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IL GPS (Global Position System)  "sistema di posizionamento globale" è un sistema di calcolo di coordinate terreno determinate attraverso l'utilizzo di satelliti.

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 

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 nel 1994

• Una nuova generazione di satelliti (Blocco IIR) sta rimpiazzando quelli del blocco I e II

• Il tutto è gestito dal DoD (Dipartimento della Difesa Americano)

IL sistema determina le coordinate di un punto partendo da una base nota.

Gli elementi di base sono 3: 

• ELEMENTO SPAZIALE; il satellite (sono 24, trasmettono agli operatori vari segnali ed hanno coordinate note in funzione di tempo e orbita).

• ELEMENTO DI CONTROLLO; composta da stazioni a terra che controllano e trasmettono dati ai satelliti (correzioni degli orologi, nuove effemeridi ovvero informazioni che consentono il computo della posizione del satellite in base alle stelle fisse, le effemeridi). Queste stazioni a terra sono di coordinate note e servono solo per apportare periodicamente le correzioni di posizione dei satelliti sopra descritte.

• ELEMENTO UTENTE; calcola la posizione del punto a terra da determinare con l'utilizzo di un'antenna (ricevitore) in base ai segnali ricevuti dai satelliti.

Per semplificare: l'utente utilizzerà solo due di questi tre elementi, l'elemento spaziale, il satellite (ne deve ricevere almeno quattro per risolvere le quattro incognite x, y, z, tempo) e l'elemento utente, il ricevitore.

Per aumentare la precisione si aggiungerà un ricevitore a terra fisso, posizionato su di un punto di coordinate note, che costituirà, assieme all'elemento spaziale, la base nota. 

IL SISTEMA GPS

GLI ELEMENTI BASE DEL GPS

Il sistema GPS è costituito da tre parti:

1.        Il segmento SPAZIALE

2.        Il segmento di CONTROLLO

3.        Il segmento UTENZA

Il segmento spaziale

1. 24 Satelliti orbitanti

2. Orbite circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale

3. 4 satelliti equidistanti su ogni piano orbitale

4. Orbite alte circa 20200 metri dal suolo, periodo di rivoluzione 11 ore 58 minuti (l'altezza fornisce maggiore precisione e sicurezza).

Il segmento di controllo

Quattro stazioni di monitoraggio a terra trasmettono le nuove effemeridi, la correzione per gli orologi, ecc.

1. Diego Garci

2. Ascention Island

3. Kwajalein

4. Hawaii

Il segmento utenza

Utilizzatori per applicazioni geodetiche e topografiche

STRUTTURA DEL SEGNALE

Due frequenze portanti in banda L:

L1 - 1575.42 Mhz

L2 - 1227.60 Mhz

Tre modulazioni (codici):

• Due codici per la determinazione della distanza

• Codice (C/A):     Solo su L1, freq. 1023 Mhz, lungh. (29.3m)

• Codice (P):         P1 su L1 e P2 su L2, freq. 10.23 Mhz lungh. (29.3m)

Un codice di messaggio (NAVDATA) su entrambe le frequenze:

QUANTO E' PRECISO?

Dipende da alcune variabili

• Tempo impiegato nella misura

• Tipo di ricevitori utilizzati

• Algoritmo di correzione applicato alle misure

• Da 20 a 100 metri    Per qualunque ricevitore utilizzato in modo autonomo

• Da 1 a 5 metri          Per ricevitori in modalità differenziale DGPS

• Intorno ai 2 metri   Utilizzando il sistema WAAS o EGNOS disponibili liberamente in Nord America (WAAS) ed in Europa (EGNOS) con qualsiasi ricevitore GPS che sia compatibile (ormai i nuovi GPS lo sono quasi tutti).

• Precisione < 1 cm    Per i sistemi più sofisticati

COME FUNZIONA IL SISTEMA GPS?

