I Sistemi di riferimento in un rilievo GNSS

Introduzione ai sistemi di riferimento

Il posizionamento GNSS si basa sulla ricezione di segnali elettromagnetici emessi da satelliti di cui sono note le coordinate, istante per istante.

Geometricamente parlando il principio di posizionamento può essere schematizzato come una sorta di intersezione in avanti a partire da punti di coordinate note.

Allo stesso modo di uno schema geometrico di questo tipo, il sistema di riferimento con cui si determinano le coordinate risultanti dal Rover dipende, in linea di principio, dal Sistema di riferimento nel quale sono note le coordinate dei satelliti.

Che cos’è un Sistema di Riferimento?

Prima di addentrarci nell’ambito del positioning GNSS, è importante fare un breve focus su che cos’è un Sistema di riferimento.

Un Sistema di riferimento è un insieme di regole che ci consentono di risalire alla posizione di un punto nello spazio. 

L’esigenza alla quale risponde è quella di localizzare metricamente un punto in maniera univoca sul territorio, ovvero, di riuscire ad identificare in maniera unica quel punto sulla superficie terrestre indicando misure di distanza rispetto a dei punti di riferimento.

Poiché si tratta di rappresentare la superficie terrestre, un Sistema di riferimento, ha la necessità di riferirsi ad una forma geometrica che bene approssimi proprio tale superficie.

In genere a tale scopo si utilizzano ellissoidi, che possano essere globali o locali a seconda che si adattino alla superficie dell’intero globo o di una particolare area (ad esempio il continente europeo). Si precisa poi il datum come l’insieme di parametri che definiscono la forma dell’ellissoide, la posizione dello spazio e l’orientamento.

Una volta definiti tali parametri c’è bisogno di realizzare tale Sistema di riferimento mediante una materializzazione sul terreno. Ciò avviene infatti definendo, sul terreno, alcuni punti di coordinate note a cui “appoggiare” le proprie misure. La diffusione della tecnologia GNSS consente di materializzare i sistemi di riferimento proprio attraverso reti di stazioni fisse sul territorio, di cui siano disponibili i dati e di cui siano note le coordinate in uno, o più, Sistemi di riferimento. Così avviene per esempio per il sistema ufficiale nazionale, ETRF2000 – 2008.0 la cui realizzazione sul terreno è rappresentata dalla Rete Dinamica Nazionale (RDN). Costituita dall’insieme di circa 100 stazioni GNSS di cui sono note le coordinate nel sistema suddetto.

Il sistema di riferimento nel posizionamento GNSS

Nel caso di un posizionamento con un ricevitore GNSS, il Sistema di Riferimento nel quale si ottengono le coordinate, dipende dalla stazione o dalle stazioni a cui ci si appoggia per effettuare il posizionamento stesso. Esattamente come accade per altri metodi di misura, come potrebbe essere una livellazione geometrica o una poligonale con stazione totale.

Si possono distinguere 3 casi, da questo punto di vista.

Sistema di Riferimento per un posizionamento stand-alone

Se si effettua un posizionamento stand alone, senza “aiuti” esterni, il Sistema di Riferimento è quello in cui sono disponibili le coordinate dei satelliti. Esse sono espresse in un Sistema di Riferimento internazionale. Nello specifico attualmente si utilizza il sistema ITRF14 (International Terrestrial Reference Frame) ed in particolare una sua realizzazione denominata IGS14 che è ad esso allineato. Tale sistema è attivo dal 29 Gennaio 2017 ed è materializzato da una rete di 252 stazioni sparse su tutto il globo. Si tratta di un sistema leggermente diverso da quello che viene comunemente indicato per il posizionamento GNSS che è invece il WGS84. La differenza tra ITRF14 e WGS84 può essere considerata mediamente dell’ordine del centimetro. Per la gran parte delle applicazioni non è quindi significativo distinguere tra i due. Qualora si debba spingersi a precisioni sotto al centimetro invece bisogna porsi la questione e trattare correttamente i sistemi, ad esempio confrontando tra loro misure che siano espresse nel medesimo sistema.

Sistema di Riferimento per un posizionamento NRTK

Il posizionamento NRTK prevede che il Rover si “appoggi” ad una rete di stazioni permanenti che, non a caso, viene definita come servizio di posizionamento. Il termine servizio sta proprio ad indicare che una rete di stazioni permanenti eroga una serie di facilities che non si limitano alla fornitura di correzioni per il posizionamento di precisione in tempo reale, ma, ad esempio, garantiscano sul Sistema di Riferimento, di cui sono una materializzazione.

