La Rete Regionale GNSS a servizio del Veneto

Scopo
Le Istituzioni interessate
I vantaggi della rete GNSS per la collettività
Geodesia
Sismicità
Meteorologia
Le funzioni per l'ingegneria e la topografia
Ingegneria del Territorio
Ingegneria dei Trasporti
Il sistema satellitare Europeo Galileo

Scopo



La Regione Veneto, tramite l'Università di Padova e d'intesa con l'Agenzia del Territorio, è impegnata per attivare e operare una Rete Regionale di Posizionamento basata sui satelliti del Global Navigation Satellite System (GNSS). Tale sistema attualmente comprende i satelliti americani GPS e quelli russi GLONASS, con prospettiva di allargamento ai satelliti Europei della costellazione Galileo. L'obiettivo è di garantire la copertura trigonometrica del territorio regionale con un servizio di precisione, affidabilità e standard di qualità in linea con quelli europei.


Le Istituzioni interessate



La Regione Veneto, quale organo di coordinamento e di indirizzo in campo cartografico e territoriale, e quale primo fruitore dei servizi offerti dalla rete regionale, ricerca lo stato dell'arte quanto a strumentazione per il rilevamento e le tecniche di restituzione e gestione del dato spaziale.
L'Agenzia del Territorio, interlocutore istituzionale di professionisti ed enti locali in un territorio dove il valore del terreno è sempre più elevato, guarda con interesse alle tecniche che minimizzano imprecisioni di rilevamento e inquadramento.
Infine l'Università di Padova, forte della sua esperienza nel campo delle applicazioni dei satelliti artificiali alla topografia, cartografia e posizionamento di precisione, si propone con una rete di tre stazioni già operative, a Padova, Asiago e Rovigo, e con infrastrutture di comunicazione, di elaborazione dati e di addestramento del personale che già le hanno valso riconoscimenti in campo nazionale e internazionale. Lo stretto collegamento con l'Istituto Geografico Militare, che è l'Organo Cartografico dello Stato, garantisce l'armonia tra le procedure a livello regionale e quelle a livello nazionale. Infine la stretta collaborazione tra l'Università di Padova e l'EUREF, il consorzio europeo per la definizione di un sistema geografico di riferimento comune agli Stati membri, garantisce la perfetta integrazione in ambito comunitario.

I vantaggi della rete GNSS per la collettività



Una rete permanente GPS è non solo un'infrastruttura a servizio della collettività ma anche uno strumento scientifico particolarmente utile in problemi di geodesia e cartografia, monitoraggio ambientale di deformazioni del suolo planialtimetriche. Nel seguito esaminiamo in dettaglio gli ambiti scientifici interessati.

Geodesia



In questo caso il problema principale è la determinazione del Geoide, o più esattamente della differenza che si riscontra quando si confrontano dislivelli misurati con il GPS e con la livellazione geometrica. La misura GPS è infatti insensibile alla direzione locale del filo a piombo, mentre la livellazione geometrica prevede una accurata messa in bolla, prima di eseguire la misura. Poichè la direzione del filo a piombo varia da punto a punto in conseguenza di concentrazioni locali di massa legate alla topografia, e a concentrazioni di massa all'interno della Terra, ne segue che il dislivello tra due punti, anche quando risultante dalla sommatoria algebrica di dislivelli intermedi, è influenzato dal valore locale della gravità, ovvero dall'andamento della superficie equipotenziale terrestre. Poichè si prevede che le misure GPS ben presto saranno prevalenti rispetto a quelle tradizionali anche in altimetria, si rende necessario disporre di una mappatura di dettaglio delle discrepanze tra livellazione GPS e livellazione geometrica, specie in aree montuose ove le variazioni del geoide sono più rapide.

Figura 1. Modello tridimensionale del geoide ricavato nel 1991 in occasione della calibrazione del radar altimetro a bordo del satellite ERS 1 dell'Agenzia Spaziale Europea, la cui traccia è rappresentata da una linea retta in mare e che passa sopra la piattaforma Acqua Alta del CNR ISDGM. Rispetto all'ellissoide WGS84, il geoide in Veneto presenta una inclinazione verso Nord di circa 10 secondi d'arco, correlata con la presenza delle Alpi, e un valore assoluto dell'ordine di 45 metri.

