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LEZIONE DI POTENZIAMENTO
SATELLITI-GPS-GIS
Gennaio 2015
Prof.ssa Sara Peverieri
Dott. Andrea Capalbo
SATELLITE ARTIFICIALE
Con il termine satellite artificiale si possono intendere tutti gli oggetti orbitanti intorno ad un corpo celeste che sono stati posti volutamente
nell'orbita desiderata con mezzi tecnologici (ad esempio razzi vettori) e con varie finalità a supporto di necessità umane (servizi o
indagini/monitoraggio scientifico-ambientali). L'insieme di più satelliti artificiali adibiti ad uno stesso scopo forma una costellazione o flotta di
satelliti artificiali.
I satelliti artificiali si possono suddividere in:
satelliti scientifici, destinati alla ricerca pura nel campo dell'astronomia o della geofisica, es. Telescopio Spaziale Hubble o Lageos;
satelliti applicativi, destinati a scopi militari o ad usi commerciali civili che si dividono in:
satelliti per la navigazione, come quelli della rete GPS (Global positioning system);
satelliti per telecomunicazioni, apparecchiature costruite dall'uomo per le telecomunicazioni, es. i Satelliti COSPAS-
SARSAT; spesso sono posizionati in un'orbita geostazionaria intorno alla Terra e in numero tale da formare una rete
satellitare;
satelliti meteorologici, posizionati sia in orbita geostazionaria (es. METEOSAT) sia in orbita polare (es. satelliti NOAA);
satelliti per telerilevamento, costruiti per il telerilevamento, la cartografia e l'osservazione sistematica della superficie
terrestre (es. satelliti Landsat, QuickBird, Envisat, IKONOS o RapidEye);
satelliti militari sia a scopo offensivo che difensivo, es. la rete di satelliti di monitoraggio nucleare Vela o
l'americano Geosat;
stazioni orbitanti, es. Stazione Spaziale Internazionale, Skylab, Mir;
sonde spaziali in modo improprio, perché in genere le sonde non orbitano attorno ad un altro corpo.
I satelliti inoltre sono caratterizzati in base all'orbita che percorrono. Le orbite principali sono: orbita polare, orbita equatoriale, orbita
geostazionaria, orbita terrestre bassa, orbita terrestre media.
Costellazione satelliti GPS.
Un satellite in orbita.
ORBITE DEI SATELLITI
Le orbite dei satelliti e dei pianeti del Sistema Solare sono ellittiche.
Orbita ellittica intorno alla Terra conperigeo a 630 km e apogeo a 11650 km dalla superficie terrestre
Le orbite delle sonde spaziali inviate al di fuori del Sistema Solare sono iperboliche.
Traiettoria iperbolica intorno alla Terra con perigeo a 5275 km dalla superficie terrestre Anche le porzioni di orbite di sonde inviate verso i pianeti esterni (come la sonda Galileo e la sonda Cassini nelle fasi di avvicinamento e allontanamento) sono iperboliche.
ORBITA in base all'inclinazione rispetto al piano equatoriale un'orbita può essere:
Orbita equatoriale: se l'inclinazione è circa zero (ad esempio l'orbita geostazionaria).
Orbita polare: se l'inclinazione è quasi uguale a 90°. I satelliti in orbita polare hanno la caratteristica di poter vedere tutto il globo grazie al
loro moto latitudinale lungo i meridiani.
Orbita eclittica: se l'inclinazione dell'orbita coincide con l'eclittica del pianeta
Orbita retrograda: se l'inclinazione è superiore a 90°.
ORBITE In base all'altitudine rispetto alla Terra:
Orbita terrestre bassa, in cui si trova ad esempio la Stazione Spaziale Internazionale
Orbita terrestre media, in cui si trovano i satelliti dei sistemi di navigazione (GLONASS, Galileo e GPS).
Orbita terrestre alta (particolarmente ellittica)
Orbita geostazionaria: ad una quota di 36 000 km i satelliti possono rimanere fermi rispetto alla superficie terrestre. Molti satelliti per
letelecomunicazioni si trovano in quest'orbita.
GPS
Il sistema satellitare di navigazione GPS utilizza il WGS84 (World Geodetic System 1984 è un sistema di coordinate geografiche geodetico,
mondiale, basato su un ellissoide di riferimento elaborato nel 1984. Esso costituisce un modello matematico della Terra da un punto di vista
geometrico, geodetico e gravitazionale)
Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale, il segmento di controllo ed il segmento utente.
A. Il segmento spaziale comprende da 24 a 32 satelliti-
B. L'Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il segmento spaziale ed il segmento di controllo.
C. Il segmento utente infine è composto dai ricevitori GPS.
Il principio di funzionamento si basa su un metodo di posizionamento sferico (trilaterazione), che parte dalla misura del tempo impiegato da
un segnale radio a percorrere la distanza satellite-ricevitore.
