Di Markus Brandl, Xiaoming Chen, Herbert Landau, Carlos Rodriguez-Solano e Ulrich Weinbach
Questo articolo aggiorna una funzionalità di luglio 2012 in GPS World, “Real-Time Extended GNSS Positioning: A New Generation of Centiment-Accurate Networks.”
Il servizio di correzione Trimble CenterPoint RTX, che consente il posizionamento assoluto a livello centimetrico in tutto il mondo senza la necessità di infrastrutture di stazione di riferimento RTK, è ora disponibile per molti utenti, inclusi integratori di attrezzature professionali di alta precisione e prodotti di consumo come nel settore automobilistico. L’accesso è fornito tramite una libreria software compatibile con qualsiasi dispositivo GNSS. Le correzioni ora contengono informazioni dettagliate sull’integrità per le applicazioni critiche per la sicurezza.
L’infrastruttura RTX è composta da circa 120 stazioni di riferimento RTX distribuite globalmente. I ricevitori di queste stazioni trasmettono i dati di misurazione a 1 Hz ai centri server RTX, dove vengono calcolati i dati di correzione. Per motivi di ridondanza, vengono gestiti più server negli Stati Uniti e in Europa. Un’architettura failsafe che evita qualsiasi singolo punto di errore nella catena di elaborazione ha prodotto un’elevata disponibilità di correzioni. Oggi il sistema supporta i satelliti GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou e QZSS. Si tratta di un sistema multi-frequenza che supporta due o più frequenze per ogni sistema satellitare.
Il flusso di correzione è disponibile per gli utenti che utilizzano segnali in banda L trasmessi tramite satelliti geostazionari e connessioni IP. Il flusso di dati RTX trasmesso in banda L utilizza una larghezza di banda di 600-2400 baud e un formato di dati altamente compresso con una risoluzione di 1 millimetro, con una latenza media di 8 secondi in modalità banda L e 5 secondi in modalità IP. Il flusso di dati viene crittografato tramite un Advanced Encryption Standard (AES) con una lunghezza della chiave di 256 bit per garantire una trasmissione sicura. L’integrità della trasmissione dei dati è garantita da un controllo di ridondanza ciclica a 32 bit collegato a ogni messaggio. Il flusso di correzione RTX fornisce informazioni sulla posizione satellitare, sull’orologio satellitare, sui modelli ionosferici e troposferici e sui pregiudizi di codice e fase.
La determinazione dell’orbita viene effettuata in tempo reale utilizzando un approccio dinamico ridotto con modelli dinamici e sfruttando l’accuratezza delle misure di fase dopo il fissaggio dell’ambiguità. Sulla base delle orbite calcolate, gli orologi satellitari sono stimati a 1 Hz, dove viene eseguito il fissaggio dell’ambiguità intera per i diversi sistemi satellitari.
Successivamente, un modello ionosferico globale a singolo strato viene calcolato e rappresentato attraverso armoniche sferiche. Ci sono attualmente due aree con una rete più densa della rete globale; queste coprono l’Europa e gli Stati Uniti continentali con più di 1.000 stazioni base. Utilizzando queste stazioni, vengono calcolati i modelli ionosferici e troposferici regionali, che quindi forniscono una convergenza veloce (RTX-Fast service).
La posizione satellitare e le informazioni sull’orologio hanno una precisione centimetrica e consentono al cliente di calcolare il posizionamento preciso del punto (PPP) con risoluzione dell’ambiguità in fase portante. La tabella 1 mostra la precisione del servizio.
Tabella 1. Accuratezza delle correzioni RTX da più di tre anni (giugno 2015-luglio 2018) del calcolo dei residui nella rete RTX-Fast europea. (Dati tabella: autori)
Una volta risolte le ambiguità, la soluzione di posizione è accurata di alcuni centimetri. Il servizio RTX-Standard globale fornisce tempi di convergenza da 7 minuti a 20 centimetri (cm) errore orizzontale (95%) e a 2,5 cm (95%) in 13 minuti, come mostrato in Figura 2. Il servizio regionale RTX-Fast (Stati Uniti, Europa) fornisce tempi di convergenza inferiori a un minuto con precisione centimetrica. Il tempo di convergenza warmstart è di circa 13 secondi.
