RICERCA ITALIANA     

I servizi di posizionamento satellitari per l'e-Government

Politecnico di Milano

Abstract

Ritenendo che in Italia oggi sia maturo il tema della realizzazione di reti permanenti GPS o GNSS per la creazione di servizi di controllo territoriale e di posizionamento per l’utenza privata, si è deciso di fare il punto su questo tema raccogliendo le esperienze più avanzate a livello internazionale e focalizzando le nuove tematiche di sviluppo sugli aspetti di ricerca di base (B) e sugli aspetti applicativi e di trasferimento tecnologico (A) qui di seguito riportati:

B1: definizione delle strategie di progettazione di una rete permanente
B2: ottimizzazione delle strategie di elaborazione dei dati acquisiti (post-processing e real-time)
B3: materializzazione del Sistema di riferimento mediante reti di SP
B4: definizione delle strategie di modellizzazione degli effetti spazialmente correlati e di quelli locali
B5: definizione della tipologia e della qualità dei prodotti e dei servizi erogati
B6: ottimizzazione del trattamento dei dati messi a disposizione agli utenti nelle principali modalità di rilievo
B7: studio delle tecniche di integrazione tra prodotti e servizi forniti dalla rete ed altri sensori (SAR, INS, ….)
B8: l’evoluzione delle reti permanenti satellitari dal sistema GPS attuale ai futuri sistemi GNSS

A1: Aggiornamento catastale e problematiche connesse al trasferimento del catasto ai comuni
A2: realizzazione del catasto stradale
A3: controllo del traffico e dei sistemi di trasporto (car navigation, harbour navigation)
A4: prevenzione del rischio e delle emergenze
A5: implementazione ed aggiornamento di DB topografici e GIS
A6: progettazione e controllo di infrastrutture e strutture
A7: supporto geometrico ai Location Based Services

In particolare sta per avviarsi la realizzazione di un Servizio di un Servizio di Posizionamento GPS della Regione Lombardia; tale servizio sarà operativo, con una rete di 18 ricevitori, entro la fine del 2004. Con il consenso della Regione Lombardia, ciò offrirà un case study ideale per la messa a punto delle procedure ottimali per la creazione di un tale servizio oltre che per la definizione, e possibilmente la soluzione, degli aspetti metodologici che ancora richiedono contributi di tipo concettuale. I proponenti hanno chiaro che l’insieme delle materie proposte non è certamente nuovo né a livello internazionale, né a quello nazionale, tuttavia sono convinti di poter contribuire ad una razionalizzazione della materia e ad un suo avanzamento almeno per quanto riguarda il livello italiano. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fernando SANSO' Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

