CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE

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 I GNSS TIE per le Produzioni Animali Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale e la sicurezza alimentare – VESPA Università di Milano

INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASE TECNOLOGIE ELETTRONICHE DI BASE TECNOLOGIE DI POSIZIONAMENTO TECNOLOGIE INFORM. HARDWARE TECNOLOGIE INFORM. SOFTWARE

DOVE STUDIARE QUESTA LEZIONE Libro di testo: Agricoltura di Precisione Capitolo 7 https: //shop. newbusinessmedia. it/collections/edagricole/ products/agricoltura-di-precisione Dispensa: Funzionamento GPS http: //users. unimi. it/lzzmsm/funzionamento_GPS. doc

PERCHE’ USIAMO IL SISTEMA GNSS? • Posizione assoluta WGS 84 • Linea di vista • Condizioni di luce • Nessuna interferenza meteorologica Satellite Ranging

ELEMENTI DI BASE

ELEMENTI DI BASE

IL SEGMENTO SPAZIALE del GPS-NAVSTAR - USA 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

LE ALTRE COSTELLAZIONI Fino a qualche anno fa, parlare di sistema di posizionamento satellitare (GNSS) significava fare riferimento alla costellazione statunitense Navstar. GPS, in quanto era l’unica attiva e pienamente operativa. Ad oggi la situazione è in evoluzione e sono presenti: • due costellazioni complete e funzionanti (Navstar. GPS e Glonass), • altre due in via di definizione/ completamento (Galileo e Compass).

IL SEGMENTO DI CONTROLLO Riceve informazioni Trasmette informazioni

IL SEGMENTO DI CONTROLLO

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”

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 5 p e poi c'è solo un elettrone fuori da tale distribuzione. Nel livello successivo di energia disponibile c’è l'elettrone 6 s, così la chimica del cesio è determinato da quest’ultimo elettrone. 13

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. 14

I SEGNALI GPS

SEZIONE SPAZIALE

STRUTTURA DEI SEGNALI GPS

COME FUNZIONA? TRIANGOLAZIONE 1 satellite 2 satelliti Triangolazione possibile: conoscenza della posizione Minimo 3 satelliti I ricevitori GNSS hanno più di 3 canali

TRIANGOLAZIONE I ricevitori GNSS hanno più di 3 canali

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)

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 50 mil lis eco nd i nd o c e illis i m 40

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 ?

COME MISURARE LA DISTANZA SATELLITE-RICEVITORE? I ricevitori di basso costo (meno precisi) sono in grado di ricevere le onde L 1 e fanno Misure di Pseudo-range: misura del tempo di volo Dt In generale D = c * Dt I ricevitori di alto costo (più precisi) sono in grado di ricevere anche le onde L 2 e fanno anche Misure di fase: misura del n° di cicli necessari per la trasmissione (F) In generale D = F*l/2 p

LE MISURE DI PSEUDORANGE Ora orologio satellite: 10. 00 pm Ora orologio ricevitore: 10. 00 pm L 1 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 3 D) • 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 GNSS ERRORE ASSOLUTO PUNTO REALE PUNTO STIMATO DAL GNSS

GLI ERRORI DEL GNSS • • Imprecisione efemeridi Ritardo ionosferico Ritardo troposferico Precisione orologi Riflessione (edifici, montagne, ecc. ) Tipo ricevitore SOMMA 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 FINO A 10 -15 m

RITARDO IONOSFERICO E TROPOSFERICO Ionosfera Troposfera

LE OSTRUZIONI Multipath

IL MULTIPATH Review Questions

GLI OROLOGIO AL QUARZO sul ricevitore GNSS protatile OROLOGIO ATOMICO sul satellite

BONTA’ DI UN RICEVITORE GNSS (1) Posizioni GNSS 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 GNSS (2) Posizioni GNSS Posizione Esatta media Preciso ma Poco Accurato

BONTA’ DI UN RICEVITORE GNSS (4) Posizioni GNSS Posizione Esatta Preciso e Accurato

