Tutti sanno che cosa fa Non tutti sanno come funziona G.P.S. Tutti sanno che cosa fa Non tutti sanno come funziona Arf 1/06 agg.11/09

Global Positioning System ovvero Sistema di Posizionamento Globale Può fornire una risposta alle nostre domande: Dove siamo ? Dove siete ? Dove andiamo ? Arf 1/06 agg.11/09

Il sistema GPS è articolato su 24 satelliti più altri 3 di riserva, per un totale di 27 elementi distribuiti su sei piani orbitali ad un'altezza di 20.183 chilometri. Ogni satellite compie due rotazioni del pianeta al giorno. Le orbite dei satelliti sono state studiate in modo che in ogni momento ogni punto della terra venga visto da almeno 4 satelliti contemporaneamente. Il sistema è di proprietà del Governo degli Stati Uniti ed è gestito dal Ministero della Difesa che ne concede l’utilizzo gratuito in tutto il mondo per scopi civili. Oltre ai satelliti, ci sono anche 4 stazioni di controllo a terra che si occupano costantemente di verificare lo stato dei satelliti, di correggere i loro orologi atomici e la loro posizione orbitale. Senza queste stazioni terrestri il sistema non sarebbe in grado di funzionare. Arf 1/06 agg.11/09

Il ricevitore elabora i segnali inviati dai satelliti e li traduce in una posizione, espressa in latitudine (i paralleli, orizzontali sulla carta, orientati a Nord oppure a Sud) e longitudine (i meridiani, ovviamente verticali, orientati ad Est oppure Ovest), che può essere riportata su una cartina topografica per sapere dove siamo, dove siamo passati, e che direzione dobbiamo prendere per dirigerci verso un determinato punto. Anche se il formato del reticolo (Location Format) più usato e conosciuto è Latitudine/Longitudine, può capitare di doverlo cambiare per l'uso con altri sistemi di coordinate (Tabacco e Kompas ad esempio usano UTM/UPS). In ogni caso il reticolo di riferimento è riportato ai lati della cartina. Arf 1/06 agg.11/09

Ogni carta geografica inoltre ha bisogno di un modello matematico (Map Datum di riferimento) per cercare di approssimare la forma della terra dato che questa non è perfettamente sferica bensì ha la forma di un ellissoide. Normalmente viene utilizzato il Map Datum WGS84. Es. Aero Club Mantova = N45.06.00 - E10.45.16 (hddd°mm’ss”) oppure N45.06.000 - E10.45.266 (hddd°mm.mmm’) 32 T 638035.58 4995556.35 (UTM/UPS) Arf 1/06 agg.11/09

Il tutto è gestito dal DoD (Dipartimento della Difesa Americano) CHE COS' E' IL GPS Un sistema di posizionamento estremamente preciso - Creato e gestito dal Ministero della Difesa Americano - Nato per esigenze militari - Sviluppato in previsione delle potenziali applicazioni civili - Basato su una costellazione di satelliti artificiali  Il tutto è gestito dal DoD (Dipartimento della Difesa Americano) DATI STORICI DEL GPS Il sistema è in continua evoluzione dal 1973 - Il primo satellite è stato lanciato nel 1978 - La costellazione è stata ultimata nel1994 - Nel novembre 2009 (con 3 anni di ritardo) lancio del 1° satellite del blocco IIF il ritardo potrebbe mettere in serio pericolo l’affidabilità del sistema già dal 2010. - Una nuova generazione di satelliti (Blocco IIIA) rimpiazzeranno quelli del blocco I e II Arf 1/06 agg.11/09