Il Veneto è stata la prima regione italiana a disporre di un geoide di dettaglio. Nel 1991 l'Agenzia Spaziale Europea, dovendo calibrare il radar altimetro montato a bordo del satellite di telerilevamento ERS 1, richiese all'Università di Padova un modello dettagliato del medio mare nell'area circostante la piattaforma oceanografica 'Acqua Alta' del CNR, di fronte alle Bocche di Lido, ove sarebbe stato installato un transponder. In collaborazione con l'Istituto Geografico Militare e il Politecnico di Zurigo (ETH) furono effettuate misure di deviazione della verticale e misurati dislivelli GPS tra caposaldi di livellazione in tutta la Regione, generando un primo modello di geoide di precisione. Tale modello, pubblicato nella più autorevole rivista internazionale di Geodesia, fu successivamente usato dal Politecnico di Milano per calibrare e validare un modello di geoide gravimetrico da loro elaborato su scala nazionale, e la cui evoluzione è ora disponibile tramite l'Istituto Geografico Militare.

Più precisamente l'Istituto Geografico Militare mette a disposizione dei grigliati del geoide gravimetrico calcolato dal Politecnico di Milano. Tali grigliati possono essere interpolati con il programma VERTO3, e pertanto si può correggere la misura GPS di dislivello con il dato geoidico e confrontarla con quella ottenuta mediante livellazione geometrica. Anche se il dato GPS è spesso di precisione centimetrica o subcentimetrica, il termine correttivo del geoide è di peggiore precisione. Pertanto un aspetto molto importante è l'esecuzione di misure aggiuntive di gravità e di deflessione della verticale al fine di valicare il modello di geoide e renderlo effettivamente compatibile come precisione alle misure GPS. Le stazioni GPS della rete Veneto assumono particolare importanza perchè tanto le misure di deviazione della verticale quanto quelle gravimetriche devono essere appoggiate a punti di coordinate ben determinate. A tale proposito giova ricordare che la Regione Veneto ha già da tempo provveduto all'effettuazione di misure gravimetriche e di deviazione della verticale, da parte dell'Università di Trieste. E' pertanto prevedibile che con l'istituzione di una rete geodetica GPS permanente in Veneto, tali misure potranno trovare una corretta collocazione.

Sismicità



Il Veneto è una regione strutturalmente di moderata sismicità, ma risente degli sforzi tettonici in atto in corrispondenza agli Appennini Settentrionali e le Alpi Orientali. In entrambi i casi siamo in presenza di sforzi compressivi, anche se causati da diversi tipi di cinematica. Nel caso dell'Appennino i fronti di spinta, sepolti nella porzione di Pianura Padana immediatamente a Nord delle falde dell'Appennino Romagnolo, come evidenziato da profili sismici effettuati dall'Agip, e da profili gravimetrici. Nel caso delle Alpi Orientali e Meridionali, il cuneo (indenter) Adriatico, forse una propaggine del continente Africano, esercita una pressione sulla piattaforma Eurasiatica in direzione Nord, ed è il principale responsabile della sismicità in Friuli. Tale movimento di penetrazione è svincolato lateralmente da due sistemi di faglie a scorrimento: ad Est la linea delle Dinaridi con sismicità concentrata ai confini tra l'Italia e la Slovenia, che recentemente ha prodotto di due terremoti di Bovec (Slovenia, 1999 e 2004), entrambi di magnitudo maggiore di 6; a ovest la linea delle Giudicarie, con sismicità concentrata nella zona del Lago di Garda (ricordiamo gli eventi di Gardone Valtrompia, 2005, e Merano, 2001, e la sismicità diffusa nella zona del Monte Baldo), nonchè la sismicità in Tirolo. Esiste infine l'enigmatica linea Schio Vicenza, ma che in realtà si prolunga fino e probabilmente oltre i Colli Euganei, che potrebbe teoricamente attivarsi per contribuire a svincolare gli sforzi accumulati dalla penetrazione della microplacca o promontorio Adriatico in direzione Nord. In Veneto una notevole sismicità, anche se a livello prevalentemente strumentale, è registrata nel Bellunese, nella zona del Consiglio, ed è anch'essa da considerarsi associata alla interazione compressiva tra la placca Adriatica e l'Eurasia.


Figura 2: Principali lineamenti tettonici in Veneto sismicamente attivi. Si riconoscono zone compressive (thrusts) e zone di svincolo, quali le Giudicarie e la linea Schio Vicenza, entrambe legate alla penetrazione del cuneo Adriatico nella piattaforma eurasiatica. I movimenti e le deformazioni associati sono misurabili da una rete di stazioni permanenti GPS. Tale misura è di grande aiuto nella definizione del rischio sismico di un'area.
I movimenti associati alla deformazione sono tipicamente dell'ordine dei mm/anno. L'esperienza pregressa ha dimostrato in modo convincente, ed esiste ampia letteratura al riguardo, che tali movimenti di superficie sono accuratamente misurabili in termini di variazione della distanza relativa tra stazioni permanenti GPS che abbiano acquisito dati con continuità per almento due-tre anni, e i cui dati siano stati elaborati secondo le procedure e gli standard definiti dall'IGS e dall'EUREF. L'elaborazione dei dati di tutte le stazioni disponibili, in Italia e Austria, è in corso presso l'Università di Padova, e si prevede che già dal 2008 si potrà disporre di una mappa più dettagliata delle velocità e pertanto anche delle deformazioni in superficie.