Le stazioni permanenti appartenenti ad ogni servizio di rete vengono inquadrate in un Sistema di Riferimento. Ciò significa che le coordinate delle stesse vengono calcolate e controllate periodicamente in modo che se ne possano valutare eventuali variazioni, genericamente nell’ordine di pochi millimetri. Tale ricalcolo consegna una terna di coordinate per ogni stazione che viene inserite come dato di input del servizio di generazione delle correzioni differenziali. Così facendo, quando con un Rover si effettua un posizionamento NRTK in appoggio ad una rete di stazioni permanenti, le coordinate risultanti saranno espresse nel Sistema di Riferimento in cui è inquadrata la rete stessa. Da un lato, quindi, occorre conoscere quali sia il Sistema di Riferimento che ogni servizio materializza. Dall’altro, invece, utilizzare un servizio di questo tipo offre la garanzia che il Sistema di Riferimento sia controllato nel tempo. Se si effettuano rilievi in tempi diversi, appoggiandosi al medesimo servizio di rete, si ha garanzia del fatto che da un punto di vista del Sistema di Riferimento il confronto sarà coerente.

Sistema di Riferimento per un posizionamento base-rover in post processing

Anche in questo caso il Sistema di Riferimento è definito dalle coordinate che si attribuiscono alla Base.

Si tenga presente infatti che un posizionamento Base-Rover, elaborando in post processamento i dati grezzi, fornisce come risultato le componenti della baseline tra i due ricevitori a terra. Le coordinate incognite del Rover vengono quindi calcolate sommando algebricamente tali componenti alle coordinate della Base stessa, che invece sono imposte a priori. Se, ad esempio, alla Base si attribuiscono coordinate espresse in Roma40, anche il Rover avrà coordinate risultanti in Roma40.

A rigore, soprattutto se si effettuano rilievi a scopo di monitoraggio o comunque con precisioni attese molto spinte, è preferibile effettuare l’elaborazione Base-Rover in maniera “consistente” rispetto al Sistema di Riferimento. Cioè indicando le coordinate della base nello stesso SR in cui sono espresse le coordinate dei satelliti. In questo modo tutto sarà coerente, si otterranno le coordinate del Rover nel medesimo sistema. Dopodiché, solo al termine del processing, si potrà convertire tali valori in altri Sistemi di Riferimento, se necessario.

La quota

Da un punto di vista della quota ogni rilievo GNSS viene riferito all’ellissoide. Ciò significa intanto che la quota derivata da un rilievo GNSS non è una quota ortometrica, bensì ellissoidica. In altre parole non rappresenta la quota slm. La quota ortometrica è invece quella quota misurata rispetto al Geoide, figura che più si avvicina al campo gravitazionale terrestre e per la quale il livello del medio mare rappresenta, appunto, lo zero di riferimento. La relazione tra quota ortometrica e quota ellissoidica viene espressa in termini di “ondulazione del geoide”, generalmente indicato con N, cioè una misura dello scostamente tra le due superfici espressa su una griglia a maglia regolare. Ci sono diversi modelli di geoide, più o meno accurati e più o meno vicini alla reale forma della superficie terrestre. Per trasformare la quota ellissoidica in quota ortometrica occorre quindi applicare tali parametri, che di fatto “spostano” il valore della quota riportandolo al riferimento della superficie terrestre. Il set di parametri più accurato è quello contenuto all’interno dei grigliati di trasformazione che vengono forniti da IGM. Ve ne sono di altri, ad esempio inseriti all’interno dei software di gestione del rilievo, o ad esempio all’interno di software GIS. È importante sapere però che tali parametri effettuano la trasformazione a meno di alcune decine di centimetri.

Le proiezioni cartografiche

Tutto quanto detto si riferisce ai Sistemi di Riferimento, alla necessità di trattarli in maniera consapevole. Nulla si è detto invece riguardo alle proiezioni cartografiche, che sono un modo per rappresentare in maniera differente, metrica o geografica la stessa posizione. La proiezione cartografica, a parità di un Sistema di Riferimento, definisce se esprimere le coordinate del punto in metri  (E, N, h) o in gradi (Lat, Long, h). Nel primo caso si tratta di coordinate proiettate sul piano, nel secondo caso di coordinate ellissoidiche.

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