Il principio generale della determinazione del punto nave
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Il principio generale della determinazione del punto nave. Ogni misura definisce un luogo di posizione. Il luogo di posizione è un luogo geometrico ed è l’insieme dei punti dove presumibilmente si trova l’osservatore. A cura del prof. Giuseppe Anginoni ITN “ Duca degli Abruzzi “ - Napoli.

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Presentation Transcript


Il principio generale della determinazione del punto nave

Il principio generale della determinazione del punto nave

Ogni misura definisce un luogo di posizione. Il luogo di posizione è un luogo geometrico ed è l’insieme dei punti dove presumibilmente si trova l’osservatore. A cura del prof. Giuseppe AnginoniITN “ Duca degli Abruzzi “ - Napoli


Dalla nave in un punto prossimo ad un faro la sua sommit avr un altezza angolare ben determinabile

Dalla nave,in un punto prossimo ad un faro la sua sommità avrà un’altezza angolare ben determinabile


Se nello stesso istante consideriamo due punti di riferimento e facciamo due misure si ha

Se nello stesso istante consideriamo due punti di riferimento e facciamo due misure si ha:


Il principio generale della determinazione del punto nave

  • Tuttavia, da tutti i punti che hanno la nostra stessa distanza dall’oggetto, l’angolo avrà sempre lo stesso valore; se ne deduce che c’è quindi una circonferenza, che ha il suo centro sull’oggetto, da dove vedremo la sommità sempre alla medesima altezza angolare.


Il principio generale della determinazione del punto nave

Nei punti di intersezione delle due circonferenze un osservatore può vedere il faro e la statua ad altezze uguali a quelle misurate


Anche nell osservazione degli astri dalla loro altezza vengono fuori delle circonferenze

Anche nell’osservazione degli astri dalla loro altezza vengono fuori delle circonferenze


Coordinate altazimutali

Coordinate altazimutali


Coordinate orarie

Coordinate orarie


Il principio generale della determinazione del punto nave

Osservando l’altezza di un astro possiamo costruire una circonferenza di centro l’astro e di raggio z=90-hv che è la circonferenza di tutti possibili zenit di osservatori che vedrebbero l’astro alla stessa altezza nello stesso istante


Il principio generale della determinazione del punto nave

Proiettando questa circonferenza sulla terra, lungo la verticale, con centro nel punto subastrale, e considerando la circonferenza di stima centrata sul Psotteniamo dalla loro intersezione l’arco LL che è il luogo di posizione che viene fuori dalla misura


Il principio generale della determinazione del punto nave

Poiché l’arco LL è difficile da disegnare sulla carta di Mercatore, lo sostituiamo con l’arco di lossodromia ll in modo tale da avere :


Il principio generale della determinazione del punto nave

Cosi come nella navigazione costiera e nella navigazione astronomica il Pn si può ottenere anche con l’ausilio dei satelliti, la misura che facciamo in questo caso è comunque una misura che ci consente di avere la distanza utente-satellite. Il luogo di posizione ad essa associata è una sfera di centro il satellite e di raggio la distanza utente-satellite


Misura della distanza utente satellite

Misura della distanza utente-satellite


Il principio generale della determinazione del punto nave

  • Tale distanza è calcolata mediante la semplice equazione cinematica distanza=(velocità x tempo) dove la velocità è quella della luce ossia circa 300000 Km al secondo.


Pseudo range

distanza =

Tempo di volo x 300000 Km/sec

Pseudo Range


Luogo di posizione associato alla misura

x miles

Luogo di posizione associato alla misura


Questo il principio su cui si basa il sistema satellitare

Questo è il principio su cui si basa il sistema satellitare

G.P.S.


