Il CISAS e il GPS

L’attività del Dipartimento di Geoscienze e CISAS in materia di reti GPS

 

1.     Attività internazionale nell’ambito EUREF e IGS

 

L’attività scientifica basata sull’utilizzo delle tecnologie satellitari per il posizionamento di precisione svolte presso l’Università di Padova è da considerarsi una delle molteplici attività sviluppate dal Prof. Giuseppe Colombo. Ben consapevole del potenziale dei segnali irradiati da satelliti artificiali per una migliore comprensione della cinematica della crosta terrestre, con implicazioni sulla sismicità e sulla comprensione del livello del medio mare, il Prof. Colombo già agli inizi degli anni 80 si è adoperato, insieme ai colleghi veneziani prof. Gianpietro Puppi e prof. Luciano Guerriero, per l’istituzione della stazione di geodesia spaziale di Matera, e per stimolare nei ricercatori italiani un interesse attivo di ricerca in questo settore. Con l’istituzione del Centro Interdipartimentale di Studi e Attività Spaziali (CISAS), intitolato al prof. Colombo, il settore del telerilevamento e della geodesia spaziale è stato fin dagli inizi una delle attività principali. Attività concretizzatasi con la realizzazione e l’attivazione, nel 1994, della stazione permanente GPS, su iniziativa del prof. Alessandro Caporali, membro del CISAS e docente al Dipartimento di Geoscienze. Successivamente, su iniziativa dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), e con l’avvallo del dott.  Roberto Frassetto dell’ISDGM-CNR di Venezia, fu installata un’ulteriore stazione permanente GPS presso Palazzo Papadopoli in Venezia, già sede dell’ISDGM-CNR, rimasta in attività fino ai primi mesi del 2007. Queste due stazioni sono state le prime ad operare in Veneto, e seconde in Italia solo alla citata stazione GPS di Matera. Le stazioni di Padova e Venezia sono inoltre state inserite nella rete dell’International GPS Service (IGS: http://igscb.jpl.nasa.gov) gestita dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, presso il California Institute of Technology (CALTECH) di Pasadena, California e come tali sono impiegate per la definizione del sistema di riferimento terrestre ITRF, per il monitoraggio della rotazione terrestre, e per il calcolo delle effemeridi precise dei satelliti GPS.

Dal punto di vista della rete geodetica europea, le stazioni GPS di Padova e Venezia sono state inoltre inserite nella rete EUREF (European Reference Frame, http://www.epncb.oma.be/). EUREF è un’associazione informale tra Università e Istituti Geografici Nazionali europei che opera come sottocommissione della International Association of Geodesy con l’obiettivo di realizzare una rete geodetica di riferimento in Europa, includendo la Turchia, il Medio Oriente e l’Africa Settentrionale, i Paesi dell’Europa dell’Est (alcuni dei quali nel frattempo diventati membri effettivi della UE) e la Russia, in modo consistente con le direttive dell’IGS (International GPS Service) e dell’ITRF (International Terrestrial Reference Frame) (Figura 1). Nel 1999 il prof. Caporali è stato nominato membro effettivo del Technical Working Group dell’EUREF, su indicazione dell’ASI e IGM. Presso il Dipartimento di Geoscienze ha iniziato l’attività il Local Analysis Center ‘UPA’ dell’EUREF, con il compito di elaborare settimanalmente una sottorete di circa 25 stazioni (Figura 2). Lavorando in coordinamento con altri 15 Local Analysis Centers, la rete di circa 200 stazioni permanenti GPS europea è compensata settimanalmente e viene realizzato l’allineamento all’ITRF, mediante combinazione dei risultati parziali ottenuti dai 16 LAC: ad ognuno di essi infatti è attribuita una sottorete da analizzare settimanalmente. Ciascuna sottorete è a parziale sovrapposizione con le altre, cosí che ogni stazione GPS viene analizzata da almeno 4 LAC. I risultati parziali vengono raccolti settimanalmente dal Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG, Ufficio Federale di Cartografia e Geodesia) tedesco che effettua la combinazione delle 16 sottoreti e verifica scarti e ripetibilità. Normalmente i risultati dei vari LAC mediati nell’arco di una settimana differiscono per meno di 1 mm.

 

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Figura 1 - Distribuzione delle stazioni permanenti GPS che partecipano alla rete europea EUREF. In Veneto sono presenti due stazioni, a Padova e Venezia.


 

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 Figura 2 - Sottorete di stazioni permanenti GPS elaborate settimanalmente dal Centro di analisi EUREF presso l’Università di Padova. Nell’inserto in alto a sinistra sono mostrati i 16 Centri Locali di Analisi (LAC) attivi nell’EUREF. In Italia essi sono Matera e Padova.

