Introduzione ai sistemi GPS

08 di Aprile, 2021 - Tecnologie - Commento -

a cura di Leonardo Barcaroli

Introduzione ai sistemi GPS

Con questo primo articolo cercheremo di avvicinarci al complesso ma affascinante mondo dei sistemi di posizionamento globale, anche conosciuti come GPS. Lo faremo in maniera semplice e progressiva, in Tre Tappe. Comprenderemo la logica di funzionamento, poi daremo un rapido sguardo alla componente tecnologica ed infine ci soffermeremo su alcune delle innumerevoli ed utilissime applicazioni. Cercheremo anche di affrontare questo breve percorso in modo interattivo, ci porremo domande dopo ogni passo nodale ed inviterò il lettore a dare le proprie risposte autonomamente in base a quanto appena letto. Quindi cercate di rispondere senza leggere la risposta appena sotto la domanda.


Cosa è il GPS, come funziona

L’inizialismo GPS, che quindi non è un acronimo come molti pensano, sta ad indicare il cosiddetto Global Positioning System; ovvero il Sistema Globale di Posizionamento. Ma cos’è un Sistema Globale di Posizionamento? Andiamo per gradi e cerchiamo di capire la logica che c’è dietro, avvicinandoci prima al funzionamento e poi alla vera e propria struttura o matrice tecnologica.

Il GPS è un Sistema di Telecomunicazioni Satellitare che rende possibile determinare con una certa precisione, la posizione e il Tempo di un dispositivo (detto ricevitore), ovunque sulla Terra in ogni condizione metereologica. Il Sistema GPS è in grado anche di dare informazioni sulla quota (altitudine) ma con un grado di approssimazione nell’ordine dei 50mt. Motivo per cui, in alcune applicazioni, si rende necessario affiancare al GPS un altimetro di tipo barometrico per esempio.


Fonte: https://www.abc.net.au/


Domanda 1: È utile avere una precisa posizione altimetrica in Mare? Perché?

Eh già, dal momento che il livello del mare può essere utilizzato come zero altimetrico per la determinazione delle altitudini. Ne consegue che chi si trova in Mare (più precisamente sul Mare) … il più delle volte non ha bisogno di un GPS con un sistema integrato di misurazione altimetrica così preciso.

Vediamo ora cosa si intende per “determinazione della posizione e del tempo” di un ricevitore in un dato istante. La posizione di un dato punto sulla superficie Terrestre viene indicata con le Coordinate Geografiche, ovvero l’Altitudine e la Longitudine (Geodesia). Il Tempo, invece, è il momento (l’ora precisa) nella quale viene raccolta la misura della posizione. Il Sistema GPS ci dà appunto queste tre misure. Facciamo subito un esempio, determiniamo la posizione del Faro Rosso del Porto di Terracina, ovvero prendiamone latitudine, longitudine e tempo: 41.28250114208998N°, 13.260643917217482E°, tempo (decidete voi l’ora). Ora ipotizziamo essere lì vicino al Faro, con il nostro Smartphone con il GPS attivo, e di passeggiare allontanandoci dallo stesso.

Domanda 2: Se prendiamo la posizione del faro e del nostro Smartphone ogni 5 secondi, Cosa noteremo?

Eh già, la Lat e la Long del Faro rimangono fisse, mentre quella del mio Smartphone no.

In sostanza abbiamo già compreso come funziona un GPS. Ma proviamo comunque a ricapitolare:

abbiamo capito che il GPS è un sistema di posizionamento globale che mi consente di capire con una certa precisione dove è posizionato un dato punto sulla superficie Terrestre e in quale istante. Abbiamo anche compreso che se il punto di cui cerco la posizione è in movimento diventa utilissimo il valore “tempo” che il sistema mi restituisce, perché ora possiamo descriverne anche gli spostamenti e quindi il percorso fatto. Posso descrivere il percorso su una cartina, calcolare i tempi di percorrenza, determinare la velocità, lo sbalzo altimetrico etc.


Come è fatto il GPS

Qui la strada si fa più complessa, e per questo cercheremo di semplificare al massimo questo capitolo; al fine di rendere “digeribile” la trattazione del tema anche a chi non ha basi di conoscenza tecnologica o di telecomunicazioni. Tuttavia, è importante conoscerne le basi perché qualsiasi strumento GPS di una certa serietà prevede la configurazione iniziale e spesso una taratura periodica per assicurare una precisione nelle misure.

Il GPS o anche sistema di Posizionamento Globale è composto da tre “elementi” principali chiamati “Segmenti”. Il segmento spaziale (space segment), il segmento di controllo (control segment) e il segmento utente (user segment).

