Leica

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Il sistema NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite
Timing And Ranging Global Positioning System)
sistema basato sulla ricezione a terra di
segnali elettromagnetici emessi da una
costellazione di sat artificiali, gestiti dal DOD
(Department of Defence) degli USA, che offre
servizi (di usi civili e militari) per la
navigazione, la misura del tempo, la misura delle
distanze ed il posizionamento globale. Il sistema
è stato progettato in maniera da permettere la
fruizione dei servizi offerti in ogni istante e
in ogni luogo del nostro pianeta.
2
Indice - Sezione 1

• Tradizionalmente
• Caratteristiche generali del GPS
• Componenti del sistema
• Misura della distanza
• Misura della posizione
• Struttura del segnale GPS
• Determinazione della distanza dalle osservazioni
  di codice

• Determinazione della distanza dalle osservazioni
  di fase
• Disponibilità selettiva
• Sorgenti derrore
• GPS Differenziale
• Ambiguità iniziale di fase
• La risoluzione delle ambiguità
• Deprezzamento della precisione

1-2
3
Tradizionalmente

• Il GPS offre molti vantaggi rispetto alle
  tradizionali tecniche di rilievo
• Le tecniche tradizionali si basano tutte sulla
  visibilità tra strumento e prisma
• Qualora ci siano ostacoli, vanno aggirati
• La misura della distanza media è intorno ai 5 km
• Le condizioni atmosferiche possono limitare le
  operazioni (es.. nebbia, pioggia,...)

1-3
4
Caratteristiche del GPS

• Indipendenza dalle condizioni atmosferiche
• Non richiede la visibilità tra i punti nei
  rilievi topografici
• È in grado di fornire unelevata accuratezza
• E operativo giorno e notte in qualsiasi parte
  del mondo
• Veloce e richiede meno manutenzione
• Vantaggi economici
• Sistema di coordinate universale
• Ampie possibilità di applicazioni

5

• Svantaggi del GPS
• Il cielo della stazione
• deve essere libero
• da ostacoli fisici

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• Svantaggi del GPS
• Non devono esserci
• campi magnetici

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Caratteristiche generali del GPS

• Sviluppato dal Ministero della Difesa degli Stati
  Uniti (DoD)
• Fornisce
• Accuratezza nella navigazione
• 15- 30 m
• Copertura mondiale
• Accesso 24 ore su 24
• Sistema di coordinate universale
• Progettato per sostituire
• i sistemi di navigazione esistenti
• Accessibile a Civili e Militari

1-5
8
Componenti del Sistema GPS

1-6
9
Segmento di Controllo

• La Stazione Master
• Colleziona i dati di tracciamento delle stazioni
  di monitoraggio
• Aggiorna le predizioni delle orbite dei satelliti
  (effemeride predette) e calcola a posteriori
  leffettiva orbita compiuta da ciascun satellite
  (effemeride precise)
• Distribuisce i risultati dei calcoli alle
  stazioni di monitoraggio
• Aggiorna gli orologi dei satelliti con il Master
  Clock (MC) ubicato allUSNO (U.S. Naval
  Observatory)
• 5 Stazioni di monitoraggio
• Sono su posizioni note con estrema precisione
• Misurano costantemente la distanza tra loro ed i
  satelliti
• Inviano ai satelliti i dati calcolati dalla
  Stazione Master
• Fanno eseguire ai satelliti piccole manovre di
  correzione delle rotte

1-7
10


Segmento Spaziale

• Almeno 24 Satelliti
• 4 satelliti in 6 orbite piane inclinate di 55
  gradi sessagesimali
• 20200 Km sulla superficie terrestre

• Orbite in 11 ore 58 secondi
• In vista ogni 4 - 5 ore
• Durata dei satelliti 7.5 anni
• Tipi differenti
• Blocco I, II, II A, II R II F

55
Equatore
1-8
11
Segmento Spaziale
Costruzione di un satellite
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• Segmento Spaziale

Un satellite del blocco II R
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Struttura del segnale GPS

• Ciascun satellite GPS trasmette un segnale
  complesso
• Il segnale comprende 2 fasi portanti (L1 ed L2),
  2 codici (C/A su L1 e P (Y) sia su L1 che su L2)
  ed un messaggio di navigazione

1-20
14
Modulazione del segnale GPS

• I codici sono delle onde quadre formate da
  transizioni di valori binari (BIT) che modulano
  in fase le portanti L1e L2 (ogni transizione di
  BIT provoca uno sfasamento ? modulazione BPSK).
• L1 ha 2 componenti in quadratura di fase, una con
  il codice P e la seconda ritardata di 90 con il
  codice C/A
• L2, invece, è modulata solo dal codice P.

