1997). Nella compensazione della rete, 9 vertici appartenenti alla rete europea EUREF vennero vincolati alle loro coordinate ETRF89 (epoca t = 1989.0): ETRF89-IGM95 (nel seguito, semplicemente IGM95) è distribuito mediante le monografie dei vertici. Il 34% di essi sono stati rilevati anche mediante livellazione di alta precisione, il 52%

coincide o è collegato alla rete storica trigonometrica di primo ordine; ciò permise lo studio del geoide locale e la stima della trasformazione da IGM95 ai vecchi SR nazionali (Roma40 and IGM83). In anni più recenti, nuovi vertici e reti di raffittimento regionali sono state rilevate e ufficialmente inserite in IGM95, che ora si compone di circa 2000 vertici. In ogni caso, ogni aggiornamento di IGM95 è stato fatto mantenendo i vincoli originali e le baseline del primo rilievo:

né spostamenti nel tempo, né velocità sono stati stimati o ufficialmente pubblicati per i vertici di IGM95. A causa della differente geodinamica delle regioni italiane, IGM95 è deformato alla scala nazionale: i movimenti differenziali fra Nord e Sud negli anni dal 1989 dovrebbe essere di alcuni centimetri, ma questo non rappresenta il problema principale per applicazioni cartografiche.

IGM95 è anche caratterizzato da deformazioni localmente correlate e errori incorrelati sparsi: la deviazione standard è di circa 3 cm in planimetria e di 5 cm in quota; sono però riportati anche errori localizzati maggiori di 10 cm; questi sono dovuti alle tecniche di rilievo e compensazione degli anni ’90, come anche ai movimenti relativi dei vertici negli ultimi 20 anni.

Negli ultimi anni, i servizi di posizionamento GNSS si sono sviluppati in Italia, per applicazioni sia in RT sia in post-processamento (Biagi et al., 2006); per motivi amministrativi, sui quali non si discute nel presente documento, e in mancanza di alcun coordinamento nazionale, essi si sono sviluppati alla scala spaziale delle regioni. Ad ora, circa 10 servizi regionali di posizionamento sono ufficialmente operativi e distribuiscono dati e prodotti, ma altri sono in fase di pieno sviluppo. Per quanto a conoscenza degli autori, secondo il censimento condotto a febbraio 2008 in Italia erano operative almeno 350 stazioni permanenti GNSS (Fig. 1, All.1.1); di queste almeno 200 pubblicano liberamente i loro dati; 9 sono inserite nella rete globale IGS e 15 nella rete europea EPN. Alla scala nazionale, le principali RSP finalizzate a riferimento geodetico e monitoraggio geofisico sono Geodaf, gestita dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI, geodaf.mt.asi.it), RING, gestita dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV, ring.gm.ingv.it) e GAIN, gestita dall’Università di Trieste (http://www.alps-gps.units.it/gain-network.php); tre ditte private (Leica Italia, www.italpos.it, Geotop, www.geotop.it, Assogeo, www.assogeo.net) gestiscono altrettante reti, tipicamente per la distribuzione di dati in RT e postprocessamento ai propri clienti. A parte i già citati servizi regionali di posizionamento, le altre stazioni sono gestite in modo indipendente, da enti privati o amministrazioni pubbliche. Nel panorama nazionale, il 57% delle stazioni è monumentato su edificio, il restante 43% direttamente al suolo o su roccia.

Figura 1.1 – Pagina precedente: stazioni IGS e EPN in Italia; pagina corrente: altre stazioni pubbliche (censimento aggiornato al 31/01/2008)

1.3. LA NECESSITÀ DI UNA RETE DI STAZIONI PERMANENTI DI ORDINE ZERO IN ITALIA

L’organizzazione su scala regionale dei servizi di posizionamento può sembrare un punto di debolezza ma rappresenta anche un elemento di forza: in principio permette una facile gestione di ogni RSP, una veloce risoluzione di eventuali problemi, una forte interazione di ogni servizio con la sua utenza. Inoltre, servizi contigui possono scambiare dati delle stazioni di confine, in modo da rafforzare la ridondanza di sistema ai bordi.

