Quali tipi di effemeridi esistono? Quali usare e in quali casi?

Nelle attività di rilievo GNSS sarà certamente capitato di sentire il termine effemeridi. In larga parte si tratta di un tipo di dato che viene usato in maniera, per così dire, automatica.

In particolare ci si riferisce, indifferentemente nei rilievi RTK o in post-elaborazione, al fatto che le effemeridi possono essere usate quasi all’insaputa dell’operatore, poiché sono un tipo di dato contenuto anche all’interno dei dati grezzi che si utilizzano in fase di processing.

 

Che cosa sono le effemeridi?

Per andare a fondo e capire caratteristiche e diverse modalità di utilizzo, si parte intanto dalla definizione di effemeridi GNSS.

In generale, e in sintesi, si tratta di un pacchetto di informazioni da cui possono essere dedotte le coordinate dei satelliti a ogni istante. Nello specifico, sono rappresentate da set di parametri che definiscono un modello di traiettoria da cui è possibile calcolare la posizione istantanea a seconda dell’epoca considerata.

È evidente come questo dato sia essenziale per il funzionamento del sistema di posizionamento satellitare. Le posizioni dei satelliti sono uno degli elementi geometrici necessari a risolvere la “triangolazione” con cui vengono calcolate le coordinate dell’antenna a terra, vera incognita del sistema.

I satelliti, peraltro, si muovono con grande rapidità, per cui è necessario conoscere la posizione precisa a ogni singola epoca, proprio per associare tale posizione alle osservabili, che sono anch’esse riferite a singole epoche.

 

Come vengono usate nel posizionamento GNSS?

Come noto, il posizionamento GNSS si basa su un principio geometrico di triangolazione in avanti.

Dalle osservabili GNSS è possibile ricavare la distanza satellite-ricevitore, pur con tutti i distinguo del caso dovuti agli effetti di disturbo e al tipo di misure, di codice o di fase.

Al di là di questo aspetto, che non si intende approfondire nel presente articolo, assumendo come dato acquisito la distanza satellite-ricevitore, è evidentemente necessario sapere la posizione dei satelliti, che sono il punto da cui tale distanza è calcolata.

Per poter risolvere il sistema che consente di stimare le incognite, tra cui le coordinate del ricevitore a terra, sia esso statico o cinematico, è quindi necessario inserire nelle equazioni di osservazione le coordinate dei satelliti.

Tali coordinate sono appunto un’informazione che risiede nel file di effemeridi, che quindi è necessario avere per ottenere il posizionamento, sia esso in tempo reale che in post-elaborazione.

 

Quali tipi di effemeridi sono disponibili?

Definite le effemeridi e l’utilizzo che se ne fa, per poter dare qualche indicazione più operativa bisogna partire dal fatto che non esiste un solo tipo di effemeride.

Le diverse tipologie si differenziano per precisioni raggiungibili, periodo di aggiornamento, formato e modalità di fornitura.

Queste sono le tipologie di effemeridi disponibili:

•        Broadcast
•        Ultrarapide
•        Rapide
•         Finali, o precise

Le effemeridi broadcast, cioè trasmesse, sono quelle che vengono appunto trasmesse direttamente dal segnale satellitare. Direttamente sul ricevitore vengono quindi salvati i dati grezzi, le cosiddette osservabili, e il file navigazionale, che contiene le informazioni di qualità e posizione dei satelliti. Di tutti i satelliti, siano essi in vista oppure no.

Tutti gli altri tipi di effemeridi sono invece disponibili online, come descritto nel prossimo paragrafo, e si differenziano per accuratezza, latenza, intervallo di campionamento e frequenza di disponibilità.

Come si vede in Fig. 1, le effemeridi finali sono quelle che garantiscono la maggiore accuratezza, ma sono anche quelle che vengono rese disponibili dopo circa 2 settimane.

Questo accade perché, per garantire tali accuratezze, le effemeridi finali sono calcolate a posteriori con una serie storica di informazioni sufficiente a ridurre gli errori. Il segmento di controllo si occupa di tale calcolo, raccogliendo le informazioni sia da tutti i satelliti sia dalle reti di stazioni a terra.

