IMPOSTAZIONE DELLA STAZIONE BASE

Benchè istallare la stazione sia veramente molto semplice, deve, comunque, essere accertato ogni dettaglio. Infatti, come e dove venga istallata la stazione e l’antenna influenza il livello di prestazioni, che si possono aspettare dal rilievo.

La stazione base è una stazione fissa, normalmente collocata in posizioni sicure, e può essere lasciata lavorare in modo autonomo nella ricezione dei dati mentre l’operatore procede nell’acquisizione dei dati di campagna con l’unità mobile (rover).

·     GPS ANTENNA: Vanno considerati i seguenti due criteri quando si posiziona l’antenna, il primo ha priorità sul secondo: 

• Per una buona ricezione, scegliere un posto con una piena visibilità all’orizzonte in tutte le direzioni, e libero da ostacoli, che possono provvocare effetti di multi-path. Inoltre, evitare la presenza di antenne ad alto potenziale e di trasmettitori radio vicini, oltre al trasmettitore UHF della stazione. 

• Scegliere un posto di cui sia nota la posizione precisa 3D nel sistema di coordinate usato nel lavoro in atto. Dal punto di vista operativo, la conoscenza della posizione nota può essere essenziale.

Se, comunque, il luogo prescelto non soddisfa il primo criterio, è preferibile scegliere uin posto, che soddisfi il primo creiterio … non essendo altrettanto essenziale soddisfare il 2° criterio. In questo caso, si può operare determinando la stazione con calcolo della media di posizione per determinare la posizione.

N.B. L’antenna è progettata per essere posta su un adattatore posto su di un tricuspide, Risulta pertanto facile e veloce il posizionamento su treppiede. 

UHF ANTENNA: Al contrario dell’antenna GPS, la posizione dell’antenna UHF non riveste particolare importanza dal punto di vista operativo. In questo senso, scegliere il collocamento dell’antenna UHF risulta semplice. Si devono considerare solo due criteri per assicurare la necessaria copertura del radio link UHF:

• Scegliere un posto libero da ostacoli nella direzione ove opererà la rover al lavoro.

• Istallare l’antenna UHF il più in alto possibile rispetto alla quota del punto ove si lavora con la mobile

L’antenna UHF è progettata per essere montata sullo stesso adattatore dell’antenna GPS. In quel caso, il luogo scelto deve poter soddisfare i 4 criteri con ambedue le antenne GPS e UHF praticamente sullo stesso punto.

La presenza dell’antenna UHF nella vicinanza della GPS non influenza quest’ultima se non per direzionalità.

L’antenna UHF antenna ed il trasmettitore possono essere montati anche separatamente. Un cavo opzionale, lungo 30-metri, è proposto per istallare l’antenna/trasmettitore UHF a distanza rilevante dalla stazione. Questo tipo di posizionamento è consigliabile al limite di copertura del UHF (l’antenna andrà posta il più in alto possibile), o se si vuole allontanare l’antenna UHF dalla antenna GPS, qualora le frequenze irraggiate dal UHF producano un numero di onde armoniche in grado di disturbare l’antenna GPS .

·     UNITÀ SCORPIO : Risulta rapido il posizionamento sul treppiede con l’adattatore. Molte posizioni di istallazione sul treppiede sono altresì possibili.

Stazione Base SCORPIO

Connessioni varie stazione SCORPIO

Impostazione dell’unità mobile rover

Impostazioni diverse per il trasporto della rover

Unità rover SCORPIO - Configurazione operativa

Connessioni varie rover SCORPIO

Sessioni operative equipaggiamenti scorpio

• Ogni equipaggiamento Scorpio, sia una station che una rover, possono programmare svariate sessioni.

Una sessione è semplicemente l’intervallo di tempo nel quale si vuole che il ricevitore sia acceso ed operativo. Nel tempo restante, l’equipaggiamento si pone in modo standby. In uno Scorpio possono essere programmate fino ad 8 sessioni diverse.