QUANTO E' PRECISO? Dipende da alcune variabili -Tempo impiegato nella misura -Tipo di ricevitori utilizzati -Algoritmo di correzione applicato alle misure Da 30 a 100 metri    Per qualunque ricevitore utilizzato in modo autonomo Da 1 a 5 metri          Per ricevitori in modalità differenziale DGPS (WAAS – EGNOS) Precisione < 1 cm    Per i sistemi più sofisticati Egnos (European Geostationary Navigation Overlay System) è basato su 3 satelliti geostazionari e 35 stazioni terrestri ed è complementare al sistema GPS e al futuro GALILEO (l’alternativa europea al GPS che dovrebbe prendere il via nel 2013). Fino a pochi anni fa (2000 ?), il Ministero della Difesa degli Stai Uniti immetteva nella misurazione un “errore” variabile. In pratica veniva intenzionalmente modificata l'accuratezza dell'orologio a scapito della precisione della misurazione. I’errore era chiaramente immesso per motivi di sicurezza … ma ora è stato tolto. In tutti i casi gli Stati Uniti si riservano la proprietà del sistema e la possibilità di sospenderlo, anche selettivamente, sulle zone "non amichevoli". Arf 1/06 agg.11/09

COME FUNZIONA? -- La TRILATERAZIONE dai satelliti è la base del sistema GPS -- Il GPS misura la distanza dai satelliti conoscendo il tempo impiegato e la velocità del segnale -- Per poter misurare la distanza dai satelliti è necessario un ottimo orologio e un quarto satellite -- I satelliti trasmettono la loro posizione e conoscendone la distanza, è possibile calcolare la posizione del ricevitore -- Si analizzano infine i vari errori dovuti alla propagazione del segnale nell'atmosfera e alla geometria dei satelliti Arf 1/06 agg.11/09

La Trilaterazione La trilaterazione è il metodo usato per il calcolo effettivo della posizione. Vediamo come funziona nell'esempio seguente basato su un spazio bidimensionale per facilitarne la comprensione. Quello effettivo ovviamente lavora sullo spazio tridimensionale ed usa lo stesso concetto. Supponiamo di esserci persi e di voler capire qual'è la nostra posizione. Chiediamo aiuto ad un passante che ci dice "Ti trovi esattamente a 215 Km da Napoli". Possiamo rappresentare questa informazione nel modo seguente: Se Napoli è al centro, significa che possiamo essere su un qualsiasi punto della circonferenza visto che ogni punto si trova proprio a 215 Km. Arf 1/06 agg.11/09

Supponiamo di chiedere anche ad un altro passante che ci fornisce un seconda indicazione: "Ti trovi esattamente a 271 Km da Firenze". Rappresentando graficamente anche questa informazione avremo la seguente situazione Considerando le due informazioni, possiamo essere sicuri di essere in un punto che dista 271 Km da Firenze e 215 da Napoli. Come si vede nella figura, solo 2 punti (quelli cerchiati in blue) rispondono a queste caratteristiche. Per capire in quale dei due punti effettivamente mi trovo ho bisogno quindi di una terza informazione. Arf 1/06 agg.11/09

Incontro un terzo passante che mi dice "Ti trovi esattamente a 80 Km da Roma“ Posso a questo punto capire senza il minimo dubbio dove mi trovo, nell'unico punto al mondo che dista 271 Km da Firenze, 215 da Napoli e 80 da Roma Con la quarta informazione (satellite) passiamo poi in tridimensionale potendo stabilire anche l’altezza Arf 1/06 agg.11/09

Calcolo della distanza Riportando l'esempio precedente alla realtà, avremo in pratica un ricevitore GPS che riceve dai satelliti (min. 3 in bidimensionale e almeno 4 in tridimensionale ) la loro distanza con cui è in grado di ricavare la propria posizione. Il GPS riesce a comunicare con i satelliti analizzando le alte frequenze con cui essi trasmettono segnali a terra (le bande usate sono 1575.42 Mhz e 1227.60 Mhz). Per capire la distanza tra il receiver ed il satellite viene misurato il tempo che un segnale impiega per arrivare a terra. La cosa sembra semplice ma in realtà non lo è. Arf 1/06 agg.11/09

