Atmospheric Models Applied to DGPS and RTK Network in Brazil: Preliminary Results

Several positioning techniques have been developed to explore the GPS capability to provide precise coordinates in real time. However, a significant problem to all techniques is the ionosphere effect and the troposphere refraction. Recent researches in Brazil, at São Paulo State University (UNESP), have been trying to tackle these problems. In relation to the ionosphere effects it has been developed a model named Mod_Ion. Concerning tropospheric refraction, a model of Numerical Weather Prediction(NWP) has been used to compute the zenithal tropospheric delay (ZTD). These two models have been integrated with two positioning methods: DGPS (Differential GPS) and network RTK (Real Time Kinematic). These two positioning techniques are being investigated at São Paulo State University (UNESP), Brazil. The in-house DGPS software was already finalized and has provided very good results. The network RTK software is still under development. Therefore, only preliminary results from this method using the VRS (Virtual Reference Station) concept are presented.

Performance Analysis of 5G based Positioning in Railway Applications

Rail transportation has significant importance in the future world. This importance is tightly bounded to accessible, sustainable, efficient and safe railway systems. Precise positioning in railway applications is essential for increasing railway traffic, train-track control, collision avoidance, train management and autonomous train driving. Hence, precise train positioning is a safety-critical application. Nowadays, positioning in railway applications highly depends on a cellular-based system called GSM-R, a railway-specific version of Global System for Mobile Communications (GSM). However, GSM-R is a relatively outdated technology and does not provide enough capacity and precision demanded by future railway networks. One option for positioning is mounting Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers on trains as a low-cost solution. Nevertheless, GNSS can not provide continuous service due to signal interruption by harsh environments, tunnels etc. Another option is exploiting cellular-based positioning methods. The most recent cellular technology, 5G, provides high network capacity, low latency, high accuracy and high availability suitable for train positioning. In this thesis, an approach to 5G-based positioning for railway systems is discussed and simulated. Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) method and 5G Positioning Reference Signal (PRS) are used. Simulations run using MATLAB, based on existing code developed for 5G positioning by extending it for Non Line of Sight (NLOS) link detection and base station exclusion algorithms. Performance analysis for different configurations is completed. Results show that efficient NLOS detection improves positioning accuracy and implementing a base station exclusion algorithm helps for further increase.

Application of ionospheric corrections in the equatorial region for L1 GPS users

In the absence of the selective availability, which was turned off on May 1, 2000, the ionosphere can be the largest source of error in GPS positioning and navigation. Its effects on GPS observable cause a code delays and phase advances. The magnitude of this error is affected by the local time of the day, season, solar cycle, geographical location of the receiver and Earth's magnetic field. As it is well known, the ionosphere is the main drawback for high accuracy positioning, when using single frequency receivers, either for point positioning or relative positioning of medium and long baselines. The ionosphere effects were investigated in the determination of point positioning and relative positioning using single frequency data. A model represented by a Fourier series type was implemented and the parameters were estimated from data collected at the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites). The data input were the pseudorange observables filtered by the carrier phase. Quality control was implemented in order to analyse the adjustment and to validate the significance of the estimated parameters. Experiments were carried out in the equatorial region, using data collected from dual frequency receivers. In order to validate the model, the estimated values were compared with ground truth. For point and relative positioning of baselines of approximately 100 km, the values of the discrepancies indicated an error reduction better than 80% and 50% respectively, compared to the processing without the ionospheric model. These results give an indication that more research has to be done in order to provide support to the L1 GPS users in the Equatorial region.

Mitigating systematic errors for single frequency GPS receivers employing a penalized least squares methodology

Among the positioning systems that compose GNSS (Global Navigation Satellite System), GPS has the capability of providing low, medium and high precision positioning data. However, GPS observables may be subject to many different types of errors. These systematic errors can degrade the accuracy of the positioning provided by GPS. These errors are mainly related to GPS satellite orbits, multipath, and atmospheric effects. In order to mitigate these errors, a semiparametric model and the penalized least squares technique were employed in this study. This is similar to changing the stochastical model, in which error functions are incorporated and the results are similar to those in which the functional model is changed instead. Using this method, it was shown that ambiguities and the estimation of station coordinates were more reliable and accurate than when employing a conventional least squares methodology.

