Introduzione al sistema GPS Corso GPS riservato ai soci

Agenda Generalità sul sistema GPS Principi di orientamento

Generalità sul sistema GPS

NAVSTAR GPS, a cosa serve Il NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) è un metodo di posizionamento basato sulla ricezione di segnali provenienti da satelliti artificiali in grado di fornire le coordinate in un sistema di riferimento geocentrico. I satelliti, le stazioni a terra ed i sistemi di ricezione per il posizionamento costituiscono un sistema di navigazione globale, continuo e tridimensionale, in grado cioè di fornire le coordinate geografiche, la velocità e la quota del ricevitore, in qualsiasi punto della terra e per l'intero arco delle 24 ore. Sviluppato negli USA dal DoD (Department of Defence) a partire dagli anni '70 Il sistema GPS permette, secondo la metodologia di trasmissione, di rilievo e di elaborazione dei dati una precisione compatibile con molteplici utilizzi civili quali: rilievi topografici, rilievi della posizione di mezzi in navigazione marittima, aerea o terrestre, fotogrammetria, monitoraggio delle deformazioni crostali, oltre a molte altre applicazioni attualmente in via di sviluppo. I satelliti in orbita trasmettono, oltre ad altre informazioni, i dati orbitali per calcolare la loro posizione (effemeridi), e un segnale di tempo molto preciso per stabilire l'istante esatto di inizio della trasmissione.

NAVSTAR GPS, come funziona Il ricevitore a terra misura il tempo di ricezione utilizzando un suo orologio interno sincronizzato con quello dei satelliti sul GPS-time (tempo del sistema), moltiplicando la differenza dei due valori di tempo per la velocità dell'onda elettromagnetica si ottiene la distanza tra satellite e ricevitore. Questa misura permette di individuare una superficie sferica di raggio uguale alla distanza misurata. Con l'osservazione di un secondo satellite si individuerà una seconda sfera che intersecherà la prima, l'intersezione tra le due superfici sferiche descritte dal segnale delimita un cerchio sulla cui circonferenza si trova il ricevitore. Una terza osservazione delimiterà una terza sfera che intersecherà le due precedenti in due punti; in questo caso, scartando la posizione non occupata dal GPS (che in genere risulta essere assurda), si può stimare la posizione del ricevitore. Per accrescere la precisione della misura (soprattutto per la misura dell'altezza sul livello del mare) si dovrà far ricorso ad un quarto satellite che, oltre a determinare univocamente la posizione del GPS su uno dei due punti individuati, servirà a correggere la sincronia dell'orologio del ricevitore (meno preciso di quello dei satelliti) diminuendo notevolmente l'errore sulla misura del tempo.

Perché è nato il GPS I tradizionali sistemi di radionavigazione (Loran, Omega, INS) riuscivano a coprire aree molto limitate di superficie terrestre. Le bussole inerziali comportano errori intrinseci di posizionamento molto elevati (decine di metri su 10 kilometri) Essendo gli aerei moderni molto veloci questi sistemi non erano indicati per supportarne la navigazione sulle lunghe distanze. Il Sistema Globale di Posizionamento (GPS) fu studiato combinando tecnologie spaziali e informatiche dando il via alla creazione di una rete di satelliti artificiali collegati a computer e orologi atomici. Il GPS può essere utilizzato tutto l'anno sia di giorno sia di notte e con qualsiasi condizione atmosferica. Il GPS ha il compito fondamentale di indicare la nostra posizione sulla superficie terrestre.

Come è fatto 1/2 Il sistema GPS è composto di tre sezioni chiamate usualmente segmenti: Segmento spaziale Costituito da 24 a 32 satelliti distribuiti su opportune orbite per coprire con il loro segnale l'intera superficie terrestre Segmento di controllo Costituito da 5 basi a terra per il monitoraggio dello stato di funzionamento dei satelliti e la predizione e modifica delle loro orbite Segmento di utilizzo Costituito dai ricevitori degli utenti sia militari che civili. Questa ultima distinzione si rende necessaria a causa del diverso livello di informazione (e quindi di precisione) fornito alle diverse categorie di utenti. I satelliti trasmettono i dati orbitali (almanacco e correzione delle effemeridi): L'almanacco si riferisce ad un’orbita ellittica e contiene i dati sulle orbite di tutti i satelliti della costellazione, viene aggiornato su periodi abbastanza lunghi e le piccole variazioni giornaliere sono trasmessi come tabelle di correzione delle effemeridi.

