Reti dinamiche GNSS e servizi di posizionamento

Ultimo aggiornamento: 14/03/2019

Una stazione permanente GNSS è un'installazione fissa dotata di un ricevitore e un'antenna di tipo geodetico, che acquisisce con continuità tutti i segnali (codice+ fase in tutte le frequenze) emessi dai satelliti visibili, 24 ore su 24 per tutti i giorni della settimana. Le stazioni permanenti vengono indicate con l’acronimo CORS (Continuously Operating Reference Station). Ogni stazione trasmette i dati acquisiti a un centro di controllo della rete che rende i dati accessibili all'utenza fornendo diversi servizi di posizionamento.

A partire dagli anni 1990 sono state realizzate le prime reti di stazioni permanenti GNSS (reti dinamiche GNSS), dalla scala nazionale a quella mondiale, con finalità prevalentemente scientifiche (definizione dei datum globali, studio dei movimenti della crosta terrestre, ...).

Per scopi tecnici sono state realizzate in tutto il mondo reti di stazioni permanenti GNSS su scala regionale, con interdistanze tra le stazioni dell'ordine di alcune decine di chilometri. Queste reti hanno lo scopo di distribuire il datum all'utenza in maniera diffusa, erogando vari tipi di servizi di posizionamento, e hanno portato a un notevole incremento delle prestazioni e della produttività rispetto alle metodologie topografiche e GNSS che si appoggiavano alle sole reti statiche.

L’applicazione di queste reti si estende oggi ad ambiti molto più vasti rispetto a quello iniziale tecnico-topografico, raggiungendo un amplissimo spettro di applicazioni e un’utenza di massa grazie alla diffusione di sensori GNSS a basso costo oggi presenti negli smartphone e tablet.

I Servizi di Posizionamento

I principali servizi di posizionamento che una rete di stazioni permanenti GNSS è in grado di erogare sono i seguenti:

Servizi in Post-Processamento

Dal sito web della rete vengono scaricati i files dei dati acquisiti dalle stazioni permanenti della rete (in formato raw binario o RINEX) e le monografie delle stazioni stesse (che contengono le coordinate in vari sistemi di riferimento).

Con un software di post-processamento l'utente calcola le baselines che collegano le stazioni della rete ai punti rilevati, esegue il calcolo di compensazione della rete di baselines ed ottiene infine le coordinate dei punti rilevati (o i tracciati di veicoli nel caso cinematico) con accuratezza che può raggiungere valori subcentimetrici. A scopo di controllo, l'utente può occupare con il proprio ricevitore alcuni punti di posizione nota appartenenti a reti statiche (IGM95 o raffittimento regionale).

Alcuni gestori di reti di stazioni permanenti offrono, su richiesta, anche un servizio di calcolo delle posizioni o tracciati dell'utente, che può essere eseguito in modo automatico o manuale a partire da files RINEX dell’utente.

Un altro servizio per post-processamento è la fornitura di files RINEX VIRTUALI generati dal software della rete su un punto virtuale di posizione definita dall'utente (ad es. per emulare una stazione fissa nell'area di un cantiere, o nell’area di un rilievo da eseguire).
Servizi in Tempo Reale

Nell'area coperta da una rete di stazioni permanenti, l'utente può eseguire rilevamenti in tempo reale con uno o più ricevitori "rover" mediante la tecnica del posizionamento differenziale, ricevendo dalla rete uno stream di dati di correzione in formato RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services, standard internazionale).

La correzione viene ricevuta dall’utente mediante accesso a Internet da rete telefonica (una scheda SIM nel rover o nel suo tablet di controllo) connettendosi con il Caster della rete (indirizzo web che trasmette stream di correzioni 24 ore su 24) attraverso il protocollo NTRIP (che opera in modo analogo a una internet digital radio). Il caster mette a disposizione diversi Data Stream, ovvero flussi di dati in vari formati e con diversi contenuti, che possono riguardare un solo codice o un insieme di segnali di codice e fase.
Tecnica DGPS

Utilizzando il solo codice si utilizza di solito la correzione proveniente da una sola stazione della rete

(tipicamente la più vicina - nearest - ma il metodo funziona anche con distanze > 100 km) e si raggiunge un'accuratezza di posizionamento dell'ordine del metro.
Tecnica NRTK
Utilizzando codice + fase le modalità oggi più utilizzate per il calcolo delle correzioni sono le seguenti:
- VRS (Virtual Reference Station): l'utente invia alla rete la propria posizione approssimata mediante un messaggio NMEA. Il centro di controllo genera e gli invia una correzione personalizzata, calcolata in base alla posizione del rover, che emula una stazione (detta per questo virtuale) posta in prossimità dell'utente, ad es. a pochi km di distanza dall'area del rilievo. La correzione VRS è calcolata a partire dei dati delle stazioni circostanti l'utente, ma per il software del ricevitore viene vista come se provenisse da una sola stazione base. Si richiede un collegamento bidirezionale (rete ↔ rover).
- FKP (Flachen Korrektur Parameters): il centro di controllo della rete invia agli utenti correzioni sotto forma di parametri che esprimono i gradienti di correzione nella rete, da cui vengono ricavate per interpolazione le correzioni da applicare al rover. A differenza del caso precedente, la comunicazione bidirezionale rete ↔ rover non è indispensabile: FKP è infatti utilizzabile con o senza NMEA, ma la disponibilità della posizione approssimata dell'utente attraverso lo NMEA permette al sistema di inviargli parametri FKP più appropriati per la sua posizione.
- MAC (Master-Auxiliary Concept): il centro di controllo invia al rover le correzioni di una stazione master e le differenze (rispetto alla stazione master) delle correzioni di alcune stazioni ausiliarie. Le stazioni vengono scelte in base alla cella della rete dove si trova l'utente. Le informazioni vengono "impacchettate" in modo compatto. Non è il centro di controllo della rete bensì il software del ricevitore rover a elaborare i dati ricevuti, nella maniera ritenuta più opportuna. E' un approccio più flessibile dei precedenti, in quanto non utilizza modelli predefiniti ma lascia libertà all'utente. Richiede l'impiego del formato RTCM nella versione 3.0 o successive, e può funzionare anche con comunicazione unidirezionale (per determinare la cella ci sono metodi alternativi all'invio di un messaggio NMEA).
- Nearest: viene inviata all'utente la correzione RTCM proveniente da una sola stazione, la più vicina; questo approccio non è un "vero" NRTK ma piuttosto un RTK base-rover in cui la base è una stazione della rete, per cui non vengono sfruttati i maggiori vantaggi del servizio a rete, come invece viene fatto con le tecniche più evolute sopra descritte.
Le sperimentazioni eseguite da molti centri di ricerca tra cui la stessa Università di Perugia hanno mostrato che le diverse modalità differenziali in tempo reale che utilizzano codice + fase (con eccezione della nearest per distanze > 20 km) sostanzialmente si equivalgono nei risultati, raggiungendo nella maggior parte dei casi un'accuratezza < 5 cm in planimetria e < 10 cm in quota, a condizione che tra le stazioni e il centro di controllo, e tra questo e l'utente, esista un efficiente e continuo collegamento telematico.

In zone non coperte da servizi telefonici o wireless che consentano l’accesso a internet, si può comunque operare nella modalità RTK base-rover operando con due ricevitori collegati localmente via radio modem, dei quali quello che funge da base viene posto su un punto di coordinate note quale un vertice della rete geodetica regionale di raffittimento o della rete IGM95.