Towards forecasting and mitigating ionospheric scintillation effects on GNSS

The effect of the ionosphere on the signals of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), such as the Global Positionig System (GPS) and the proposed European Galileo, is dependent on the ionospheric electron density, given by its Total Electron Content (TEC). Ionospheric time-varying density irregularities may cause scintillations, which are fluctuations in phase and amplitude of the signals. Scintillations occur more often at equatorial and high latitudes. They can degrade navigation and positioning accuracy and may cause loss of signal tracking, disrupting safety-critical applications, such as marine navigation and civil aviation. This paper addresses the results of initial research carried out on two fronts that are relevant to GNSS users if they are to counter ionospheric scintillations, i.e. forecasting and mitigating their effects. On the forecasting front, the dynamics of scintillation occurrence were analysed during the severe ionospheric storm that took place on the evening of 30 October 2003, using data from a network of GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) receivers set up in Northern Europe. Previous results [1] indicated that GPS scintillations in that region can originate from ionospheric plasma structures from the American sector. In this paper we describe experiments that enabled confirmation of those findings. On the mitigation front we used the variance of the output error of the GPS receiver DLL (Delay Locked Loop) to modify the least squares stochastic model applied by an ordinary receiver to compute position. This error was modelled according to [2], as a function of the S4 amplitude scintillation index measured by the GISTM receivers. An improvement of up to 21% in relative positioning accuracy was achieved with this technnique.

Método dos mínimos quadrados com penalidades: aplicação no posicionamento relativo GPS

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Investigações preliminares sobre a influência do clima espacial no posicionamento relativo com GNSS

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A Distributed System for the Dissemination of DGPS Data through the Internet

In this paper we describe a low cost distributed system intended to increase the positioning accuracy of outdoor navigation systems based on the Global Positioning System (GPS). Since the accuracy of absolute GPS positioning is insufficient for many outdoor navigation tasks, another GPS based methodology – the Differential GPS (DGPS) – was developed in the nineties. The differential or relative positioning approach is based on the calculation and dissemination of the range errors of the received GPS satellites. GPS/DGPS receivers correlate the broadcasted GPS data with the DGPS corrections, granting users increased accuracy. DGPS data can be disseminated using terrestrial radio beacons, satellites and, more recently, the Internet. Our goal is to provide mobile platforms within our campus with DGPS data for precise outdoor navigation. To achieve this objective, we designed and implemented a three-tier client/server distributed system that, first, establishes Internet links with remote DGPS sources and, then, performs campus-wide dissemination of the obtained data. The Internet links are established between data servers connected to remote DGPS sources and the client, which is the data input module of the campus-wide DGPS data provider. The campus DGPS data provider allows the establishment of both Intranet and wireless links within the campus. This distributed system is expected to provide adequate support for accurate outdoor navigation tasks.

Desempenho do modelo global da ionosfera do IGS: avaliação no posicionamento por ponto na região sul do Brasil em período de alta atividade solar

One of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the error due to ionosphere. This error depends on the total electron content presents in the ionosphere, as well as of the carrier frequency. Some models have been developed to correct GPS observables of the systematic error due to the ionosphere. The model more known and used is the Klobuchar model, which corrected 50-60% of the ionospheric error approximately. Alternatively, IGS (International GNSS Service) also has developed a model called Global Ionospheric Map (GIM). These maps, in format IONEX, are available in the site of the IGS, and one of the applications of them is to correct the GPS observables of the error due to ionosphere. This work aims at evaluating the quality of GPS point positioning using the IGS ionospheric model in the southerm region of Brazil. Tests carried out had shown an average improvement in the horizontal and vertical determination of 44% and 77%, respectively, when GIM is used in the point positioning.

Modelagem em tempo real do erro sistemático das observáveis GPS devido à ionosfera

Single frequency GPS receivers have been many used in GPS surveys. Among the several applications, one can mention those that are to obtain the receiver's antenna coordinates in real time. One of the main error sources to these applications is the ionosphere systematic error. In the FCT/UNESP a regional ionosphere model (Mod_Ion) was developed. It has been implemented to execute after collecting of GPS data. At real time application two improvements in the Mod_Ion were introduced, consisting of an alteration of the function of modeling and implementation of the Kalman Filter. The results of the experiments showed that the modifications were the most effective in the ionosphere systematic effect's corrections, providing a improvement in the accuracy of point positioning, of 90,75%, in period of the highest ionosphere activity.

Correcão ionosférica utilizando os MAPAS: Globais do TEC DO IGS: Avaliação no posicionamento por ponto na região brasileira

One of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the error due to ionosphere. This error depends on the total electron content presents in the ionosphere, as well as of the carrier frequency. Some models have been developed to correct GPS observables of the systematic error due to the ionosphere. The model more known and used is the Klobuchar model, which corrected 50-60% of the ionospheric error approximately. Alternatively, IGS (International GNSS Service) also has developed a model called Global Ionospheric Map (GIM). These maps, in format IONEX, are available in the site of the IGS, and one of the applications of them is to correct the GPS observables of the error due to ionosphere. This work aims at evaluating the quality of GPS point positioning using the IGS ionospheric model in the Brazilian region. Tests carried out had shown an average improvement in the horizontal and vertical determination of 72% and 26%, respectively, when GIM is used in the point positioning.

Modelo regional da ionosfera (MOD_ION): implementação em tempo real

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação de funções para modelagem do efeito da refratação ionosférica na propagação dos sinais GPS

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Correlação do posicionamento por ponto GNSS com a ionosfera e com indices de atividade solar no periodo de 2002 a 2011

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.