Come è fatto 2/2 I satelliti, lanciati dal 1978 ad oggi hanno caratteristiche tecniche diverse, il loro compito è fondamentalmente quello di mantenere e trasmettere un segnale di tempo molto preciso alle stazioni di monitoraggio e agli utilizzatori a terra, trasmettere i dati sulla loro posizione, ricevere e memorizzare le informazioni trasmesse dalle stazioni a terra, eseguire le manovre per il mantenimento dell'orbita o per il loro riposizionamento. I satelliti sono inseriti su orbite di eccentricità praticamente nulla a circa 20000 km di altezza; questo consente una maggiore stabilità dell'orbita e una maggiore copertura radio della superficie terrestre. Le orbite sono inclinate di 55° al nodo ascendente equatoriale e distanziate tra di loro di 60°, su ogni orbita ruotano 4 satelliti equidistanti con un periodo di circa 12 ore, tale configurazione consente la presenza sull'orizzonte di ogni utilizzatore di almeno 4 satelliti e il passaggio di ciascun satellite perlomeno una volta al giorno sul territorio degli Stati Uniti per le operazioni di trasmissione e controllo.

I satelliti GPS: sintesi 24 satelliti artificiali, giacenti a 4 a 4 sullo stesso piano orbitale Sei piani orbitali passanti per il centro della terra Orbita quasi circolare, Raggio 26.000 km (altitudine media 22.000 km) Periodo di circa 12 ore Massa di circa 8 tonnellate Non sono geo-stazionari, viaggiano a circa 4 km/s Quattro orologi atomici (due al cesio e due al rubidio) Pannelli solari Retrorazzi per eventuali manovre Visibilità di almeno quattro satelliti in ogni momento, in qualsiasi punto del globo

Principali dati trasmessi Semiasse maggiore Misura del semiasse maggiore dell'ellisse. Eccentricità dell'ellisse Indica il rapporto tra la semidistanza focale e il semiasse maggiore. Le orbite dei satelliti GPS sono quasi circolari i valori di eccentricità sono quindi prossimi allo zero. Inclinazione del piano orbitale Angolo tra il piano orbitale e il piano equatoriale compreso tra 0° e 180°. L'intersezione tra il piano orbitale e quello equatoriale individua la linea dei nodi. Ascensione Retta del Nodo Ascendente (RAAN) Il piano orbitale attraversa l'equatore in due punti opposti: il punto in cui il subsatellite lo attraversa, muovendosi da Sud verso Nord, è chiamato nodo ascendente, l'altro nodo discendente. Il RAAN ha valori compresi tra 0° e 360°. Argomento del perigeo Serve ad individuare l'orientamento degli assi dell'ellisse nel piano su cui giace. L'argomento del perigeo è compreso tra 0° e 360°. Anomalia Media (Mean Anomaly) Indica la posizione del satellite all'interno dell'orbita.

Operazioni GPS Le operazioni di controllo e riposizionamento dei satelliti, di elaborazione e di trasmissione dei dati e soprattutto di calcolo e regolazione dell'offset degli oscillatori vengono espletate dalle cinque stazioni a terra: Quattro per il monitoraggio (Kwajalein e Hawaii situate nel Pacifico, Ascension Island in Atlantico e Diego Garcia nell'Oceano Indiano) Una per il controllo (Colorado Springs - U.S.A.) – MCS (Master Control Station). I dati raccolti da ciascuna stazione vengono inviati a Colorado Springs che effettua una stima quotidiana dell'orbita e dell'offset d'orologio previsti per ciascun satellite ogni 24 ore e provvede ad inviare i dati ai satelliti, i quali li invieranno agli utenti durante la giornata successiva (Broadcast Ephemerides). Conseguentemente a queste operazioni i dati inviati dai satelliti agli utilizzatori (in tempo reale) sono il risultato di previsioni effettuate dalla rete di controllo anche 24 ore prima.

Impieghi civili del GPS Navigazione in terra, mare e cielo Rilievi topografici anche di alta precisione Rilievi cinematici (posizione e velocità) di alta precisione Tele-sorveglianza a scopo antifurto Monitoraggio delle deformazioni della crosta terrestre.

E i russi? GLONASS GLObalnaya NAviagatsinnaya Sputnikovaya Sistema Realizzato dalla Unione Sovietica contemporaneamente al GPS americano.

Generalità sul ricevitore Il ricevitore GPS è composto in linea di massima da quattro parti: il ricevitore vero e proprio, l'antenna, un microprocessore ed i dispositivi per l'introduzione e la visualizzazione dei dati. All'accensione il ricevitore seleziona almeno quattro satelliti che, in base ai dati contenuti nell'almanacco, risultano visibili e distribuiti su una geometria che consente il minimo errore possibile nella determinazione della posizione. Il ricevitore individua i segnali dei satelliti prescelti, decodifica i loro dati di navigazione e li immette in memoria, misura i ritardi dei segnali, calcola le distanze dei satelliti e il GPS-TIME (tempo di riferimento del sistema).