Modulazione di FASE
Amplitude modulation of a data signal onto a
carrier signal
Frequency modulation of a data signal onto a
carrier signal
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Segmento utenti i ricevitori

Sono strumenti di tipo passivo (ovvero non
emettono ma captano i segnali) costituiti da
unantenna con preamplificatore, una sezione
radiofrequenza che contiene il segnale elaborato
elettronicamente in una combinazione di circuiti
analogici e digitali, un microprocessore, un
sistema di registrazione dati e un sistema di
alimentazione. Le antenne GPS non necessitano
di puntamento nella direzione della sorgente e la
determinazione del centro di fase è
predeterminata in modo non puntuale (non si
tratta di un punto matematico ma di una
superficie).
1-9
16
Principio di misura della posizione
17
Principio di misura della posizione
Questo problema è simile allintersezione inversa
1-19
18
Principio di misura della posizione

• I satelliti sono punti trigonometrici nello
  spazio
• Le distanze a ciascun satellite vengono misurate
  usando i codici o le fasi
• I ricevitori GPS usano orologi economici che sono
  meno precisi di quelli a bordo dei satelliti
• Le onde radio viaggiano alla velocità della luce
• (Distanza Velocità della luce x Tempo
  impiegato)
• Considerando un errore dellorologio del
  ricevitore di
• 1/10 di secondo lerrore nella distanza sarà di
  30 000 Km
• 1/1 000 000 di secondo lerrore nella distanza
  sarà di 300 m

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Stato dei satelliti
20
La misura della distanza con luso del codice
21
Determinazione della pseudodistanza con luso del
codice

• Pseudodistanze (Codice)
• Ciascun satellite manda un segnale che si ripete
  ogni millisecondo
• Il ricevitore confronta il segnale ricevuto con
  quello generato internamente
• Da questa correlazione si determina la differenza
  di tempo (dT) e quindi la pseudodistanza
• Lorologio del ricevitore devessere
  sincronizzato con quello del satellite

Codice ricevuto dal satellite
Codice generato dal ricevitore
?T
22
Principio di misura della pseudodistanza
Immaginiamo che il satellite del quale dobbiamo
misurare la distanza, disti da noi 24.001,5 Km.
23
Principio di misura della pseudodistanza
Per coprire questa distanza il segnale
impiega 24.001,25 Km / 300.000 Km/s 0,080005 s
24
Principio di misura della pseudodistanza
Se il ricevitore contenesse un cronometro ad
altissima precisione sincronizzato con lorologio
atomico del satellite 0,080005 s x 300.000 Km/s
24.001,25 Km
25
Principio della misura della pseudodistanza
Distanza Velocità x Tempo
26
Principio di misura della posizione
R1
Con la misura di una sola distanza la posizione è
su una sfera di raggio R1
27
Principio di misura della posizione
R1
R2
Con la misura di due distanze la posizione è sul
cerchio generato dallintersezione delle due sfere
28
Principio di misura della posizione
R1
R3
R2
3 Sfere si intersecano in un punto. Con 3
distanze si possono calcolare Latitudine,
Longitudine e Quota
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32

• La misura di pseudo range
• La misura di pseudo-range è una misura di
  distanza (range) affetta dagli errori degli
  orologi. La misura di pseudo-range è lo
  spostamento (shift) di tempo necessario per
  allineare una replica del codice generata nel
  ricevitore con quello ricevuto dal satellite
  moltiplicato per la velocità c della luce.
  Idealmente detto shift rappresenta la differenza
  tra il tempo di ricezione del segnale (misurato
  nel riferimento temporale del ricevitore) e
  quello di emissione (misurato nel riferimento
  temporale del satellite). Poiché i due
  riferimenti di tempo sono differenti, sintroduce
  un errore sistematico nelle misure dei ritardi di
  tempo che saranno per questo motivo, riferiti a
  pseudo-range. Si può allora affermare che la
  misura di pseudo-range è dunque il ritardo che
  deve essere aggiunto alle epoche nellorologio
  del ricevitore per mantenere allineati
  (correlati) la replica del codice generato e
  quello ricevuto.
• Il ricevitore effettua una operazione di matching
  (centratura del segnale) tra il segnale GPS
  ricevuto e quello generato dal suo software.
  Questa operazione è espressa dalla seguente
  relazione
• dove S(t) è il segnale ricevuto, S(t t ) il
  segnale generato dal ricevitore e T il periodo
  scelto. La funzione di auto correlazione assume
  il valore unitario quando cè una perfetta
  sovrapposizione fra i due segnali ed avviene
  lagganciamento (lock on) dei due segnali con t
  intervallo di correlazione.