La rapida diffusione a livello mondiale di reti permanenti basate su sistemi di posizionamento satellitare (attualmente GPS e GLONASS ed in futuro anche GALILEO) mette a disposizione della comunità tecnico-scientifica un potente strumento per l’acquisizione di informazioni georeferenziate, il monitoraggio ed il controllo del territorio.
In particolare, si possono individuare tre diverse scale di reti permanenti satellitari:
· reti globali (ad es. rete IGS), che contribuiscono essenzialmente alla realizzazione del sistema di riferimento convenzionale terrestre e forniscono informazioni relative alla cinematica delle placche crostali a scala globale
· reti continentali (ad es. rete EUREF), con funzioni analoghe a quelle delle reti globali ma in zone più limitate (Europa, Nord America, Australia)
· reti locali (ad es. rete svizzera AGNES), che contribuiscono con alcune stazioni alle reti di ordine superiore (continentali e globali) e che contemporaneamente soddisfano a tutte le esigenze di posizionamento richieste per i rilevamenti tecnici ed il governo del territorio
La situazione italiana presenta, allo stato attuale, una crescita assolutamente caotica delle reti permanenti satellitari (per il momento essenzialmente GPS), in mancanza di un’autorità formalmente riconosciuta che rediga ed imponga il rispetto di un progetto indicante una chiara gerarchia nelle reti permanenti e stabilisca una serie di requisiti minimi che ognuna di esse deve rispettare per essere accreditata e certificata periodicamente.
In questo panorama, una significativa eccezione è costituita dall’iniziativa della Regione Lombardia, ove è in corso di realizzazione una rete permanente GPS per la fornitura di servizi di posizionamento in ambito regionale (SPECTEL) sotto la supervisione scientifica del Politecnico di Milano; tale rete sarà completamente operativa alla fine del 2004.
E’ plausibile ed auspicabile ritenere che iniziative analoghe verranno intraprese in breve tempo anche da altre Regioni; per guidare una crescita omogenea di queste reti permanenti è pertanto necessario che la comunità scientifica nazionale si impegni da subito per definire con chiarezza le loro caratteristiche, dal punto di vista delle infrastrutture e della qualità dei servizi.
E’ importante sottolineare che la dimensione regionale delle reti appare particolarmente idonea per due motivi. Il primo, di natura tecnico-gestionale (istallazione e funzionamento), legato alle conoscenze ed alle esperienze tecnico-scientifiche fino ad ora disponibili a livello internazionale, che suggeriscono una interdistanza media tra le stazioni permanenti variabile attorno ai 50 km: per tale motivo non si ritengono opportune iniziative a scala minore (provinciale o comunale), mentre reti di dimensioni maggiori (scala nazionale), che coinvolgerebbero un gran numero di stazioni (tra 100 e 150 sul territorio italiano) potrebbero comportare notevoli difficoltà di gestione. Il secondo, di natura politico-finanziaria, legato alla possibilità di individuare più facilmente interlocutori in ambito politico-amministrativo e, conseguentemente, di reperire risorse per l’istallazione e, soprattutto, per la gestione della rete; si puntualizza che è proprio la tipologia di gestione (a valle di una corretta istallazione) ed erogazione dei servizi di posizionamento che qualifica una rete satellitare permanente come strumento per l’e-Government.
Il presente progetto intende promuovere un ampio coordinamento tra gruppi di ricerca volto ad indagare sia le tematiche applicative (A) sia quelle di base (B) già descritte nel punto 1.3.
La sintesi di queste attività di ricerca condurrà alla redazione di un LIBRO BIANCO che si articolerà in tre parti, una dedicata all’istallazione delle reti permanenti, una alla loro gestione ed una all’uso dei servizi da esse erogati. Oltre alla redazione del libro bianco, il presente progetto porterà alla implementazione di programmi originali, per scopi che vanno dal controllo di qualità dei dati all'elaborazione degli stessi. Tali programmi costituiranno una libreria opensource e freeware, a disposizione della collettività scientifica e, ove di utilità, degli utenti. <<<

Risultati parziali attesi

La fase 1 si propone in generale i seguenti scopi:
1. analisi dei problemi specifici nei diversi argomenti;
2. studio degli standard internazionali esistenti;
3. prime sperimentazioni sulle reti di stazioni permanenti già esistenti all’attivazione del COFIN;
4. definizione degli standard di realizzazione di reti di stazioni permanenti;
I risultati di tali studi costituiranno la prima parte del libro bianco contenente la definizione dei problemi e gli standard esistenti con i risultati delle prime sperimentazioni.La fase 2 si propone dunque i seguenti scopi:
1. ottimizzazione degli strumenti HW e SW esistenti sulle reti di test che verranno realizzate;
2. implementazione degli algoritmi nuovi;
3. sperimentazione nei diversi settori applicativi;
4. definizione finale di standard per le reti di stazioni permanenti di servizio.
I risultati di tali studi, sperimentazioni e sviluppo di algoritmi costituiranno la seconda parte del libro bianco, riportante l’ottimizzazione degli strumenti esistenti e i nuovi strumenti (con produzione di software), oltre alla sperimentazione degli stessi ed alla definizione di un nuovo standard italiano. Si arriverà inoltre alla costruzione della libreria del nuovo SW freeware. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

