Studio e monitoraggio delle deformazioni del territorio con l'ausilio delle metodologie satellitari applicate alle reti geodetiche

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Proprio a tale scopo, sono stati dedicati recenti studi dell’Università di Padova; studi che hanno 
permesso l’applicazione delle tecnologie GPS ad una rete geodetica localizzata presso i Colli 
Euganei (PD).
In tale sede, si sono svolti nel biennio 2000-2001, rilievi di tipo satellitare finalizzati alla 
determinazione delle coordinate di nove vertici, appartenenti ad una  rete geodetica
materializzata nel 1993 dall’allora Istituto di Topografia dell’Università di Padova (ora 
Laboratorio di Rilevamento e Geomatica). Le coordinate dei vertici sono state ottenute nel 
sistema di riferimento WGS84 (World Geodetic System, 1984). I dati raccolti nelle tre 
campagne di rilievo (1993, 2000-2001, 2002), sono stati utilizzati per ottenere un modello per 
il monitoraggio degli spostamenti crostali locali. Tale scopo si è raggiunto grazie all’utilizzo di 
un programma in linguaggio FORTRAN, in grado di raffrontare coordinate acquisite in epoche 
diverse. E’ utile ricordare comunque che i risultati ottenuti sono il frutto di una serie di fasi che 
vanno dal rilievo dei vertici costituenti la rete suddetta, all’elaborazione-compensazione dei 
dati acquisiti e al controllo finale dei risultati ottenuti grazie alla validazione di test statistici
specifici. Punto conclusivo dello studio è stato quello di confrontare la posizione spaziale 
occupata dai nove vertici, in tre momenti successivi dei nove anni trascorsi. 
Da ultimo, questo elaborato vuole costituire un semplice strumento di approfondimento di una 
delle molteplici applicazioni che il “sistema GPS” è in grado di supportare, fornendo oltre alle 
basilari nozioni teoriche sul sistema stesso, un caso concreto di utilizzo ed impiego.
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CAPITOLO 1 : ESPLICAZIONE METODOLOGIA OPERATIVA
1.1 : DESCRIZIONE FASI DI LAVORO
La realizzazione del presente elaborato rappresenta solo l’ultima di una serie di fasi 
indispensabili e non, necessarie però per ottimizzare l’uso degli strumenti, ridurre al minimo la 
probabilità di imprevisti e sprechi di tempo e limitare la possibilità di commettere errori 
grossolani che possano pregiudicare il buon esito del progetto. Per il raggiungimento di tali fini,
è indispensabile aver chiaro fin da subito, quali siano le fasi di lavoro previste e fare in modo 
che tutte siano accuratamente programmate e pianificate.
Dopo aver identificato lo scopo del lavoro, si è proceduto a scegliere la successione di punti da 
occupare (in tutto nove vertici), in modo da costituire la rete geodetica più opportuna; si sono 
poi intraprese le campagne di rilievo necessarie per l’acquisizione dei dati GPS e si sono 
scaricati i dati: è così iniziata la vera e propria elaborazione, avente lo scopo del calcolo delle 
basi prima e del calcolo delle coordinate, nel sistema di riferimento WGS1984, poi. La rete così 
ottenuta è stata poi compensata con il metodo ai minimi quadrati. Questa procedura è stata 
seguita per la prima campagna di misurazione (quella del 1993). Per la seconda (del 2000-2001) 
e la terza (del 2002), è stato sufficiente partire dalla fase di acquisizione, essendo la rete di 
vertici impiegata sempre la stessa. Dopodichè, avendo a disposizione le coordinate riferite alle 
tre serie temporali diverse, con l’impiego di un programma in linguaggio FORTRAN, si è 
proceduto al calcolo delle deformazioni della crosta terrestre, valutate tramite gli spostamenti 
relativi degli stessi punti ma rilevati in momenti successivi. 
1.2 : DESCRIZIONE STORICO - GEOGRAFICA AREA DI STUDIO
Lo studio, oggetto di questo lavoro, si è svolto interamente all’interno della provincia di  
Padova, coinvolgendo numerosi comuni limitrofi localizzati sui vicini Colli Euganei.