• Così, ogni equipaggiamento Scorpio, sia una stazione che una rover, possono registrare i dati satellitari se l’opzione PC card è presente.

Combinando sessioni e memorizzazione dati è possibile: memorizzare i dati con operazioni manuali (controllando inizio e fine dell’archiviazione), o automaticamente nelle sessioni.

Come si può notare, le nozioni di sessioni e di registrazione dei dati sono correlate strettamente.

• Altro parametro fondamentale legato alle sessioni è il modo di accensione.

Due sono i modi possibili di accensione:

1. Accensione Manuale: si detiene il controllo totale dell’alimentazione dello Scorpio indipendentemente dall’avvio delle sessioni, se ve ne sono.

2. Modo Automatico: l’accensione dello Scorpio si trova sotto il controllo delle sessioni programmate. Lo Scorpio si accende automaticamente qualche minuto prima dell’inizio della sessione e si spegne subito dopo la fine della sessione.

In pratica, si dovrà fare quanto segue, in rapporto alla destinazione operativa dell’equipaggiamento:

• Stazione, in real-time: programmare le sessioni, scegliere se la stazione debba accendersi e spegnersi automaticamente e programmare i tempi (su base giornaliera o no), così da permettere una economizzazione delle batterie (questo modo operativo richiede una scelta in modo Automatico dell’accensione ).

• Stazione, in post-processing: stesso approccio che in tempo reale per sessioni, eccetto che si dovrà programmare la registrazione dei dati durante le sessioni, come richiesto dal metodo di rilievo usato. Ovviamente, in questo caso si richiede la presenza dell’opzione PC card.

• Rover, in real-time: usare le sessioni non è di nessuna utilità a priori.

• Rover, in post-processo: La funzione di registrazione dati può essere attivata manualmente o attraverso sessioni programmate.

Il primo metodo è certamente molto più flessibile del secondo.

L’opzione PC card è sempre richiesta.                 

Tecniche di rilievo topografico

• Statico

• Statico veloce

• Cinematico

STATICO

• E' il più preciso (<5mm + 1 ppm )

• E' il più lento ( > 1 ora di stazionamento )

• E' il più affidabile (difficilmente sbaglia)

• E' il più semplice (lavoro sul campo)

STATICO VELOCE

• Del tutto simile allo statico con tempi di stazionamento molto inferiori (5-30 min.) (richiede almeno 5 satelliti)

• Possibile grazie a SW e HW più potenti

• Lo statico "veramente veloce" si ottiene con ricevitori a doppia frequenza o a doppia costellazione.

  • - Molte più informazioni rispetto alla singola frequenza: L1, L2, L1+L2, L1-L2

  • - Lo statico veloce in singola frequenza si affida esclusivamente al SW

• Stessa semplicità dello statico

• Stessa precisione dello statico (?!?)

• Stessa affidabilità dello statico (?!?)

• *A livello matematico è tutto vero. In realtà la precisione è di poco inferiore. L'affidabilità dipende dalla sensibilità dell'operatore sul campo (DOP, numero satelliti, rapporto segnale-rumore...)

Stazione base GPS 1                                           Stazione base GPS 2

Per le tipologie di rilievo statico e statico veloce si adotta:

<<--- Stazione base installata su appropriato tricuspide

Stazione base installata su appropriato tricuspide --->>

CINEMATICO

• E' il più veloce (solo 1 secondo per punto)

• E' il più difficile (non bisogna perdere il segnale dai satelliti)

• Dovrebbe avere la stessa precisione dello statico ma rispetto a questo è molto più influenzato dal DOP (si ottengono circa 3-10 cm)

• Richiede l'INIZIALIZZAZIONE quando si inizia il rilievo e una nuova inizializzazione ogni volta che si hanno meno di 4 satelliti

• Inizializzazione con solo L1    ----     Statico

• Inizializzazione con L1+L2      ----    Statico, Statico Veloce, O.T.F. (On The Fly) (al volo)