I 5 punti su cui si basa il sistema

• 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

TRILATERAZIONE CON IL GPS

Una sola misura di distanza da un punto (1 satellite) individua la nostra posizione ovunque sulla superficie di una sfera

Noi ci troviamo in un punto qualunque sulla superficie della sfera

L'intersezione di due sfere è una circonferenza

Una seconda misura indica la nostra posizione sull'intersezione di due sfere

Una terza misura individua solo due punti

Punti individuati dalla intersezione di due sfere

Una quarta misura toglie ogni dubbio

Quttaro misure identificano un solo punto

• In teoria tre misure sono sufficienti

• Uno dei due punti può essere eliminato perchè assurdo (si trova chissà dove nello spazio e si muove ad altissima velocità)

• Abbiamo comunque bisogno del quarto satellite perchè ci sono 4 incognite da risolvere:

1. Latitudine

2. Longitudine

3. Quota

4. TEMPO!

 

DISTANZA DAI SATELLITI

Misura della distanza da un satellite

• Si misura il tempo impiegato dal segnale a compiere il percorso Satellite-Ricevitore

• Si moltiplica il tempo impiegato per la velocità della luce:

• Tempo (sec) x 300.000 (km/s) = Distanza

• E' necessario sapere esattamente quando il segnale è stato trasmesso

• E' indispensabile avere un ottimo orologio

Come si fa a sapere quando il segnale è partito?

• Si usa lo stesso codice (sequenza di impulsi) sul satellite e sul ricevitore

• Si sincronizza l'orologio del ricevitore con quello dei satelliti

• In questo modo satelliti e ricevitori generano lo stesso codice nello stesso istante

• E' ora possibile comparare il codice ricevuto con quello generato e misurare la differenza di tempo tra i due (ovvero la differenza di tempo tra il momento di emissione del segnale e il momento di ricezione a terra)

L'IMPORTANZA DELL'OROLOGIO

• Per misurare la distanza Satellite-ricevitore è necessario un orologio estremamente preciso

• Assicura che i satelliti e i ricevitori siano sincronizzati

• I satelliti hanno più orologgi atomici a bordo

• Precisi, ma decisamente costosi

• Per i ricevitori è sufficiente un orologio stabile

• Grazie all'informazione del quarto satellite possiamo sincronizzare l'orologio del ricevitore e risolvere l'incognita TEMPO

Situazione con orologio impreciso

Posizione errata a causa dell'errore degli orologi

Tre misure con orologio impreciso

Posizione errata a causa dell'errore degli orologi

La terza misura non interseca le altre due nella stessa posizione

I SATELLITI

• Sono a circa 20.000 km di altezza

• Il satellite stesso trasmette la sua posizione a quella di tutti gli altri satelliti (almanacco)

• Orbita molto alta: rende il moto dei satelliti molto stabile e vi è assenza di attrito atmosferico

• Copertura terrestre

• Controllati dal DoD (Department of Defense)

• La loro orbita li porta sopra al territorio americano almeno una volta al giorno

• Il DoD trasmette le correzioni di orbita ai satelliti

ORIGINE DEGLI ERRORI

Il sistema GPS non lavora nel vuoto

• Ionosfera (80-500km)

Porzione dell'atmosfera densa di particelle cariche elettricamente, in grado di deviare le onde radio

• Troposfera (0-10km)

Porzione dell'atmosfera dove si creano i principali fenomeni metereologici

Caratterizzata da una forte presenza d'acqua, molto variabile da zona a zona

• Errori nell'orologio e nell'orbita dei satelliti

• Molto piccoli e principalmente corretti dal DoD

• Errori del ricevitore

• Problemi dovuti all'instabilità dell'oscillatore (orologio)

• Rumorosità nelle misure introdotta dal ricevitore stesso

• Multipath (percorsi multipli)

• Il segnale rimbalza su superfici riflettenti ed interferisce con il segnale diretto

• Ricevitori ed antenne di buona fattura sono in grado di ridurre il problema

• Dop (geometria dei satelliti: si veda sotto)

