il G.P.S. ed ilposizionamento satellitareposizionamento satellitare

il GPS è un sistema ideato nel 1974ad opera del Ministero della Difesa statunitense, la cui realizzazione è iniziata nel 1978 e terminata, nella

configurazione attuale, nel 1994. La sua funzione è quella di fornire in

G.P.S. = Global Positioning System

sua funzione è quella di fornire in qualsiasi momento e praticamente ovunque sulla Terra la posizione di

un determinato punto in cui è localizzato un ricevitore idoneo.

Il sistema di posizionamento satellitare ha innumerevoli campi di applicazione. Qui ne ricordiamo alcuni:

• necessità militari (è nato per questo);

• ingegneria e pianificazione ambientale (piattaforme marine ecc.);

Impieghi del G.P.S.

• rilievi speditivi di campagna (pozzi, sondaggi, ecc.);

• guida assistita e computer di bordo sulle automobili;

• controllo delle flotte

• protezione civile;

• …

Gli elementi del G.P.S.

Il sistema è costituito da tre parti:

• segmento spaziale

• segmento di controllo

• segmento dei ricevitori

•Il segmento spaziale è costituito da una costellazione di 24 satelliti distribuiti su 6 orbite intorno alla terra ad una quota di circa 20.200 km;

•Ciascun satellite impiega 12 ore per compiere una intera orbita;

Segmento spaziale

intera orbita;

•La loro posizione relativa è tale che da qualsiasi parte della Terra ne siano “visibili” almeno quattro-sei;

•Ogni satellite è dotato di un orologio di elevatissima precisione.

Segmento spaziale

Il controllo a terra è costituito da alcune stazioni di rilevazione e monitoraggio situate nell’Oceano Pacifico, nell’Oceano Atlantico, nell’Oceano Indiano ed in Colorado.

Segmento di controllo

Questi punti di osservazione hanno lo scopo di verificare le condizioni e le posizioni effettive di ciascun satellite controllandone l’orbita ricavandone tabulati di correzione.

Segmento di controllo

Gli strumenti per la rilevazione della posizione di un certo punto sulla Terra hanno diverse configurazioni, scopi e dimensioni (possono essere anche più piccoli di un telefono cellulare).

I ricevitori sono costituiti almeno da un’antenna

Segmento dei ricevitori

I ricevitori sono costituiti almeno da un’antenna ricevente, un alimentatore ed un piccolo processore per far girare il software di “triangolazione” dei dati ricevuti.

Non sempre sono dotati di display per la visualizzazione e di memorie di massa per l’archiviazione delle coordinate calcolate. In tal caso sono collegati a PC od altre strumentazioni più complesse.

Segmento dei ricevitori

ROVER

BASE (strumento GPS per indaginitopografiche di precisione)

Segmento dei ricevitori

ROVERprecisione)

Segmento dei ricevitori

Stazioni permanenti

Il sistema è basato sulla misura del tempo impiegato da un segnale radio in banda L (onde elettromagnetiche) inviato dal satellite per raggiungere il ricevitore.

Conoscendo perfettamente dove si trova quel satellite nella sua orbita (nota dai tabulati delle effemeridi) in quella esatta frazione di secondo, è possibile calcolare la distanza che intercorre tra il satellite ed il

Principio di funzionamento (1)

è possibile calcolare la distanza che intercorre tra il satellite ed il ricevitore.

Dato che in contemporanea il ricevitore può “vedere” almeno quattro satelliti , è possibile determinare le distanze da ciascuno di essi.

Ecco determinate le coordinate del punto in cui si trova quel ricevitore GPS. E’ come se fosse il punto di intersezione tra 4 sfere di raggio noto.

Ciascun satellite invia il proprio codice identificativo (nome) e trasmette due segnali a diversa frequenza:

L1 (1575.42 MHz) ed L2 (1227.60 MHz).

La banda L1 viene modulata con due segnali:

Principio di funzionamento (2)

“P code” e “C/A code”

La banda L2 porta solo il segnale “P”.

I ricevitori di navigazione ricevono solo il codice C/A (coarse acquisition) sulla frequenza L1, mentre quelli più precisi (ma anche più costosi) rilevano anche il codice P e la frequenza L2.

La precisione del posizionamento può andare all’atto pratico da alcunimetri (3-10) fino a pochi centimetri .

Gli errori possono derivare da: imprecisioni nel clock, errata definizionedelle effemeridi, variabilità dell’atmosfera e della ionosfera (questidifficilmente valutabili), disponibilità selettiva (eliminata

Precisione del dato

difficilmente valutabili), disponibilità selettiva (eliminatadall’amministrazione Clinton nel 2000), Anti Spoofing (A-S, codice Pcriptato per usi militari)

I ricevitori di migliore qualità permettono di combinare i dati ottenuti da entrambe le frequenze L1 e L2.

Ma in tale caso si parla non di strumenti di navigazione ma di strumenti topografici (con questi si ottengono precisioni submetriche).

Gran parte degli errori che influiscono sulla misurazione della posizione dei satelliti èeliminabile usando la misurazione differenziale .

In questa tecnica i dati vengono registrati contemporaneamente da due ricevitori, uno deiquali è la stazione di riferimento (base ) con coordinate note.

La base individua la differenza esistente tra i valori di posizione dati dal sistema GPS e le

La correzione differenziale (DGPS)

La base individua la differenza esistente tra i valori di posizione dati dal sistema GPS e lecoordinate note. Questo scostamento viene utilizzato (o in tempo reale o in post-processing) per correggere le misure della stazione in movimento (rover ).