Il segmento spaziale è l’insieme di circa 32 Satelliti artificiali in orbita intorno alla Terra alla quota approssimativa di 20.200 Km. Ogni satellite possiede quindi un’orbita ben precisa e l’insieme delle orbite produce una sorta “gabbia” tale da avere una copertura il più possibile completa del nostro Geoide. Ogni satellite compie il giro della Terra due volte ogni 24 ore.


Fonte: https://www.nasa.gov/


Il segmento di controllo è composto da una stazione di controllo principale (master control station), una stazione di controllo principale alternativa (alternate master control station), quattro antenne terrestri dedicate e infine da sei stazioni di controllo dedicate. L’insieme di queste strutture serve per poter gestire in tempo reale e in qualsiasi istante la costellazione di Satelliti. Quindi per esempio controllare e correggere l’orbita dei satelliti, perché come immaginerete c’è un decadimento dell’orbita; oppure per aggiornare dati e software a bordo; o ancora per sincronizzare gli orologi atomici a bordo; per fare tarature in funzione di eventi meteorologici etc. Insomma, per semplificare, in questo strato troviamo la “Cabina di Regia”.

Il Segmento Utente è l’insieme dei ricevitori d'utenza, ovvero i nostri apparati. I quali sulla base dei segnali generati ed inviati dai Satelliti non fanno altro che calcolare la nostra posizione e il tempo cronologico.


Fonte: https://www.nmpnt.go.kr/


Alcune piccole ma interessanti precisazioni, Il sistema GPS è in realtà l’abbreviazione di “NAVSTAR GPS” che a sua volta è acronimo di NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System o anche di NAVigation Signal Timing And Ranging Global Position System, ovvero un sistema di posizionamento e navigazione satellitare militare statunitense. Sì il primo e più usato Sistema GPS è il sistema di posizionamento globale Americano.

Ed è interessante sapere che attualmente esistono diversi sistemi di posizionamento: il BeiDou 1 e 2 (Ex Compass) – Cinese, il GLONASS – Russo, il GALILEO – Europeo, o anche l’EGNOS (European geostationary navigation overlay system) che è il Sistema geostazionario europeo di navigazione in sovrapposizione; sviluppato dall'Agenzia Spaziale Europea, dalla Commissione europea e da EUROCONTROL. Costituito da una costellazione di satelliti e basi terrestri, e consente di incrementare l'accuratezza e l'integrità dei dati del sistema GPS Americano. Viene utilizzato per applicazioni critiche come l'aeronavigazione o la navigazione attraverso strette zone di mare.


Fonte: https://www.gpsrchive.com/


Domanda 3: Cosa si intende per Costellazione di un sistema GPS?

Domanda 4: Qual è il Sistema GPS Americano? E qual è quello più usato?

Domanda 5: Quanti satelliti minimo servono al nostro ricevitore GPS per fare la cosiddetta Trilaterazione?

Ma vediamo ora di capire, nella maniera più semplice possibile, come realmente funziona un sistema GPS.

Il modello di calcolo sul quale si basa il metodo è quello del cosiddetto “Posizionamento Sferico” ovvero Trilaterazione, che consiste nel misurare il tempo impiegato da un segnale radio a percorrere una certa distanza; nel nostro caso la distanza Satellite-Ricevitore. Se conosciamo l’esatta posizione di 3 satelliti possiamo calcolare con precisione la nostra posizione nelle due dimensioni principali (Lon/Lat). Se abbiamo anche la posizione del quarto Satellite allora potremo calcolare la posizione anche rispetto alla terza dimensione. Come abbiamo detto sopra, la precisione del Sistema GPS può essere ulteriormente incrementata con l’ausilio di sistemi come il WAAS (statunitense) o l'EGNOS (europeo), perfettamente compatibili tra di loro. Ultimo ma non meno importate considerazione da tenere presente è che gli orologi dei nostri ricevitori GPS sono molto meno precisi di quelli Atomici (al Cesio) montati a bordo dei Satelliti; questi orologi vanno “tarati” con una certa frequenza. In particolare, la sincronizzazione avviene quando accendiamo il nostro dispositivo ricevente, che “apprende” dal famoso “quarto satellite” il tempo corretto. Se il ricevitore avesse anch'esso un orologio atomico al cesio perfettamente sincronizzato con quello dei satelliti, sarebbero sufficienti le informazioni fornite da 3 satelliti.

Domanda 6: Quali sono i Sistemi diche incrementano la precisione del canonico GPS Americano?

Domanda 7: Perché i ricevitori GPS all’accensione hanno una certa “latenza”?

In questo Capitolo ho posto le domande senza accompagnarle dalle risposte al fine di spingere il Lettore a rileggere quelle righe che molto probabilmente sembrano più ostiche ma che in realtà racchiudono il cuore della Soluzione Tecnologica del Sistema. Conoscerlo nelle sue generalità non guasterà.