In ogni caso, servizi di posizionamento su scala regionale confinanti tra loro devono garantire la distribuzione di un sistema di riferimento coerente, cosa possibile solo in presenza di un coordinamento a livello nazionale. Ad un primo livello, quindi, questi devono essere compensati e monitorati in una RSP comune di ordine zero a livello nazionale, seguendo un protocollo di elaborazione comune, esattamente come avviene per i centri di analisi di IGS o EPN. Inoltre, una RSP di ordine zero può soddisfare molti altri scopi. Il primo, e il più importante, è supportare la transizione dal vecchio e statico sistema di riferimento nazionale IGM95 ad un nuovo SR, monitorato in modo continuo nel SR globale IRTF, che può fornire serie di coordinate in teoria della massima accuratezza oggi possibile. L’applicazione delle formule di trasformazione internazionali (Boucher, Altamimi, 2007) alle coordinate ITRF permette di ricavare le corrispondenti ETRF, seguendo il medesimo approccio applicato per le SP EPN (www.epncb.oma.be); in più, la disponibilità di serie temporali lunghe può permettere la stima delle velocità ITRF, e quindi della loro trasformazione in velocità ETRF. In questo modo è possibile realizzare una materializzazione cartografica nazionale di ETRS89 con un’accuratezza confrontabile con quella delle RSP europee, eliminando le deformazioni e gli errori di IGM95.

Infine, la disponibilità di coordinate e velocità ITRF ed ETRF di una RSP di ordine zero può consentire una stima nazionale della trasformazione tra i due SR, per qualunque epoca: la distribuzione all’utenza di una trasformazione nazionale unica e ufficiale permette di evitare scelte indipendenti a livello locale che tipicamente portano a risultati inconsistenti: a questo proposito recentemente è stata effettuata una verifica in Lombardia e Piemonte (Biagi et al., 2008);

l’applicazione dei parametri di trasformazione tra IRTF-IGb00 e IGM95, stimati in modo indipendente per le due regioni, produce discrepanze inaccettabili al confine tra le due regioni, caratterizzate da sistematismi di circa 5 cm in planimetria e 15 cm in altimetria.

L’utilizzo delle sole SP IGS per la realizzazione di una RSP zero è impraticabile: al momento le SP IGS (Fig. 1.1) sono molto rade e non omogeneamente distribuite su tutto il territorio nazionale, in modo particolare sulle regioni meridionali. Un raffittimento della rete IGS in Italia sembra possibile ma allo stato attuale non pare previsto: in ogni caso, ovviamente, qualora realizzato sarebbe pianificato per conseguire scopi geodinamici e non per supportare esigenze nazionali. EPN presenta, allo stato attuale, una migliore distribuzione in Italia, ma anche il suo futuro sviluppo sarà basato su altre priorità. In ogni caso, e questo è il problema principale, IGS e EPN non hanno lo scopo di monitorare sottoreti locali. Al contrario, una RSP nazionale di ordine zero può essere progettata seguendo esigenze e priorità a livello nazionale; la sua istituzione deve essere seguita da un gestore che sia in grado di garantire il coordinamento tecnico tra RSP locali e il controllo di coerenza tra le coordinate distribuite.

Nel seguito, vengono delineate le regole tecniche e scientifiche che dovrebbero portare alla definizione di una RSP di ordine zero; quindi, come previsto nell’offerta, un primo esperimento numerico di elaborazione di una RSP di test viene descritto. Tale esperimento non ha lo scopo di individuare definitivamente la RSP di ordine zero: la situazione in Italia evolve rapidamente e tal obiettivo avrà senso solo al momento di reale ufficializzazione della RSP di ordine zero; il test serve unicamente a dimostrare che la creazione di una RSP di ordine zero in Italia è già possibile e non richiede quasi alcun costo di monumentazione; gli unici costi sono collegati all’implementazione e al mantenimento del sistema di monitoraggio continuo della rete stessa.

1.4. LINEE GUIDA TECNICHE PER LE STAZIONI PERMANENTI DELLA RETE DI ORDINE ZERO

Da un punto di vista generale la rete nazionale di ordine zero dovrebbe:

1. essere composta di stazioni omogeneamente distribuite sul territorio nazionale, con ragionevole densità;

2. includere le principali stazioni EPN e IGS;

3. includere le stazioni delle principali reti nazionali (ASI, INGV and GAIN);

4. includere alcune (almeno 2) stazioni per ogni servizio di posizionamento regionale;

5. essere composta solo di stazioni i cui dati siano liberamente distribuiti via ftp e/o http;

6. essere composta solo di stazioni le cui agenzie responsabili sottoscrivano linee guida sulla qualità e consistenza dei dati quali quelle adottate da IGS e EPN.

In particolare le SP (Stazioni Permanenti) appartenenti alla rete di ordine zero italiana devono possedere requisiti tecnici adeguati allo standard IGS-EUREF; occorre siano costantemente manutenute da personale in grado di agire tempestivamente in caso di malfunzionamenti hardware e/o software. Le seguenti linee guida si basano largamente sulle specifiche definite da EUREF per accogliere e mantenere una SP nella rete EUREF-EPN.

1.4.1 Ente gestore della SP

La SP deve essere gestita da un ente che abbia dimostrato la propria stabilità nel tempo, che possieda le conoscenze tecniche necessarie alla gestione e di avere personale permanente adeguato;

in particolare si suggerisce di richiedere una lettera di intenzioni per almeno 5 anni. Ove possibile, si suggerisce di includere SP coordinate in reti permanenti piuttosto che singolarmente gestite.

