La risoluzione delle ambiguità di fase GNSS. Nel posizionamento GNSS ad alta precisione, uno degli elementi fondamentali per ottenere accuratezze centimetriche è l’utilizzo delle osservazioni di fase della portante.
Tecniche come RTK, PPK, Network RTK, PPP-AR e PPP-RTK sfruttano infatti la fase dei segnali GNSS, che permette di raggiungere una precisione molto superiore rispetto alle tradizionali misure di codice.
Questa elevata precisione introduce però una difficoltà particolare: quando un ricevitore inizia a tracciare un satellite, è in grado di misurare con grande precisione la fase del segnale ricevuto, ma non conosce immediatamente il numero completo di cicli della portante presenti tra satellite e ricevitore.
Questo numero sconosciuto viene chiamato ambiguità di fase.
Determinare correttamente queste ambiguità di fase rappresenta uno dei passaggi più importanti del posizionamento GNSS ad alta precisione. È proprio attraverso questo processo che una soluzione può passare dallo stato float allo stato fixed, raggiungendo precisioni dell’ordine di pochi centimetri.
Perché la fase è così importante
Un ricevitore GNSS può utilizzare diversi tipi di osservazioni. La più conosciuta è probabilmente quella di codice, utilizzata normalmente nei sistemi di navigazione per determinare la distanza tra satellite e ricevitore.
Queste osservazioni permettono di ottenere una posizione in modo rapido e robusto, ma hanno una precisione limitata rispetto alle esigenze delle applicazioni geodetiche o topografiche. Le osservazioni di fase utilizzano invece direttamente la portante del segnale GNSS. Poiché la sua lunghezza d’onda è dell’ordine di alcune decine di centimetri e il ricevitore può misurarne con grande precisione anche piccole frazioni, la fase permette di ottenere misure estremamente precise.
Il problema è che il ricevitore conosce con precisione la posizione all’interno del ciclo corrente, ma non sa inizialmente quanti cicli completi separano il satellite dall’antenna. È un po’ come misurare una distanza utilizzando un righello molto preciso sapendo esattamente dove ci troviamo all’interno di una singola divisione, ma senza sapere quante divisioni complete sono già state percorse.
La risoluzione delle ambiguità di fase consiste proprio nel determinare questo numero.
La soluzione float: il primo passo
Quando il ricevitore inizia a elaborare le osservazioni GNSS, le ambiguità vengono normalmente stimate insieme agli altri parametri necessari per determinare la posizione. In questa prima fase non viene imposto che il loro valore sia un numero intero. Si parla quindi di soluzione float.
Una soluzione float può già raggiungere precisioni significativamente migliori rispetto al normale posizionamento GNSS basato sul solo codice, ma non sfrutta ancora completamente il potenziale delle osservazioni di fase.
Nel corso del tempo, accumulando nuove osservazioni, il sistema migliora progressivamente la conoscenza delle ambiguità. La qualità della stima dipende però da numerosi fattori, tra cui:
● numero e geometria dei satelliti disponibili
● qualità del segnale ricevuto
● numero di frequenze utilizzate
● presenza di multipath
● condizioni ionosferiche e troposferiche
● continuità del tracking
● qualità del ricevitore e dell’antenna
Quando le osservazioni disponibili sono sufficienti, il sistema può tentare di determinare il valore intero delle ambiguità di fase.
Il passaggio dalla soluzione float alla soluzione fixed
La fase successiva prende il nome di Integer Ambiguity Resolution.
L’obiettivo è individuare, tra le possibili combinazioni di valori interi, quella più compatibile con le osservazioni GNSS disponibili. Non si tratta semplicemente di arrotondare ogni ambiguità al numero intero più vicino.
Le ambiguità di fase associate ai diversi satelliti sono infatti correlate tra loro e devono essere considerate come parte dello stesso problema di stima. Per questo motivo vengono utilizzati algoritmi specifici capaci di analizzare contemporaneamente tutte le possibili combinazioni.