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE (DGNSS) DIFFERENTIAL GNSS Rimozione degli errori comuni tra ricevitore di riferimento (GNSS base a terra o STAZIONE MASTER) ed utente remoto (GNSS in movimento o STAZIONE ROVER) in una certa area posizionamento relativo (due ricevitori) GNSS Master e GNSS 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 GNSS lavorino nello stesso ambiente

I RICEVITORI GNSS SINGOLA FREQUENZA (L 1) basso costo ACCURATEZZASENZA CORREZIONE DIFFERENZALE DEGLI ERRORI (200 - 500 €) ACCURATEZZA CON CORREZIONE DIFFERENZIALE DEGLI ERRORI 8 - 10 m 3 -5 m medio costo (500 – 2. 000 €) 4 -6 m 0, 8 – 1, 2 m alto costo 4 -5 m 0, 3 – 0, 8 m 4 -5 m 50 cm- 1 mm (2. 000 - 3. 500 €) DOPPIA FREQUENZA (L 1+L 2) alto costo (10. 000 -15. 000 €) TIPI DI ANTENNA • ATTIVA • PASSIVA

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE DR 1 Coordinate note = errori noti DR 2 DM 1 DM 2 • RIFERIMENTO NOTO • CALCOLO DELL’ERRORE • UNIONE DATI DEI DUE RICEVITORI T 1 DM 1 = DR 1 T 2 DM 2 = DR 2

TECNICHE DI CORREZIONE DIFFERENZIALE DGNSS IN POST-PROCESSING • per rilievi GIS topografici • rilievi molto accurati, centimetrici o decimetrici DGNSS IN REAL-TIME • per posizionamento veicoli in movimento • per mappature in rilievi GIS

LA CORREZIONE DIFFERENZIALE IN POST-PROCESSING

IL DGNSS IN POST-PROCESSING VANTAGGI SVANTAGGI • Bassi costi di gestione • Consistente quantità di dati registrati • Bassa probabilità perdita informazioni di posizione • Nessun rischio perdita segnale DGNSS • 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 DGNSS 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 DGNSS • Perdita per Cycle slips • Normalmente meno preciso rispetto al post-processing

LA CORREZIONE IN REAL-TIME T 2 T 1 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 GNSS • CANONE ANNUO (? ) • COSTO ATTREZZATURA MAGGIORE (? ) • ALTA PRECISIONE (1 cm) E RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE VIA GSM-GPRS DA STAZIONE DI TERRA • PRESENZA DI RETE GSM-GPRS • RICEVITORE PREDISPOSTO • TARIFFA TELEFONICA • PROBLEMI SULLA COPERTURA TELEFONICA

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE VIA GSM O INTERNET DA STAZIONE DI SERVIZIO A TERRA CON l’NRTK (Network RTK) PUBBLICO O PRIVATO • PRESENZA DI RETE GSM O IN ALTERNATIVA 3 -4 G • RICEVITORE PREDISPOSTO • TARIFFA TELEFONICA • PROBLEMI SULLA COPERTURA TELEFONICA

SISTEMI DI TRASMISSIONE DELLA CORREZIONE VIA SATELLITE PRIVATO (Omni. STAR, Star. Fire, Terrastar, Trimble) • 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 SATELLITE PUBBLICO VIA SATELLITE PUBBLICO SISTEMA WASS-EGNOS • RICEVITORE PREDISPOSTO • COMPLETAMENTE GRATUITO • PRECISIONE +/- 15 -30 CM • NON RIPETIBILITA’ DELLA POSIZIONE ANCHE DOPO 20 MINUTI

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

USO PER FINI AGRICOLI

CRITERI DI SCELTA ACCURATEZZA Media Alta Identificazione luoghi lavoro o posizione animali Rilievo tracciati lavori Applicazioni logistiche Navigazione flotta Guida assistita Alta PRECISIONE Bassa Mappature Automazione distribuzione sito-specifica fattori Sistemazione terreni Trapianto Guida automatica

CRITERI DI SCELTA

CRITERI DI SCELTA COME CONFONDERE LE IDEE!!! INVERTENDO I CONCETTI DI ACCURATEZZA E PRECISIONE