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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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:


  • 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.


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



Coordinate altazimutali
Coordinate altazimutali vengono fuori delle circonferenze


Coordinate orarie
Coordinate orarie vengono fuori delle circonferenze


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


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


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 :


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 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



Pseudo range

distanza = cinematica distanza=(velocità x tempo) dove la velocità è quella della luce ossia circa 300000 Km al secondo.

Tempo di volo x 300000 Km/sec

Pseudo Range


Luogo di posizione associato alla misura

x miles cinematica distanza=(velocità x tempo) dove la velocità è quella della luce ossia circa 300000 Km al secondo.

Luogo di posizione associato alla misura



Sistemi di navigazione satellitare esistenti
Sistemi di navigazione satellitare satellitare esistenti

Esistono attualmente nel mondo due reti satellitari di radionavigazione :

Il GPS (GlobalPositioningSystem)

Statunitense

Il GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) Russo


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: sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso


Le incognite
Le incognite sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso

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 sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso


La quarta incognita
La quarta incognita sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso

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.


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 equazioni in quattro incognite


Il sistema di equazioni
Il sistema di equazioni equazioni in quattro incognite


Componenti del sistema gps
Componenti del Sistema GPS equazioni in quattro incognite

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 equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite

Segmenti GPS

Spaziale

Colorado Springs

Controllo


Segmento spaziale
Segmento Spaziale: equazioni in quattro incognite

  • 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: equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite


Segmento di controllo
Segmento di Controllo equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite


Segmento utente
Segmento Utente equazioni in quattro incognite

  • 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 equazioni in quattro incognite

  • Forze armate

  • Navi mercantili

  • Applicazioni scientifiche

  • Applicazioni topografiche


  • 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 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.


Segnali trasmessi
Segnali trasmessi 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.

  • 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 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.

  • 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 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.

  • 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. 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.


Operazioni del ricevitore
Operazioni del ricevitore 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.

  • 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


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


Possibili configurazioni
Possibili configurazioni 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.

  • Good GDOP bad GDOP


Precisione
Precisione 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.

  • 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 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.

  • 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 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.

  • 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 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.

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

    • Inesattezza sul tempo

    • Errore nelle effemeridi

    • Ritardo temporale (atmosfera)


DGPS 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.

  • 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.


Increasing GPS Accuracy through 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.

Differential Correction

Rover or Remote

(unknown)

Base Station (known)


DGPS 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.

  • 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.


DGPS 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.

  • 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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