Poiché il ricevitore non conosce quando è stato trasmesso il segnale dal satellite, per il calcolo della differenza dei tempi il segnale inviato dal
satellite è di tipo orario, grazie all'orologio atomico presente sul satellite: il ricevitore calcola l'esatta distanza di propagazione dal satellite a
partire dalla differenza (dell'ordine dei microsecondi) tra l'orario pervenuto e quello del proprio orologio sincronizzato con quello a bordo del
satellite, tenendo conto della velocità di propagazione del segnale.
L'orologio a bordo dei ricevitori GPS è, però, molto meno sofisticato di quello a bordo dei satelliti e deve essere corretto frequentemente non
essendo altrettanto accurato sul lungo periodo. In particolare la sincronizzazione di tale orologio avviene all'accensione del dispositivo ricevente
utilizzando l'informazione che arriva dal quarto satellite venendo così continuamente aggiornata.
Se il ricevitore avesse anch'esso un orologio atomico al cesio perfettamente sincronizzato con quello dei satelliti sarebbero sufficienti le
informazioni fornite da 3 satelliti, ma nella realtà non è così e dunque il ricevitore deve risolvere un sistema di 4 incognite
(latitudine,longitudine, altitudine e tempo) e per riuscirci necessita dunque di 4 equazioni.
Ciascun satellite emette su due canali: L1, l'unico disponibile al servizio SPS (per uso civile), e L2 per l'uso esclusivo per il servizio PPS (uso
militare). Le frequenze portanti sono di 1575,42MHz e di 1227,6MHz rispettivamente.
A-Il segmento spaziale
Dal 2010 il sistema è costituito da una costellazione di 31 satelliti NAVSTAR (navigation satellite timing and ranging), disposti su sei piani orbitali
con una inclinazione di 55° sul piano equatoriale. Seguono un'orbita praticamente circolare (coneccentricità massima tollerata di 0,03) con raggio
di circa 26 560 km viaggiando in 11 h 58 min 2 s, o metà giorno siderale. I satelliti, osservati da terra, ripetono lo stesso percorso nel cielo dopo
un giorno sidereo.
Ciascun piano orbitale ha almeno 4 satelliti, e i piani sono disposti in modo tale che ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno
5 satelliti. Ogni satellite, a seconda della versione, possiede un certo numero di orologi atomici (al cesio o al rubidio).
In orbita vi sono un minimo di 24 satelliti per la trasmissione di dati GPS, più 3 di scorta per garantire copertura globale del servizio. Ciascun
satellite dispone di razzi a idrazina per effettuare le correzioni di orbita e di pannelli solari fotovoltaici per la produzione di energia elettrica uniti a
una batteria per garantire l'energia per le operazioni anche quando il sole è eclissato.
B-Il segmento di controllo
Il segmento di controllo si compone di una stazione di controllo principale, una stazione di controllo alternativa, varie antenne dedicate e condivise e stazioni di
monitoraggio.
C-Il segmento utente
è un tipico ricevitore GPS con antenna integrata.
Composto dalle centinaia di migliaia di ricevitori militari e le decine di milioni di ricevitori degli utente civili, commerciali e scientifici. In generale i ricevitori si
compongono di una antenna, un microprocessore e una sorgente di tempo (come un oscillatore al quarzo). Possono anche includere un display per fornire le
informazione all'utente.
Un ricevitore viene spesso descritto dal numero di canali di cui dispone che indica il numero di satelliti che è in grado di monitorare simultaneamente. Il numero di
canali è stato incrementato progressivamente nel tempo. Tipicamente un moderno ricevitore commerciale dispone di un numero di canali compreso tra 20 e 32 anche
se sono disponibili ricevitori con un numero maggiore.
Esistono software appositi, proprietari o open source che utilizzano una cartografia, che può essere anch'essa pubblica o proprietaria. I dati di navigazione vengono
generalmente forniti a PC.
Sempre più spesso i ricevitori GPS sono integrati all'interno smartphone, Tablet PC, orologi e vari oggetti adatti all'uso in mobilità.