Con la DGPS la precisione passa da

5-20 m a 2-5 m.

La correzione differenziale (DGPS)

La DGPS può essere effettuata utilizzando anche

stazioni permanenti (Agenzia Spaziale Italiana, TIM, ecc.).

Rete TIM

• Navigazione semplice

• Rilievo GPS cinematico

Tecniche di rilievo GPS

• Metodo cinematico RTK

• Rilievo GPS statico

Navigazione semplice

E’ la tecnica più semplice utilizzata dai ricevitori GPS per fornireistantaneamente la posizione di un punto. La precisione media è di circa 5-20metri.

Alcuni ricevitori GPS portatili possono essere associati a correzionedifferenziale in post-processing.

Tecniche di rilievo GPS

Utilizza un solo strumento (anche molto semplice e poco costoso) che aggiornacontinuamente la posizione.

E’ una tecnica che può essere utilizzata anche per rilievi forestali, geologici, ecc.

Non è adatta a rilievi topografici e di precisione

Per cercare di limitare al massimo gli errori di rilevazione delle coordinate di un punto, in special modo con quelli di navigazione, si forniscono i seguenti suggerimenti:

• tenere sempre l’antenna il più possibile orizzontale;

• effettuare le rilevazioni ponendo il ricevitore il più possibile lontano

Consigli e suggerimenti per rilievo a navigazione s emplice

• effettuare le rilevazioni ponendo il ricevitore il più possibile lontano

da ostacoli quali tettoie e muri laterali in modo che possa ricevere il

segnale scrutando la sfera celeste per 360°;

• ogni volta che si riaccende dopo un periodo di inutilizzo tenerlo acceso

e fermo nella stesso punto per alcuni minuti;

• memorizzare le coordinate solo quando il segnale risulta soddisfacente.

I rilevatori GPS detti di “navigazione” hanno tre gruppi di dati o, per meglio dire, le coordinate dei punti vengono memorizzate secondo tre tipologie perché diverso è il loro impiego:

• Waypoints

sono punti di passaggio di interesse che l’utente volontariamente memorizza (punti notevoli)

I dati memorizzati

sono punti di passaggio di interesse che l’utente volontariamente memorizza (punti notevoli)

• Tracks

è l’elenco dei punti acquisiti automaticamente dal sensore nell’arco di tempo per il quale è stato acceso

• Routes

rappresenta un insieme di waypoints per poter ripercorrere un certo tragitto.

Rilievo GPS cinematico

Il GPS cinematico consiste nel tenere fisso uno dei due ricevitori (base ) su un punto noto e neltrasportare il secondo (rover ) sui punti da determinare, seguendo un certo percorso con continuità dimovimento ed eseguendo determinazioni di posizione a intervalli di tempo regolari e di pochi minuti

Utilizzato per rilievi di dettaglio , acquisire coordinate di molti punti in rapida successione.

Tecniche di rilievo GPS

Rilievo GPS cinematico RTK (Real Time Kinematic)

Utilizzato per applicazioni simili a quelle indicate per il metodo cinematico.Differisce dal metodo cinematico standard perché il dato fornito non necessitadi elaborazione (e correzione differenziale) in “post-processing”, ma èdisponibile e fruibile in tempo reale.

Tecniche di rilievo GPS

Rilievo GPS statico

È una metodologia di rilievo che consistenell’eseguire sessioni di misura di una certa durata(in media 60’) con 2 ricevitori fissi posizionati sudue punti da determinare.Dei 2 ricevitori il primo (base ) è ubicato a coordinatenote. Il metodo consiste nella registrazionesimultanea dei dati da entrambe le stazioni (ogni 15,30° 60 secondi).

Tecniche di rilievo GPS

30° 60 secondi).Terminato il rilievo il rover viene disattivato espostato in un altro punto per una nuova misurazione

La modalità statica è quella caratterizzata dallamassima precisione dei risultati (anche sub-metrica).

Utilizzato per misure di lunghe distanze, retigeodetiche, studi sulle placche tettoniche, ecc.

Esiste una modalità di rilievo chiamata statico-rapidacon tempo di occupazione della stazione 2-20 minuti.

La posizione acquisita viene espressa in coordinate geografiche secondo il WGS84, quindi in latitudine e longitudine in gradi secondo l’ellissoide ed il datum universale.

Per ottenere le coordinate dello stesso punto espresse secondo una certa proiezione cartografica, come U.T.M. o Gauss Boaga, è necessario elaborare i

Formato dei dati

proiezione cartografica, come U.T.M. o Gauss Boaga, è necessario elaborare i dati ottenuti. L’elaborazione può esser fatta normalmente anche in tempo reale dai software presenti a bordo del ricevitore oppure da un PC a cui essi sono collegati.

Sarà così possibile avere l’Easting ed il Northing del punto espresso anche in metri.

I rilevatori GPS in commercio sono molteplici, così come le case produttrici. Ecco quindi che i protocolli di trasmissione dei dati tra i sensori ed i PC o Palmari a cui si collegano non sono sempre gli stessi.

Un protocollo ASCII universalmente usato esiste ed è il:

Scambio dei dati

NMEA-0183

NMEA deriva da National Marine Electronics Association e lo standard realizzato è un protocollo di comunicazione tra strumentazioni in ambito marino.

Altri protocolli sono proprietari e definiti dalle case produttrici (es. protocollo Garmin).

Scambio dei dati

Software di elaborazione/scaricamento dati