Quanto sopra dimostra in modo eloquente l'importanza che la presenza di una rete permanente GPS riveste in una zona potenzialmente sismica. Poichè le strutture geologiche associate alla sismicità, quali la citata linea delle Giudicarie e delle Dinaridi, la Schio Vicenza, la linea della Pusteria e le sue diramazioni in Friuli e Austria, sono tipicamente transregionali e transnazionali, è evidente che le reti geodetiche regionali devono agire in stretto coordinamento, in modo da favorire lo scambio dei dati e agevolare le attività di elaborazione dati.


Meteorologia



La rifrazione atmosferica è il fenomeno che causa una deviazione della traiettoria dei raggi di luce dalla linea retta, ed è responsabile, ad esempio, dell'ingrandimento delle immagini del sole e della luna quando sono ai limiti dell'orizzonte. Le proprietà rifrattive dell'aria dipendono principalmente dalla pressione, temperatura e umidità atmosferica. E' consuetudine separare la rifrazione in una componente secca e una componente umida. La componente secca dipende dalla pressione e temperatura dell'aria, mentre la componente umida dipende dall'umidità. La componente umida è all'incirca il 10% di quella secca. Il motivo di tale distinzione è di natura pratica: mentre la componente secca è ben modellabile con dati di temperatura e pressione prelevati al suolo, essendo la troposfera ben approssimabile come un gas perfetto in equilibrio idrostatico, questo non è possibile per la componente umida, perchè il vapore d'acqua non è disciolto nell'atmosfera in modo uniforme.

Nella propagazione di un segnale radio da un satellite a un ricevitore a terra, il ritardo nella propagazione indotto dalla rifrazione troposferica è di circa 2.2 metri allo zenith, di cui 0.22 metri (10%) sono grosso modo imputabili alla umidità nell'aria. Essendo il ritardo troposferico misurabile con il GPS con una precisione millimetrica, la sottrazione della componente secca -calcolata secondo un modello standard sulla base di dati di pressione e temperatura a terra, fornisce per differenza una misura della componente umida. Questa procedura è stata collaudata e validata con i dati di palloni sonda, che sono notevolmente più costosi e danno informazioni simili. Attualmente molti centri di meteorologia in Europa Centro Settentrionale acquisiscono dati di ritardo troposferico provenienti dall'elaborazione della rete EUREF, che vengono impiegati come dati e vincoli nella elaborazione di modelli evolutivi dell'atmosfera, dal 'nowcasting' al 'forecasting'.

E' certamente ipotizzabile che in futuro l'evoluzione meteorologica a livello regionale verrà stimata anche sulla base dei dati troposferici prodotti dall'elaborazione in tempo quasi reale dei dati ottenuti da una rete di stazioni permanenti GPS, che possibilmente ospitino anche sensori meteo di pressione e temperatura dell'aria.


Figura 3: Esempio di variazioni rispetto a un valore medio del ritardo, in centimetri, accumulato da un segnale GPS mentre si propaga nella troposfera sovrastante l'Europa. Tali variazioni sono direttamente legate a cambiamenti nella pressione, temperatura e umidità.

In previsione di questi importanti sviluppi, presso il Dipartimento di Geoscienze e CISAS ci siamo già attrezzati per effettuare l'elaborazione dei dati dalla rete Europea e Italiana GPS in modalità rapida, con tempi di latenza ridotti a meno di 24 ore dalla raccolta dei dati, sotto il coordinamento dell'EUREF. Naturalmente la meteorologia richiede latenze inferiori all'ora, e riteniamo di essere sulla strada giusta per superare le difficoltà tecniche di comunicazione internet e di calcolo, e effettuare nel prossimo futuro un ulteriore passo avanti, che ci porti a latenze di 15 minuti.

Per quanto sopra si ritiene che una rete di stazioni permanenti GPS in Veneto, operante in coordinamento con analoghe reti in regioni limitrofe, purchè al tempo stesso si sviluppino le tecniche di elaborazione e scambio dati che ne sono l'indispensabile complemento.