• I dati possono essere acquisiti in continuo movimento (cinematico) o passando da un punto all'altro fermandosi un istante (STOP and GO)

Stazione base GPS                                                 Unità mobile Rover

Per le tipologie di rilievo cinematica si adotta:

<<--- Stazione base installate su appropriato tricuspide

Unità mobile rover --->>

Il sistema GPS munito di unità mobile “rover” permette di effettuare rilievi sul territorio, sia in modalità RTK che in post-processing. Con questo ricevitore il sistema è in grado di eseguire autonomamente dei rilevi di precisione e, qualora lo stesso venga munito di radio modem, di eseguire picchettamenti o rilievi in tempo reale in cui l'operatore conosce direttamente in campagna le coordinate dei punti che sta rilevando.

Precisione nei rilievi gps

La maggior parte degli equipaggiamenti GPS funziona a meraviglia, a meno che le condizioni di ricezione non siano ideali. E' probabile che voi abbiate visto caratteristiche come: "attendibilità del 99.9% per ottenere una precisione di 2 ppm in meno di un minuto", precisato poi con: "Tutti i criteri per stabilire le prestazioni nel rilievo in tempo reale sono in funzione del numero dei satelliti visibili, degli ostacoli, della lunghezza della linea di base, del multipath, della precisione delle coordinate della Stazione di Riferimento e degli effetti ambientali".

O dichiarazioni quali: "La precisione dello Statico Rapido dipende dal tempo di occupazione e delle condizioni di osservazione". Naturalmente, il mondo reale è inferiore al quasi perfetto 99.9% del tempo. Ancorché problematici, gli errori GPS derivanti da condizioni sfavorevoli possono essere difficili da scoprire. Nella geodesia vecchio stile, i topografi erano abituati a calibrare i loro strumenti. Con il GPS, voi non potete calibrare il vostro strumento. Ed anche se poteste, è possibile calibrarlo in condizioni favorevoli e poi usarlo in condizioni sfavorevoli?

Inoltre, spesso questi errori non si manifestano per molto tempo, o addirittura mai. Per esempio, una stazione GPS di una rete di monitoraggio terremoti può avere pochi millimetri di errore in alcune condizioni, contaminando così la ricerca per molti anni. Immaginate gli effetti di errori simili nelle applicazioni di geodesia, GIS e delle costruzioni!

Il risultato è che quelle caratteristiche prestazionali rimangono incontestate e molto difficili da confrontare. E' quasi impossibile prevedere o anche scoprire delle condizioni sfavorevoli, fino a che non è troppo tardi. Perciò, noi dobbiamo essere in grado di ottenere buoni risultati in condizioni sfavorevoli. Le caratteristiche del ricevitore devono contenere informazioni su come esso si comporta in condizioni sfavorevoli.

In questa sezione noi discutiamo degli effetti ambientali che incidono sfavorevolmente sulle prestazioni del GPS. Presentiamo anche i metodi che noi usiamo per limitare i loro effetti e per quantificare il livello di attenuazione, in modo che voi possiate accuratamente confrontare i nostri strumenti con gli altri. Nelle sezioni seguenti riassumiamo i nostri risultati, giacché noi continuiamo a migliorare lo stato dell'arte:

Effetto Ambientale 1: Interferenza

Effetto Ambientale 2: Multipath

Effetto Ambientale 3: Ionosfera

Effetto Ambientale 1: Interferenza

Questo effetto è causato dai segnali provenienti da altre sorgenti di radio frequenze. Esso può mascherare totalmente i segnali GPS, o ridurre la loro forza apparente (ovvero, ridurre il rapporto segnale/rumore aggiungendo rumore). L'interferenza può determinare che un ricevitore perfettamente funzionante smetta completamente di lavorare. In casi meno gravi, l'interferenza causa frequenti perdite di aggancio e salti di ciclo, rendendo i dati inutilizzabili. Oppure, può soltanto aumentare il rumore e diminuire leggermente la precisione.