• La geometria dei satelliti influenza la precisione

Selective Availability (S/A)   "Attualmente disattivata dal DoD"

• Il governo Americano può introdurre un errore artificiale sull'orologio dei satelliti e sulla loro orbita per degradare la precisione del sistema:

• Impedisce a nazioni ostili di utilizzare il GPS per scopi militari

• Quando attivata, è la maggior fonte di errore

• L' S/A è la somma di due errori:

• Epsilon: maniolazione dei dati, le effemeridi vengono falsate (ogni ora)

• Dither: variazioni applicate ciclicamente agli orologi (ogni 4-15 minuti)

• Con una decisione inaspettata, che anticipa di anni (era previsto il 2006) quanto precedentemente annunciato dal DOD (Dipartimento della Difesa) e dalla  Presidenza degli Stati Uniti, il Presidente USA Bill Clinton ha ordinato che dalla mezzanotte del giorno 1 Maggio 2000 il disturbo alla precisione dei segnali GPS introdotto artificialmente dal DOD sia DISATTIVATO. Questa azione permette ai GPS di migliorare la precisione delle posizioni rilevate dagli attuali 100m verticali/150 orizzontali a circa 20 metri.

Geometria dei satelliti (DOP)

L'errore aumenta se i satelliti formano tra loro angoli acuti

E' espressa attraverso questi valori

Gdop - Geometric Diluition Of Precision

Pdop - Position Diluition Of Precision

Hdop - Horizontal Diluition Of Precision

Vdop - Vertical Diluition Of Precision

Edop - East Diluition Of Precision

Ndop - North Diluition Of Precision

Tdop - Time Diluition Of Precision

Gdop2= Pdop2+Tpod2

Pdop2= Hdop2+Vpod2

Hdop2= Edop2+Npod2

RIEPILOGO

Errori tipici:

• Orologio satellite 0.5 m

• Effemeridi 0.5 m

• Ricevitore 1.0 m

• Iono/troposfera 3.5 m

• Totale (rms) 5-10 m

Moltiplicando per l' HDOP si ha un errore di circa 8-30 m

Con S/A attiva 100 m

• La trilaterazione dai satelliti è la base del sistema GPS

• Il GPS misura la distanza dai satelliti utilizzando il segnale emesso che viaggia alla velocità della luce

• Per misurare la distanza dai satelliti è necessario un ottimo orologio e un quarto satellite

• Oltre alla misura della distanza è necessario conoscere la posizione dei satelliti

• Per il calcolo della posizione si analizzano i vari errori dovuti a ionosfera, troposfera e geometria dei satelliti

In conclusione, attualmente (con la S/A disattivata) la precisione orizzontale di un ricevitore GPS è di 20 metri circa per il 95% del tempo

Inoltre utilizzando il nuovo sistema EGNOS (attivo dal 1/aprile/2003) si raggiunge una precisione di ben 2 metri!!

Il GPS in topografia

Le fonti di errore influiscono in eguale misura su tutti i ricevitori che vedono gli stessi satelliti La posizione relativa di due o più ricevitori GPS può essere nota con grande precisione L'analisi dei segnali ricevuti contemporaneamente da 2 strumenti porta a precisioni anche di pchi millimetri Il GPS può misurare vettori di notevole lunghezza (anche centinaia di km) Funziona 24 ore al giorno e con qualsiasi condizione atmosferica Il GPS viene utilizzato in topografia perché non è richiesta l'intervisibilità dei punti da rilevare

La correzione Differenziale

• La registrazione dei dati in un punto è soggetta ad errori

• Ognuno di questi errori è identificato dall'ora GPS

• Nello stesso istante lo stesso errore agisce su tutti i ricevitori operanti nelle vicinanze

• Per eliminare gli errori viene utilizzata la misura differenziale DGPS

• Con il calcolo differenziale si eliminano gli errori che influenzano due misure fatte nello stesso periodo di tempo