Le funzioni per l'ingegneria e la topografia



Ingegneria del Territorio



La rilevanza che una rete GPS ha oggi nella gestione del Territorio è commisurata con l'importanza della cartografia numerica. La transizione dal formato cartaceo o aster al formato vettoriale è ormai accettata. Questa transizione può perfezionarsi solo se accompagnata da strumenti di misura idonei per la rilevazione delle coordinate, che sono la base della cartografia vettoriale. Altrettanto importante è la definizione di un sistema di riferimento con basi scientifiche sufficientemente rigorose da essere valido per un numero ragionevole di anni, in quanto cambiamenti nelle coordinate attribuite a oggetti territoriali sono un fatto costoso, complicato da gestire, specie nella fase di transizione, e poco gradito agli operatori. Il sistema di riferimento Roma 40/ Gauss Boaga si è dimostrato un ottimo prodotto negli ultimi 50 anni, ma evidentemente commisurato con concetti di misura oramai sorpassati. Il sistema Cassini Soldner, estremamente valido sul piano teorico, è stato applicato in concomitanza con una proliferazione dei punti di emanazione, e il risultato è un sistema di coordinate valido al solo livello locale, e certamente inadatto per una gestione numerica del territorio.

Ecco dunque che le reti di stazioni satellitari permanenti da un lato mantengono il sistema di riferimento, dall'altra consentono di misurare rapidamente e senza perdita di precisione coordinate compatibili con tale sistema di riferimento.

Di qui la coerenza geografica dei data base territoriali a tutte le scale, e la possibilità di scambiare strati informativi tra le strutture sia centrali che periferiche in perfetta compatibilità. Questo naturalmente vale sia a livello nazionale che a livello europeo o internazionale e segue la linea già da tempo tracciata dalla cartografia per la navigazione aerea, che necessariamente abbisogna di alti livelli di uniformità.

Nel Veneto, che è tagliato a metà dal meridiano 12 gradi, e pertanto è a cavallo tra due fusi, è particolarmente sentito il problema del Fuso Unico. I programmi GIS memorizzano le coordinate in un unico sistema e la coesistenza di due fusi porta a seri problemi gestionali. Per i soli scopi di localizzazione sulla carta di oggetti territoriali è molto conveniente adottare un fuso unico, cosa che però comporta perdita di precisione e distorsioni man mano che si oltrepassa la zona di validità di +/- 3 gradi rispetto al meridiano centrale. Le deformazioni associate sono tuttavia calcolabili da personale sufficientemente addestrato. Naturalmente persiste il rischio che vengano riconosciute valide misure fatte direttamente sulla carta senza tener in debito conto i moduli di deformazione. Ancora una volta è di grande aiuto un sistema di riferimento affidabile e ben controllato, quale la rete di stazioni permanenti, per eventuali misure dirette ad esempio di aree o di distanze.

Ingegneria dei Trasporti



Una forte domanda di localizzazione e posizionamento di precisione viene dal settore dei trasporti. Per localizzazione si intende il monitoraggio da parte di un sito centrale di una o più unità mobili. E' questo il caso della gestione delle flotte ('fleet management'), ove le unità mobili inviano la loro posizione, tipicamente con messaggistica SMS, a un sito centrale, o della gestione dei containers. Per posizionamento si intende la misura diretta della propria posizione da parte del mezzo mobile, e il suo impiego per la navigazione. Questo è il caso molto comune della navigazione satellitare.
Per impieghi professionali, o nei quali diventano importanti aspetti legati alla precisione della posizione, quali ad esempio safety of life, trasporto valori, applicazioni ferroviarie o di navigazione aerea, manovre di attracco (docking), il dato di posizione non può essere basato sull'algoritmo standard, che fornisce precisioni dell'ordine dei 10 metri, ma viene richiesta una precisione submetrica, e in alcuni casi subdecimetrica, in tempo reale. Ecco dunque delinearsi un ruolo attivo per le stazioni della rete permanente GPS, in quanto in grado di trasmettere segnali correttivi sul codice (RTCM) e/o sulla fase (RTK) che riducono o rimuovono gli errori sistematici più importanti, dovuiti ad incertezze nelle orbite e nei ritardi tropo/iono-sferici, e portano l'accuratezza finale a livelli compatibili con le applicazioni professionali.

Il sistema satellitare Europeo Galileo



La Rete GPSVeneto è dunque destinata a crescere anche perchè il sistema americano di satelliti GPS sarà affiancato nei prossimi anni dall'analogo sistema Europeo intitolato a Galileo, il grande fisico e matematico toscano che nel Veneto e a Padova ha passato 'i venti migliori anni della sua vita'. L'uso integrato di GPS e Galileo, unitamente al sistema russo GLONASS, verrà fortemente incentivato dalla Comunità Europea, dall'Agenzia Spaziale Europea ESA e dall'Agenzia Spaziale Italiana ASI. Le tecnologie che sono necessarie per utilizzare al meglio i satelliti di navigazione possono rappresentare una occasione di lavoro per aziende venete che operano nel campo delle comunicazioni, della telematica e del software.