Con la rapida espansione delle comunicazioni satellitari, l'interferenza non è più limitata alle aree urbane. Voi potete rilevare la presenza di segnali di interferenza dalle frequenti perdite di aggancio e da valori più bassi del rapporto segnale/rumore visualizzati dal ricevitore.

L'equipaggiamento GPS risolve questo problema con una superiore protezione dall'interferenza, mediante l'individuazione e l'eliminazione o la soppressione dei segnali di interferenza. I ricevitori GPS ricevono anche in condizioni di rapporto segnale/rumore basso, ad esempio quando c'è una interferenza radio o quando c'è una debole intensità del segnale (ad es.: sotto fogliame e grondaie).

Effetto Ambientale 2: Multipath

Il multipath può rovinare la vostra giornata! Esso è peggiore dell'interferenza, nel senso che l'interferenza interrompe soprattutto la ricezione dei segnali dei satelliti e voi non otterrete nessun risultato. Il multipath invece vi darà risultati errati, senza che voi lo sappiate. Per questo motivo, alcune persone negano la sua esistenza.

Se un ricevitore GPS non ha sufficiente protezione contro il multipath ed il fabbricante dichiara una precisione di 2 ppm in meno di uno minuto con una attendibilità del 99.9%, allora l'attendibilità può facilmente scendere allo 0% in presenza di multipath.

Finché c'è qualche cosa sotto la vostra antenna, il che si verifica nella generalità dei casi (il terreno che voi state rilevando), voi avrete multipath. Giacché la terra è un buon riflettore dei segnali GPS, i segnali riflessi hanno pressoché la stessa intensità dei segnali GPS diretti. La sola protezione che potete avere contro questo tipo di multipath (che noi chiamiamo "Multipath Terreno") sono le caratteristiche di attenuazione del multipath della vostra antenna GPS. Nessuna tecnica di elaborazione del segnale può avere un qualsiasi effetto significativo su questo tipo di multipath. Discuteremo più tardi gli altri tipi di multipath in questa sezione.

Una misura che quantifica la capacità di un'antenna di mitigare il multipath terreno, viene chiamata rapporto "sotto/sopra". Essa è il rapporto di guadagno dell'antenna ad un certo angolo di depressione sotto l'orizzonte rispetto al guadagno dell'antenna allo stesso angolo di elevazione sopra l'orizzonte. Minore è il rapporto, migliore è l'antenna. Questo rapporto è uguale ad uno all'orizzonte ed ha il suo minimo (migliore prestazione) allo zenit (verticale). Per confrontare le antenne, noi usiamo il loro rapporto "sotto/sopra" allo zenit.

Una tipica antenna con piano di base piatto, ha un rapporto "sotto/sopra" di -15dB. Questo rapporto per la choke ring JPL (Jet Propulsion Laboratory) è di circa -28 dB per la L1 e -28 dB per la L2. La nostra choke ring a singola profondità ha un rapporto di -30 dB per L1 e -35 dB per L2. La nostra choke ring a doppia profondità ha un rapporto di -35 dB per L1 e -40 dB per L2. Per mettere questi numeri in prospettiva: un rapporto di -15 dB provoca circa 7 millimetri di errore in fase portante e 30 centimetri in fase del codice. -25 dB provocano 3 millimetri di errore in fase portante e 10 centimetri in fase del codice. -35 dB provocano 1.5 millimetri di errore per la fase portante e 5 centimetri in fase del codice.

Il multipath terreno ha una caratteristica ciclica, in cui gli errori multipath oscillano tra i valori positivi e negativi dei numeri visti in precedenza. Il periodo di questa oscillazione dipende dall'altezza dell'antenna. Per un'altezza di due metri, il periodo è di circa 20 minuti. Minore è l'altezza dell'antenna, più lungo è il periodo. Un'altra tecnica per ridurre l'effetto del multipath terreno è quello di fermarsi sul sito per uno o più cicli di multipath, in modo che la maggior parte di esso venga eliminato con le operazioni di media. Se sostate su un punto per un solo minuto non potete beneficiare di questo effetto del calcolo della media. Ecco perché le caratteristiche della vostra antenna sono particolarmente importanti al fine delle osservazioni brevi.