Ad un ora prestabilita (supponiamo le 12:00) il satellite genera un codice (detto pseudo random code) e lo invia sulla terra. Sempre alle 12:00 anche il receiver GPS genera lo stesso identico codice per cui, quando il segnale dal satellite arriva a terra e viene letto dal receiver, questo lo riconosce ed è in grado di misurare quanto tempo ha impiegato il segnale per arrivare. Moltiplicando il tempo per la velocità della luce (300.000 km/s) otterremo la distanza tra il satellite ed il receiver GPS. Facciamo due conti … i satelliti orbitano a 10.900 miglia (17.450 Km) di altezza, la luce e le onde radio viaggiano a 186.000 miglia (300.000 Km) al secondo … pertanto il segnale impiega circa 1/17 di secondo per arrivare da noi. Il calcolo matematico è ovviamente abbastanza semplice. Tutto quello che dobbiamo sapere è quando esattamente il segnale è partito dal satellite. E lo dobbiamo sapere con una precisione estrema visto che un solo millesimo di secondo di differenza potrebbe penalizzare la rilevazione con un errore nell’ordine dei 300 Km! Arf 1/06 agg.11/09

Per ottenere una precisione del genere, ogni satellite imbarca quattro costosissimi orologi atomici (del costo di circa 160.000 Euro), che sfruttano le oscillazioni degli atomi di cesio e rubidio e che garantiscono uno standard di precisione assoluto (addirittura la possibilità di errore è di un secondo ogni 30.000 anni). E' ovvio che in un sistema così preciso anche il receiver deve avere degli standard di un certo livello. Considerando che un ricevitore non può montare orologi atomici da 160.000 Euro, si è pensato di usare orologi capaci di mantenere un estrema precisione per brevi periodi che però nel tempo vanno spesso corretti sfruttando direttamente i segnali dei satelliti. Arf 1/06 agg.11/09

E’ altrettanto ovvio che il sistema necessita di un elevato livello di manutenzione. Ogni poche ore i satelliti debbono essere regolarmente "solleticati", come per il caricamento di dati, l’aggiustamento della posizione orbitale e la manutenzione degli orologi. Se il comparto terrestre interrompesse questa costante manutenzione, si afferma che il sistema "degenererebbe elegantemente" verso la completa inservibilità nell’arco di due settimane. Occasionalmente il satellite deve poi essere sottoposto a quanto viene detta un’"interruzione del momento". Ogni satellite imbarca una serie di giroscopi per la stabilizzazione. Nello spazio, queste ruote tendono ad accelerare e lo farebbero indefinitamente fino a disintegrarsi. Interrompendo l’alimentazione periodicamente si evita questa spiacevole situazione. Arf 1/06 agg.11/09

Applicazione Una volta che il GPS receiver ha effettuato i suoi calcoli, può determinare le seguenti informazioni: Longitudine Latitudine Altitudine Usando queste informazioni su una mappa (o GPS cartografici) è possibile capire perfettamente dove ci si trova, in quale città, in quale strada e perfino in quale senso di marcia si sta andando. Non a caso, una delle applicazioni più frequenti della tecnologia GPS è proprio nel campo della navigazione guidata. Viene ormai utilizzato normalmente sulle autovetture stradali così come nella nautica e persino nelle competizioni (come ad esempio la Parigi Dakar). Un altra applicazione del GPS è nella telesorveglianza, usata soprattutto a protezione dei TIR. Il TIR viene dotato di un ricevitore satellitare GPS (accuratamente nascosto) che ne determina istante per istante la posizione ritrasmettendola continuamente alla centrale operativa antirapina che ha il compito di verificarla e di gestire eventuali problemi. Arf 1/06 agg.11/09

