Sistema innovativo e a basso costo per la geolocalizzazione di treni regionali e locali

Metodologia per la sperimentazione di un sistema GPS per la localizzazione di treni in tratte tecnologicamente meno assistite

1. Introduzione
In Europa, l'attuale sviluppo delle tecnologie innovative satellitari per il segnalamento ferroviario si basa sullo standard ERTMS-ETCS (European Railway Traffic Management System / European Train Control System). In Italia, RFI sta sperimentando tecnologie satellitari per diversi scopi, come nel caso del progetto 3InSat; per migliorare le ferrovie regionali e locali. L'ERTMS/ETCS è stato progettato per realizzare il controllo della marcia del treno rispetto ai vincoli imposti dall'infrastruttura ferroviaria e dalla circolazione di altri treni. Questo sistema innovativo è stato progettato su scala europea allo scopo di sostituire la serie di sistemi di sicurezza e controllo della circolazione che ora sono presenti nelle diverse ferrovie europee. In particolare, l'ERTMS svolge un ruolo importante per ridurre i costi operativi di gestione, implementazione e di manutenzione, perché viene ridotta la tecnologia installata a terra lungo linea. Più precisamente, il sistema di localizzazione satellitare di bordo deve determinare la posizione del treno in specifici punti predefiniti della traccia in modo da compensare l'errore, che in questo caso è definito come il RMSE. Inoltre, la disponibilità e la continuità del segnale satellitare deve essere integrata con la misurazione puntuale fornita dalle Eurobalise.

Il lavoro è organizzato in quattro paragrafi oltre all’Introduzione. Il secondo paragrafo descrive l’architettura del sistema e la metodologia. Il terzo paragrafo descrive nel dettaglio il sito prova in Sardegna. I dati utilizzati e i principali risultati dell’analisi sono contenuti nel quarto paragrafo. Il paragrafo conclusivo riassume i principali risultati del lavoro e presenta gli sviluppi futuri possibili.

2. L’architettura del sistema (Schematizzazione del sistema)
Il progetto ERSAT (ERTMS +SATELLITE), co-finanziato dalla Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA), è stato lanciato al fine di ottenere una certificazione per l'ERTMS e le telecomunicazioni (wireless).
Tale progetto rappresenta un'opportunità stimolante per collegare EGNOS e ERTMS e per certificare un sistema che rispetta le norme CENELEC (EN 50126 - RAMS, EN 50129, etc.). La figura 1 riporta l’architettura del sito prova in Sardegna. Cinque sono gli elementi meritevoli di nota:

1) la linea ferroviaria: Cagliari - S. Gavino, che è di circa 50 km;
2) due stazioni di riferimento locali (LRS 1 e LRS 2), che si trovano nelle stazioni ferroviarie di
Samassi e Decimomannu;
3) l'algoritmo TALS (Track Augmentation Local Server), disponibile su una piattaforma PC, che si trova nel posto centrale di controllo della stazione ferroviaria di Cagliari;
4) la comunicazione tra TALS e LRSs, che utilizza RFI SDH;
5) la rete di comunicazione radio.

Si noti, inoltre, che il TALS deve essere collegato via Ethernet Link alla radio di comunicazione di una rete pubblica per mezzo di una vera e propria TLC Gateway.



Figura 1 - Architettura sito prova Sardegna

La metodologia di valutazione sviluppata e gli strumenti
Per valutare e confrontare le prestazioni della localizzazione del treno eseguita con un ricevitore GPS a basso costo, LDS-OBU, con quella ottenuta da un ricevitore RTK che include le correzioni RTK, è stato sviluppato un approccio specifico. Le correzioni RTK sono state fornite dalle stazioni di riferimento posizionate lungo il sito di prova in Sardegna; i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ottenuti da studi analoghi condotti da Ansaldo STS.

