Il GNSS per il monitoraggio degli spostamenti

Le tecnologie e gli approcci utilizzati possono essere diversi. Pro e contro di ogni tecnica si misurano in funzione delle precisioni raggiungibili, della facilità di installazione e manutenzione, della durabilità nel tempo, dei costi di gestione, della possibilità di gestire in maniera semplice ed eventualmente remota la tecnologia.

Diverse sono le tecniche utilizzate: dalla sensoristica in situ, all’utilizzo di strumenti di misura topografica (es: Stazione Totale), dalle misure satellitari, a tecniche di interferometria.

L’uso del GNSS in questo settore è noto da tempo. Solo, però, negli ultimi anni, si sta imponendo come tecnica applicabile e usabile, con l’avvento di device a basso costo che offrono, comunque, alte prestazioni e strumenti SW di post processing più elaborati e adatti a questo tipo di applicazione.

Il principio di funzionamento

Il monitoraggio di spostamenti (anche lenti) mediante ricevitori GNSS si basa sul calcolo di soluzioni giornaliere e sulla stima di trend di spostamento nel corso delle settimane e dei mesi. Ciò significa che ogni ricevitore deve registrare i dati grezzi ad un rate da definire (tipicamente 30 secondi) ed inviare gli stessi ad un centro di calcolo nel quale, per ogni antenna, viene calcolata una terna di coordinate per ogni giorno.

Tale intervallo è spesso configurabile, per cui è possibile calcolare delle nuove terne di coordinate ad intervalli orari diversi, di 3, 6 o 12 ore. È evidente che una soluzione giornaliera sia più robusta ed affidabile, poiché processa 24 ore di dati.

Ogni device deve essere monumentato ed installato stabilmente, in maniera solidale con l’oggetto da monitorare. In particolare, ad esempio, nel caso di una infrastruttura, un ponte, una diga, occorre ancorare stabilmente l’antenna GNSS alle porzioni di struttura da controllare. Nel caso di una frana, occorre monumentare su di un supporto che sia solidale con la roccia o il substrato che si vuole tenere sotto controllo.

Una stazione

Una stazione GNSS per il monitoraggio di spostamenti, considerando il fatto che deve funzionare H24, in totale autonomia, per lunghi periodi di tempo, anche numerosi anni, deve avere tutte le caratteristiche per poter operare in continuità, autonomia ed affidabilità.

Le componenti principali sono:

• l’antenna GNSS e il ricevitore: queste sono le componenti mass market che si sono affermate negli ultimi anni. Si tratta, in genere, di ricevitori e antenne multicostellazione e multifrequenza, che consentono di registrare a bordo i dati grezzi;

• il sistema di alimentazione: composto da un pannello solare e una batteria tampone opportunamente dimensionati in funzione del livello di autonomia richiesto, dell’esposizione e del livello di insolazione. L’alimentazione è necessaria, prioritariamente, per il funzionamento del ricevitore. Infatti, se anche in alcuni momenti la trasmissione dati non avvenisse in tempo reale o alla cadenza definita (es: giornaliera), è comunque importante che il ricevitore continui a funzionare e sia attivo per registrare i dati a bordo;

• il sistema di trasmissione dati: costituito da un modem o un sistema di trasmissione radio punto a punto. Qui le tecnologie possono essere diverse e customizzabili in funzione del tipo di area. In generale, comunque, resta la necessità di trasferire una certa quantità di dati (alcuni Mb/giorno a stazione) ad un centro di controllo remoto su cui, poi, viene effettuato il calcolo. Tale trasferimento non deve per forza avvenire in tempo reale ma, in ogni caso, con una certa periodicità durante il giorno.

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L’elaborazione dei dati

Come anticipato, l’elaborazione deve portare ad ottenere, per ogni singola stazione, una terna di coordinate per ogni intervallo prefissato.

Le precisioni di interesse, per questo tipo di applicazioni che, generalmente, devono misurare spostamenti dell’ordine di mm/anno, sono evidentemente molto spinte e prevedono un post-processing molto sofisticato con l’utilizzo di modelli di errore, il più possibile precisi.

Inoltre, l’elaborazione prevede un approccio “differenziale” con una compensazione di rete. In tal senso, quindi, è necessario che, nella rete progettata, vi sia almeno una stazione, da considerarsi come master, che sia collocata su di un punto di coordinate note (eventualmente calcolate in fase di installazione con almeno 24 ore di dati) e, soprattutto, su di un punto che sia considerato stabile nel tempo.

I dati di ogni ricevitore, oggetto di monitoraggio, verranno elaborati differenziando le osservabili rispetto a quelle della stazione master, in modo da ridurre, al minimo, gli effetti di disturbo che affliggono il segnale GNSS e che hanno un impatto sulla precisione del posizionamento. Vengono, in questo modo, calcolate le componenti delle linee di base tra ogni device e la stazione master. Sommando tali componenti alle coordinate della stazione master, vengono determinate, appunto, le coordinate finali dei device.

In genere, come detto, l’elaborazione non avviene in loco ma su di un server remoto su cui sia installato il software per il calcolo di rete. I dati grezzi, in formato proprietario, vengono inviati, con una cadenza da definire, al medesimo server centrale.

Sul server stesso, viene effettuata l’elaborazione di rete. Vengono, generalmente, utilizzate effemeridi fornite dall’IGS, modelli delle antenne specifiche, modelli atmosferici ad-hoc.

I risultati provenienti da ogni singola stazione vengono integrati mediante una compensazione di rete.

I risultati ottenibili

I risultati principali sono le serie storiche di coordinate per ogni stazione.

Come rappresentato in figura 2, le serie storiche in E, N e H, pur avendo una certa rumorosità, consentono di identificare una linea di regressione che sia indicativa del trend. Come si vede, le velocità stimabili sono dell’ordine di mm/y, con delle variabilità dell’ordine di qualche millimetro.