Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le Produzioni Animali(corso TIE)

Massimo LazzariScienze veterinarie per la salute,

la produzione animale e la sicurezza alimentare – VESPA

Università di Milano

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

IL GPS

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

TIE per le Produzioni AnimaliMassimo Lazzari

Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale

e la sicurezza alimentare – VESPAUniversità di Milano

ELEMENTI DI BASE

MISURA DELLA DISTANZA TRA SATELLITE E RICEVITORE

d = v * d = v * ∆∆ttMISURARE IL TEMPO INTERCORSO TRA IL MOMENTO IN CUI PARTE IL SEGNALE E QUELLO IN CUI ARRIVA

OROLOGIO ATOMICO AL CESIO

“il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi

della radiazione corrispondente alla transizione

tra due livelli iperfini dell’atomo di cesio -133”

24 Satelliti (29) – 6 piani orbitali– elevazione 20200 km– 1 rivoluzione in ~12 ore– 5 ore al di sopra dell’orizzonte

Orbite alte per:

• •

•

Copied from “GPS Navstar User’s Overview” prepared by GPS Joint Program Office, 1984

Sicurezza

Copertura

Precisione

IL SEGMENTO SPAZIALE

Trasmette informazioni

Riceve informazioni

IL SEGMENTO DI CONTROLLO

IL SEGMENTO DI CONTROLLO

Stazione monitor

Stazione di controllo Master Antenne a terra

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Il Cesio ha 55 protoni nel nucleo e 55 elettroni intorno ad esso. Sono riempiti tutti gli stati elettronici che fanno parte del gas nobile xenon (54 elettroni) fino al livello 5p e poi c'è solo un elettrone fuori da tale distribuzione. Nel livello successivo di energia disponibile c’è l'elettrone 6s, così la chimica del cesio è determinato da quest’ultimo elettrone.

I SATELLITI DEL SEGMENTO SPAZIALE HANNO UN OROLOGIO AL CESIO

Transizione tra livelli energetici

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Alla transizione fra i due sottolivelli corrisponde un'emissione o un assorbimento di fotoni della corrispondente energia. La frequenza di questa radiazione (circa 9  GHz) è del tipo delle microonde: la lunghezza d'onda è qualche centimetro.

TRANSIZIONE TRA DUE LIVELLI ENERGETICI

Funzionamento di un orologio al cesio

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FUNZIONAMENTO OROLOGIO

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1. Col primo separatore si escludono dal fascio gli atomi con F=4, lasciando solo quelli con F=3

2. Il fascio attraversa una cavità che ha una frequenza di risonanza corrispondente alla transizione fra i sottolivelli a diversa energia; se nella cavità c'è un campo elettromagnetico a quella frequenza, esso induce la transizione da 3 a 4. Il campo è generato da un oscillatore esterno, mantenuto alla frequenza necessaria per la transizione.

3. All’uscita dalla cavità gli atomi rimasti nello stato 3 vengono eliminati con un secondo separatore magnetico, e i restanti inviati a un rivelatore, il quale dà un segnale proporzionale al numero di atomi che riceve per unità di tempo al risuonatore.

4. Se la frequenza del risonatore non è quella giusta per produrre le transizioni, gli atomi in uscita sul livello 4 sono ridotti in numero o addirittura scompaiono: il rivelatore se ne accorge e fornisce un segnale diverso.

5. Il segnale che esce dall'oscillatore, così “agganciato” alla frequenza della transizione atomica, viene mandato a un amplificatore. 9.192.631.770 oscillazioni (nel caso di Cs-133) rappresentano un secondo

FUNZIONAMENTO OROLOGIO

In realtà oltre a questi esistono anche i codici Y (criptato dai militari) e D (navigazione), altre 2 frequenze a 1783,74 MHz e 2227,5 MHz e una

detta L3 a 1381,05 MHz (per il rilievo delle esplosioni nucleari)

I SEGNALI GPS

SPS - solocodice C/A

PPS - codiceC/A e P

SEZIONE SPAZIALE

STRUTTURA DEI SEGNALI GPS

Triangolazionepossibile:

conoscenza dellaposizione

1 satellite 2 satelliti

Minimo3 satelliti

COME FUNZIONA?

I ricevitori gps hanno più di 3 canali

TRIANGOLAZIONE

I ricevitori gps hanno più di 3 canali

TRIANGOLAZIONE

Occorre misurare la distanza da ogni satellite in vista rispetto al ricevitore sulla terra.

Si misura il tempo di viaggio di un segnale radio

50 millisecondi 40 millisecondi

QUAL’ E’ IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO ?

…. E PER OTTENERE QUESTO…

Distanza “D” satellite/ricevitore a terra = Velocità della luce “c” x Tempo di viaggio del segnale radio “Dt”

D

LA TRIANGOLAZIONE

… ma come si calcola il Tempo di viaggio del segnale radio ?

D = c x Dt

Note le distanze di un oggetto sulla terra rispetto a tre satelliti nello spazio, c’è un solo punto che può rispettare contemporaneamente queste distanze !