3. Approccio utilizzato
In questo lavoro, sono state utilizzate le seguenti reti RTK: i) NetGEO (TOPCON); ii) ItalPos (Leica Geosystem). In particolare, le stazioni RTK utilizzate sono state:

  • ItalPos Stazione RTK - Cagliari (solo GPS);
  • Arbus (solo GPS ) - Senorbi (solo GPS);
  • NetGeo Stazione RTK: Sanluri, Soleminis.

I dati RTK sono stati scaricati in formato Rinex ed il Ground Truth è stato sviluppato utilizzando una post – elaborazione off-line. I dati sono stati memorizzati su un file in formato binario e convertiti off-line in formato testuale utilizzando il tool proprietario “Septentrio Converter”.
Come primo passo, i dati ottenuti dal ricevitore GPS - 'Septentrio' AsteRx 3 - sono stati raccolti in formato SBF (cioè Formato Binario Septentrio). Poi, questi dati sono stati convertiti nel formato RINEX, il formato standard, utilizzando uno specifico tool di conversione proprietario, cioè il convertitore SBF. Il passo successivo è stato quello di scaricare le correzioni RTK dalle stazioni di Arbus da applicare alle rispettive osservazioni GPS. Nella presente analisi, è stato utilizzato il software open source RTKLib. Il Ground Truth è stato considerato come dato corretto o di riferimento. Successivamente è stata effettuata una conversione in coordinate piane, tramite Matlab®, ottenuta utilizzando le informazioni dei dati relativi alla latitudine, longitudine e altitudine. Questo permette di passare dalle coordinate geografiche alle coordinate piane: pertanto, è stato possibile utilizzare i dati in ambiente Matlab® mediante l’utilizzo del tool di conversione di dati.
Infine, è stato calcolato un indice di performance basato sull’'errore quadratico medio (RMSE) al fine di confrontare il Ground Truth (il riferimento) con i dati ottenuti dal ricevitore LDS-OBU. Interessante notare che, quest'ultimo è un ricevitore GPS che mostra qualità inferiori rispetto al Septentrio. L’elaborazione dei dati è stata fatta dopo l’interpolazione ed il ricampionamento dei dati, in modo da ottenere dei vettori con lo stesso numero di elementi: sono stati utilizzati Interpolation and Re-sampling Tool. Infine, il calcolo dell’indice di performance è stato ottenuto dal RMSE tool.

Trasformazione dati da SBF a RINEX
La trasformazione dei dati dal formato binario Septentrio al formato RINEX è obbligatorio, al fine di studiare ed analizzare i dati. Tale trasformazione è stata eseguita utilizzando il tool Septentrio SBF Converter.

Post-elaborazione con RTKlib
Dal dato grezzo GNSS, è possibile eseguire un’analisi in tempo reale ed in post-elaborazione, al fine di determinare la localizzazione ad alta precisione. Con l'adozione di ricevitori ed antenne professionali di alta qualità può essere raggiunta un’elevata accuratezza (del centimetro). In questo caso, RTKlib è stato utilizzato in post-elaborazione per correggere il segnale fornito dal Septentrio mediante correzioni RTK. Di conseguenza, l'immagine della traiettoria può essere direttamente visualizzata.

Generazione del Ground-Truth
Il Ground Truth è stato ottenuto attraverso una post-elaborazione off-line. Più precisamente, è stato calcolato utilizzando il software RTKlib come discusso nella sezione precedente.
Per confrontare i dati ottenuti dai due ricevitori, è stato attivato un processo di trasformazione utilizzando un algoritmo in MATLAB, in particolare sfruttando la specifica funzione ‘lla2flat’. I dati importati sono stati organizzati in 15 colonne che riportavano alcune informazioni, come il tempo (l’ora), la data, la latitudine, la longitudine, l’altitudine, il numero di satelliti visibili, e le diverse deviazioni standard. Solo le informazioni relative alla latitudine, longitudine ed altitudine sono state prese in considerazione come richiesto dal processo di trasformazione dati.
 

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