La determinazione della propria posizione è un problema antico e importante, che ha impegnato fin dall’antichità scienziati e statisti.
A essa affidiamo la nostra sicurezza (navigazione, raggiungimento di luoghi, localizzazione delle emergenze, incidentalità); la proprietà, i cui confini sono riportati attraverso coordinate sulla cartografia; la conoscenza e il controllo del territorio e delle strutture (rilievi topo-cartografici, monitoraggio dei movimenti del terreno, frane, deformazioni di strutture, geodinamica dei continenti); il tracciamento di grandi infrastrutture e la realizzazione di opere di ingegneria, la gestione di flotte di veicoli, velivoli e altro ancora.
Il GPS è il moderno sistema di posizionamento globale; a esso si affiancano oggi altre costellazioni come quella russa GLONASS, la nascente europea Galileo, quella cinese BeiDou, e altre ancora sono in progetto. Il posizionamento integrato multi-costellazione prende il nome di GNSS (Global Navigation Satellite System).
Il posizionamento è uno degli aspetti fondamentali della Geomatica, disciplina che si occupa di acquisire, modellizzare, interpretare, elaborare, archiviare e divulgare informazioni georeferenziate, ovvero caratterizzate da una posizione in un prescelto sistema di riferimento.
Nel testo vengono forniti i princìpi teorici del posizionamento satellitare, le tecniche di misura e il trattamento dei dati GNSS, la strumentazione e la misura con vari livelli di accuratezza. Si affronta il mantenimento dei sistemi di riferimento (Datum) delle varie costellazioni, di quelli geodetici ufficiali e i servizi di posizionamento in tempo reale, diffusi a livello sia nazionale, sia internazionale.
Inoltre vengono trattati il posizionamento integrato con altri sensori e strumenti di misura, di tipo topografico e inerziale, e le relative applicazioni nel campo dell’ingegneria.
Diversi esercizi numerici su argomenti ricorrenti nella pratica operativa e professionale contribuiscono a chiarire i concetti teorici esposti.
Il testo è dedicato agli studenti di Ingegneria e di altri corsi di laurea che affrontano le discipline geomatiche, ma anche a professionisti e operatori del settore interessati ad approfondire il posizionamento GNSS dal punto di vista teorico e pratico.

1. IL SISTEMA GNSS
1.1. Struttura dei sistemi GNSS
1.2. Princìpi sui segnali GNSS
1.3. Le scale di tempo

2. LE COSTELLAZIONI GNSS
2.1. Il sistema GPS
2.1.1. Il segnale GPS
2.2. Il sistema GLONASS
2.2.1. Il segnale GLONASS
2.3. Il sistema Galileo
2.3.1. Il segnale Galileo
2.4. Il sistema BeiDou
2.4.1. Il segnale BeiDou
2.5. Cenni sul sistema QZSS

3. PRINCÌPI DI POSIZIONAMENTO GNSS
3.1. Posizionamento assoluto con misure di codice
3.1.1. Posizionamento assoluto con misure di codice GLONASS
3.2. Posizionamento assoluto con misure di fase
3.2.1. Posizionamento assoluto con misure di fase GLONASS
3.2.2. Posizionamento assoluto con misure di fase GNSS
3.3. Modelli linearizzati per il posizionamento assoluto con minimi quadrati
3.3.1. Stima dei parametri con minimi quadrati
3.3.2. Relazioni tra osservazioni e residui
3.3.3. Test di verifica delle osservazioni
3.3.4. Test di adeguatezza del modello
3.3.5. I pesi nelle osservazioni GNSS
3.3.6. Modelli linearizzati nel posizionamento assoluto di codice
3.3.7. Modelli linearizzati nel posizionamento assoluto GNSS di codice
3.3.8. Modelli linearizzati nel posizionamento assoluto di fase
3.4. Posizionamento assoluto con misure Doppler

4. IL CALCOLO DELLA POSIZIONE DEI SATELLITI
4.1. La posizione dei satelliti GPS
4.1.1. Coordinate ECEF ed elementi kepleriani
4.1.2. Gli effetti perturbativi e le correzioni
4.1.3. Procedura di calcolo della posizione dei satelliti GPS
4.1.4. Il moto del Polo
4.1.5. La correzione degli orologi dei satelliti
4.1.6. Il calcolo del tempo
4.1.7. Le effemeridi nei formati standard
4.1.8. Moti relativi nel posizionamento di punti a terra
4.1.9. Visibilità dei satelliti
4.1.10. Esempi di calcolo
4.2. La posizione dei satelliti GLONASS
4.2.1. Le effemeridi GLONASS
4.2.2. Il tempo GLONASS
4.2.3. La posizione di satelliti GLONASS: integrazione nel sistema inerziale
4.2.4. La posizione dei satelliti GLONASS: integrazione nel sistema PZ90.02
4.2.5. Integrazione delle orbite GLONASS: metodo di Runge Kutta
4.3. La posizione dei satelliti Galileo e BeiDou