Precisione Posizionamento assoluto Posizionamento relativo Qualche decimetro per i ricevitori militari 10-12 metri per quelli disponibili in commercio per l’utenza civile. GPS su autoveicoli: propria posizione su una carta topografica Posizionamento relativo Per aumentare il grado di precisione (dell’ordine del centimetro o addirittura del millimetro) rete di ricevitori interconnessi tra loro di cui uno funge da punto di riferimento. elaborazione dei dati acquisiti, molto più complessa Buona geometria Cattiva geometria

EGNOS (European Geographic Navigation Overlay System) Serve a migliorare la precisione del rilevamento di posizione del ricevitore. Si tratta di un sistema basato su tre elementi: Una rete di satelliti geostazionari. Una rete di stazioni terrestri di elaborazione dei ritardi del segnale emesso dai satelliti GPS a causa della ionizzazione della troposfera. Le stazioni centrali di elaborazione dei dati.

Come funziona EGNOS Le stazioni a terra rilevano l'errore dei dati trasmessi dai satelliti GPS (che è imputabile in massima parte alla ionizzazione degli strati più bassi dell'atmosfera). Verificano la propria posizione, calcolata tramite i dati dei satelliti GPS, confrontando i dati ricevuti con quelli generati dal loro sistema, che sono basati sui dati delle orbite dei satelliti e sulla posizione certificata della stazione. Si crea una "rete" di punti attorno alla stazione per rilevare il margine di errore relativo a ciascuno di questi punti. Viene generato un "reticolo" di fattori di correzione molto fitto. I fattori di correzione vengono inviati ai satelliti EGNOS, ritrasmessi a terra utilizzando la frequenza GPS L1 e ricevuti dai terminali utente abilitati.

Attenzione! L'attivazione della correzione differenziale EGNOS affatica notevolmente il processore del GPS e riduce la durata delle batterie. La ricezione iniziale dei satelliti EGNOS richiede un periodo di circa 15 minuti con una vista del cielo decisamente libera e quanto più ampia possibile. I numeri dei satelliti WAAS/EGNOS sono quelli da 33 a 51. Nome Numero satellite Posizione Fornitore Note AOR-E 33 15.5°W Inmarsat EGNOS IND-W (IOR-W) 39 25°E ARTEMIS 37 21.5° ESA AOR-W 35 54°W WAAS (US) POR 47 178°W

Principi di orientamento

Sapersi Orientare e Navigare Significa che siamo in grado di determinare il luogo geografico in cui ci troviamo e quindi possiamo spostarci trovando e mantenendo la direzione desiderata.

Definizioni: Orientarsi e Navigare Orientarsi vuol dire stabilire sulla carta topografica, con la massima esattezza possibile, il punto in cui ci si trova ed essere in grado di orientare la carta stessa rispetto al Nord geografico. Navigare vuol dire tracciare sulla carta una rotta dal punto di stazionamento al punto d’arrivo desiderato e seguirla con la minima deriva possibile. Quindi sapersi orientare senza essere in grado di navigare è del pari inutile che avere a disposizione gli strumenti per navigare e non sapere dove ci si trova.

Individuare i punti cardinali Con il sole: piantate in terra un paletto e segnate con un sasso l’estremità della sua ombra. Dopo una ventina di minuti segnate con un altro sasso l’estremità della nuova ombra. La linea che unisce il primo al secondo sasso è la linea Ovest-Est; il Nord è perpendicolare. Durante l’anno ogni mattina il Sole sembra sorgere più o meno nella stessa direzione. Questa direzione indica l’Est o Oriente. Allo stesso modo la sera sembra calare in un punto opposto a dove sorge: si tratta dell’Ovest o Occidente. Nel suo movimento apparente il Sole “tocca” in un certo momento della giornata il punto più alto nel cielo, questo punto è il Sud o Mezzogiorno. Opposto al Sud sta il Nord o Settentrione. Il sole va sempre tenuto d'occhio per confermare la vostra direzione di marcia: se dirigete a NE, dopo pranzo dovete avere l'ombra a destra, se è a sinistra avete bevuto troppo “antigelo"...

Le Stelle Le stelle si spostano nel cielo cambiando la loro posizione con il trascorrere del tempo. L’unica a rimanere fissa è la Stella Polare che, essendo sopra il polo, indica sempre il nord (con una leggera tolleranza di circa un grado). Per poterla individuare, essendo poco luminosa, diventa utile conoscere le due costellazione vicine: l’Orsa Maggiore e Cassiopea. Anche Orione è utile soprattutto nelle zone tropicali poiché alle nostre latitudini è visibile solo in inverno (in estate è troppo bassa all’orizzonte). Nella zona tropicale la Stella Polare è visibile fino a circa 10° di latitudine a causa dell’elevato spessore atmosferico.

Orione Stella Polare

La Luna Osservando la luna è possibile individuare il Sud. Quando c’è la luna piena il Sud corrisponde al punto in cui una linea immaginaria, che la taglia perpendicolarmente all’orizzonte, tocca la terra. Durante le fasi di luna crescente o calante, il Sud corrisponde al punto sulla terra che incontra la linea immaginaria che unisce i due apici (superiore ed inferiore) in direzione dell’orizzonte.

Grazie per l’attenzione! Q&A Antico Proverbio Cinese: Chi domanda non sbaglia mai (*) (*) Cioè: chiedere è gratis, ma le risposte potrebbero essere costose …