1.4.2 Referenti della SP

E’ necessario che siano specificati due referenti stabili, raggiungibili tramite telefono e mail, che garantiscano la manutenzione della SP e, in caso di variazioni della configurazione della stazione, provvedano a comunicarle al gestore e a modificare il sitelog relativo alla SP. Ogni cambiamento delle persone e/o dei loro riferimenti deve essere comunicato tempestivamente al gestore della rete di ordine zero pena esclusione della SP dalla rete stessa.

1.4.3 Specifiche tecniche relative alle SP Ricevitore:

 acquisizione dei segnali GPS di codice e fase sulle frequenze trasmesse;

 campionamento dei dati ad almeno 1 Hz;

 capacità di trasferimento simultaneo delle osservazioni a uno o più centri di raccolta ed elaborazione dati di file RINEX (nel formato Hatanaka e ulteriormente compressi con programmi di compressione UNIX e/o DOS) orari e giornalieri con campionamenti a 30 secondi (il trasferimento dati può essere eseguito in alternativa dal server di controllo della SP) ;

 registrazione delle osservabili con cutoff di almeno 5°;

 massimo errore del segnale temporale del ricevitore: 10^-3 secondi;

 di tipo catalogato in EPN/IGS;

 capacità di memorizzazione dati per almeno 3 giornate di osservazione;

caratteristiche (auspicabili) opzionali del ricevitore:

 registrazione delle osservabili anche con cutoff di 0°;

 acquisizione dei segnali GLONASS di codice e fase sulle frequenze trasmesse;

 possibilità di tracciare qualsiasi satellite visibile GNSS e eventuali nuove frequenze;

Antenna:

 di tipo catalogato in EPN/IGS, con calibrazione assoluta o perlomeno relativa;

 sia nota la variazione del centro di fase dell’antenna nel file EPN: epn_05.atx;

 sia in posizione orizzontale e orientata a Nord;

 eventuali eccentricità devono essere riportate nel site log (calcolate rispetto all’Antenna Reference Point);

 preferibile l’impiego di antenna Choke Ring;

 l’eventuale uso di Radome è accettato se esiste la relativa calibrazione assoluta (antenna + radome).

Altro Hardware presso la SP:

 obbligatoriamente gruppo di continuità connesso a tutta la stazione, tale da garantire 3 giornate di autonomia;

 opzionalmente orologio atomico esterno connesso al ricevitore;

 opzionalmente stazione meteo (pressione, temperatura e umidità) con caratteristiche riportate nel site log e interfacciata al ricevitore in modo che possa registrare le osservazioni e trasferirle ai centri di raccolta (direttamente il ricevitore oppure attraverso il server) Rinex meteo;

 opzionalmente altri strumenti per acquisire segnali geofisici: SLR, VLBI.

Caratteristiche della monumentazione:

 l’antenna deve essere rigidamente connessa alla monumentazione, così da avere movimenti inferiori a 0.1 mm;

 la monumentazione deve essere stabile, in accordo agli standard internazionali di stabilità e durabilità a lungo termine;

 non devono essere presenti ostruzioni particolarmente importanti sopra i 15° di elevazione, sarebbe auspicabile che non vi fossero al di sotto di questa soglia;

 al marker deve essere associato un IERS DOMES NUMBER

(http://itrf.ensg.ign.fr/domes_request.php ).

1.4.4 Distribuzione dei dati

Si suppone che esista un server (o un gruppo di server), con il compito di scaricare i dati della SP e ridistribuirli. Il server può essere localmente presso la SP: è questo il tipico caso delle SP gestite a livello singolo; in alternativa il server può essere connesso in remoto, tramite porta Ethernet, alla SP: è questo il caso tipico delle reti regionali, che dispongono di un gruppo di server centralizzati presso il centro di controllo per la gestione dell’intera rete. Il server, o il gruppo di server deputati allo scaricamento e alla distribuzione dei dati, devono comunque soddisfare le seguenti caratteristiche:

 gestione globale della SP, in particolare del ricevitore;

 scaricamento dei dati acquisiti dal ricevitore:

 periodico, effettuato a posteriori e non in tempo reale,

 con capacità di recupero di eventuali dati memorizzati ma non ancora scaricati;

 backup dei dati,

 distribuzione dei dati al centro di raccolta della rete di ordine zero, mediante procedure standard e automatizzabili (ad esempio ftp),

 in fase iniziale distribuzione dei dati ad ogni mezzanotte, per sessioni di 24 ore decimate a 30 secondi,

 in seguito possibilità di aggiungere anche una distribuzione oraria,

 i dati distribuiti devono essere formattati in formato RINEX, compattati nel formato Hatanaka e ulteriormente compressi con programmi di compressione UNIX e/o DOS),

 gli header dei file RINEX devono riportare correttamente i metadati relativi alla SP: a tale riguardo fanno riferimento gli standard IGS e EPN.