L'altro tipo di multipath è quando il segnale riflesso proviene da oggetti situati sopra l'antenna, come gli edifici. Se tali oggetti sono lontani più di 10 metri dall'antenna, noi possiamo mitigare il loro effetto in modo sostanziale con la nostra nuova tecnica di elaborazione del segnale (brevetto in corso di concessione). Le caratteristiche dell'antenna non hanno grande peso nel mitigare questo tipo di multipath, a parte una lieve attenuazione a causa della loro ellitticità. Questo effetto è dovuto al fatto che i segnali diretti hanno polarizzazione destrorsa, mentre i segnali riflessi hanno polarizzazione sinistrorsa.

Il restante punto debole sull'attenuazione del multipath è quando il segnale viene riflesso da oggetti posti al di sopra dell'antenna e situati a meno di 10 metri. In casi del genere i risultati possono essere errati anche di qualche centimetro nelle osservazioni brevi. Con gli strumenti che usano solo la fase del codice, l'errore può arrivare anche a diversi metri. Per evitare ciò, accertatevi di essere ad una distanza di almeno 10 metri dagli oggetti riflettenti che sono al di sopra dell'antenna.

Quei ricevitori che non hanno una reale tecnica di attenuazione del multipath mediante elaborazione del segnale e si basano solo sulla fase del codice, possono avere errori che superano i 10 metri nella modalità differenziale (DGPS). Ciò è tipico di tutti i ricevitori a basso costo.

Effetto Ambientale 3: Ionosfera

La ionosfera è un guscio di elettroni e di atomi e molecole elettricamente carichi che circonda la terra. I segnali GPS, come qualsiasi segnale elettromagnetico che si propaga attraverso un mezzo ionizzato, sono influenzati dalle caratteristiche della dispersione non-lineare di questo mezzo, che provoca errori in distanza. Gli errori in distanza causati dalla ionosfera possono variare da meno di 5 metri a più di 150 metri a seconda dell'attività solare, dell'ora del giorno e di altri fattori.

La ionosfera, in assenza della Disponibilità Selettiva (SA), può essere la maggior sorgente di errori in distanza per gli utenti GPS. La doppia frequenza può rimediare completamente agli effetti della ionosfera. Facendo misure su due frequenze assai distanziate ed associandole, è possibile rimuovere del tutto gli effetti della ionosfera.

L'inseguimento del segnale L2 è più difficile per i civili, perché il codice sulla L2 non è disponibile per uso pubblico, ma è criptato (questa tecnica è detta Anti-Spoof o AS). I fabbricanti di GPS hanno escogitato delle tecniche per ricostruire il segnale L2 senza la conoscenza di questo codice. Alcune di queste tecniche non possono funzionare bene quando le attività della ionosfera superano alcuni limiti. L'attività della ionosfera ha un ciclo di 11 anni ed è più evidente nelle regioni equatoriali.

Vantaggi nell'uso di sistemi GPS

• RIDUZIONE DEI TEMPI DI RILEVAMENTO IN MODALITÀ CINEMATICA.

• RIDUZIONE DEL PERSONALE TECNICO IMPIEGATO NELLE OPERAZIONI DI CAMPAGNA (è ora possibile che una sola persona esegua il rilievo con l’unità rover dopo aver inizializzato la stazione base).

• POSSIBILITÀ DI ESEGUIRE RILIEVI TOPOGRAFICI NEL RAGGIO DI 15 KM. TRA LA STAZIONE BASE E L’UNITÀ MOBILE ROVER.

• STAZIONE BASE COMPLETAMENTE AUTONOMA E NON SUSCETTIBILE DI INTERFERENZE ATMOSFERICHE.

• POSSIBILITÀ DI OPERARE IN QUALSIASI FASCIA ORARIA DELLA GIORNATA.