5. ERRORI NELLE MISURE GNSS
5.1. Errori accidentali
5.2. Classificazione degli errori sistematici o bias
5.3. Errori d'orologio
5.4. Errori d'effemeride o d'orbita
5.5. Rifrazione troposferica
5.5.1. Il modello di Hopfield
5.5.2. Il modello di Saastamoinen
5.6. Rifrazione ionosferica
5.6.1. Correzione ionosferica nei satelliti GPS
5.6.2. Correzione ionosferica nei satelliti Galileo
5.6.3. Correzione ionosferica nei satelliti BeiDou
5.7. Multipath
5.8. La variazione del centro di fase delle antenne
5.9. Errori vari d'osservazione

6. IL POSIZIONAMENTO RELATIVO
6.1. Metodi alle differenze di fase
6.1.1. Singole differenze
6.1.2. Doppie differenze
6.1.3. Triple differenze
6.1.4. Modelli linearizzati nel posizionamento relativo
6.2. Le differenze di fase GLONASS
6.2.1. Singole differenze GLONASS
6.2.2. Doppie differenze GLONASS
6.3. Correlazioni delle differenze di fase
6.3.1. Singole differenze
6.3.2. Doppie differenze
6.4. Il posizionamento statico relativo
6.5. Il posizionamento cinematico relativo

7. TRATTAMENTO DATI GNSS RELATIVO
7.1. Posizionamento relativo singola base
7.2. Testi statistici sulla qualità dell'elaborazione
7.3. Posizionamento relativo multi-stazione

8. IL POSIZIONAMENTO DIFFERENZIALE
8.1. DGPS / DGNSS con misure di codice
8.2. DGPS / DGNSS con misure di fase

9. LE COMBINAZIONI DI CODICE E DI FASE
9.1. Combinazioni alle doppie differenze di fase
9.2. La combinazione wide lane
9.3. La combinazione narrow lane
9.4. La combinazione iono free
9.5. La combinazione geometry free
9.6. Utilizzo delle combinazioni di fase
9.7. La combinazione Melbourne-Wübbena
9.8. Codice smussato con la fase (Phase smoothing)
9.9. Il filtro wide laning
9.10. Equivalenza tra misure pseudorange di codice e di fase

10. IL FISSAGGIO DELL'AMBIGUITÀ DI FASE
10.1. Tecnica in singola frequenza
10.2. Tecniche in doppia frequenza

11. IL POSIZIONAMENTO ASSOLUTO DI PRECISIONE PPP (Precise Point Positioning)

11.1.Equazioni d'osservazione e modelli d'errore
11.1.1. Correzione per l'eccentricità dell'antenna del satellite e la variazione del centro di fase
11.1.2. Correzione per l'effetto di phase wind-up
11.1.3. Correzione per gli effetti di marea
11.1.4. Altri effetti di correzione nel PPP
11.2. Procedimento di calcolo PPP
11.3. Posizionamento PPP multi-costellazione

12. I RICEVITORI E LE STAZIONI PERMANENTI GNSS
12.1. Classificazione dei ricevitori
12.2. Altre caratteristiche dei ricevitori
12.3. Le stazioni permanenti GNSS

13. LA PROGETTAZIONE DELLE MISURE GNSS
13.1. Il sito di misura
13.2. Gli indici DOP
13.3. La finestra di osservazione e il planning
13.4. DOP e NDOP (Network DOP)
13.5. La lunghezza della sessione di misura

14. TECNICHE DI ACQUISIZIONE GNSS
14.1. L'esecuzione delle misure GNSS

15. FORMATI DATI GNSS
15.1. Il formato RINEX
15.2. Il formato NMEA
15.3. Il formato RTCM 2.x e le sue evoluzioni
15.4. Il formato FKP
15.5. Il formato RTCM 3.x

