Post on 03-May-2015
transcript
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
8
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
9
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
10
FUNZIONAMENTO OROLOGIO
11
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