• Il calcolo differenziale può essere effettuato:

1. a posteriori in "Post-processing"

2. immediatamente nella fase di misura in "Real time"

Alcuni considerazioni di topografia (ovvero come usare la carta)

File .zip con coordinatometri, compassi, calcolo di aree, griglie UTM

(Vi saranno utili per effettuare alcune operazioni che seguono)

Il GPS non serve a molto senza una carta topografica di riferimento, su cui riportare la nostra posizione. Certo, nei nuovi modelli è presente un database con le carte mondiali, ma i produttori stessi avvertono di usare tali "cartine digitali" solo come riferimento grossolano. Poiché la precisione è abbastanza approssimativa, e soprattutto la definizione e la ricchezza di particolari sono veramente "a grandi linee", generalmente limitata alle città alle strade importanti ed alle autostrade, fiumi, laghi, mari e ferrovie.
Per cui devo "obbligatoriamente" spiegarvi come eseguire alcune operazioni sulla carta: come fare il punto, orientare la carta, e ricavare un azimut. Vi sarà utile se non potete o non volete usare un PC per visualizzare la carta.

Come orientare la carta

Basta far coincidere il bordo esterno Nord-Sud della carta topografica con la direzione Nord-Sud data dalla bussola (corretta con la declinazione, ove sia rilevante) in modo da orientare la cartina (vedi figura a lato).

Come settare il vostro GPS

A questo punto vorrete sapere dove siete, altra cosa discretamente importante…per cui accendete il GPS e, mentre questo fa il fix (il punto) aprite la carta del luogo in cui siete ed orientatela con la bussola.
Osservatela bene: lungo un lato troverete sicuramente la legenda con i segni convenzionali, il quadro d'insieme e i dati caratteristici della carta: sono questi ultimi che ci interessano, in particolare il formato della posizione (position format) ed i dati della proiezione della carta (map datum). Il formato della posizione è il parametro che viene usato per rappresentare la longitudine e la latitudine, ed il Sistema UTM (proiezione Universale Traversa di Mercatore) è lo standard mondiale per la rappresentazione delle carte topografiche insieme al classico gradi/minuti/secondi. Il formato dei dati della carta invece è una cosa un po' più difficile da comprendere: la proiezione della superficie intera del pianeta è per forza di cose troppo approssimativa per le piccole distanze, in quanto la forma della Terra assomiglia più ad una patata che alla sfera schiacciata che ci fanno sempre vedere, per cui si usano dei dati più particolari per le piccole porzioni di territorio, ed in Europa lo standard è appunto quello riferito al formato Europa1950. Ricordate che questi formati sono sempre riportati sul margine della carta che intendete utilizzare, e che se cambiate carta dovrete controllarli per essere sicuri. In Italia l'IGM usa appunto il sistema UTM con i dati Europa1950. Come riferimento (default), tutte le unità GPS usano il WGS84 (World Geografic Standard 1984) per il formato dei dati. Questo è un formato particolare, l'unico usato come standard mondiale.

Quindi, ricapitolando, dovete inserire nella pagina di sistema del vostro gps il map datum ed il position format che compare nella vostra cartina. Se non conoscete il position format della vostra cartina utilizzate il WGS84: commetterete sempre un errore, ma più piccolo che con altri formati.

Come riportare la posizione sulla carta

Nella pagina di posizione del GPS troverete le coordinate della vostra posizione pronte per essere riportata sulla carta. Ecco come si fa: vi appariranno due gruppi di cifre, ad esempio

N  41° 56' 49.6''
E 012° 34' 23.3''
La prima riga identifica la coordinata verticale, o parallelo o ancora latitudine, mentre la seconda riga descrive la coordinata orizzontale, la longitudine o meridiano. Il riferimento, lo zero, è l'equatore per i paralleli e il meridiano di Greenwich per i meridiani, e le cifre indicano in gradi l'angolo relativo da questi riferimenti.
Se invece usate il reticolato UTM, vi apparirà qualcosa come

33T 0298830
       4646912

Qui bisogna fare una premessa. Il sistema UTM suddivide il mondo in zone (vedi immagine sopra), ogni zona è identificata da un numero ed una lettera, nel caso del nostro esempio 33T che viene chiamata Fuso. Il numero del fuso è sempre riportato a bordo carta. La prima riga identifica il meridiano ed è riferita ad Est, mentre la seconda il parallelo ed è riferita a Nord.