Uno dei metodi più conosciuti è LAMBDA, ampiamente utilizzato nei software GNSS ad alta precisione. L’algoritmo parte dalla soluzione float e ricerca le combinazioni di ambiguità intere statisticamente più probabili. Quando una combinazione viene considerata sufficientemente affidabile, le ambiguità possono essere fissate. La soluzione ottenuta viene quindi definita fixed.
Una soluzione fixed corretta consente normalmente di migliorare significativamente la precisione, permettendo di raggiungere accuratezze centimetriche.
Ambiguità di fase: trovare una soluzione non significa che sia corretta
Uno degli aspetti più importanti dell’Integer Ambiguity Resolution riguarda la validazione.
Un algoritmo può infatti individuare sempre una combinazione di ambiguità migliore delle altre. Questo, però, non significa necessariamente che tale combinazione corrisponda ai valori reali. Per questo motivo vengono utilizzati specifici test statistici prima di accettare una soluzione fixed.
Uno dei più diffusi è il ratio test. Il principio è relativamente semplice: vengono confrontate le due migliori combinazioni di ambiguità individuate dall’algoritmo. Se la migliore soluzione risulta nettamente più probabile rispetto alla seconda, esistono buone condizioni per accettarla. Se invece le due alternative risultano molto simili, il sistema non dispone di informazioni sufficienti per stabilire con sicurezza quale sia quella corretta. In questo caso è preferibile mantenere la soluzione float.
Questo approccio può sembrare conservativo, ma è fondamentale per l’affidabilità del sistema. Una soluzione fixed errata può infatti essere più pericolosa di una soluzione float: può apparire molto precisa pur contenendo un errore significativo nella posizione.
L’obiettivo non è quindi ottenere un fix a ogni costo, ma ottenere un fix affidabile.
Ambiguità di fase: perché a volte il fixing non riesce
In condizioni ideali, con buona visibilità del cielo e segnali di elevata qualità, la risoluzione delle ambiguità può avvenire rapidamente. Nelle applicazioni reali, tuttavia, diversi fenomeni possono rendere il processo più difficile.
Multipath e ostacoli
In ambienti urbani, vicino a edifici o altre superfici riflettenti, il ricevitore può acquisire non soltanto il segnale diretto proveniente dal satellite, ma anche copie riflesse dello stesso segnale. Il multipath altera le osservazioni e può rendere più difficile identificare correttamente le ambiguità.
Geometria satellitare
Non conta soltanto quanti satelliti vengono osservati, ma anche come sono distribuiti nel cielo. Una geometria favorevole permette di separare meglio le diverse incognite del problema, mentre satelliti concentrati in una stessa zona del cielo possono rendere la soluzione meno robusta.
Condizioni atmosferiche
I segnali GNSS attraversano ionosfera e troposfera prima di raggiungere il ricevitore. Nel posizionamento RTK, una stazione base vicina al rover permette di eliminare gran parte di questi errori perché entrambi i ricevitori osservano condizioni atmosferiche simili. Aumentando la distanza dalla stazione di riferimento, questa correlazione diminuisce e la risoluzione delle ambiguità può diventare più difficile.
Perdita del segnale
Una volta determinata un’ambiguità, questa rimane valida finché il ricevitore mantiene il tracking continuo del satellite. Se il segnale viene perso, ad esempio passando sotto un ponte, vicino a un edificio o sotto una vegetazione densa, può verificarsi un cycle slip. In questi casi l’ambiguità deve essere nuovamente determinata. Per questo motivo, un ambiente con continue interruzioni del segnale può provocare frequenti transizioni tra soluzione fixed e float.
Il ruolo delle osservazioni multifrequenza
L’introduzione di ricevitori multifrequenza ha migliorato notevolmente la capacità di risolvere rapidamente le ambiguità. Utilizzare segnali differenti dello stesso satellite permette infatti di costruire combinazioni di osservazioni particolarmente utili per separare alcuni errori e facilitare il processo di fixing.