 

2.    Il progetto CERGOP 2 per le reti geodetiche in Centro Europa (5° Programma Quadro)

 

Sempre in ambito europeo, il Dipartimento di Geoscienze ha partecipato attivamente a diversi progetti. Tra questi di particolare rilievo è il progetto CERGOP 2, finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del 5° Programma Quadro, coordinato dal dott. Peter Pesec dell’Accademia delle Scienze Austriaca. Scopo del progetto, conclusosi nel 2007 e che riunisce 13 partecipanti da 12 diverse nazioni, era la definizione delle coordinate di una rete geodetica di precisione costituita da stazioni GPS in Centro Europa (Figura 3).

 

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Figura 3 - Distribuzione delle stazioni GPS che hanno partecipato al progetto CERGOP 2 finanziato dall’Unione Europea nel 5° Programma Quadro, per la definizione di una rete geodetica comune in Centro Europa. In Veneto sono state coinvolte le stazioni GPS di Padova, Rovigo e Asiago, gestite dall’Università di Padova.

 

Dall’analisi delle serie storiche delle coordinate, e delle loro variazioni nel tempo, si è cosí potuta determinare per la prima volta un’accurata mappa delle deformazioni tettoniche in centro Europa, che certamente svolgono un ruolo importante nella generazione di fenomeni sismici e sono a questi fortemente correlate.

 

3.    Attività in ambito nazionale per il Dipartimento della Protezione Civile e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

 

Nel 2007 è stato completato un altro importante progetto a carattere nazionale, nel quale il Dipartimento di Geoscienze rivestiva il ruolo di capofila, per la parte relativa alle reti GPS . Il progetto S2 denominato “Valutazione del potenziale sismogenetico e probabilità di forti terremoti in Italia” (http://www.ingv.it/progettiSV/Progetti/Sismologici/sismologici.htm), finanziato dal Dipartimento della Protezione Civile e gestito dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Le reti geodetiche di stazioni permanenti GPS in questo caso vengono utilizzate non tanto a scopo cartografico, bensí per monitorare la deformazione della crosta terrestre mediante la variazione delle coordinate di stazioni GPS in superficie. Le deformazioni su scala regionale definiscono delle zone compressive, distensive o di deformazione di taglio (shear) che normalmente ben si accordano con la geometria delle faglie attive, cosí come descritto dai meccanismi focali dei terremoti più recenti. Ad esempio il Nord-Est Italia, e in particolare il Friuli, è sottoposto a una compressione in direzione Sud-Nord dovuto alla spinta della microplacca Adriatica verso Nord. Questo movimento, di circa 2 mm/anno, è chiaramente visibile nella variazione di posizione delle stazioni GPS situate nell’area italo-austriaca. Questo movimento è accompagnato da deformazioni di taglio sinistre e destre lungo la linea delle Giudicarie e le Dinaridi, (Figura 4). Naturalmente la distribuzione di stazioni GPS permanenti attive da un numero di anni sufficientemente elevato da consentire un’affidabile determinazione della velocità di spostamento è limitata, ma il numero di stazioni recentemente entrate in funzione è tale da ritenere che nel giro di due-tre anni sarà possibile monitorare direttamente l’accumulo di deformazioni nelle aree sismogenetiche, una possibilità che nessuna altra tecnologia di misura è oggi in grado di offrire su scale regionali. In questo senso, l’apporto delle reti regionali di stazioni permanenti GPS va considerato anche sotto il punto di vista del monitoraggio di deformazioni del suolo. In Veneto sono di particolare interesse anche le deformazioni verticali, che con una rete GPS abbastanza fitta potrebbero essere monitorate in modo efficiente, accurato ed economico.

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Figura 4 - In alto: velocità di stazioni permanenti GPS in Nord Italia, Austria e Svizzera, calcolate rispetto al Continente Eurasiatico. Il movimento verso nord tende a decrescere con l’aumentare della latitudine, e questo è indicativo di una spinta Sud-Nord che si scarica in particolare nelle Alpi orientali, che infatti sono particolarmente sismiche. In basso: direzioni principali di deformazione calcolate dai dati GPS: la compressione è in rosso e la distensione è in blu. Sono inoltre riportate le sfere focali dei terremoti di Magnitudo (Richter) > 5.5 dal 1976 a oggi, e, in giallo, i contorni delle aree sismogenetiche identificate dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia sulla base di dati geologici.