Si noti l’importanza di una delle specifiche tecniche sopra elencate: la RSP di ordine zero dovrebbe essere composta solo da stazioni i cui dati RINEX siano scaricati a posteriori dalla memoria dei ricevitori e/o memorizzati nei server e non ricostruiti in tempo reale dagli stream RTCM, in modo da evitare buchi di dati dovuti a problemi di trasmissione.

I dati delle SP appartenenti alla rete nazionale di ordine zero dovranno essere pubblici, possibilmente distribuiti tramite un portale web e un server ftp, perlomeno alla decimazione di 30 secondi, come è il caso delle reti internazionali e di quelle nazionali di ASI e INGV; la pubblicazione dei dati naturalmente sarà a cura e a carico dell’autorità che gestirà la rete di ordine zero: gli enti responsabili delle singole SP afferenti alla rete di ordine zero dovranno comunque accettare la libera pubblicazione dei dati.

Prima dell’accettazione della SP nella rete di ordine zero, questa sarà testata per un periodo nella sua piena operatività per verificare la qualità dei dati trasferiti, la latenza degli stessi e eventuali altri problemi che intervengano. I referenti saranno avvisati in caso di inconsistenza nei dati o inattività della SP. Nell’eventualità che la SP rimanga inattiva per oltre due mesi senza giustificati e importanti motivi o nel caso in cui si verifichino problemi particolarmente importanti nei dati, quali ad esempio elevati livelli di multipath non eliminabili, la SP verrà esclusa temporaneamente dalla rete per ulteriori tre mesi e poi definitivamente rimossa.

1.5. LA RETE TEST

Come accennato, una RSP di ordine zero può essere realizzata in Italia praticamente senza alcuna nuova installazione; per verificare tale aspetto, una rete test, sottoinsieme dell’attuale panorama italiano, è stata selezionata e elaborata. La rete test si compone di 61 stazioni che risultavano già operative all’inizio del 2007, scelte in modo da minimizzare i compromessi con le sopra menzionate linee guida, con una distanza media di circa 100 km (Fig. 2, All.1.2). Di tali stazioni sono stati analizzati i dati dal 1 gennaio 2007 al 31 marzo 2007.

Le stazioni IGS e EPN sono state scelte in modo da utilizzare la maggior parte di quelle presenti nel territorio nazionale e quelle principali al di fuori di esso, in accordo a un criterio di distribuzione omogenea; ovviamente, in caso di stazioni gemelle (per esempio CAGL e CAGZ, poste a meno di 3 metri) fra esse è stata selezionata la principale.

Nella definizione della rete test sono stati accettati alcuni compromessi rispetto alle linee guida sopra menzionate: in particolare sono state incluse stazioni i cui dati non sono attualmente disponibili via ftp e stazioni i cui file RINEX vengono attualmente ricostruiti dagli stream RTCM.

In ogni caso si rammenta che gli entri responsabili di tali stazioni sono pienamente disponibili ad adeguarne le caratteristiche in caso di inclusione in una RSP di ordine zero ufficiale a livello nazionale.

La distribuzione spaziale è pienamente soddisfacente al Nord, mentre nelle aree centrale e meridionale della nazione vi sono zone piuttosto deficitarie, dovute all’assenza di stazioni operative all’epoca dell’esperimento: tuttavia, (Fig. 1, All.1.1), la situazione attuale è già differente e un disegno migliore sarebbe ora già possibile, a pochi mesi dal primo test: in ogni caso si ricorda che la rete test selezionata non vuole avere carattere definitivo, ma solo dimostrare che una RSP ragionevolmente ben configurata in Italia era già disponibile a inizio 2007. Allo stato attuale, non appare utile dare un’ipotesi definitiva di rete, poiché la distribuzione di stazioni permanenti è ancora in continua evoluzione sul territorio nazionale; tale ipotesi potrà essere effettuata con rapidità al momento della effettiva istituzione della RSP di ordine zero, seguendo le linee guida indicate nel presente documento.

1.6. L’INQUADRAMENTO DELLA RETE TEST

L’analisi routinaria di una RSP nazionale dovrebbe essere condotta in accordo alle seguenti linee guida:

1. inquadramento della RSP nella rete globale IGS e in quella europea EPN;

2. inquadramenti giornalieri indipendenti, condotti con la latenza dei prodotti finali IGS;

3. vincolo stocastico delle stazioni IGS alle loro coordinate pubblicate, con attribuzione di covarianze realistiche ai vincoli;

4. adozione, senza ulteriore stima, dei prodotti finali IGS: EOP, EPH e PCV;

5. utilizzo di SW scientifico, con adozione delle linee guida IGS e EPN nell’inquadramento;

6. accurata analisi di consistenza e qualità dei dati e dei risultati.

