Come mitigare gli effetti di disturbo locale in un rilievo GNSS

Che cos’è il multiecho?

Le osservabili GNSS sono, per definizione, la grandezza osservata dal ricevitore, a partire dal segnale elettromagnetico che viene catturato dall’antenna. Tale segnale, come noto, è affetto da numerosi disturbi, con caratteristiche diverse in ragione della correlazione nello spazio e nel tempo. 

Vi sono disturbi che sono considerati costanti anche con ricevitori in posizione diversa, ve ne sono altri che possono essere considerati costanti nel tempo. 

In generale gli effetti di questo tipo, o che, pur variando nello spazio e nel tempo, hanno un comportamento noto, possono essere modellati o eliminati durante il processing. 

Lo stesso non si può dire degli effetti di disturbo locale, che invece, per loro natura, sono molto dipendenti dal luogo e dal momento. Sono difficilmente modellabili, poiché possono comparire e scomparire in maniera apparentemente random. Questo rende particolarmente difficile mitigarne gli effetti nocivi.

Il multipath

Il multipath è un tipico effetto di disturbo locale, nello spazio e nel tempo, e come tale piuttosto complicato da individuare e mitigare.
Si tratta infatti di un effetto dovuto al fatto che il segnale elettromagnetico, nel suo tragitto lineare tra satellite e ricevitore, possa incontrare ostacoli che ne deviano il percorso, senza però impedirlo completamente.
Ostacoli come pareti, chiome di alberi, perfino il terreno, possono rappresentare una fonte di multipath poiché possono riflettere il segnale, che poi prosegue nel suo percorso fino ad arrivare all’antenna. In questo modo, quindi, il tragitto che compie il segnale stesso non è il più breve possibile tra satellite e ricevitore, ma diventa un percorso attraverso una linea spezzata.
Come rappresentato in figura 1, diverse possono essere le geometrie che ne derivano, ma in ogni caso si introduce un effetto di disturbo.

L’effetto atmosferico

Il disturbo indotto dall’atmosfera si compone di due effetti. Il primo proveniente dalla troposfera e il secondo dalla ionosfera. Si tratta di due componenti di atmosfera con caratteristiche diverse, ma senza entrare nel dettaglio, ciò che qui è interessante sottolineare è principalmente il carattere sistematico e modellabile di tali effetti. Mentre, infatti, l’effetto troposferico è correlato nello spazio e nel tempo in modo piuttosto prevedibile, non è sempre così per l’effetto ionosferico. Se l’effetto troposferico infatti è indicativamente prevedibile e quindi interpretabile con dei modelli globali, che generalmente sono immessi di default nei calcoli per effettuare il posizionamento (sia esso in PP in RTK), per l’effetto ionosferico esistono modelli, globali e locali, che mitigano in parte l’effetto ma non lo esauriscono del tutto. 

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La componente ionosferica dipende dal luogo in cui ci si trova (nelle aree equatoriali ad es è più marcata), dipende dalla stagione, dipende anche da una periodicità giornaliera. Non può essere considerato un effetto di disturbo locale come ad esempio il multipath descritto prima, ma ha certamente una forte variabilità. Non è detto infatti che l’effetto ionosferico che agisce sul ricevitore rover sia lo stesso che agisce sulla base, se essi sono piuttosto distanti (da alcuni kilometri in su). Per tale motivo si utilizzano altri approcci, generalmente basati sul fatto di avere dei ricevitori a doppia frequenza. In questo caso infatti, poiché l’effetto ionosferico agisce in maniera diversa a seconda della frequenza del segnale, tracciando ad esempio la L1 e la L2 il ricevitore è in grado di “identificare” e “separare” l’effetto di disturbo dovuto alla ionosfera dall’osservabile e procedere quindi al positioning in maniera più sicura.

Si tratta di una maschera che filtra i segnali provenienti da basse elevazioni sull’orizzonte locale.
Il principio generale su cui si basa l’utilità del cutoff è sinteticamente il fatto che segnali provenienti da basse elevazioni sono generalmente più soggetti ai disturbi locali. Per quanto riguarda il disturbo atmosferico, un segnale basso sull’orizzonte attraversa una porzione di atmosfera più ampia e quindi è maggiormente affetto dall’effetto di disturbo relativo. Per quanto riguarda invece l’effetto di multipath, proprio per una questione geometrica, un segnale proveniente da una direzione quasi parallela all’orizzonte locale, è maggiormente a rischio di incontrare superfici riflettenti che generino multipath. Si pensi, al contrario, ad un segnale che arrivi direttamente dallo zenith. In quel caso la probabilità di incontrare una superficie riflettente che faccia giungere il segnale comunque all’antenna a terra è pressoché ridotta a 0.

Strumenti di mitigazione: filtro sull’SNR

Il rapporto segnale rumore, indicato con l’acronimo SNR (Signal Noise Ratio) è un dato contenuto nel file di osservabili, associato ad ogni segnale ricevuto. Significa che per ogni satellite, per ogni epoca e per ogni frequenza, si trova associato un SNR. Tale valore è indicativo della potenza del segnale in rapporto al rumore che lo caratterizza.

In altre parole ci dice quanto il segnale arrivi “pulito” e chiaro o invece molto disturbato. È evidente quindi che si tratta di un parametro che in qualche modo può essere utilizzato per filtrare gli effetti di disturbo, nella misura in cui filtra le osservabili disturbate. Non agisce quindi cercando di mitigare ogni singolo effetto all’origine, ma si occupa di filtrare le osservabili individuando gli effetti dei disturbi.

Non sono soltanto gli effetti di disturbo locale ad avere un impatto sull’SNR, ma generalmente questi ultimi hanno il ruolo più importante. Valori di SNR intorno a 40 dBHz o più sono da considerarsi molto buoni, mentre valori inferiori ai 30 dBHz sono generalmente indicativi di osservabili molto sporche.

In mezzo stanno valori che si possono valutare, in funzione delle condizioni e del caso specifico (fig.2).

Fig. 2 – Andamento dei valori di SNR su tutti i satelliti tracciati da un ricevitore mass market

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Strumenti di mitigazione: filtro sul multipath

Il multipath è, come descritto un singolo effetto di disturbo locale, molto complesso da individuare e da prevedere. 

Su ricevitori a doppia frequenza è però possibile calcolare l’effetto di multipath. In questo modo quindi, è possibile filtrare le singole epoche mettendo un filtro sul valore, calcolato, di multipath. In questo modo si agisce esclusivamente sull’effetto di multipath, mentre non è garantito che il filtro agisca su altri tipi di effetti di disturbo.

Conclusioni

Gli effetti di disturbo locale sono generalmente dipendenti dal punto in cui è posizionato il ricevitore. 

Spesso peraltro accade che tali disturbi siano molto variabili anche spostandosi di poco da un punto all’altro. Tale comportamento rende complessa la fase di mitigazione degli effetti di disturbo. 

Nel presente articolo si sono presentati i principali effetti di questo tipo, proponendo alcuni metodi, o accorgimenti da avere per mitigare il più possibile gli effetti di disturbo.