 

4.    Reti regionali in tempo reale e progetto europeo GALILEA (6°  Programma Quadro)

 

Nell’ambito del 6. Programma Quadro, l’Unione Europea, tramite il Galileo Joint Undertaking, ha finanziato partenariati tra Università e PMI (Piccole Medie Imprese) affinchè venisse studiata la modalità di miglioramento del segnale irradiato dai satelliti Galileo ad opera di reti locali di stazioni permanenti. Il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova, ha partecipato tramite il CISAS al progetto, coordinato dalla Space Engineering Spa di Roma, insieme all’Ufficio Federale Tedesco di Cartografia e Geodesia (BKG) di Francoforte, l’ azienda tedesca Navpos GmbH di Lindau, e il Politecnico di Budapest. Sono state in particolare studiate le informazioni che le stazioni della rete regionale devono calcolare e trasmettere in tempo reale all’utente con il duplice obiettivo di:

a)    verificare l’affidabilità del segnale che l’utente sta per impiegare per calcolare la propria posizione;

b)    fornire all’utente dei dati correttivi riguardanti le orbite dei satelliti, la deriva degli oscillatori di bordo, il ritardo tropo-ionosferico al fine di ottenere qualità dei dati più accurati di quelli ottenibili direttamente dai satelliti, e tali da permettere una più accurata determinazione della posizione.

Lo studio ha previsto la messa a punto degli algoritmi, le modalità di trasmissione dei dati correttivi via Internet, e l’applicazione di questo approccio alla navigazione aerea, che è particolarmente interessata a disporre di segnali di navigazione della massima affidabilità. Il Politecnico di Budapest ha reso disponibile la rete regionale ungherese di stazioni permanenti GPS per una valutazione della metodologia sviluppata e dei vantaggi direttamente fruibili dall’utente (Figura 5).

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Figura 5 - A sinistra un esempio della entità del disturbo, espresso in metri, prodotto alla ionosfera nella propagazione di un segnale di navigazione da un satellite all’utente. A destra la planimetria delle rete regionale di stazioni GPS messe a disposizione dal Politecnico di Budapest (Ungheria) per effettuare il calcolo del disturbo. L’informazione sul ritardo ionosferico è uno dei fattori più importanti per il funzionamento di reti in tempo reale e per consentire all’utente di posizionarsi con precisione submetrica.

 

 

 

5.    Attività di sviluppo industriale di reti miniaturizzate

 

Le reti geodetiche GPS non devono necessariamente essere su larga scala. Reti confinate in un’area ridotta possono essere utili in alcune applicazioni, e portare a realizzazioni più direttamente fruibili sul piano commerciale, ove diventino fattori rilevanti il costo (sia in conto esercizio che in conto capitale), la velocità di produzione del dato e la semplicità d’uso da parte dell’operatore.

Sono stati sviluppati, nell’ambito di contratti industriali, tre diversi tipi di sensore. Caratteristiche comuni sono l’impiego di sensori a singola frequenza, di costo e consumo limitato e fruibili per separazioni al più di qualche km, e la tecnica interferometrica in tempo reale basata su algoritmi proprietari sviluppati dall’Università di Padova. Le tre tipologie di sensore sono:

·         Sensore di azimuth per applicazioni alla navigazione marina, in collaborazione con la Società GEM Elettronica S.p.A. di San Benedetto del Tronto. In questo caso la rete è costituita da tre antenne allineate a distanza prefissata di 20 e 100 cm, fissate su un’asta rigida. Vengono calcolati in tempo reale l’azimuth e l’elevazione dell’asta con una procedura a bootstrap: dapprima si ottiene una stima grezza (entro ± 1 grado) usando le antenne a 20 cm; poi si ottiene una stima più raffinata usando i dati dalle antenne a 100 cm. In tal caso la risoluzione angolare diventa ± 0.2 gradi r.m.s. (scarto quadratico medio) Tali sistemi vengono correntemente impiegati in imbarcazioni, specie quelle a notevole dinamica, con particolare vantaggio sui sistemi tradizionali basati su girobussole. Il vantaggio è nei tempi di inizializzazione estremamente rapidi (qualche secondo contro tempi dell’ordine dell’ora), l’insensibilità a sollecitazioni termomeccaniche o magnetiche, i costi notevolmente inferiori e la perfetta integrazione del sensore di direzione con il sensore standard GPS di posizione.

·         Dispositivo di taratura dell’encoder di azimuth di antenne mobili per telecomunicazioni via satellite. Si tratta di una collaborazione con Catania Ricerche e la PMI Antech Spa di Catania. Il sistema realizzato consente di puntare antenne di TLC su un satellite da parte di un mezzo mobile in posizione sconosciuta (ad es. Protezione Civile, Vigili del Fuoco, postazioni TV mobili…). Il sistema prevede un software per la connessione in rete e lo scarico dal sito del NORAD delle effemeridi del satellite selezionato nel formato standard TLE (Two Line Elements), propagazione dell’orbita all’istante di misura, calcolo degli angoli di puntamento impiegando le coordinate GPS dell’antenna, procedura statica di orientamento a nord dell’antenna, (con un algoritmo simile a quello usato per il sensore di assetto), e comunicazione agli attuatori degli incrementi angolari per il puntamento dell’antenna nella direzione del satellite prescelto.