Applicazioni[
navigazione assistita
possibilità, a partire dalla posizione locale, di ricevere indicazioni stradali che sulla base ad una mappa stradale, presente in memoria sul
dispositivo, calcola il percorso stradale più breve per giungere ad una certa destinazione reimpostata
seguire determinate rotte aree e nautiche nella navigazione aerea e marittima.
in caso di emergenza segnalazioni incidenti, infortuni, incendi radionavigazione nelle tipiche attività sportive all'aria aperta
per scopi topografici/cartografici.
sincronizzazione di precisione degli orologi terrestri accoppiati ad un ricevitore GPS grazie alla presenza degli orologi atomici presenti sui
satelliti e al segnale orario trasmesso da questi verso Terra
Navigazione aerea
Dal 2000 è obbligatorio l'utilizzo del WGS84 come standard per la navigazione aerea. In Italia sia l'Aeronautica Militare Italiana che l'ENAV,
l'Ente Nazionale di Assistenza al Volo, hanno i dati aeronautici nel sistema WGS84.
GIS
Un GIS è invece un sistema informativo computerizzato che permette l'acquisizione, la registrazione, l'analisi, la visualizzazione e la restituzione di informazioniderivanti da dati geografici (geo-riferiti).
Il GIS consente di mettere in relazione tra loro dati diversi, sulla base del loro comune riferimento geografico in modo da creare nuove informazioni a partire dai dati esistenti.
QGIS è un'applicazione desktop GIS Geographic(al) Information System. Open Source molto simile nell'interfaccia utente e nelle funzioni alle release di pacchetti GIS commerciali equivalenti.
Un esempio applicativo di uso integrato di GPS-
GIS
Elettrodotto 717 FANO -S.VENERANDA
Ed ora tocca a te!
Sara PeverieriUniversità degli Studi di BolognaDip.to di Geo-Fisica Scienze matematiche-fisiche-informatiche
e-mail: [email protected]
Andrea Capalbo PhD
Università degli Studi del MoliseDip.to di Bioscienze e TerritorioLaboratorio di Geoscienze e GISContrada Fonte Lappone86090 Pesche (IS)
skype: andrea.capalboe-mail: [email protected]
ULTERIORI INFORMAZIONI E LINK ALLA PAGINA SUCCESSIVA !
Cartografia e GIS: link utili
Ciao a tutti,
eccovi alcuni link che potranno esservi utili nel caso che voi decidiate di approfondire l’utilizzo dei
software GIS.
Il programma che abbiamo utilizzato si chiama QGIS ed è scaricabile gratuitamente, senza registrazione,
all’indirizzo www.qgis.org. Sullo stesso sito troverete le guide in lingua inglese (alcune anche in italiano),
i tutorial e il forum per le discussioni.
Esistono altri GIS open source come gvSIG (www.gvsig.org/), uDIG (udig.refractions.net/) e tanti altri
ancora. La scelta di iniziare ad utilizzare uno di questi software dipende da molti fattori. Se vi dovessi
dare un consiglio direi di iniziare con QGIS o gvSIG perché hanno una comunità di utenti molto estesa,
quindi ci sono tante plugin da scaricare e un forum di discussione molto ampio.
Invece i più diffusi sw GIS a pagamento sono quelli della ESRI: qui tutte le info che li riguardano
http://www.arcgis.com/features/
Per scaricare il DEM (digital elevation model) che abbiamo utilizzato (in realtà potreste scaricare l’intero
globo volendo) è necessario collegarsi a questo sito: http://earthexplorer.usgs.gov/. La prima volta può
essere un po’ complicato ricercare il prodotto desiderato ed è un po’ difficile da spiegare in poche righe. Se
avete problemi contattatemi pure, proveremo a farlo insieme dal laboratorio della scuola.
Un link molto utile per gli utilizzatori di sw GIS è quello del Portale Cartografico Nazionale (PCN)
(http://www.pcn.minambiente.it/), il quale permette di utilizzare tantissimi dati (foto aeree, carte
tematiche ecc) attraverso la rete. A questo link
http://www.regione.abruzzo.it/xcartografia/docs/wms/Istruzioni_WMS_QGIS.pdf
troverete una breve guida per utilizzare i servizi WMS (web map service) del PCN in QGIS. Anche in
questo caso i primi passi sono un po’ complicati purtroppo.
Cambiamo argomento. A questo link troverete una lista di software per realizzare delle mappe
concettuali: http://aranzulla.tecnologia.virgilio.it/programmi-per-fare-mappe-concettuali-28185.html
Funzionano bene, ma quasi tutti non permettono di esportare l’elaborato senza upgrade a pagamento.
L’unico che ha la funzione export di default è Freemind. Tutte le info a questo link:
http://freemind.sourceforge.net/wiki/index.php/Main_Page
Nella sezione download scegliete la versione all-inclusive per il vostro sistema operativo e procedete
all’istallazione (è necessario avere java istallato sul proprio pc o in alternativa scegliere la versione di
freemind provvista anche di java).
Per tutto il resto cercate nei forum di discussione sui GIS, i tutorial su youtube e scrivetemi una e-mail
per qualsiasi dubbio.
Ciao a tutti.
Andrea