33
Questo processo matematico fra i due segnali è
illustrato nella seguente figura
In questo caso, (t 0), non avviene laggancio
(lock on) dei due segnali ed il ricevitore non
riceve il satellite laggancio della sequenza
dei due segnali avviene per t 3 , come si può
facilmente vedere nella figura
34

• Lintervallo di auto correlazione rappresenta il
  tempo necessario al segnale GPS per raggiungere
  il ricevitore (tempo di propagazione) da detto
  intervallo si calcola la distanza fra satellite e
  ricevitore
• pseudorang e c t lunghezza chip
• Rimane il problema di scegliere T. T è scelto
  uguale al periodo della forma donda (per il
  codice C/A è un millisecondo) per il quale la
  funzione di auto correlazione è vera per altri
  valori la funzione è falsa. Il codice C/A, come
  già detto, si ripete ogni millisecondo, perciò la
  misura di pseudorange avrà unambiguità di 300
  km. Questo problema è risolto dando al ricevitore
  la posizione stimata. Dato che lambiguità è
  molto grande, laccuratezza della posizione
  stimata è ovviamente molto bassa di solito
  questambiguità non esiste ma lesperienza degli
  autori consiglia, quando si usa per la prima
  volta il ricevitore, di inserire nel ricevitore
  la posizione stimata. Per il codice P non è
  possibile usare la stessa tecnica perché, come
  già detto, il segnale si ripete ogni settimana.
  Il ricevitore utilizza la procedura di lock on
  del codice C/A per decodificare il messaggio di
  navigazione e usa la parola handover di
  sincronizzazione, contenuta nel messaggio, per
  passare dalla misura di pseudorange del codice
  C/A a quella del codice P. Il ricevitore GPS
  utilizza questo tipo di misura per eseguire il
  posizionamento in tempo reale. Losservazione
  simultanea di quattro satelliti consentirà di
  determinare la posizione tridimensionale del
  ricevitore e lerrore dellorologio, ad una data
  epoca. La precisione con la quale può essere
  mantenuto il picco di correlazione (e quindi la
  precisione con la quale può essere fatta una
  misura di pseudo-range) secondo una regola
  pratica viene stimata essere l1 del periodo tra
  le epoche di due codici successivi. Per il codice
  P due epoche successive sono separate da 0.1mS ,
  pertanto la precisione nella misura sarà di un
  nanosecondo (10-9) e conseguentemente una
  precisione nella misura della distanza di 30 cm.
  Per il codice C/A le precisioni sono inferiori
  esattamente di un decimo, pertanto la precisione
  nella misura delle distanze è di 3 m.

35
(No Transcript)
36
Posizione del punto

• Un singolo ricevitore, se usa il codice C/A,
  fornisce
• unaccuratezza di navigazione teorica
• di circa 15 - 30 m

37
Posizione del punto

• Se, invece, si usasse il codice P
• laccuratezza teorica potrebbe essere di 1,5 - 3
  m
• ma.......

38
Anti-Spoofing (AS)

• A partire da 1990 il codice P è stato
  crittografato dal DoD con luso di un codice
  segreto W
• Il nuovo codice generato si chiama codice Y.
  Può essere decifrato solo dai militari e da pochi
  Enti autorizzati dal DoD
• Attraverso particolari tecniche leffetto dellAS
  può essere minimizzato ma non eliminato
  completamente
• AS non è sinonimo di S/A

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Disponibilità Selettiva (S/A)

• In teoria laccuratezza della posi-zione di un
  punto con il codice C/A è di 15 - 30 m

P

• Il Ministero della Difesa degli Stati Uniti (DoD)
  2 maggio 2000 ha dismesso la SA (Selective
  Availability)

/- 100m (95)
P Posizione Vera
40
Posizione di un punto
Accuratezza 20 30 m

• Quindi un solo ricevitore fornisce unaccuratezza
  di posizione che varia da 15 a più di 30 m. Tale
  valore varia istante per istante.

41

• Vantaggi
• Uso di un solo ricevitore
• Posizione in tempo reale
• Svantaggi
• Scarsa precisione

?T
42
La misura della distanza con luso della fase
43
Determinazione della distanza con luso delle fasi

• Osservazione della fase
• La lunghezza donda del segnale è di 19,05 cm su
  L1 e di 24,45 cm su L2
• Il ricevitore confronta la fase generata con
  quella che riceve dal satellite
• Il numero intero delle lunghezze donda non è
  conosciuto al momento della accen-sione del
  ricevitore (ambiguità iniziale)
• Durante il tracciamento del segnale si pos-sono
  osservare cambiamenti nella distan-za
  (lambiguità iniziale resta costante se non si
  perde il contatto con il satellite)

Fase ricevuta dal satellite
Fase generata dal ricevitore
?T
D c ?T????N
44
Ambiguità iniziale della fase

• Per ottenere buoni risultati lambiguità iniziale
  della fase deve essere determinata con certezza

Tempo (0)
Tempo (i)
Ambiguità
Ambiguità
Misura della fase
Variazione della distanza
Misura della fase
45
Posizionamento con la fase

• Con le fasi
• laccuratezza teorica potrebbe essere di pochi cm.