In merito alla ricerca dobbiamo considerare quattro innovazioni a livello internazionale:
- Il sistema GPS sta per subire una modernizzazione legata all’introduzione nel 2005 di due nuovi codici per la frequenza L2 per usi civili e nel 2007 di una terza frequenza con i relativi codici;
- Si avrà in breve tempo un ripristino completo della costellazione Glonass con 18 satelliti nel 2007 e 24 nel 2010;
- Entro il decennio sarà operativa la costellazione di 27 satelliti Galileo, perciò oggi in generale parliamo di posizionamento GNNS: Global Navigational Satellite System.
- EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) sarà in fase completamente operativa entro il 2004 e migliorerà l’accuratezza planimetrica del posizionamento singolo (95%) da 30m a 5m.
Ciò significa che migliorerà la precisione sia del posizionamento statico che quella del tempo reale (RT), sia nel trattamento differenziale dei dati sia nel posizionamento di precisione a punto singolo (PPP). Può a prima vista apparire che le stazioni permanenti, o meglio le reti regionali (nazionali o sub nazionali) di stazioni permanenti avranno minor importanza. In realtà, proprio per i miglioramenti citati e per la maggior diffusione delle tecniche di posizionamento, assumeranno funzioni strategiche essenziali. Le ragioni dell’affermazione vanno cercate in due parole chiave:
- sistemi di riferimento
- prodotti e servizi di rete a media e larga diffusione

Sistemi di riferimento:
Uno dei compiti affidati ad un ente geodetico nazionale od internazionale è il mantenimento e l’aggiornamento del sistema di riferimento (RS). Il RS è l’insieme dei parametri e delle regole per la determinazione della posizione spazio temporale di punti, qualsiasi sia il sistema di coordinate adottato. Tali parametri via via nel tempo sono aggiornati e migliorati. Lo stesso posizionamento GNSS non è possibile senza conoscere la posizione di ciascun satellite nel tempo, nota in un particolare RS.
La rete materializzata con capisaldi a terra, ma più ancora (per la precisione e la continua misura) la rete di stazioni permanenti, costituisce la realizzazione pratica di uno o più RS.
Ognuna delle future tre costellazioni sarà nota inizialmente in un RS indipendente; per questo la realizzazione di una rete tracciante più costellazioni permetterà di unificare ed usare un sistema di riferimento 4-dimensionale con maggior precisione ove queste stazioni si densificano.
La precisione con la quale è noto il RS ha forti ricadute su molti altri aspetti, dei quali citiamo i più moderni e previsti in un immediato futuro:
- la possibilità di distinguere con maggior precisione ciò che, in un movimento, dipende dal sistema di riferimento e ciò che è dovuto al movimento di placche tettoniche od a pericolose deformazioni locali;
- la possibilità di ottenere effemeridi precise e, di conseguenza, migliorare: il posizionamento a terra e di nuovi satelliti ad orbita bassa (LEO) recanti in genere a bordo ricevitori GPS;
- la possibilità di avere un unico sistema di riferimento, anche altimetrico, a livello nazionale, continentale o globale.

