Sistemi navigazionali multi sensore per il posizionamento in presenza di brevi periodi di GPS outage

Il posizionamento terrestre negli ultimi anni è stato sempre più facilitato dallo sviluppo delle tecniche satellitari, che permettono di localizzare un punto sulla superficie terrestre con precisioni superiori a quelle richieste per la pura navigazione, tramite la comunicazione tra ricevitore e satelliti. Per la disponibilità del sistema satellitare è indispensabile l’intervisibilità ottica satellite - ricevitore, condizione che viene a mancare nel caso ad esempio di trekking sottobosco, a causa della copertura data da manto vegetale e chiome arboree che non permettono una corretta triangolazione geometrica satellitare. Rientrano nei sistemi navigazionali anche le piattaforme inerziali, sistemi che rilevano le accelerazioni impresse e l’orientamento della piattaforma stessa. Se montati su un veicolo possono fungere da ausilio alla determinazione dell’ “attitude”, cioè dell’atteggiamento del veicolo durante il suo movimento in uno spazio tridimensionale. In questo lavoro ci si propone di unire i benefici delle due tecnologie, satellitari e inerziali, grazie alla complementarietà delle loro caratteristiche sugli errori, unendone le potenzialità e verificando i benefici prodotti dal loro uso integrato. In particolare si utilizzeranno dispositivi di costo relativamente contenuto.

Impiego del GPS in altimetria su corte distanze

Il GPS è un sistema che consente d’individuare la posizione di un qualsiasi punto sulla superficie terrestre, dal quale sia possibile ricevere i segnali da almeno quattro satelliti. È costituito da un sistema di satelliti in orbita, i quali trasmettono informazioni a dei ricevitori GPS sulla Terra. Questi dati raccolti riguardano coordinate geografiche ed orari, che vengono successivamente elaborate dal ricevitore stesso. In campo topografico possono essere adottate diverse modalità operativo, soprattutto: il metodo statico e statico rapido, mentre per il rilievo di dettaglio è principalmente utilizzato il metodo cinematico. Il GPS può essere utilizzato per rilievi sia in planimetria che in altimetria. In questa tesi si è deciso di valutare principalmente l’utilizzo del GPS in altimetria in modalità statica. Per fare ciò, si è eseguito un confronto su corte distanze tra le misurazioni altimetriche, in una prima fase eseguite con strumentazione topografica classica e successivamente con il sistema GPS. Il sito scelto per effettuare questa valutazione è stato il terrazzo di copertura dell’edificio della Scuola di Ingegneria di Bologna, sul quale sono presenti due antenne di riferimento (SLITTA e UNBO) con ricevitori GPS, che hanno consentito la realizzazione di una baseline di test. Essendo molto corta la distanza tra le due antenne, si può quindi parlare di short-baselines. Il sistema GPS fornisce dati con una precisione che risente in modo molto minore, rispetto alle tecniche topografiche classiche, della propagazione della varianza all’aumentare della distanza, ma al tempo stesso non consente di raggiungere precisioni millimetriche anche su brevissime distanze. Verranno descritte le due metodologie di rilievo e i risultati ottenuti da ognuna. Si procederà in seguito con l’analisi e la rielaborazione di questi dati tramite software e solo in fine verrà eseguito il confronto, atto a verificare la precisione del GPS rispetto alla strumentazione topografica.

