CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE
E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI
ANIMALI
Tecnologie Informatiche ed
Elettroniche per le Produzioni Animali
(corso TIE)
Massimo Lazzari
Scienze 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
TIE per le Produzioni Animali
Massimo Lazzari
Scienze veterinarie per la salute,
la produzione animale
e la sicurezza alimentare – VESPA
Università di Milano
ELEMENTI DI BASE
MISURA DELLA DISTANZA TRA SATELLITE E RICEVITORE
MISURARE IL TEMPO
INTERCORSO TRA IL
MOMENTO IN CUI
PARTE IL SEGNALE E
QUELLO IN CUI
ARRIVA
OROLOGIO ATOMICO
AL CESIO
d = v * ∆t
“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”
IL SEGMENTO SPAZIALE
24 Satelliti (29)
–
–
–
–
6 piani orbitali
elevazione 20200 km
1 rivoluzione in ~12 ore
5 ore al di sopra dell’orizzonte
Orbite alte per:
• Sicurezza
• Copertura
• Precisione
Copied from “GPS Navstar User’s Overview”
prepared by GPS Joint Program Office, 1984
IL SEGMENTO DI CONTROLLO
Riceve informazioni
Trasmette informazioni
IL SEGMENTO DI CONTROLLO
I SATELLITI DEL SEGMENTO SPAZIALE HANNO
UN OROLOGIO AL CESIO
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.
8
TRANSIZIONE TRA DUE LIVELLI ENERGETICI
Transizione tra livelli energetici
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.
9
FUNZIONAMENTO OROLOGIO
Funzionamento di un orologio al cesio
10
FUNZIONAMENTO OROLOGIO
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
11
I SEGNALI GPS
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)
SEZIONE SPAZIALE
STRUTTURA DEI SEGNALI GPS
COME FUNZIONA?
TRIANGOLAZIONE
1 satellite
2 satelliti
Triangolazione
possibile:
conoscenza della
posizione
Minimo
3 satelliti
I ricevitori gps hanno
più di 3 canali
TRIANGOLAZIONE
I ricevitori gps hanno
più di 3 canali
QUAL’ E’ IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO ?
Occorre misurare la distanza da
ogni satellite in vista rispetto
al ricevitore sulla terra.
…. E PER OTTENERE QUESTO…
Si misura il tempo di viaggio di
un segnale radio
LA TRIANGOLAZIONE
Distanza “D” satellite/ricevitore a terra =
Velocità della luce “c” x Tempo di viaggio
del segnale radio “Dt”
D = c x Dt
D
… ma come si calcola il Tempo di viaggio del segnale radio ?
LA TRIANGOLAZIONE
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 !
• Con 3 satelliti ottengo x ed y
• Con 4 satelliti ottengo x, y e z (la quota)
COME MISURARE LA DISTANZA SATELLITE-RICEVITORE?
Misure di Pseudo-range:
misura del tempo di volo Dt
In generale D = c * Dt
Misure di fase:
misura del n° di cicli necessari per la
trasmissione (F)
In generale D = F*l/2p
LE MISURE DI PSEUDORANGE
Ora orologio satellite: 10.00 pm
Ora orologio ricevitore:10.00 pm
L1 parte dal sat. alle 10.00 e arriva
al ricevitore alle 10.02 pm
Dt = 2 secondi
MISURA DI FASE
d = v * ∆t
RISOLUZIONE AMBIGUITA’ DI FASE
Risoluzione
dell’ambiguità
di fase
(RTK)
ALTRE TECNOLOGIE
Ricevitori che eseguono misure con
impiego integrato di pseudoranges
e fase portante
Utilizzo filtri Kalman
HANNO RAPPORTO
PRESTAZIONI/PREZZO
MOLTO INTERESSANTE
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
GLI ERRORI DEL GPS
ERRORE
ASSOLUTO
PUNTO REALE
PUNTO STIMATO
DAL GPS
GLI ERRORI DEL GPS
•
•
•
•
•
•
Imprecisione efemeridi
Ritardo ionosferico
Ritardo troposferico
Precisione orologi
Riflessione (edifici, montagne, ecc.)