Sistemi di navigazione satellitare esistenti

Sistemi di navigazione satellitare esistenti

Esistono attualmente nel mondo due reti satellitari di radionavigazione :

Il GPS (GlobalPositioningSystem)

Statunitense

Il GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) Russo


Il principio generale della determinazione del punto nave

Il sistema NAVSTAR meglio noto come GPS costituisce un sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso fornisce la posizione tridimensionale del punto


La terna di riferimento la seguente

La terna di riferimento è la seguente:


Le incognite

Le incognite

Le incognite del ricevitore sono quindi X,Y,Z. Quindi andrebbero fatte le osservazioni di tre satelliti che porterebbero a formare un sistema di tre equazioni in tre incognite


I luoghi di posizione associati

I luoghi di posizione associati


La quarta incognita

La quarta incognita

Poiché la misura della distanza avviene tramite la misura del tempo, tutti gli orologi dovrebbero essere sincronizzati perfettamente, ma mentre gli orologi dei satelliti possono essere ritenuti sincronizzati, ciò non è possibile per i ricevitori, quindi si deve introdurre come ulteriore incognita lo sfasamento dei tempi tra le scale dei due orologi.


Il principio generale della determinazione del punto nave

Quindi il sistema di equazione è composto da quattro equazioni in quattro incognite (X,Y,Z,t) che richiede la presenza di almeno quattro satelliti


I luoghi di posizione associati1

I luoghi di posizione associati


Il sistema di equazioni

Il sistema di equazioni


Componenti del sistema gps

Componenti del Sistema GPS

Il GPS si compone di 3 sottosistemi:Segmento Spaziale(Space Segment) Segmento di Controllo(Control Segment)Segmento Utenti (Users Segment).


Componenti del sistema gps1

Componenti del Sistema GPS

  • Il Segmento Spaziale si compone di 24 satelliti ognuno dei quali trasmette informazioni su tempo e posizione;

  • Il Segmento di Controllo si compone di Stazioni a terra le quali monitorano continuamente i satelliti e che periodicamente aggiornano le informazione che verranno trasmesse;

  • Il Segmento Utente è composto da numerosi radio ricevitori che captano e decodificano i segnali inviati dai satelliti;


Segmenti gps

Utente

Segmenti GPS

Spaziale

Colorado Springs

Controllo


Segmento spaziale

Segmento Spaziale:

  • Il sottosistema spaziale NAVSTAR si compone di una costellazione di 24 satelliti disposti su 6 orbite circolari, inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale terrestre, il cui raggio è pari a circa 26000Km.


Segmento spaziale1

Segmento Spaziale:

  • I satelliti percorrono un’orbita in 11 ore e 58 minuti e ripercorrono o stesso cammino ogni 23 ore e 56 minuti.

  • Grazie alla notevole altezza delle orbite, pari a circa 20000Km dalla superficie terrestre, almeno 4 satelliti sono visibili da ogni punto della Terra in ogni istante.


Segmento spaziale2

Segmento spaziale


Segmento di controllo

Segmento di Controllo

  • Il Control Segment si compone di tutte le strutture che controllano i satelliti. Si compone di una stazione principale e di 5 stazioni a terra equispaziatelungo l’equatore, la cui posizione è nota con grande precisione. In base alle funzioni che svolgono sono classificate in:Monitor Stations(MSS), Master Control Station (MCS) e GroundControl Stations (GCS).


Segmento di controllo1

Segmento di Controllo

  • La MCS si trova a Colorado Springs(Colorado, ed è la “Falcon Air Force Base” gestita da “U.S. Air Force’s 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS). Le stazioni di monitoraggio sono situate presso la Falcon AFB, Hawaii, Kwajailein, Diego Garcia, Ascensio, e servono per ricevere informazioni dai satelliti.


Segmento di controllo2

Segmento di Controllo

  • Nella MCS confluiscono in tempo reale e vengono processati i dati registrati dalle MSs, ricavandone le correzioni per le orbite e per gli orologi dei satelliti.Tali dati vengono inviati ai satelliti una o due volte al giorno tramite collegamento radio. Le comunicazioni fra le varie stazioni base avvengono tramite il sistema di comunicazione satellitare della difesa degli USA (DSCS).


Segmento di controllo3

Segmento di controllo


Segmento utente

Segmento Utente

  • E’ costituito da tutti gli utenti civili e militari dotati di almeno una antenna e di un ricevitore, capaci di acquisire i segnali emessi dai satelliti e di fornire il posizionamento tridimensionale in tempo reale.