Le applicazioni del Sistema GPS

Possiamo dire che le possibilità applicative di un sistema GPS sono praticamente infinite. Pensiamo ai trasporti terra/mare/aria, al mondo Automotive, al Trekking, alla Navigazione, alla Pesca, allo Sport, e così via potremmo parlare di migliaia di applicazioni diverse. Per nostra utilità e per facilitare la comprensione useremo degli esempi affini al contesto che ci è più caro in questa sede, il Mare, il Fiume, il Lago.

Immaginiamo di voler pianificare una uscita in barca con altri amici; una gita in mare con partenza da Capo Circeo con destinazione Isola di Zannone il primo giorno, ormeggio in rada fino al mattino seguente; poi il secondo giorno destinazione Porto di Ponza, con ormeggio al porto; terzo giorno destinazione Palmarola e ancora ormeggio in rada; infine, la sera del terzo giorno a buio fatto inizio viaggio di ritorno vero il Porto di Capo Circeo.

In questo caso il poter contare su un sistema GPS e perché no anche di un Sistema Cartografico (dei sistemi cartografici marini ne parleremo approfonditamente nei prossimi articoli) ci consentirebbe di essere molto precisi con la pianificazione e la gestione delle varie tappe. Saremmo velocissimi nel capire in qualsiasi istante dove siamo con estrema precisione. Potremmo anche prevenire eventuali situazioni di “emergenza” in caso di perturbazioni improvvise o comunque in caso di eventuali avarie. Potremmo trovarci in condizione di dover chiamare supporto e dire con precisione dove siamo, se siamo fermi, se siamo alla deriva, se scarrocciamo, in quale direzione e a quale velocità. O ancora potremmo trovarci in una zona con scogli affioranti sparsi e non segnalati in mare, anche in questo caso il GPS unito ad un cartografico sarebbe la soluzione.

Insomma, consideriamo che il GPS nelle attività nautiche è il perno attorno al quale ruota tutta la tecnologia presente sulle nostre imbarcazioni. Ad esempio, a cosa servirebbe un sistema batimetrico senza poter avere riferimenti di posizionamento geografico. O cosa ce ne faremmo di un sistema cartografico senza GPS.

In realtà l’uomo ha sempre usato fin dai tempi antichi un sistema GPS, solo che non era basato sulla tecnologia. Ma questa è una altra Storia. Un’altra bellissima storia che approfondiremo più avanti.


L’Unione fa la Forza!

Ora che abbiamo compreso, almeno nella logica generale, cos’è e come funziona il sistema di posizionamento globale possiamo calarci in un esempio applicativo molto comune, molto affascinante, molto utile ma anche molto sottovalutato.

Immaginiamo ora di poter posizionare con una certa precisione la nostra posizione (GPS) su una speciale “carta geografica” digitale. Il risultato sarebbe fantastico. E lo è infatti! A patto di avere un sistema di Cartografia digitale opportunamente georeferenziato. Niente paura andando avanti capiremo di cosa stiamo parlando e perché.

Mettiamo ora a confronto due situazioni, la prima nella quale abbiamo solo un GPS con noi e la seconda nella quale abbiamo sia il GPS che il Cartografico Digitale (GPS – Chart Plotter).

Ci troviamo in un qualsiasi punto della superficie terrestre, per esempio poniamo che siamo sulla nostra imbarcazione nella seguente posizione:

GD (World Geodetic System 84 [WGS 84]) LAT 41°.214607847126985 N, LON 13°.079070875670313 E;

che equivale a dire GMS LAT 41° 12’ 52.588” N, 13° 4’ 44,655” E.

Nella prima situazione avremmo semplicemente a disposizione questi numeri e se non sappiamo come fare il tradizionale Carteggio con squadre, compasso e righello, quei numeri rimarrebbero per i più solo numeri.

Nella seconda situazione, cioè avendo a disposizione un Plotter Cartografico avremmo la possibilità di poter osservare il nostro strumento cartografico che nella situazione in oggetto ci restituirebbe la seguente immagine:


Fonte: https://www.thehulltruth.com/


Capite ora perché dicevo “Fantastico!”

Ora tutto è molto più comprensibile per chiunque, più evidente, più semplice e anche molto più coinvolgente.

Per concludere, se integriamo la capacità di avere in ogni istante la nostra posizione sulla superficie terrestre (GPS) con un sistema Cartografico georeferenziato digitale (Cartografia Nautica Digitale) otteniamo la proiezione delle nostre posizioni in tempo reale su una “Cartina Geografica”. Il risultato è sorprendentemente meraviglioso nonché grandemente utile.


Leonardo Barcaroli

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