1-23
46
Sorgenti derrore
47
Sorgenti derrore

• Errori del satellite
• Incertezza dellorbita
• Modello della deriva dellorologio
• Centro di fase
• Errori del Ricevitore
• Orologio del ricevitore
• Rumore del ricevitore
• Centro di fase

• Errori dosservazione
• Ritardo ionosferico
• Ritardo troposferico
• Errori della stazione
• Coordinate ecc. appros.
• Percorso multiplo
• (Multipath)

1-27
48
Sorgenti derrore (errori di osservazione)

• Ionosfera

• Troposfera

49
Sorgenti derrore (errori della stazione)

• Multipath

50
Riepilogo degli errori
400
300
Metri
200
100
0
Multipath
Orologio sat.
Effemeridi
Rumore ric.
Orologio ric.
Ionosfera
Troposfera
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Diminuzione della Precisione (DOP)

• In una intersezione inversa tradizionale la
  distribuzione dei trigonometrici influenza la
  precisione della posizione
• Nel rilievo con il GPS la cattiva distribuzione
  dei satelliti diminuisce la precisione della
  posizione
• Esistono vari indici di DOP
• GDOP (Globale)
• Lat, Lon, Quota Tempo
• PDOP (Posizione tridimensionale)
• Lat, Lon Quota
• HDOP (Posizione Orizzontale)
• Lat Lon
• VDOP (Posizione Verticale)
• Solo Quota

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Diminuzione della Precisione (GDOP)

• Tutti gli indici DOP provengono dalla
  navigazione
• Il GDOP è lindice che meglio si adatta al
  topografo
• Il valore del GDOP varia da 1 (ideale)
  allinfinito

Ottimo GDOP
53
Diminuzione della Precisione (GDOP)

• Si può lavorare fino ad un valore massimo di 8

Pessimo GDOP
54
Cosa fare per aumentare laccuratezza ?
55

Corso
base GPS
Usare il GPS Differenziale.
56
Posizionamento Differenziale

• Nota la posizione del ricevitore di riferimento
  A si può calcolare la posizione del ricevitore
  mobile B

• I satelliti devono essere tracciati
  simultaneamente

• Il posizionamento differenziale
• elimina gli errori degli orologi dei satelliti e
  dei ricevitori
• minimizza i ritardi atmosferici

Vettore della linea di base
A
B
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Accuratezza nel posizionamento differenziale

• Usando il codice C/A
• si ha unaccuratezza di 0.5 m - 5 m
• Questo risultato è tipico del DGPS

Vettore della linea di base
A
B
58
Accuratezza nel posizionamento differenziale

• Usando sia la fase che il codice si ha
  unaccuratezza di 5 - 10 mm 1ppm

Vettore della linea di base
A
B
59

• Vantaggi del differenziale
• Attenuazione degli errori
• Massima precisione
• Svantaggi
• Post-elaborazione dei dati

?T
60
Riassunto sul posizionamento GPS

• Con un solo ricevitore che usa il codice la
  posizione di un punto ha unaccuratezza di 15 m -
  100 m
• Dipende dal valore della Disponibilità Selettiva
  (S/A)
• Può essere sufficiente anche 1 sola epoca

61
Riassunto sul posizionamento GPS

• Utilizzando due ricevitori che tracciano
  simultaneamente 4 satelliti (preferibilmente 5)
  si ha unaccuratezza, rispetto alla Stazione di
  Riferimento, che varia da 0.5 cm (fase) a 5 m
  (codice)

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Riassunto sul posizionamento GPS

• E importante ricordare che se la tecnica
  differenziale usa
• il Codice si ha unaccuratezza metrica
• la Fase si ha unaccuratezza centimetrica

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Wide Area Augmentation System
Geostationary WAAS satellites
GPS Constellation
Local Area System (LAAS)
WAAS Control Station (East Coast)
WAAS Control Station (West Coast)
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Wide Area Augmentation System (WAAS)

• Si basa su un sistema di correzione in tempo
  reale
• 25 stazioni di riferimento al suolo negli Stati
  Uniti
• Le Master Stations inviano le correzioni GPS
• La correzione differenziale viene inviata con un
  messaggio broadcast dai satelliti WAAS
  geostazionari
• Precisione entro i 3m nel 95 dei casi
• Si richiede solo WAAS enabled GPS

65
(No Transcript)