Tipo ricevitore
fino a 2 m
fino a 4 m
fino a 0.7 m
fino a 2 m
fino a 1.4 m
fino a 0.5 m
RITARDO IONOSFERICO E TROPOSFERICO
Ionosfera
Troposfera
LE OSTRUZIONI
Multipath
IL MULTIPATH
Review Questions
GLI OROLOGI
OROLOGIO AL QUARZO
sul ricevitore GPS protatile
OROLOGIO ATOMICO
sul satellite
I RICEVITORI GPS
SINGOLA FREQUENZA (L1)
basso costo
PRECISIONE SENZA
CORREZIONE
DEGLI ERRORI
PRECISIONE CON
CORREZIONE
DEGLI ERRORI
8 - 10 m
3-5m
4-6m
0,8 – 1,2 m
(200 - 500 €)
medio costo (500 – 2.000 €)
alto costo
(2.000 - 3.500 €)
4-5m
0,3 – 0,8 m
4-5m
50 cm- 1 mm
DOPPIA FREQUENZA (L2)
alto costo
(10.000-15.000 €)
TIPI DI ANTENNA
• ATTIVA
• PASSIVA
BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (1)
Posizioni GPS
Posizione Esatta
media
Poco Preciso e Poco Accurato
Nuovola di punti raccolti in un certo lasso di tempo rimanendo fermi
Media della nuvola di punti
BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (2)
Posizioni GPS
Posizione Esatta
media
Preciso ma Poco Accurato
BONTA’ DI UN RICEVITORE GPS (4)
Posizioni GPS
Posizione Esatta
Preciso e Accurato
LA CORREZIONE DIFFERENZIALE (DGPS)
DIFFERENTIAL GPS
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
posizionamento relativo (due ricevitori)
GPS Master e GPS Rover
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
LA CORREZIONE DIFFERENZIALE
DR1
Coordinate note
= errori noti
DR2
DM1
DM2
• RIFERIMENTO NOTO
• CALCOLO DELL’ERRORE
• UNIONE DATI DEI DUE RICEVITORI
T1
DM1 = DR1
T2
DM2 = DR2
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
SVANTAGGI
• Bassi costi di gestione
• Consistente quantità di dati
registrati
• 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
• Posizionamento preciso solo a
posteriori
• Costo elevato dei software di
correzione (?)
• Necessità di training per gli
operatori
IL DGPS IN REAL-TIME
VANTAGGI
SVANTAGGI
• Ridotta quantità dati registrati
• Posizione precisa istantanea
• 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
LA CORREZIONE IN REAL-TIME
T2
T1
Coordinate note
= errori noti
• 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
SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE
?
SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE
VIA RADIO DA STAZIONE DI TERRA
• RADIO-MODEM
• RICEVITORE PREDISPOSTO
• SERVONO DUE GPS
• CANONE ANNUO (?)
• COSTO ATTREZZATURA MAGGIORE (?)
• ALTA PRECISIONE E RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE
SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE
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
SISTEMA WASS-EGNOS
VIA SATELLITE
PUBBLICO
• RICEVITORE PREDISPOSTO
•COMPLETAMENTE GRATUITO
• PRECISIONE +/- 15-30 CM
• NON RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE ANCHE DOPO 20 MINUTI
SATELLITE
PUBBLICO
I SISTEMI DI RIFERIMENTO
SISTEMA INTERNAZIONALE
Ellissoide: WGS84
Orientamento: Geocentrico
Geoide : WGS84
Proiezione: UTM / Lat.Long.
SISTEMA EUROPEO UTM ED50
Ellissoide: Internazionale (Hayford)
Orientamento: Locale del 1950
Geoide: EGM96
Proiezione: Gauss
SISTEMA NAZIONALE ROMA 1940
Ellissoide: Internazionale (Hayford)
Orientamento: Locale – Roma M. Mario
Geoide: IGM95
Proiezione: Gauss
ACCURATEZZA E PRECISIONE
ACCURATEZZA E PRECISIONE
Parametri statistici
con cui si valuta
L’ACCURATEZZA
ACCURATEZZA E PRECISIONE
Prova
statica
ricevitore
•Accuratezza = 0,51
•Errore medio = 0,24
•CEP = 0,19 m
•95% = 0,50
ACCURATEZZA E PRECISIONE
Ricevitori singoli senza correzione
differenziale
ACCURATEZZA E PRECISIONE
Ricevitori singoli con correzione
differenziale
CRITERI DI SCELTA
CRITERI DI SCELTA
ACCURATEZZA
Media
Media
Alta
Identificazione
luoghi lavoro o
posizione
animali
Rilievo tracciati
lavori
Applicazioni
logistiche
Navigazione flotta
Guida
assistita
Alta
PRECISIONE
Bassa
Bassa
Mappature
Automazione distribuzione
sito-specifica fattori
Sistemazione
terreni
Trapianto
Guida
automatica
PERCHE’ USIAMO IL SISTEMA GPS?
• Posizione assoluta WGS84
• Linea di vista
• Condizioni di luce
• Nessuna interferenza
meteorologica
Satellite Ranging