Segmento utente1

Segmento utente

  • Forze armate

  • Navi mercantili

  • Applicazioni scientifiche

  • Applicazioni topografiche


Il principio generale della determinazione del punto nave

  • Il satellite e il ricevitore a terra generano uno stesso codice nello stesso momento e a questo punto si può misurare il ritardo tra codice generato internamente nel ricevitore e quello ricevuto dal satellite. Questo ritardo è il tempo di propagazione del segnale, che ci permette di calcolare la distanza di un ricevitore da un satellite.


Confronto fra codici

Confronto fra codici


Segnali trasmessi

Segnali trasmessi

  • Ogni satellite NAVSTAR trasmette grazie a 4 oscillatori ad alta precisione un segnale elettromagnetico continuo con frequenza fondamentale f=10,23MHZ a partire dalla quale si ottengono le 2 onde portanti che compongono il segnale:


Segnali trasmessi1

Segnali trasmessi

  • L1 a 1575,42 MHZ: trasporta il segnale per la localizzazione grossolana e il tempo;

  • L2 a 1227,60 MHZ: trasporta il segnale per la localizzazione di precisione;La scelta di usare due frequenze è dovuta al fatto che le perturbazioni causate dalla ionosfera variano in funzione della frequenza e usandone due se ne possono valutare gli effetti.


Segnali trasmessi2

Segnali trasmessi

  • Le due portanti sono modulate in fase con dei codici:

    C/A code, che modula L1

    P code, che modula L1 ed L2

    D code, che trasmette il messaggio di

    navigazione.


Segnale g p s

Segnale G.P.S.


Operazioni del ricevitore

Operazioni del ricevitore

  • Un ricevitore GPS per determinare con esattezza posizione velocità e tempo deve effettuare diverse operazioni:

    Ricercare tutti i satelliti visibili e scegliere quelli in posizione migliore


Il principio generale della determinazione del punto nave

GDOP “Geometric-Dilution Of Position”:rappresenta la geometria del sistema, in merito alla distribuzione dei satelliti


Possibili configurazioni

Possibili configurazioni

  • Good GDOP bad GDOP


Precisione

Precisione

  • IL GPS fornisce due tipi di servizio di posizione:

  • PPS : più preciso, per uso militare, è disponibile solo a persone autorizzate. Il segnale che porta tali informazioni è il P-code trasmesso sia su L1 che L2.


Precisione1

Precisione

  • SPS : è un servizio accessibile a tutti gli utenti GPS, quindi meno accurato di quello militare. E’ trasmesso dal C/a code solo su L1.


Precisione2

Precisione

  • Il DoD(Departmentof Defense) aveva imposto una degradazione del segnale (S/A), che comportava una imprecisione di 100 m, disattivata nel maggio del 2000.


Fonti di errore

Fonti di errore

  • Gli errori commessi dal GPS sono dovuti a vari fattori:

    • Inesattezza sul tempo

    • Errore nelle effemeridi

    • Ritardo temporale (atmosfera)


Il principio generale della determinazione del punto nave

DGPS

  • Per migliorare la precisione del GPS si usa il GPS Differenziale (DGPS) che lavora sulla teoria che ricevitori prossimi fra loro siano soggetti agli stessi errori. Se si misura l’errore sistematico in una posizione nota lo si può eliminare quando si determina una posizione vicina ma non nota.


Il principio generale della determinazione del punto nave

Increasing GPS Accuracy through

Differential Correction

Rover or Remote

(unknown)

Base Station (known)


Il principio generale della determinazione del punto nave

DGPS

  • La stazione base, che è quella di posizione nota con alta precisione, calcola l’errore di pseudorange e la relativa correzione per ciascun satellite in vista. I Rovers (ricevitori remoti), ricevono tale correzione e sono così in grado di effettuare le correzioni sulla stima delle loro posizioni. Questo procedimento è efficace se stazione base e Rover non sono eccessivamente distanti (meno di 150Km), perché devono vedere gli stessi satelliti con lo stesso GDOP.


Il principio generale della determinazione del punto nave

DGPS

  • Il DGPS non fa differenza fra PPS e SPS e riduce notevolmente gli errori portando ad una accuratezza di circa 5 m.

  • Per avere una precisione millimetrica si usa la tecnica della Carrier-Phase DGPS, che effettua una differenza di fase della portante che si misura quando uno stesso segmento arriva a 2 ricevitori fra loro prossimi (meno di 30 Km).


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