Il sistema GPS

mercoledì 30 maggio 2012
Il sistema GPS
precisione, tipologie di rilievo
e di strumentazione
Corso AINEVA
Direttore delle operazioni – Livello 2 – Modulo c
e
Responsabile della sicurezza – Livello 2 – Modulo d
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07--14 MAGGIO 2012
ARPA Lombardia – Centro nivometeorologico – Bormio (SO)
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Applicazioni GPS
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A volte non occorre …
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Il sistema GPS
Il NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global
Positioning System) è un sistema di posizionamento globale basato
su una costellazione di satelliti artificiali che permettono di calcolare
le distanze tra i satelliti ed una stazione ricevente (ferma o in
movimento).
La misura delle distanze permette di realizzare il posizionamento
tridimensionale della stazione ricevente, in un sistema di riferimento
cartesiano geocentrico.
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mercoledì 30 maggio 2012
L’orbita dei satelliti
• Minimo 24 Satelliti (4 satelliti su 6 Piani Orbitali inclinati a 55°)
• In orbita a 20200 Km dalla Terra
• Orbite della durata di circa 12 ore (ogni giorno 4’ in anticipo)
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Determinazione della posizione
Posizione = X Y Z
R1
Ci troviamo in un qualsiasi punto su una
sfera di raggio R1
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Determinazione della posizione
Posizione = X Y Z
R1
R2
2 sfere si intersecano formando una
superficie circolare
Determinazione della posizione
Posizione = X Y Z
R3
R1
R2
3 sfere si intersecano in 2 punti
X Y Z = Punto di stazione
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Modulazione del segnale
Frequenza
Fondamentale
10.23 MHz
x 154
x 120
Cod. D 50 Hz
L1
1575.42 MHz
L2
1227.60 MHz
Cod. C/A
Cod. P (Y)
Cod. P (Y)
(su L1 e L2) Messaggio Satellitare (Almanacco e Effemeridi, ecc)
E’ costituito da 2 onde portanti (L1 e L2)
modulate mediante 3 codici (C/A, P e D)
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Misura della distanza
• Misure di pseudo-range (di codice)
Basata sulla misura del tempo necessario al segnale del satellite per
arrivare al ricevitore
• Misure di fase della portante
Basata sulla misura della differenza della fase dell’onda di arrivo
rispetto a quella generata dal ricevitore. Poi si aggiunge il numero di
cicli interi.
Questi due diversi metodi di calcolo permettono di
distinguere le diverse tipologie di ricevitori
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Una vasta gamma di strumenti
• Solo misure di codice
• Singola frequenza (codice e fase)
In grado di tracciare solo una
frequenza GPS (L1) e i codici
• Doppia frequenza (codice e fase)
In grado di tracciare tutto
il segnale GPS (L1, L2 e codici)
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Una vasta gamma di strumenti
Misure di codice
Misure di codice e fase
L1
L1+L2
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Diversi tipi di errore
• Errori accidentali di misura
• Errori sistematici o di modello
(errori d’orologio, errori di orbita, rifrazione ionosferica e troposferica)
• Errori vari di osservazione
(riflessioni multiple, elettronica del GPS, interferenze
elettromagnetiche, variazione della posizione del centro di fase
dell’antenna)
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Errori di misura
Secondo una regola empirica la precisione della misura può essere
stimata come l’1% della lunghezza d’onda.
Quindi:
• Codice C/A: ±1% l = ±1% 300 m = ±3 m
• Codice P:
±1% l = ±1% 30 m = ±30 cm
• Portanti L1, L2:
±1% l = ±1% 20 cm = ±2 mm
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Errori di orbita
Il presupposto per il posizionamento GPS è la conoscenza
delle effemeridi dei satelliti. Queste possono essere:
• effemeridi trasmesse (broadcast):
sono orbite previste e hanno una
precisione di circa 100 m.
• effemeridi “precise”: sono calcolate
a posteriori dal segmento di controllo
e hanno precisione metrica.
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Errori di orologio e interferenze
• L’instabilità degli orologi ospitati sul satellite e
sul ricevitore GPS può generare un errore che
varia da pochi metri (satellite) a 100 m
(ricevitore).
• Le interferenze Radio determinano una
riduzione del rapporto segnale/rumore
(S/N), con conseguente peggioramento
degli errori di misura
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Errori di rifrazione ionosferica e troposferica
• Il Segnale subisce delle deviazioni nel
suo percorso dovuto alla:
- Ionosfera (riflessione)
- Troposfera (rifrazione)
Troposfera
Ionosfera
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Riflessioni multiple
i
r
20
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Ostacoli
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Errori complessivi
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Quanto pesano gli errori
Metri
100
75
50
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Orologio Ric.
Ionosfera
Effemeridi
Troposfera
Multipath
Disturbi Segn
Orologio Sat.
0
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Correzione differenziale
E’ un sistema per ridurre gli errori
migliorando la qualità del rilievo e
quindi l’accuratezza
Se 2 ricevitori (A,B) sono
sufficientemente VICINI ricevono
lo stesso segnale e risentono degli
stessi errori di misura
Se il ricevitore A è fisso in un
punto noto posso isolare tali errori
di posizionamento e correggere B
A
B
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Correzione differenziale
Con il Calcolo Differenziale:
– si elimina l’errore di
sincronismo degli orologi
– si riduce l’influenza degli errori
atmosferici
Usando il Codice (DGPS) l’accuratezza è
compresa fra 0.5  5 m
Usando Codice e Fase l’accuratezza è di
circa
5  10 mm + 1ppm
(AB < 30Km, 1 ppm corrisponde a 3 cm)
A
B
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Correzione differenziale
La stazione fissa (MASTER) può appartenere ad una
rete di stazioni permanenti oppure essere una
stazione virtuale
A
B
Rete di Stazioni
Stazione Virtuale
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mercoledì 30 maggio 2012
Modalità di Rilievo
• Dinamico
– RTK (10-20 mm + 2 ppm)
– DGPS (30-50 cm)
• Statico
– Statico (5 mm + 1 ppm)
– Statico rapido (5-10 mm + 1 ppm)
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Precisioni ottenibili
• Singolo ricevitore
10 - 20 m
• Differenziale di codice
precisione metrica/sub-metrica
• Differenziale di fase
precisione centimetrica
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mercoledì 30 maggio 2012
Precisioni ottenibili
Non corretto
Differenziale
di codice
10 – 20 m
metrica
10 – 20 m
10 – 20 m
Differenziale
di fase
sub/metrica
submetrica
sub/metrica
centimetrica
(o meglio)
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Grazie per l’attenzione
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