Ora vi spiego come riportare la posizione in gradi e minuti, poi pensiamo ad UTM. Allora: (considerando l'esempio fatto sopra) trovate il parallelo orizzontale con la cifra 41, poi trovate il meridiano verticale con la cifra 12. Dal parallelo 41 dovete salire verso Nord di 56 primi, cioè quasi un grado. Dal meridiano 12 dovete andare ad Est di 34 primi, poco più di mezzo grado. E' un po' come la battaglia navale che facevate a scuola sottobanco…a questo punto dovreste essere in grado di vedere la vostra posizione sulla carta, o almeno la zona dove siete (vedi immagine di lato). Per avere la posizione in maniera ancora più precisa, dovrete usare un coordinatometro (un righello che ha come unità di misura i sottomultipli del grado), il problema è che non è facile trovarne in commercio per tutte le carte, ma è facile costruirsene uno. Da QUI potete scaricare in formato PDF dei coordinatometri che potrete stampare su lucido ed utilizzare per i rilevamenti della posizione.

Se invece la vostra mappa riporta un reticolato UTM, siete grandemente facilitati, in quanto questo reticolato è chilometrico, e per cui le cifre che vedete non sono altro che la distanza in metri rispettivamente dal meridiano centrale del fuso UTM per la prima cifra (con l'aggiunta di una cifra chiamata Falso Est, fissata per convenzione in 500.000, che serve ad evitare i numeri negativi che verrebbero a crearsi nelle posizioni ad Ovest del meridiano centrale del fuso), e dall'equatore per la seconda cifra. Identificate per cui il meridiano che riporta la cifra 29, poi il parallelo che riporta la cifra 464. Prendete una squadra, e tracciate una riga (a matita!) 8 centimetri, 8 millimetri e tre decimi (se ci riuscite) ad Est del meridiano 29 ed a lui parallela. Poi tracciatene un'altra a Nord del parallelo 464, esattamente 6 centimetri, 9 millimetri e dodici centesimi. All'incrocio delle due righe avrete la vostra posizione, al massimo dell'approssimazione possibile. Naturalmente questi settaggi valgono per una carta in scala 1:100.000, in caso di altra scala vanno adeguati. Nelle carta IGM, comunque, è sempre presente un coordinatometro in scala adeguata, purtroppo non utilizzabile per le carte in gradi/minuti/secondi.

La posizione approssimativa si ricava anche solo guardando la mappa ed il GPS, senza righe o squadre. Essenziale, lo ripeto, settare lo strumento in maniera consona alla carta che andate ad usare, altrimenti l'errore può anche essere dell'ordine di qualche chilometro. Fate delle prove con una carta in scala 1:25.000 di una zona che conoscete molto bene, così potete sapere dove siete anche solo leggendo la carta, orientatela e fate il fix con il GPS e vedete se è tutto giusto. Dovreste avere una precisione notevole, circa una decina di metri (!). Ora spostatevi (non di molto, qualche centinaio di metri) e riprendete il punto-carta, potrete vedere il track del GPS dal primo punto a dove siete ora, riportarlo sulla carta e ripetere i rilevamenti.
Se avete un errore maggiore, controllate i settaggi del vostro GPS: sicuramente avete confuso qualcosa nell'impostazione dei Map Datum.

Database delle coordinate di 561 città italiane (zip 21 Kb)

Database delle coordinate di 85313 città di tutto il mondo (zip 2843 Kb)

  Materiale prelevato da www.avventurosamente.it