I Colli Euganei sono situati a nord di Este e Monselice, a sud-ovest di Padova e sono limitati a 
nord-ovest dai Monti Berici, che emergono dalla piana vicentina, piana di origine alluvionale 
che funge da naturale confine tra i due modesti rilievi.
La loro superficie è di poco superiore a 300 km2; la loro modesta altitudine è da ricercare in due 
cause principali: età e orogenesi.
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  Figura 1.1: localizzazione dei Colli Euganei
I Colli sono probabilmente sorti tra l’inizio del Paleogene (che va da 65 a 23 milioni di anni fa) 
e  la metà del Neogene (che va da 23 a 2 milioni di anni fa) quando ad un inarcamento del 
mantello della crosta terrestre ( che ne ha causato la fessurazione fino in superficie) hanno fatto 
seguito una serie di eruzioni magmatiche che hanno portato alla luce quantità rilevanti di rocce  
alcaline (ricche di sodio e potassio); dal loro successivo accumulo e raffreddamento sono sorti i 
primitivi rilievi, che a seguito poi di un’intensa opera di degrado atmosferico e di continua 
modellazione vulcanica (esplosioni e colate laviche) hanno dato vita alle odierne colline. Inoltre 
alla base delle antiche formazioni, i numerosi corsi d’acqua hanno contribuito, con la loro 
continua azione di scorrimento, allo spostamento di detriti lungo le insenature naturali.
Proprio l’origine vulcanica e la successiva erosione alluvionale, sono alla base della grande 
varietà orogenetica della zona, che in pochi chilometri quadrati di superficie annovera una 
quantità considerevole di famiglie geologiche diverse.
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L’attività vulcanica della zona è oggi ancora attiva; non sono più possibili fuoriuscite laviche 
ma permangono e proliferano numerose sorgenti termali e di vapori, che si originano per 
l’intenso riscaldamento che subiscono le acque più profonde che sono a contatto con le rocce 
intrusive presenti.
 Figura 1.2: localizzazione delle sorgenti termali 
CAPITOLO 2 : STRUTTURA DEL SISTEMA GPS
Il  sistema “NAVSTAR GPS”, acronimo di NAVigation Satellite Timing And Ranging  
( ovvero “satellite di navigazione con determinazione di tempo e distanza” ) Global Positioning 
System (ovvero “sistema di posizionamento globale”), è un sistema per il posizionamento di 
oggetti (anche in movimento) o punti della superficie terrestre. Il sistema è stato ideato per 
fornire informazioni in tempo reale, con qualsiasi condizione climatica, in modo continuo e in 
ogni parte del globo; si basa sulla ricezione a terra di segnali radio, emessi da satelliti attivi che 
si spostano in modo continuo, attorno alla Terra, lungo orbite predefinite. Il GPS è il risultato di 
una serie di progetti del DoD ( Department of Defence, Dipartimento della Difesa ) statunitense. 
Sviluppato quindi per la localizzazione di navi e aerei militari in tempo reale, il sistema fu ben 
presto reso utilizzabile anche agli utenti civili ( anche se le precisioni raggiunte vengono 
degradate da appositi errori introdotti dallo stesso dipartimento che gestisce il sistema: si parla 
di SA, Selective Availability ).
Il GPS, definito dal DoD come il sistema di posizionamento del nuovo millennio, sostituì il 
vecchio NAVSAT ( NAVigation SATellite sistem ) realizzato a metà degli anni sessanta dalla 
US Navy’s dell’esercito statunitense e più conosciuto con il nome di  TRANSIT.
Il sistema  TRANSIT è stato il primo sistema di posizionamento realizzato e come tale 
possedeva peculiarità presto ritenute sorpassate e migliorabili; il TRANSIT utilizzava lo 
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spostamento Doppler del segnale radio al passaggio del satellite: il sistema risultava macchinoso 
e necessitava di strumenti molto costosi, inoltre la bassa precisione del posizionamento (che si 
aggirava attorno ai 200 metri) e la non continuità del segnale trasmesso a terra, hanno fatto si 
che questo primitivo sistema fosse definitivamente dismesso nel 1996.