16. IL POSIZIONAMENTO IN TEMPO REALE
16.1. La trasmissione di dati e correzioni differenziali
16.2. DGPS e RTK da rete: approcci di calcolo
16.2.1. Approccio non differenziato e combinato
16.2.2. Approccio non differenziato e non combinato
16.2.3. Approccio differenziato e non combinato
16.2.4. Approccio differenziato e combinato
16.3 L'interpolazione dei bias
16.3.1. Combinazione lineare (LCM)
16.3.2. Metodo lineare dipendente dalla distanza (DIM)
16.3.3. Interpolazione lineare (LIM)
16.3.4. Modello di superficie di basso ordine (LSM)
16.3.5. Collocazione minimi quadrati (LSC)
16.4. Realizzazione delle reti NRTK
16.4.1. Virtual Reference Station (VRS)
16.4.2. Multi Reference Station (MRS)
16.4.3. Master Auxilary Concept (MAC)
16.5. I sistemi di ''augmentation'' nel posizionamento satellitare
16.5.1. Il sistema EGNOS

17. COMPENSAZIONE DI RETI GNSS E RETI MISTE 3D
17.1. Compensazione e progetto di reti GNSS in singola base
17.1.1. Esempio di calcolo di compensazione di una piccola rete GNSS
17.2. Reti Miste 3D: le misure e i sistemi di riferimento
17.2.1. Dal campo reale della gravità al campo normale
17.2.2. Dal campo normale della gravità al campo parallelo
17.2.3. Compensazione sul piano di Gauss
17.2.4. La compensazione nel sistema cartesiano geocentrico ECEF
17.2.5. Modelli linearizzati per la compensazione 3D
17.2.6. La divisione tra planimetria e altimetria

18. SISTEMI DI RIFERIMENTO GNSS
18.1. Trasformazioni tra sistemi di coordinate
18.1.1. Da coordinate geocentriche ECEF a geografiche
18.1.2. Da coordinate geografiche a cartografiche
18.1.3. Da coordinate geocentriche a coordinate locali
18.2. Sistemi di riferimento e loro trasformazioni 2D e 3D
18.2.1. Trasformazioni 2D
18.2.2. Trasformazione 3D di Helmert
18.2.3. Trasformazioni 3D - equazioni di Molodensky-Badekas
18.2.4. Trasformazioni 3D - equazioni di Molodensky
18.3. Datum: tipologie e trasformazioni
18.3.1. Il sistema ITRF
18.3.2. I sistemi IGS e IGb
18.3.3. Il sistema ETRF
18.3.4. Il Datum nazionale italiano
18.3.5. Trasformazioni continue tra sistemi di riferimento: approccio VERTO
18.4. Sistemi di riferimento delle costellazioni GNSS
18.4.1. Il sistema di riferimento WGS84
18.4.2. Il sistema di riferimento PZ90
18.4.3. Il sistema di riferimento GTRF
18.4.4. Il sistema di riferimento CGCS2000
18.5. Inquadramento di rilievi GNSS
18.6. GNSS e altimetria

19. PRINCÌPI DI POSIZIONAMENTO INERZIALE E INTEGRATO CON GNSS
19.1. Richiami su princìpi fisici
19.1.1. Quantità di moto
19.1.2. Momento della quantità di moto o momento angolare
19.1.3. Forza di Coriolis
19.2. Il giroscopio meccanico
19.2.1. Descrizione del moto di precessione: legge del giroscopio
19.2.2. La girobussola
19.3. Il giroscopio ottico
19.4. Accelerometri
19.5. Magnetometri
19.6. I sensori inerziali
19.6.1. Il calcolo della posizione con IMU
19.6.2. Bias nei sensori IMU
19.7. Princìpi di navigazione inerziale
19.7.1. Sistemi di riferimento
19.7.2. La navigazione in un sistema fisso ''i-frame'' - un caso 2D
19.7.3.La navigazione in un sistema locale ''n-frame''- un caso 2D
19.7.4. Cenni sulla navigazione 3D
19.8. La navigazione geodetica integrata
19.8.1. Princìpi di base
19.8.2. Cenni sull'uso del filtro di Kalman
19.8.3. Integrazione tra GNSS e IMU

20. APPLICAZIONI GNSS NELLA GEOMATICA
20.1. GNSS e rilievo integrato per la realizzazione di opere di ingegneria
20.1.1. La rete geodetica d'inquadramento
20.1.2. Tecniche di tracciamento topografico e GNSS
20.1.3. Schemi di tracciamento
20.1.4. Sistemi di riferimento isometrici
20.1.5. Esempi pratici di sistemi isometrici
20.1. GNSS e rilievo integrato ad alto rendimento
20.1.1. Mobile Mapping Vehicle (MMV)
20.1.2. Umanned Aerial Vehicle (UAV)

21. ACRONIMI

22. BIBLIOGRAFIA

Alberto Cina è professore presso la prima Facoltà di Ingegneria del Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell’Ambiente e delle Geotecnologie, dove svolge attività didattica e di ricerca nelle discipline del rilevamento.