Figura 2. Convergenza globale di RTX su 52 stazioni distribuite a livello globale che coprono un mese di dati. (Immagine: Trimble)
Le precisioni specificate sono realizzabili con un preciso hardware di posizionamento GNSS Trimble. Per l’integrazione in dispositivi non Trimble, viene offerta una libreria software RTX, che consente all’utente l’accesso in tempo reale ai singoli dati nel flusso di correzione RTX. Per l’utilizzo di questa libreria in sistemi critici per la sicurezza come sistemi avanzati di guida assistita (ADAS) o guida semiautomatica, questa libreria è stata certificata per seguire lo standard ASIL-B ISO 26262 e lo standard automotive ASPICE. Questa libreria è disponibile per una facile integrazione in applicazioni di terze parti.
Oltre alla soluzione RTX in tempo reale, una soluzione di post-elaborazione basata sul Web è disponibile gratuitamente per l’uso pubblico. È possibile caricare file Trimble o RINEX statici sul server, post-elaborare i dati di misurazione e recuperare una posizione precisa in vari frame di coordinate.
L’integrità del servizio viene costantemente monitorata presso stazioni indipendenti dalle reti di tracciamento RTX in Europa e negli Stati Uniti. L’integrità del servizio è fornita nel dominio dei dati di correzione. La parte di monitoraggio dell’integrità del sistema RTX riduce al minimo il rischio dovuto a eventi come manovre satellitari non pianificate o effemeridi di trasmissione errate; anomalie del segnale satellitare o dell’orologio; tempeste ionosferiche; o problemi nella trasmissione del flusso di correzione RTX.
Le stazioni di monitoraggio calcolano i residui di osservazione di fase (con correzione dell’ambiguità) utilizzando le misurazioni della stazione e le correzioni RTX ricevute. Questi residui rappresentano gli errori effettivi delle correzioni riscontrate dalle stazioni di monitoraggio sulla linea di vista (Tabella 1). Le soglie alle quali le correzioni sono considerate difettose sono le seguenti: 0,5 m + QI (indicatore di qualità) per le correzioni orbit + clock e i modelli troposferici regionali e 1,0 m + QI per i modelli ionosferici regionali.
Il monitoraggio dell’integrità consiste in due passaggi (Figura 1): un controllo pre-broadcast, in cui vengono rilevate correzioni potenzialmente errate e filtrate prima di lasciare il server di elaborazione, e un controllo post-broadcast, in cui vengono rilevati ulteriori errori nel canale di trasmissione e vengono emessi allarmi agli utenti.
Figura 1. Generazione e trasmissione di correzioni globali e regionali RTX, incluso il monitoraggio dell’integrità pre e post – broadcast. (Immagine: Trimble)
I flag di integrità e gli allarmi vengono costantemente inseriti nel flusso di correzione e in uscita dalla libreria client RTX. Le informazioni sull’integrità avvisano i clienti della presenza di monitoraggio dell’integrità e forniscono avvisi tempestivi in caso di correzione rilevata-violazioni dell’integrità dei dati. Gli obiettivi limite time-to-alert sono 17 secondi per la trasmissione in banda L e 13 secondi per la trasmissione IP per il servizio RTX.
Le correzioni RTX includono indicatori di qualità. In particolare, l’indicatore di qualità per l’orologio satellitare include una bandiera “DoNotUse” per indicare potenziali problemi con il satellite dato. Questo flag impedisce l’uso del satellite per il posizionamento quando ricevuto dall’utente. Gli indicatori di qualità delle correzioni sono infatti un primo livello di integrità. Nel 2017 è stato aggiunto il monitoraggio dell’integrità pre-broadcast per fungere da secondo livello. Nel 2019, con l’aggiunta del monitoraggio dell’integrità post-broadcast, è stato aggiunto un terzo livello di integrità al flusso di dati di correzione RTX.
Il sistema RTX consente l’accesso a correzioni a livello centimetrico consentendo il posizionamento centimetrico su base globale. I servizi RTX-Fast sono disponibili in Europa e negli Stati Uniti con monitoraggio dell’integrità pre e post – broadcast attualmente in fase di implementazione.
Gli autori sono ingegneri di Trimble Terrasat GmbH, Germania.