LA TRIANGOLAZIONE

• Con 3 satelliti ottengo x ed y

• Con 4 satelliti ottengo x, y e z (la quota)

Misure di Pseudo-range:misura del tempo di volo Dt In generale D = c * DtD = c * Dt

Misure di fase:misura del n° di cicli necessari per la trasmissione () In generale D = D = /2/2

COME MISURARE LA DISTANZA SATELLITE-RICEVITORE?

I ricevitori di basso costo (meno precisi) sono in grado di ricevere le onde L1 e fanno

I ricevitori di alto costo (più precisi) sono in grado di ricevere anche le onde L2 e fanno anche

LE MISURE DI PSEUDORANGE

Ora orologio satellite: 10.00 pmOra orologio ricevitore:10.00 pmL1 parte dal sat. alle 10.00 e arriva al ricevitore alle 10.02 pmDt = 2 secondi

d = v * d = v * ∆∆tt

MISURA DI FASE

Risoluzione dell’ambiguità

di fase (RTK)

RISOLUZIONE AMBIGUITA’ DI FASE

Ricevitori che eseguono misure con impiego integrato di pseudoranges

e fase portante

HANNO RAPPORTO PRESTAZIONI/PREZZO

MOLTO INTERESSANTE

Utilizzo filtri Kalman

ALTRE TECNOLOGIE

Geometria scadentesatelliti molto ravvicinati

Geometria ottimale

Satelliti distanziati daangoli di azimut

di120°

LA BONTA’ DI UN POSIZIONAMENTO

La triangolazione per il calcolo della posizione è tanto più precisa quanto più sono aperti i satelliti in vista all’orizzonte

(in mezzo alle case)

(in aperta campagna)

LA BONTA’ DI UN POSIZIONAMENTO

La bontà di un posizionamento è espressa con la DOP (DILUITION OF PRECISION) o GDOP (GEOMETRIC DOP)

Più il valore di DOP è prossimo a 0 e migliore è il posizionamento. La DOP è più nota come:

• PDOP (POSITIONAL DOP 3D)

• HDOP (HORIZONTAL DOP)

• VDOP (VERTICAL DOP)

• TDOP (TEMPORAL DOP)

1 = Ideale 1-2 = Eccellente 2-5 = Buono 5-10 = Moderato 10-20 = Scarso >20 = Povero

PUNTO REALEPUNTO STIMATO

DAL GPS

ERRORE

ASSOLUTO

GLI ERRORI DEL GPS

• Imprecisione efemeridi fino a 2 m

• Ritardo ionosferico fino a 4 m

• Ritardo troposferico fino a 0.7 m

• Precisione orologi fino a 2 m

• Riflessione (edifici, montagne, ecc.)fino a 1.4 m

• Tipo ricevitore fino a 0.5 m

GLI ERRORI DEL GPS

Ionosfera

Troposfera

RITARDO IONOSFERICO E TROPOSFERICO

Multipath

LE OSTRUZIONI

Review Questions

IL MULTIPATH

GLI OROLOGI

OROLOGIO ATOMICOsul satellite

OROLOGIO AL QUARZOsul ricevitore GPS protatile

SINGOLA FREQUENZA (L1) PRECISIONE SENZA PRECISIONE CON CORREZIONE CORREZIONE

DEGLI ERRORI DEGLI ERRORI

basso costo (200 - 500 €) 8 - 10 m 3 - 5 m

medio costo (500 – 2.000 €) 4 - 6 m 0,8 – 1,2 m

alto costo (2.000 - 3.500 €) 4 - 5 m 0,3 – 0,8 m

DOPPIA FREQUENZA (L2)

alto costo (10.000-15.000 €) 4 - 5 m 50 cm- 1 mm

TIPI DI ANTENNA

• ATTIVA• PASSIVA

I RICEVITORI GPS

Posizione Esatta

Poco Preciso e Poco Accurato

Posizioni GPS

media

BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (1)

Nuovola di punti raccolti in un certo lasso di tempo rimanendo fermi

Media della nuvola di punti

Posizione Esatta

Preciso ma Poco Accurato

Posizioni GPS

media

BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (2)

Posizione Esatta

Preciso e Accurato

Posizioni GPS

BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (4)

Rimozione degli errori comuni tra ricevitore di riferimento (GPS base a terra o STAZIONE MASTER) ed utente remoto (GPS in movimento o STAZIONE ROVER) in una certa area

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE (DGPS)

DIFFERENTIAL DIFFERENTIAL GPSGPS

errori calcolati nella stazione master (COORDINATE NOTE)

applicazione errori per correzione misure stazione rover

Condizione ottimale è che le misurazioni di MASTER e ROVER siano fatte sugli stessi satelliti ossia che entrambi i GPS lavorino nello stesso ambiente

posizionamento relativo (due ricevitori) GPS Master e GPS Rover

• RIFERIMENTO NOTO• CALCOLO DELL’ERRORE• UNIONE DATI DEI DUE RICEVITORI

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE

T1

M1

R1

T2

M2

R2Coordinate note = errori noti

M1

M2

R1

R2

TECNICHE DI CORREZIONE DIFFERENZIALE

DGPS IN POST-PROCESSING• per rilievi GIS topografici• rilievi molto accurati, centimetrici o decimetrici

DGPS IN REAL-TIME• per posizionamento veicoli in movimento• per mappature in rilievi GIS

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE IN POST-PROCESSING

IL DGPS IN POST-PROCESSING

VANTAGGI

• Bassi costi di gestione

• Bassa probabilità perdita informazioni di posizione

• Nessun rischio perdita segnale DGPS

• Cycle slips ricostruiti

• Utilizzo effemeridi precise

• Esclusione satelliti malfunzionanti

• Maggiore precisione rispetto al real-time

SVANTAGGI

• Consistente quantità di dati registrati

• Posizionamento preciso solo a posteriori

• Costo elevato dei software di correzione (?)