Prodotti e servizi di rete a media e larga diffusione
Il primo prodotto di una rete di stazioni coordinate sono i dati delle stazioni stesse, inerenti una o più costellazioni, per il post trattamento o per il tempo reale. Tali dati devono essere validati prima della distribuzione, in modo da garantirne la precisione e l’affidabilità.
Fra i prodotti accessori, ottenibili anche in tempo reale, vi sono i ritardi ionosferici e troposferici, eventualmente interpolati nell’area interessata dalla rete, e le effemeridi satellitari ove ricalcolate localmente. I modelli di ritardo possono essere utili non solo per il posizionamento degli utenti della rete, ma per molti altri scopi legati ad esempio al telerilevamento o a scopi fisici in genere. La ricerca attuale mira all’utilizzo delle stime di ritardo troposferico, specie quelle fornite da una rete di stazioni permanenti, ai fini di previsione meteorologica, specie per la prevenzione di eventi eccezionali.
Per un insieme di stazioni permanenti non si parla di rete se le stazioni stesse non sono coordinate e controllate, anche mediante elaborazione dei loro dati, in modo pianificato e periodico da un centro di controllo; ove ciò avvenga anche in tempo reale, è possibile fornire all’utenza un servizio che spesso viene detto NRTK (Network RTK). Per reti con scopi di distribuzione di dati e prodotti, la dimensione ottimale sembra quella di reti a scala regionale, eventualmente coordinate a livello nazionale. I servizi di diffusione dei messaggi per il tempo reale possono essere legati ad una singola stazione permanente o calcolati dai dati dell’intera rete; in entrambi i casi i messaggi possono essere diffusi per mezzo della rete internet, il che permette un numero teoricamente illimitato di utenti contemporanei.
La tendenza che si osserva è il diffondersi di reti di stazioni per il RT, nonostante che il calcolo in RT della rete, la modellazione dei bias e la diffusione dei dati siano ancora problemi di scottante ricerca. L’apparente contraddizione implica che i software in uso sono in continuo e rapido cambiamento in senso migliorativo. Detti miglioramenti coinvolgono tre aspetti:
- La modellazione più accurata dei bias: ionosfera, troposfera ma anche multipath, errori dei centri di fase delle antenne, errori di orologio ecc. L’indirizzo della ricerca è volto all’ottenimento di questi prodotti con tecniche non differenziali e l’inserimento, anche per il RT, delle misure Glonass.
- La diffusione dei segnali di correzione con il nuovo standard RTCM 3.0, previsto per fine maggio 2004, nel quale per la prima volta è previsto l’invio di correzioni di rete.
- La diminuzione della probabilità di false inizializzazioni, dovute sia alle tecniche di calcolo e modellazione dei sistematismi di rete, sia ad innovazioni tecnologiche nei ricevitori. Queste ultime sono: una minore sensibilità ai multipath ed ai disturbi in genere, un miglioramento nelle antenne, una ricerca più affidabile delle combinazioni di ambiguità intere.
Tutto ciò fa presumere che si arriverà ad un leggero aumento delle dimensioni delle maglie della rete da 40-50 km a 60-70 km.

Reti di servizio sono già presenti in numerose nazioni, ad es. in Svizzera, Germania, Austria, ma mancano in Italia, come già detto in 2.1. La maggior parte delle stazioni esistenti in Italia è di natura pubblica e spesso i loro dati sono forniti gratuitamente. La qualità della stazioni e dei dati sono in genere elevate; mancano però centri che garantiscano il coordinamento e il controllo delle stesse, e che quindi calcolino prodotti e forniscano servizi all’utenza, eventualmente anche in tempo reale. Vi sono dei servizi di rete che, similmente a quanto avviene all’estero, potranno avere un’ampia diffusione.
Quest’ampia diffusione permetterà, come avviene già negli USA, una più vasta gamma di utenza, in particolare ne potranno avere giovamento in tempo reale:
- il Catasto e gli uffici pubblici decentrati;
- gli utenti con ricevitori GPS integrati in telefonini che, con il solo dato di codice potrebbero arrivare ad un posizionamento di precisione metrico;
- gli utenti GIS, che potrebbero usufruire di un posizionamento decimetrico;
- tutti i Location Based Services (LBS).
È possibile prevedere, via Web, un servizio di calcolo statico o cinematico in post trattamento, similmente a ciò che avviene attualmente presso il laboratorio Nasa JPL o la rete australiana AUSLIG.
È possibile prevedere un innovativo Servizio di Dati Virtuali per il post trattamento. Con le tecniche di rete infatti si può costruire artificialmente un archivio dati, generato come se la stazione base fosse in un punto qualsiasi della rete. Ciò può servire all’utente per trattare in seguito i propri dati, in modalità statica o cinematica e per fornire ad un eventuale collaudatore la prova dei risultati ottenuti. In modalità cinematica è più probabile in tal modo il fissaggio delle ambiguità ad intero ed una elevata precisione della traiettoria. <<<