Per effettuare l’inquadramento della rete test, sono stati analizzati 3 mesi di dati, dalla settimana GPS 1408 (31 Dicembre 2006) alla settimana GPS 1420 (31 Marzo 2007), in accordo alle suddette strategie, utilizzando il programma Bernese 5.0 (BSW5.0, Dach et al., 2007). Nella presente analisi non si ha ridondanza di risultati, poiché è stata stimata solo una serie temporale; un approccio ottimale viceversa presupporrebbe la stima di più soluzioni in più centri indipendenti, possibilmente con differenti programmi: in tal modo sarebbero possibili il controllo e la validazione reciproca dei relativi risultati.

Si noti che la scelta del programma di inquadramento per la rete test non vuole avere carattere prescrittivo: è stato utilizzato il BSW5.0 perchè questo è il programma scientifico adottato dalla grande maggioranza dei centri di analisi europei e usualmente utilizzato presso l’unità che ha fisicamente condotto l’esempio di elaborazione dei dati. Altri programmi scientifici, altrettanto qualificati a livello internazionale (GAMIT, GIPSY, ecc.), sono disponibili: importanti rimangono le linee guida per l’inquadramento e il processamento dei dati, che possono variare da programma a programma ma che, per ogni programma, sono sostanzialmente dettate dalla letteratura scientifica internazionale. In particolare, nel caso del BSW5.0, viene identificata come ottimale la seguente procedura di processamento:

1. acquisizione di EOP, EPH, PCV finali da IGS, 2. interpolazione delle orbite,

3. processamento di codice in singola stazione, per la stima degli orologi,

4. definizione del grafo della rete, mediante costruzione delle singolo differenze, 5. identificazione e stima dei cycle slip di singola differenza,

6. prima stima delle basi mediante soluzione float ionospheric free, 7. fissaggio delle ambiguità mediante metodo QIF,

8. stima finale multibase della rete, mediante soluzione fixed ionospheric free, 9. estrazione di indici di qualità dagli output di BSW5.0,

10. reiezione degli outlier e riprocessamento dei dati accettati.

Figura 1.2 – La rete test. I quadrati rossi rappresentano le stazioni IGS che vengono vincolate nella compensazione.

Il preprocessamento dei dati è stato effettuato mediante i programmi NetDownload e RegNet, che permettono di automatizzare completamente il processamento, altrimenti da condurre mediante complesse sequenze manuali, di una RSP mediante BSW5.0. Una descrizione dettagliata di NetDownload è disponibile alla sezione software http://antartica60.spaces.live.com/; per una descrizione di RegNet si veda Biagi et al. (2007). In breve NetDownload permette lo scaricamento dei dati, delle orbite e delle soluzioni dai siti ftp di IGS, propaga le coordinate di vincolo per le stazioni IGS, prepara le campagne per BSW5.0, colloca i dati nelle opportune cartelle. Le funzioni principali di RegNet sono di estrarre una serie di indici di qualità dagli output del BSW5.0, di creare le relative statistiche alla fine della compensazione e di confrontarle con valori di soglia predefiniti.

Fra gli altri, gli indici e le statistiche che verranno illustrati nel seguito sono:

1. per ogni stazione, il numero di dati presenti e gli eventuali buchi (output della routine RXOBV3);

2. per ogni stazione, gli RMS dell’elaborazione di codice ionospheric free (CODSPP);

3. per ogni base, il numero di ambiguità iniziali e l’RMS della prima soluzione float (GPSEST, 1^o output);

4. per ogni base, la percentuale di ambiguità fissate e l’RMS di fissaggio (GPSEST, 2^o output);

5. per la soluzione finale multibase, l’RMS della soluzione fixed ionospheric free (GPSEST, 3^o output);

6. infine, per ogni stazione, un confronto fra soluzione diurna e regressione lineare su tutte le soluzioni diurne disponibili.

Differenti scelte di elaborazione sono state provate, principalmente collegate al controllo di qualità;

ciò ha permesso una prima stima di sensibilità dei parametri stimati rispetto ai suddetti parametri. In particolare, vengono qui discussi i seguenti risultati preliminari:

1. Un primo inquadramento, denominato No Reiezione: come il nome può suggerire, i risultati sono quelli ottenuti dall’inquadramento di tutti i dati scaricati, senza applicare alcun criterio di reiezione di eventuali outlier: questo approccio è stato utilizzato per identificare gli indici di qualità significativi e i possibili livelli di soglia;

2. Nel secondo approccio, denominato Reiezione, un primo criterio di reiezione viene applicato e valutato, in base a confronti con i risultati del primo processo.