• Necessità di training per gli operatori

VANTAGGI

• Ridotta quantità dati registrati

• Posizione precisa istantanea

SVANTAGGI

• Alti costi di gestione per maggiore complessità del sistema

• Necessità di un mezzo trasmissivo per la connessione master-rover in tempo reale (Radio o GPRS con protoccolo trasmissione RTCM-104)

• Alta probabilità di perdita informazioni di posizione

• Perdita DGPS

• Perdita per Cycle slips

• Normalmente meno preciso rispetto al post-processing

IL DGPS IN REAL-TIME

• MAGGIOR COMPLESSITA’ DEL SISTEMA• NECESSITA’ DI TRASMETTERE IN TEMPO REALE LA TRASMISSIONE

• PROTOCOLLO DI TRASMISSIONE: RTCM 104• NORMALMENTE RISULTATI MENO PRECISI RISPETTO AL POST-PROCESSING

Coordinate note = errori noti

LA CORREZIONE IN REAL-TIME

T1T2

?

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

VIA RADIO DA STAZIONE DI TERRA

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

• RADIO-MODEM• RICEVITORE PREDISPOSTO• SERVONO DUE GPS• CANONE ANNUO (?)• COSTO ATTREZZATURA MAGGIORE (?)• ALTA PRECISIONE E RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE

VIA GSM DA STAZIONE DI TERRA

• GSM-MODEM• RICEVITORE PREDISPOSTO• TARIFFA TELEFONICA• PROBLEMI SULLA COPERTURA TELEFONICA

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

VIA SATELLITE PRIVATO (OMNISTAR)

• RICEVITORE PREDISPOSTO• CANONE ANNUO•PRECISIONE +/- 10 CM OPPURE 3-5 CM• RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE• TEMPO DI ATTIVAZIONE LUNGO

SATELLITE PRIVATO

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

VIA SATELLITE PUBBLICO

SATELLITE PUBBLICOSISTEMA WASS-EGNOS

• RICEVITORE PREDISPOSTO

•COMPLETAMENTE GRATUITO

• PRECISIONE +/- 15-30 CM

• NON RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE ANCHE DOPO 20 MINUTI

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE

I SISTEMI DI RIFERIMENTO

SISTEMA INTERNAZIONALEEllissoide: WGS84 Orientamento: GeocentricoGeoide : WGS84Proiezione: UTM / Lat.Long.

SISTEMA EUROPEO UTM ED50Ellissoide: Internazionale (Hayford)Orientamento: Locale del 1950Geoide: EGM96Proiezione: Gauss

SISTEMA NAZIONALE ROMA 1940Ellissoide: Internazionale (Hayford)Orientamento: Locale – Roma M. MarioGeoide: IGM95Proiezione: Gauss

ACCURATEZZA E PRECISIONE

Parametri statistici con cui si valuta L’ACCURATEZZA

ACCURATEZZA E PRECISIONE

Prova statica

ricevitore

•Accuratezza = 0,51 m•Errore medio = 0,24 m

•CEP = 0,19 m•95% = 0,50

ACCURATEZZA E PRECISIONE

Ricevitori singoli senza correzione differenziale

ACCURATEZZA E PRECISIONE

Ricevitori singoli con correzione differenziale

ACCURATEZZA E PRECISIONE

CRITERI DI SCELTA

BassaBassa MediaMedia AltaAltaA

lta

Alt

aM

ed

iaM

ed

iaB

ass

aB

ass

a

ACCURATEZZAACCURATEZZAPR

EC

ISIO

NE

PR

EC

ISIO

NE

Navigazione flottaNavigazione flotta

Applicazioni logistiche

Applicazioni logistiche

Sistemazioneterreni

Sistemazioneterreni

Guidaassistita

Guidaassistita

Automazione distribuzione sito-specifica fattori

Automazione distribuzione sito-specifica fattori

TrapiantoTrapianto

Guidaautomatica

Guidaautomatica

MappatureMappature

Identificazione luoghi lavoro o

posizione animali

Identificazione luoghi lavoro o

posizione animali

Rilievo tracciatilavori

Rilievo tracciatilavori

CRITERI DI SCELTA

Satellite Ranging

• Linea di vista

• Condizioni di luce

• Nessuna interferenza meteorologica

PERCHE’ USIAMO IL SISTEMA GPS?

• Posizione assoluta WGS84