Fondamentale è il sistema che usa il ricevitore per acquisire i dati Fondamentale è il sistema che usa il ricevitore per acquisire i dati. Ve ne sono di due tipi: multiplexing e parallelo. I ricevitori paralleli hanno diversi canali riceventi che lavorano in parallelo con il risultato che, se si perde la ricezione di un satellite, gli altri continuano ad essere disponibili per il calcolo della posizione mentre lo strumento fa la scansione per rilevare se vi sono ancora altri satelliti disponibili. Inoltre in questo tipo di terminali, oltre ai quattro satelliti usati per il fix, anche gli altri sono ascoltati al fine di ottenere una migliore determinazione della posizione. Allo stato attuale della tecnica, generalmente i ricevitori hanno otto oppure dodici canali, paralleli appunto. Al contrario, i ricevitori multiplexing possiedono un solo canale che fa continuamente la scansione delle frequenze utilizzate dai satelliti ed elabora i segnali "a pezzetti", soffermandosi su di un solo satellite per volta per ascoltare la sua stringa di dati. Su questo tipo di ricevitori l'acquisizione iniziale dei satelliti può essere molto lunga e, se uno dei satelliti utilizzati per la navigazione viene a mancare (ad esempio per un ostacolo, una montagna ecc.), l'unità impiega parecchio tempo prima di riacquisirne un altro in quanto ne usa sempre un massimo di quattro per calcolare la posizione, arrivando a non fornire fix attendibili per un certo tempo. Anche queste unità hanno quattro oppure otto "canali" (satelliti acquisibili), che comunque vengono ricevuti a turno dal ricevitore. Non si pensi comunque che siano da scartare a priori, il loro rapporto prezzo/qualità a volte è ottimo, e si comportano molto bene in mare, o in luoghi dove l'orizzonte è ampio e libero. Arf 1/06 agg.11/09

Ulteriori caratteristiche importanti sono la quantità di punti (waypoint), delle rotte (routes), e della lunghezza della traccia (track) memorizzabili nello strumento. La capacità di memoria varia tra i 250 ed i 1500 waypoint e tra 10 e 50 rotte, mentre per quanto riguarda i punti di track (la traccia del nostro passaggio) siamo attualmente attorno ai 2500 punti, con la possibilità di salvarli separatamente in 15 tracce. Arf 1/06 agg.11/09

Gli utilizzi fondamentali del GPS sono in pratica cinque: 1- quello ovvio della visualizzazione delle coordinate geografiche, 2- quello di guida, cioè immettendo prima di partire dei punti ai quali si vuole arrivare e comandando allo strumento di indicarci la navigazione verso di essi (funzione Goto). Questa funzione viene usata in maniera automatica dallo strumento quando impostiamo una rotta ripetendo il Goto per tutti i punti della rotta inseriti, 3- la funzione di registrazione del nostro percorso (track), per poi riportarlo sulla cartina e sapere con precisione dove si è passati, 4- la funzione tracback (indietro sulla traccia), che permette di tornare esattamente sui propri passi, 5- ed infine la funzione che, attivata dal tasto Mark, crea un waypoint con le coordinate del momento. Arf 1/06 agg.11/09

Multiplexing (8) 250wp 10(10)rotte 15 m. Garmin 55 AVD = Multiplexing (8) 250wp 10(10)rotte 15 m. Arf 1/06 agg.11/09

Parallelo (12) 1000wp 50(50)rotte 2500(15)tracce 3m. GPSmap 196 = Parallelo (12) 1000wp 50(50)rotte 2500(15)tracce 3m. Cartografico Arf 1/06 agg.11/09

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Non dobbiamo mai metterci nella condizione di dire: E’ tutto semplice, facile e preciso … ma ricordiamoci sempre che: Il GPS può spegnersi o perdere il segnale o essere disturbato da apparecchiature varie (non necessariamente militari) Il Governo Americano può in QUALSIASI momento immettere un errore o sospenderne il servizio Il GPS è certamente uno strumento molto preciso ma può anche, con molta precisione, … farci perdere. Non dobbiamo mai metterci nella condizione di dire: Arf 1/06 agg.11/09

… ma n’do sema ????????? Si va bèh … PORTIAMO SEMPRE CON NOI ANCHE CARTINA E BUSSOLA Arf 1/06 agg.11/09