Tecniche GPS/INS per l'anilisi dinamica di un ciclomotore

Nel seguente elaborato si espone l’utilizzo del sistema GPS/INS per la valutazione del moto di un ciclomotore. Tale sistema è composto da sensori GPS ( Global Navigation System ) per la misurazione della posizione, e da sensori INS ( Inertial Navigation System) per la misurazione dell’accelerazione e delle velocità angolari rispetto a tre assi coordinati. Chiaramente le misure di accelerazioni e di velocità angolari da parte dei sensori, presentano dei minimi errori, che però si ripercuotono sul posizionamento finale. Per limitare questo fenomeno e rendere la misura di velocità e posizione utilizzabile, un filtro di Kalman viene impiegato per correggere il risultato dell'integrazione usando le misurazioni del GPS. Il connubio tra il sistema INS e il sistema GPS è molto efficacie anche quando si ha una assenza di ricezione satellitare o perdita parziale dei satelliti (cycle slip). Infine è stato utilizzato uno smartphone sfruttando i sensori in esso presenti : accelerometri, giroscopi, GPS, per analizzare la dinamica di un ciclomotore, concentrandosi sull’assetto in particolar modo l’angolo di rollio. Tale prova è stata affrontata non tanto per validare il sistema GPS/INS, ma per provare una soluzione comoda e di basso costo per analizzare il moto di un ciclomotore.

Long-period oscillations in GPS Up time series. Study over the European/Mediterranean area

The surface of the Earth is subjected to vertical deformations caused by geophysical and geological processes which can be monitored by Global Positioning System (GPS) observations. The purpose of this work is to investigate GPS height time series to identify interannual signals affecting the Earth’s surface over the European and Mediterranean area, during the period 2001-2019. Thirty-six homogeneously distributed GPS stations were selected from the online dataset made available by the Nevada Geodetic Laboratory (NGL) on the basis of the length and quality of the data series. The Principal Component Analysis (PCA) is the technique applied to extract the main patterns of the space and time variability of the GPS Up coordinate. The time series were studied by means of a frequency analysis using a periodogram and the real-valued Morlet wavelet. The periodogram is used to identify the dominant frequencies and the spectral density of the investigated signals; the second one is applied to identify the signals in the time domain and the relevant periodicities. This study has identified, over European and Mediterranean area, the presence of interannual non-linear signals with a period of 2-to-4 years, possibly related to atmospheric and hydrological loading displacements and to climate phenomena, such as El Niño Southern Oscillation (ENSO). A clear signal with a period of about six years is present in the vertical component of the GPS time series, likely explainable by the gravitational coupling between the Earth’s mantle and the inner core. Moreover, signals with a period in the order of 8-9 years, might be explained by mantle-inner core gravity coupling and the cycle of the lunar perigee, and a signal of 18.6 years, likely associated to lunar nodal cycle, were identified through the wavelet spectrum. However, these last two signals need further confirmation because the present length of the GPS time series is still too short when compared to the periods involved.

Raffinamento della posizione ottenuta da un GPS tramite misure di fase

Questa tesi elabora un sistema di filtraggio delle pseudodistanze calcolate da un ricevitore GPS, al fine di ottenere un miglior posizionamento. Infatti, dopo aver analizzato e quindi filtrato i dati in ingresso tramite l’impiego delle misure di fase, si può ottenere una precisione nell’ordine dei centimetri. La tecnica di filtraggio prende il nome di carrier-smoothing e permette di selezionare le misure di pseudorange mediante le misure di ADR (Accumulated Delta Range) grazie all’applicazione di una struttura a filtro complementare. Per svolgere questo tipo di lavoro, non è stato necessario l’utilizzo di un ricevitore GPS fisico, ma è stato realizzato, nell’ambiente Matlab/Simulink, un simulatore GNSS (Global Navigation Satellite System) che sostanzialmente emula quello che farebbe un ricevitore.

Implementazione di ambiente simulativo per validazione di sistemi di navigazione GPS in LEO

Il lavoro di questa tesi è stato implementare su Matlab un algoritmo numerico che permettesse di determinare la posizione di un utilizzatore mediante misure GPS. In particolare, dopo un'introduzione al sistema GPS e alla navigazione GPS, è stato analizzato il contenuto dei LOG di ESEO e si è proceduto all'implementazione dell'algoritmo sul calcolatore. Lo scopo ultimo della tesi è stato verificare l'accuratezza di tale algoritmo, mediante il calcolo degli errori con le posizioni reali e mediante una verifica tramite calcolo del range geometrico.