1.6.1. Approccio No reiezione

Presenza di dati. La disponibilità di dati (Tab.1.1) è stato il primo indicatore analizzato. Quattro stazioni inizialmente candidate all’inclusione perché ufficialmente esistenti, non hanno reso disponibili i dati per alcuna giornata del periodo considerato: ciò è evidentemente stato causato da un periodo di malfunzionamento delle stazioni o dei relativi server di dati. 80% dei giorni è caratterizzato dalla presenza di almeno 80% delle stazioni; tuttavia, e ciò non è soddisfacente, non vi sono giorni con almeno il 90% delle stazioni. Le assenze di dati sono tipicamente dovute a prolungati problemi di trasmissione e verranno discusse nella sezione 6.2.

CODSPP. Per ricevitori moderni, si attendono tipicamente RMS di codice ionospheric free dell’ordine del metro, con piccole variazioni; in genere lavori peggiori sono dovuti a problemi con qualche satellite, effetti locali come il multipath. Solo 15 di circa 4500 file giornalieri RINEX presentano valori realmente anomali, dell’ordine di alcune decine di metri (Tab.1.2): questi problemi vengono discussi nel Cap. 6.2, mentre tutti gli altri valori risultano nella norma.

GPSEST, 1^o. Il successo nel fissaggio dei cycle slip può essere valutato direttamente dal numero di ambiguità iniziali (Tab.1.3, Fig.1.3); valori elevati possono indicare seri problemi nei dati: per le basi di una rete come questa, un ragionevole livello di soglia pari a 200 può essere scelto. A tale riguardo, nel nostro caso le peggiori basi sono quelli che coinvolgono la stazione MATE: ciò è probabilmente dovuto a qualche problema della stazione nel periodo considerato. I piccoli valori nel periodo successivo alla GPSW 1414 sono dovuti a file incompleti, tipicamente relativi alla stazione IEMO.

GPSEST, 2^o. la percentuale di successo del processo di fissaggio delle ambiguità (QIF) viene mostrato in Tab. 1.4 e Fig. 1.4. La percentuale media è del 85%, con un significativo peggioramento dopo la GPSW 1414; diversi giorni presentano lo 0% di successo: tipicamente questi sono conseguenza di sessioni incomplete. Anche le serie di RMS di fissaggio (Tab.1.5, Fig.1.5) presentano due periodi chiaramente differenti: il primo è abbastanza buono, anche per le peggiori basi; nella seconda metà, i massimi raggiungono valori veramente mediocri, denotando alcuni problemi di fissaggio, in particolare per la base AJAC-GOLB.

GPSEST, 3^o. Gli RMS finali (Fig.1.6) forniscono un’idea generale sulla qualità del processo diurno

di inquadramento. In generale le serie dimostrano valori soddisfacenti, mentre due giorni sono caratterizzati da statistiche anomale, che corrispondono a elevati RMS nel fissaggio delle ambiguità.

Serie finali di coordinate. Per valutare la dispersione delle serie quotidiane, le coordinate vengono interpolate linearmente e i residui di ogni giornata sono analizzati. Nella discussione i risultati delle stazioni IGS e della rete test vengono separatamente valutati. I residui IGS (in Fig. 1.7 i residui in modulo, in Tab. 1.12 le statistiche separate per planimetria e altimetria) non sono uniformi e, considerando i vincoli stocastici applicati alle stazioni IGS, mostrano risultati non soddisfacenti: a questo riguardo i risultati peggiori sono quelli inerenti GRAS, con un massimo di circa 7 cm. I residui della rete test mostrano il peggioramento già menzionato dopo la GPSW 1414 (in Fig. 1.8 i residui in modulo, in Tab. 1.13 le statistiche separate per planimetria e altimetria), con deviazioni standard di circa 5 cm, e tre outlier maggiori di 1 m che coinvolgono IEMO e RSMN. Come nel caso precedente, tutti i risultati anomali sono forniti da file con significativi buchi di dati.

Tabella 1.1 – Presenza dei dati. Presenza: percentuale di stazioni presenti; # e % di giorni: numero e percentuale di giorni che soddisfano le relativa percentuale di presenza.

Presenza # di giorni % di giorni

70% 91 100%

75% 90 99%

80% 75 82%

82% 52 57%

84% 29 32%

86% 16 18%

88% 8 9%

90% 0 0%

Tabella 1.2 – Distribuzione degli RMS di codice ionospheric free. File RINEX , # e %: numero e percentuale dei file.

Massimo giornaliero, # and %: numero e percentuale dei giorni il cui RMS Massimo è nel relative range.