·         Sensore delle deformazioni (Figura 8). Il sensore è stato realizzato in collaborazione con la ditta SEPA S.p.A. di Torino. Trattasi di una struttura modulare formata di ricevitori autosufficienti sia per quanto concerne l’alimentazione (pannelli solari) che le comunicazioni (radio modem). I segnali ricevuti da ciascun sensore vengono inviati ad una unità centrale di elaborazione che in tempo reale calcola la posizione relativa delle antenne, che normalmente si trovano a distanza dell’ordine delle centinaia di metri o del chilometro. Le uscite prevedono un monitoraggio in tempo reale sia delle posizioni istantanee dei sensori, sia delle medie giornaliere o plurigiornaliere che evidenziano con la massima precisione l’evoluzione della deformazione in atto. Questo sensore, scalabile in blocchi di quattro elementi (moduli) fino a un totale di 24 antenne, è stato collaudato con successo nel monitoraggio di deformazioni di ponti e viadotti, e di fronti di frana.

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Figura 6 - Sensore di assetto per applicazioni in alta dinamica. Vengono utilizzati tre ricevitori e due linee di base: la più corta per una prima stima dell’angolo, la più lunga per la stima finale. Immagine grande: idealizzazione artistica, come da progetto risultato tra i primi dieci dello StartCup 2004 (Dalla Torre A., Caporali G. e Redi A.). Foto piccola: prototipo in navigazione sul motoscafo Litus del CNR nel Canal Grande - Venezia.

 

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Figura 7 - Sensore di puntamento di antenne mobili per TLC, montato piggyback su un’antenna ANTECH SpA di Catania per la Protezione Civile, in posizione di lavoro (in alto) e inattiva (in basso). Mediante una speciale procedura si collega con il sito del NORAD per lo scarico degli elementi orbitali del satellite TLC da acquisire, combina le effemeridi con le coordinate del sito e un modello orbitale per determinare gli angoli di puntamento del satellite, attiva la procedura di misura dell’assetto dell’antenna e fornisce ai servosistemi gli incrementi angolari per consentire agli attuatori di puntare l’antenna nella direzione del satellite TLC.

 

 

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Figura 8 - Viadotto di Casalborgone (Torino) equipaggiato con una rete di sensori monofrequenza GPS realizzata in collaborazione con la SEPA Spa di Torino. I sensori sono autonomi quanto ad alimentazione e comunicazioni. L’invio dei dati a una unità centrale di elaborazione consente, in tempo reale, il monitoraggio delle deformazioni, con una frequenza fino a 10 Hz.

 

 

6.    La Rete Dinamica Nazionale dell’Istituto Geografico Militare

 

L’Istituto Geografico Militare Italiano ha promosso una importante iniziativa consistente nella misura simultanea di 100 stazioni GPS permanenti nelle 4 settimane comprendenti il 1. Gennaio 2008, al fine di definiere una realizzazione a livello nazionale del sistema di riferimento ETRS89. Il Cisas ha fornito supporto all’IGMI in termini di consulenza in materia di sistemi di riferimento e, più specificatamente, nelle tecniche di elaborazione dei dati GPS con il Software Bernese. Il CISAS inoltre, unitamente al Politecnico di Milano, ha calcolato una soluzione di rete delle coordinate delle stazioni rilevate, ed elaborato una strategia di allineamento delle rete nazionale nella rete Europea, mediante una procedura che minimizza la sommatoria degli scarti quadratici medi delle coordinate di stazioni comuni alla rete nazionale e alla rete europea (Figura 9). La tabella delle coordinate risultanti per le stazioni italiane verrà sottoposta al Technical Working Group dell’EUREF in vista dell’approvazione definitiva, prevista nel Giugno 2009 in occasione del Convegno Annuale dell’EUREF che si terrà a Firenze.

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Figura 9 La Rete Dinamica Nazionale dell'IGM nel contesto delle stazioni dell'European Permanent Network

 

7.    Attività di formazione

 

L’acquisizione di esperienze concrete nell’ambito della ricerca pura ed applicata ha naturalmente avuto un effetto sull’attività formativa, specie a livello dottorale e postdottorale presso l’Università di Padova. In particolare, nell’ambito del Dottorato di Ricerca in Scienze e Tecnologie Spaziali, sono stati istituiti corsi specifici sulla tecnologia GPS, e sono state assegnate diverse tesi di laurea per l’approfondimento di temi specifici. L’applicazione di tecniche a larga banda, quale il segnale GPS, per scopi ambientali e di prevenzione rientra nei temi prioritari identificati nella Legge 170, e ogni anno vengono ottenuti 1-2 posti di dottorato.