Nel  nuovo sistema studiato la misurazione dello spostamento Doppler venne sostituita dalla 
misurazione della distanza, in quanto molto più semplice, sia concettualmente che dal punto di 
vista realizzativo, la precisione venne notevolmente incrementata attraverso un aumento del 
numero di satelliti e ad uno studio della frequenza di trasmissione più idonea, la funzionalità fu 
estesa alle ventiquattro ore, consentendo di acquisire informazioni in ogni istante della giornata.
Il sistema GPS si compone di tre vettori o segmenti fondamentali in grado di comunicare fra di 
loro. Questi sono: il segmento spaziale, il segmento di controllo, il segmento utente. Il sistema 
GPS è utilizzato dagli utenti civili al livello di sevizio SPS (Standard Positioning Service, 
servizio di posizionamento standard), mentre le autorità militari hanno accesso al livello PPS  
( Precise Positioning Service, servizio di posizionamento preciso ).
 Figura 2.1: i tre segmenti del sistema GPS
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2.1 :   IL SEGMENTO SPAZIALE
Il segmento spaziale è costituito dai satelliti; il numero minimo per il funzionamento del sistema 
è di 24 satelliti operativi: il DoD dichiarò raggiunta la completa capacità operativa ( FOC: Full 
Operational Capability ) il 25 Aprile 1995. La costellazione attuale è però composta da 28
satelliti appartenenti ai blocchi II, IIA e IIR ( ve ne sono di più per il naturale reintegro). I 
satelliti operativi sono disposti su sei piani orbitali sfalsati di 60°  l’uno dall’altro e inclinati di 
55°  rispetto all’equatore terrestre. Su ogni piano orbitale sono distribuiti 4 satelliti; la distanza 
media superficie terrestre-satellite è di 20.200 km ( variabile tra i 20.169 e i 20.183 km), le 
orbite sono quasi circolari e il periodo orbitale di ciascun satellite è di 11 ore e 58 minuti locali 
( cioè 12 ore siderali). Ogni satellite compie perciò nell’arco di un giorno siderale, 23 ore e 56 
minuti locali, due orbite complete.
 
  Figura 2.2: la costellazione del sistema GPS
I satelliti sono stati lanciati in orbita in momenti successivi e in gruppi (o blocchi) aventi 
caratteristiche comunque molto simili gli uni agli altri. Sono stati lanciati nel corso degli anni 
satelliti appartenenti ai seguenti gruppi:
- Blocco I : lanciati negli anni 1978-85
- Blocco II : lanciati a partire dal 1989
- Blocco IIA : lanciati a partire dal 1990
- Blocco IIR : ( R sta per Replacements ovvero Sostituzione) sostituiscono il Blocco II
- Blocco IIF : lanciati a partire dall’Aprile 2001.
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  Figura 2.3 - 2.4: satelliti del sistema GPS
Ogni satellite ha con se a bordo un oscillatore atomico: particolarità di questi speciali orologi al 
Cesio o al Rubidio sono l’estrema stabilità di frequenza (  f/f = 10-12 – 10-13 ) e precisione. 
Scopo dell’orologio di bordo è garantire un continuo riferimento temporale.
Un satellite ha una vita utile stimata di circa 7 anni.
Le funzioni principali dei satelliti sono:
� trasmettere informazioni agli utilizzatori mediante un segnale radio;
� mantenere un riferimento di tempo accurato, grazie agli orologi di bordo;
� ricevere e memorizzare informazioni dal segmento di controllo;
� eseguire manovre e correzioni d’orbita.
Ogni satellite è identificato tramite una serie di codici, che sono:
-  il numero d’ordine di lancio 
- il codice PRN (Pseudorandom Noise), che identifica quale dei 37 segmenti di codice P é  
utilizzato da ciascun satellite
- il numero del satellite, SVN
-  la data di lancio 
-  il tipo di orologio installato a bordo 
- il piano orbitale su cui si trova 
-  il file di identificazione della NASA.