Vi sono poi delle soluzioni intermedie che consentono di raggiungere un compromesso tra accuratezza e disponibilità in tempi brevi.

Come si vede, ad esempio, le effemeridi ultrarapide predette sono disponibili in tempo reale, pur essendo necessario scaricarle dal repository online, ma ovviamente garantiscono un’accuratezza inferiore.

Ciò significa, ad esempio, che per una post-elaborazione, appena terminata l’acquisizione dei RINEX, si possono già scaricare le ultrarapide predette perché già disponibili. Per le effemeridi rapide, invece, bisogna attendere uno o due giorni e quindi posticipare l’elaborazione di conseguenza.

 

Dove reperirle e come usarle

Le effemeridi trasmesse, come da definizione, sono trasmesse via satellite e le ritroviamo direttamente all’interno del ricevitore, come già dettagliato.

Che poi, nel caso di un rilievo in tempo reale, il ricevitore sia in grado di utilizzarle direttamente o, nel caso di una post-elaborazione, si debbano scaricare dal ricevitore stesso e convertire in formato leggibile, è un tecnicismo. Resta il fatto che tali informazioni sono presenti nei dati acquisiti in campo dall’operatore.

In particolare, quando si converte in formato RINEX un dato acquisito, ci si trova di fronte a questo tipo di file, come indicato in Fig. 2.

L’ultima lettera all’interno del nome del file, prima dell’estensione dello stesso, può essere una O oppure una N.

• I file che terminano per O contengono le osservabili.
• I file che terminano per N contengono il file navigazionale, appunto le effemeridi trasmesse.

Nel caso invece si vogliano utilizzare effemeridi calcolate, esistono una serie di servizi e repository da cui è possibile scaricarle.

A titolo di esempio si riporta il servizio CDDIS della NASA.

Il repository è organizzato con una serie di cartelle che identificano la settimana GPS.

All’interno della stessa si trovano i file di interesse, unitamente a una serie di altri prodotti che non sono oggetto del presente articolo. Si tratta, ad esempio, di modelli atmosferici, TRP, correzioni dei clock, CLK, e parametri di rotazione terrestre, ERP.

Tra le varie informazioni si trovano appunto anche le effemeridi, con una nomenclatura che è quella descritta nell’elenco seguente:

• Finali: IGS0OPSFIN_yyyyddd0000_01D_15M_ORB.SP3.gz
• Rapide: IGS0OPSRAP_yyyyddd0000_01D_15M_ORB.SP3.gz
• Ultrarapide: IGS0OPSULT_yyyydddhh00_02D_15M_ORB.SP3.gz
• Latest Ultrarapide: IGS0OPSULT.SP3.gz

All’interno del nome del file, i parametri indicano il giorno e, in alcuni casi, l’ora, come da seguente legenda:

• wwww: GPS week
• d: day of week, da 0 a 6
• yyyy: anno a 4 cifre
• ddd: giorno dell’anno, da 001 a 366
• hh: ora del giorno a 2 cifre, 00, 06, 12 o 18

Per individuare l’ora e il giorno, utilizzando i parametri indicati sopra, si possono usare servizi che calcolano in automatico tali parametri.

Servizio GPS Calendar NOAA: https://geodesy.noaa.gov/CORS/resources/gpscals.shtml

Le effemeridi contengono un dato essenziale per il calcolo della posizione a terra usando ricevitori satellitari.

Poiché ve ne sono diversi tipi, con diverse caratteristiche, è importante sapere quale scegliere in funzione del tipo di rilievo, dell’obiettivo e delle precisioni attese.

Non esiste un tipo di effemeride a priori preferibile: dipende molto dalla capacità dell’operatore di saper scegliere quella giusta.

Questo è lo scopo del presente articolo, che si pone l’obiettivo di fornire le informazioni di base necessarie per poter fare una scelta consapevole in questo contesto.