Le costellazioni GNSS, come GPS, Galileo e BeiDou, mettono oggi a disposizione numerose frequenze utilizzabili simultaneamente. Rispetto ai primi sistemi RTK basati principalmente su GPS a doppia frequenza, un ricevitore moderno può quindi disporre di molti più satelliti e di molte più osservazioni. Questo aumenta la ridondanza del sistema e permette
generalmente di ottenere:
● tempi di inizializzazione più brevi
● maggiore disponibilità della soluzione fixed
● maggiore robustezza in caso di perdita di alcuni satelliti
● migliori prestazioni in ambienti parzialmente ostruiti
Avere più osservazioni, tuttavia, non significa automaticamente ottenere un fix corretto. La qualità dei segnali continua a essere fondamentale e osservazioni degradate devono essere opportunamente pesate o escluse.
Non sempre è necessario fissare tutte le ambiguità di fase
Un altro approccio interessante consiste nel non tentare necessariamente di fissare tutte le ambiguità disponibili nello stesso momento. In alcune condizioni, la maggior parte dei satelliti può fornire osservazioni di buona qualità mentre uno o due segnali risultano degradati, ad esempio a causa di multipath, bassa elevazione o acquisizione recente. Tentare di fissare contemporaneamente anche queste ambiguità può impedire al sistema di raggiungere una soluzione fixed.
Per questo motivo esistono strategie di Partial Ambiguity Resolution, nelle quali vengono fissate soltanto le ambiguità considerate più affidabili. Quelle associate a osservazioni meno precise possono invece rimanere float. Questo approccio consente di sfruttare l’informazione disponibile senza richiedere che tutte le osservazioni abbiano contemporaneamente la stessa qualità.
La Partial Ambiguity Resolution può risultare particolarmente utile nelle applicazioni dinamiche e negli ambienti complessi.
Dalla precisione all’affidabilità
Nel posizionamento GNSS moderno, la sfida non consiste soltanto nel raggiungere la precisione centimetrica, ma anche nel poter stabilire quanto la soluzione ottenuta sia affidabile. Una soluzione fixed non dovrebbe quindi essere interpretata automaticamente come una garanzia di correttezza.
I sistemi più avanzati utilizzano diversi indicatori per controllare continuamente la qualità della soluzione:
● test statistici sulle ambiguità
● qualità dei segnali ricevuti
● residui delle osservazioni
● continuità temporale della posizione
● presenza di cycle slip
● coerenza con la dinamica del ricevitore
In applicazioni multisensore, ulteriori informazioni possono arrivare da IMU, odometri, camere o altri sistemi di navigazione. Questi dati possono contribuire a individuare situazioni nelle quali una soluzione GNSS apparentemente valida risulta incompatibile con il movimento reale del veicolo o dell’utente.
Conclusioni
La risoluzione delle ambiguità di fase rappresenta uno degli elementi fondamentali del posizionamento GNSS ad alta precisione. Le osservazioni di fase permettono di raggiungere precisioni centimetriche, ma richiedono di determinare correttamente il numero intero di cicli del segnale compresi tra satellite e ricevitore. Il processo parte normalmente da una soluzione float e, quando le informazioni disponibili sono sufficientemente robuste, può portare a una soluzione fixed. Il passaggio tra questi due stati non è però automatico. Qualità delle osservazioni, geometria satellitare, multipath, condizioni atmosferiche e continuità del tracking influenzano direttamente la possibilità di risolvere correttamente le ambiguità.
L’obiettivo di un sistema GNSS ad alta precisione non deve quindi essere semplicemente ottenere il maggior numero possibile di soluzioni fixed, ma garantire che ogni fix accettato sia sufficientemente affidabile.
Con la diffusione dei ricevitori multifrequenza e multicostellazione, dei servizi PPP-RTK e di algoritmi di elaborazione sempre più robusti, la risoluzione rapida e affidabile delle ambiguità continuerà a rappresentare uno degli elementi chiave per rendere il posizionamento centimetrico disponibile in un numero sempre maggiore di applicazioni.
(Fonte: Gter)