File RINEX Massimo giornaliero RMS di codice iono-free (m)

# % # %

RMS ≤ 1 1197 27% 0 0%

1 < RMS ≤ 2 3242 72% 65 71%

2 < RMS ≤ 3 14 0.3% 11 12%

3 < RMS ≤ 4 5 0.1% 1 1.1%

4 < RMS ≤ 10 0 0.0% 0 0.0%

10 < RMS ≤ 100 7 0.2% 7 7.7%

100 < RMS 8 0.2% 7 7.7%

Tabella 1.3 – Numero giornaliero di ambiguità iniziali delle 2 migliori e delle 2 peggiori basi; statistiche generali delle basi. Med: mediana; E: media; Min: minimo; Max: massimo; : scarto quadratico medio; # giorni: numero di giorni considerati.

Base Med E Min Max  # giorni

BORM-SOND 90 89 78 96 3 91/91

COMO-SOND 92 91 80 102 3 91/91

MATE-ORID 110 156 44 544 118 64/91

MATE-MRLC 104 157 94 552 117 84/91

TUTTE (146 basi) 108 110 10 566 36 91/91

Figura 1.3 – Numero giornaliero di ambiguità iniziali. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo-massimo giornaliero.

Tabella 1.4 – Percentuale giornaliera di fissaggio delle ambiguità delle 2 migliori e delle 2 peggiori basi; statistiche generali delle basi. Med: mediana; E: media; Min: minimo; Max: massimo; : deviazione standard; # giorni: numero di giorni considerati.

Base Med E Min Max  # giorni

BORM-SOND 98 97 89 100 2 91/91

COMO-SOND 97 96 91 100 2 91/91

FRES-VAGA 71 71 57 79 4 91/91

MILO-USIX 67 67 54 78 5 81/91

TUTTE (146 basi) 87 85 0 100 10 91/91

Figura 1.4 – Percentuale giornaliera di fissaggio delle ambiguità. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo- massimo giornaliero.

Tabella 1.5 – RMS giornaliero al termine del fissaggio delle ambiguità delle 2 migliori e delle 2 peggiori basi;

statistiche generali delle basi. Med: mediana; E: media; Min: minimo; Max: massimo; : scarto quadratico medio; # giorni: numero di giorni considerati. Valori in mm.

Base Med E Min Max  # giorni

BZRG-HFLK 0.8 0.9 0.8 1.1 0.1 90/91

BRES-SOND 0.8 0.9 0.7 1.3 0.1 90/91

CUNE-IENG 1.8 2.2 1.7 24.9 2.9 64/91

AJAC-ELBA 2.0 2.4 0.9 5.9 1.5 69/91

ALL (146 baselines) 1.1 1.2 0.5 25.0 0.6 91/91

Figura 1.5 – RMS giornaliero al termine del fissaggio delle ambiguità. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo-massimo giornaliero.

Figura 1.6 – RMS giornalieri della compensazione finale multibase. Media: 1.3 mm; minimo: 1.0 mm; massimo: 4.8 mm; deviazione standard: 0.4 mm.

Figura 1.7 – Residui giornalieri delle stazioni IGS. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo-massimo giornaliero (fuori scala i valori più grandi di 30 mm). Media: 9.1 mm; minimo: 0.4 mm; massimo: 68.6 mm; deviazione

standard: 6.6 mm.

Figura 1.8 – Residui giornalieri delle stazioni della rete test. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo- massimo giornaliero (fuori scala i valori più grandi di 30 mm). Media: 13 mm; minimo: 0.4 mm; massimo: 1.6 m;

deviazione standard: 50 mm.

1.6.2. Approccio Reiezione

Analizzando i precedenti risultati, appare evidente come la presenza di buchi di dati in un file possa influire significativamente sulla qualità dei risultati; anche la presenza di elevati RMS nell’elaborazione dei codici sembra in qualche modo causare problemi nelle stime finali. Per confermare queste prime impressioni, è stato condotto un nuovo processamento, escludendo dall’elaborazione quei file RINEX che:

- contenessero meno di 23 ore di dati (2760 di 2880 epoche per giorno);

- presentassero RMS medi di codice maggiori di 4 metri.

Presenza di dati. Il primo screening dei file ha portato ai risultati illustrati in Tab. 1.6; IEMO è la peggior stazione, con l’83% di dati esclusi. Globalmente, il primo criterio di reiezione porta ad escludere 284 di 4469 file, ovvero il 6.3%.

Elevati RMS di codice. Tale criterio di esclusione coinvolge 15 file di tre stazioni: due di esse sono stazioni IGS (Tab. 1.7). Il caso più interessante è quello di IENG: il suo comportamento tipico è illustrato in Fig. 1.9: normalmente i suoi dati non mostrano problemi particolari, con RMS di circa 1 m; in alcune epoche i residui divergono, con valori che raggiungono diversi km su tutti i satelliti: il comportamento dovrebbe essere dovuto a malfunzionamenti dell’oscillatore esterno, che ovviamente possono influire anche sulla qualità delle osservazioni di fase: a conoscenza degli autori, i problemi di IENG sono ora stati completamente risolti. Viceversa i problemi di MATE e CUNE sono sporadici e non significativi.

