Le nuove tecnologie GNSS per il monitoraggio dei rischi naturali e delle infrastrutture - Prof. Fernando SANSÒ Per "LA LOMBARDIA VOLA ALTO"

Le nuove tecnologie GNSS per il
 monitoraggio dei rischi naturali e
 delle infrastrutture

Prof. Fernando SANSÒ Professore Emerito del Politecnico di Milano
 Presidente Geomatics Research & Development srl

Per «LA LOMBARDIA VOLA ALTO» Milano, 22/01/2018

del Territorio
 • Frane (rischio idrogeologico)
 • Subsidenza (rischio idrologico)
 • Deformazioni crostali (rischio
 sismico)
 • ...

 Intersezione
Monitoraggio
 geodetico • Edifici
 • Beni culturali
 • Dighe
 • Ponti
 • …
 di Strutture e Infrastrutture
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Caratteristiche del Monitoraggio del Territorio
• I fenomeni fisici che governano la nascita e l'evoluzione di un rischio
 naturale non possono mai essere quantitativamente esattamente noti

• Occorre un esperto del rischio da monitorare per concordare un
 piano di monitoraggio che individui
 • Punti salienti
 • Superfici salienti
 • Accuratezza
 • Tempi critici
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Caratteristiche del Monitoraggio di manufatti
• L'oggetto da monitorare è molto meglio conosciuto attraverso il suo
 progetto
• L'esperto (strutturista) può più facilmente definire i punti critici e la
 dimensione delle deformazioni che possono mettere a rischio il
 manufatto
• Parametri da definire come per il Territorio
 • Punti salienti
 • Accuratezza
 • Tempi critici

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Caratteristiche del Monitoraggio con
strumenti classici
 • Accuratezza elevata
 • Tempi di esecuzione lunghi
 • Pochi punti monitorati
 • Necessità di lavoro sul campo di operatori

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Nuove tecnologie abilitate dallo sviluppo
dell'elettronica / ICT e dalle misure satellitari
3 tecniche innovative

 • Total station robotizzata
 ricostruzione di punti in 3D in ambito locale, < 1 km

 • GNSS (Global Navigation Satellite System)
 ricostruzione di punti in 3D in ambito sia locale che allargato

 • InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar)
 ricostruzione di superfici e delle loro variazioni temporali

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GNSS (GPS, USA – GLONASS; Russia – BEIDOU,
 Cina – Galileo, EU)
 Il principio di misura

 Satellite Il ricevitore è un apparato elettronico
 Codice (± 1)
 1 bit è lungo 300 m
 che riceve il segnale e lo compara
 con un analogo segnale generato
 localmente

 Portante L'obiettivo è misurare il tempo di
 λ ∼ 20 cm
Ricevitore volo del segnale τ

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Il principio di misura nel ricevitore: correlazione tra
segnale ricevuto e segnale generato dal ricevitore
c. periodo del codice ∼ 300 km
f. periodo della portante ∼ 20 km
 τC τC τC
 2 circuiti lavorano
 cooperativamente
 per allineare
 τf codice e fase

 Due misure: valore assoluto di τC, σ(cτC) ∼ 15/30 cm
 τf ritardo residuo, σ(cτf) ∼ 1/4 mm
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Effetti che entrano nella misura di τ
 
• Range = − − 
 
• Errori di orologio = , σ = 
• Relatività (generale e ristretta)
• Doppler (satellite e ricevitore si muovono reciprocamente)
• Ionosfera (velocità di fase/velocità di gruppo)
• Troposfera (v < c; curvatura raggi)
• Multipath (riflessioni multiple ricevute sulla stessa frequenza)
• Bias elettronici (tempo di propagazione dei segnali nei circuiti)
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Il problema principale dei dati GNSS per il
monitoraggio
Attendibilità del singolo dato o soluzione (ad esempio oraria) che
creano outliers nelle serie temporali, soprattutto legate a
 • Multipath
 • Errori nelle effemeridi predette dei satelliti

Soluzione:
 Un profondo preprocessing dei dati; è forse la parte più delicata di
 tutto il trattamento dei dati

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Due modi di usare il GNSS
• PPP (Precise Point Positioning) • Posizionamento relativo
Si determinano individualmente le Si determina la base vettoriale
coordinate in ITRF di un punto − tra due ricevitori A e B in
(per stazioni permanenti di alto livello ITRF, costruendo equazioni
di misura, occorre modellare gli d'osservazione per le differenze
effetti fisici e geofisici) di coordinate (cartesiane) dalle
 differenze delle osservazioni

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Per il monitoraggio si usano le equazioni del
posizionamento relativo, passando alle differenze
doppie (Basi corte < 5 km)
 Le equazioni di osservazione
 S1 S2
 dipendono essenzialmente solo
 da − ∙ 2 − 1

 E' importante avere una buona
 e1 e2 visibilità di satelliti distribuiti in
 tutti i quadranti celesti
 A B

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Scoperta degli ultimi 5 anni
Se si creano basi permanenti anche con ricevitori low cost (1 solo
canale L1) si raggiungono precisioni di 1 mm (anche meno) con 1
giorno di misure (∼ 3/4 mm in 1 ora).

Questi ricevitori inviano i propri dati ad un centro di calcolo che
produce serie di coordinate nel tempo in un sistema di riferimento
locale.

Possibilità concrete di aumentare il numero di punti controllati

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Esempio: applicazione su traliccio

Courtesy of Geomatics Research & Development srl and Terna Rete Italia spa
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Esempio: applicazione su traliccio

Baseline T001-T002
(25 m): serie di ~2 cm
coordinate giornaliere

 Courtesy of Geomatics Research & Development srl and Terna Rete Italia spa
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Scoperta dell’ultimo anno

L’uso congiunto di GPS e Galileo anche con ricevitori low cost aumenta
la ridondanza e migliora la configurazione delle linee di vista
stabilizzando anche le soluzioni orarie, aprendo la possibilità di
scendere sotto 1 ora con accuratezze di 1 / 2 mm.

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Esempio: soluzioni orarie caso critico

Courtesy of Geomatics Research & Development srl
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GNSS Pros and Cons

Vantaggi Svantaggi

• Funzionamento all weather • Necessità di centralizzare il
• Alta precisione calcolo (Servizio)
• Latenza da 1 ora a 24 ore • Necessità di un "occhio esperto"
 per eliminare risultati spuri
• Monitoraggio continuo con
 risultati automatici
• Possibilità di attivare un allarme
 automatico
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Note
Per il monitoraggio delle frane che hanno bisogno di tecniche all
weather e misure precise su tutta un'area, la combinazione
 GNSS permanente + SAR
è probabilmente ottimale, data la complementarità delle caratteristiche
delle misure.

Il tema è oggetto di un recente progetto europeo
del GSA in fase di sviluppo:

 This project has received funding from the European GNSS Agency under the European
 Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 776335
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