Si noti che i criteri di reiezione per isolare i possibili outlier sono del tutto generali e non dipendono dalle procedure di elaborazione specifiche di BSW5.0, ovvero il software adottato per questo esempio numerico. Al termine della loro applicazione risultano presenti ed elaborate 31 stazioni per almeno 75 giorni, 35 stazioni per almeno 60 giorni e 37 per almeno 45 giorni; tali statistiche non sono oggettivamente soddisfacenti: si ricorda peraltro che i principali problemi sono dati dal fatto che, per alcune stazioni, i file RINEX vengono ricostruiti dai flussi RTCM in tempo reale; questa prassi, in una configurazione finale, dovrebbe assolutamente essere esclusa e sostituita da un protocollo robusto di scaricamento dei dati a posteriori, come suggerito nel par. 1.4.

GPSEST, 1^o. Dopo la reiezione degli outlier, le statistiche relative al numero iniziale delle ambiguità migliorano lievemente (Tab. 1.8, Fig. 1.10 vs. Fig. 1.3): diversi massimi spariscono come anche i valori più piccoli, che erano causati da file incompleti; i valori medi ovviamente salgono, ma la dispersione decresce.

GPSEST, 2^o. Le percentuali minime di successo nel fissaggio delle ambiguità migliorano; in particolare, tutte le statistiche cambiano significativamente dopo la GPSW1414 (Tab.1.9, Fig.1.11 vs. Fig.1.4); gli RMS di fissaggio delle ambiguità (Tab.1.10, Fig.1.12 vs. Fig.1.5) sono soggetti a un grande miglioramento: tutti i peggiori valori spariscono e la dispersione diminuisce significativamente.

GPSEST, 3^o. Anche gli RMS dell’inquadramento finale (Tab.1.11, Fig.1.13 vs. Fig.1.6, risultati di dettaglio negli All.1.3 e 1.4) migliorano, sia in termini di valori anomali sia per la dispersione della serie; i residui della serie di coordinate IGS migliorano, anche se non significativamente (Tab.1.12, Fig.1.14 vs. Fig.1.7); le coordinate della rete test migliorano sensibilmente: tutti i principali outlier vengono eliminati e la dispersione dei risultati diminuisce di un ordine di grandezza (Tab.1.13, Fig.

1.15 vs. Fig.1.8). Evidentemente questo primo, semplice, criterio di reiezione degli outlier si è dimostrato particolarmente efficacie nella soluzione dei problemi principali.

Tabella 1.6 – Stazione, numero e percentuale delle sessioni escluse.

File File File

Stazione # % Stazione # % Stazione # %

IEMO 38/46 83 M0SE 6/87 6.9 GOLB 1/45 2.2

ZOUF 48/89 54 ENAV 5/73 6.8 USIX 1/83 1.2

IGMI 23/70 33 MALT 6/89 6.7 MILO 1/90 1.1

CAME 22/82 27 BRES 4/91 4.4 MRGE 1/91 1.1

GISI 6/40 15 MSRU 3/86 3.5 BORM 1/91 1.1

CUNE 6/66 9.1 GALG 1/44 2.3

UNPG 7/87 8.0 RSMN 2/91 2.2

Tabella 1.7 – Stazione, numero e percentuale delle sessioni con elevato RMS di codice.

File File File

Stazione # % Stazione # % Stazione # %

IENG 9/73 12 MATE 5/81 6.2 CUNE 1/66 1.5

Figura 1.9 – RMS di codice ionospheric free di IENG. In alto: in condizioni normali sono dell’ordine di pochi metri. In basso: in alcuni casi presentano comportamenti imprevisti.

Tabella 1.8 – Differenze nel numero di ambiguità iniziali. Med: mediana; E: media; Min: minimo; Max: massimo: :

deviazione standard.

No reiezione Reiezione

Med 108 108

E 110 111

 36 28

Min 10 78

Max 566 552

Figura 1.10 – Numero giornaliero di ambiguità iniziali dopo la reiezione degli outliers. Punti: valori medi giornalieri;

linee: range minimo-massimo giornaliero.

Tabella 1.9 – Differenze nella percentuale di fissaggio delle ambiguità. Med: mediana; E: media; Min: minimo; Max:

massimo: : deviazione standard.

No reiezione Reiezione

Med 87 87

E 85 86

 10 8

Min 0 52

Max 100 100

Figura 1.11 – Percentuale giornaliera di fissaggio delle ambiguità dopo la reiezione degli outliers. Punti: valori medi giornalieri; linee: range minimo-massimo giornaliero.