saltellitiGPS

Funzionamento ed utilizzo GPS: sistema e strumenti

Gps acronimo di Global Positioning System

(sistema di localizzazione globale)


A chi e perché queste brevi note sull'utilizzo del sistema Gps .

Le note che seguono sono rivolte a coloro che non hanno mai avuto occasione o tempo di approfondire la teoria e l'utilizzo di questo sistema tecnologico, a coloro che hanno esperienza di utilizzo di Gps "stradali" ma non di impiego "outdoor" ed anche a chi desidera un approfondimento non eccessivamente tecnico, ma che permetta una visione organica del sistema e del suo utilizzo.
Le considerazioni sono principalmente indirizzate agli escursionisti e ai cicloturisti, con l'obbiettivo di mettere in condizione chi volesse utilizzare uno ricevitore GSP di farne uso profiquo e consapevole.

Il sistema GPS

Cosa fa un ricevitore GPS

gps chip Un ricevitore GPS è in grado di calcolare e mostrare su display e/o registrare la latitudine e la longitudine della posizione in cui ci si trova (di fare quindi il punto) con una precisione nell'uso civile non professionale dell'ordine dei 5-10 m. Quindi esattamente quello che un capitano faceva durante la navigazione marittima utilizzando gli astri (a cielo sereno quindi), un buon orologio ed un sestante , ottenendo alla fine, dopo diversi calcoli ed uso di tabelle, la posizione con un errore dell'ordine del km. Tutte le funzionlità di ricezione , processamento dei segnali, calcolo della posizione sono generalmelente svolti in un piccolo micro circuito integrato, che può essere poi montato sulle diverse apparecchiature riceventi.

A cosa serve il Gps nell'uso outdoor

Il Gps è un sistema molto utile nell'impiego escursionistico , sia perchè permette di seguire un itinerario prefissato pre registrato, comprensivo di percorso (traccia, track), punti d'interesse (Poi, waypoints) e altre informazioni , anche fuori delle 'strade' codificate , sia di visualizzare e/o registrare un tracciato che noi stessi stiamo percorrendo. Particolarmente interessante l'utilizzo per la preparazione ad una escursione in un luogo che ci è del tutto sconosciuto, specie se complesso e/o articolato in pi๠giorni. Tutto ciò oggi è reso più facile dall'uso di internet, che permette di trovare tracciati che ci possano essere guida località di nuova frequentaziomne (un tracciato non vuole dire solo posizioni, ma anche quote, pendenze e tempistiche).

Pertanto un sistema Gps


gps chip mappa GE gps chip

Come funziona il sistema GPS

Il sistema GPS opera sulla base di un concetto molto semplice e consolidato: trova la posizione mediante una trilaterazione geometrica.

Dati tre punti fissi C1 ,C2 , C3 e conoscendo la distanza di un punto da ciascuno di questi punti fissi ( rispettivamente R1,R2,R3) , è immediato trovare la posizione del punto in questione. Tracciando le 3 circonferenze di centro C1,C2,C3 l'intersezione di queste è proprio il punto P cercato , avendo esso distanza R1,R2 ed R3 dai centri C1 ,C2 , C3 per costruzione.
Pensiamo ora di avere 3 posizione nello spazio S1,S2,S3 al di sopra della superficie terrestre (corrispondenti ai centri C1,C2,C3 nel piano) e di essere in grado di misurare la distanza tra questi punti (satelliti) ed il luogo dove ci troviamo (R1,R2,R3). Possiamo costruire 3 sfere di centro S1 S2 S3 e raggio pari alle distanze misurate. Le tre sfere si incontrano in 2 punti ma solo uno di questi si troverà sulla superfice terrestre. Aggiungendo un ulteriose sfera (cioè satellite) si riesce a correggere la scarsa precisione dell'orologio al quarzo del ricevitore ( 0,00001 s alla velocità della luce significano 3 km sul raggio !). In questo mode, in estrema sintesi, opera il sistema GPS. Il nostro ricevitore , oggi al costo di qualche decina di euro, deve trovare almeno 4 satelliti (che si muovono e cambiano posizione) , valutare la loro distanza ( sulla base del tempo che il segnale impiega a raggiungere il ricevitore stesso muovendosi alla velocità della luce) e quindi calcolare con un procedimento geometrico il richiesto punto intersezione.

In realtà, pur essendo il procedimento esattamenre quello descritto, la cosa è decisamente più complicata (si pensi ad esempio che essendo la velocità della luce circa 300000 km/s, utilizzate per calcolare il tempo un orologio preciso a 0,000001 s al quarzo porterebbe ad avere un errore di 3km , come col vecchio sestante. Oppure, visto che i satelliti orbitano a 20000 km , una precisione di 10 m (quella dei nostri apparecchi) corrisponde adun calcolo con una precisione di qualche parte su un milione ( come misurare l'altezza della torre di Pisa con la precisione di un capello). E' evidente che essendo la ricezione dei segnali satellitari un punto chiave , il ricevitore deve essere utilizzato in uno spazio aperto, se possibile sgombro da ostacoli. Anche una densa cortina di nubi od il fogliame in un bosco riduce il segnale dei satelliti. (per approfondire...)


Parole ricorrenti nell'utilizzo degli strumenti Gps

Gli elementi principali che sono generalmente , in tutto od in parte, gestiti dai dispositivi Gps, sono :

Le informazioni di posizione su elencate (traccia , waypoint,...) sono normalmente registrate su schedine, chiavette etc in un file , con formato che dipende dal fabbricante , dal tipo di apparecchio. Esistono degli standard , ma anche molti modi diversi di organizzazione dei dati.Infatti ogni sistema GPS si preoccupa di utilizzare al meglio i dati e di offrire qualche caratteristica che lo distingua

I formati dei file per strumenti Gps

Per sintetizzare possiamo citare il nome di un programma per computer che svolge la funzione di convertire i files Gps tra i vari formati, si chiama "Gps-Babel". E' una babele, esistono moltissimi standard di file, quasi sempre "proprietari", vale a dire legati ad un determinato produttore ed anche diversi per i vari modelli dello stesso produttore.

Tuttavia possiamo concentrare l'attenzione su alcuni formati, tra i pi๠diffusi ed importanti

Da notare che i vari formati 'proprietari' non esistono 'per sfizio', ma sono funzionali ai vari sistemi e programmi computerizzati, con funzioni 'a valore aggiunto' che tuttavia non sono standard per tutti. Per esempio Google Earth puಠmemorizzare numerose informazioni riguardanti non solo la visualizzazione, anche automatica con percorso preimpostato, ma pure note e commenti anche nidificati e complessi, inglobare immagini di un determinato luogo, funzioni di condivisione globale via web. Però nella conversione al formato Gpx (o ad altri formati) tutte queste informazioni aggiuntive vengono perse. Poco male se a noi interessa solamente la funzione Gps pura.


Limiti del GPS e integrazione con altri sistemi di comunicazione

Il sistema GPS fa una sola cosa: permette ad uno strumento ricevitore (in genere portatile) di individuare la sua posizione assoluta (latitudine,longitudine)sulla superficie del globo terrestre , memorizzandola o mostrandola su di un visore.

Quindi


Ricevitori GPS, ovvero , abbiamo latitudine e longitudine... ed altro

In questi ultimi tempi la disponibilità di ricevitori (o di sistemi) con GPS integrato si è andata estendendo esponenzialmente , assieme alla diffusione di nuovi sistemi elettronici. Contemporaneamente è migliorata la qualità dei dispositivi e sono diminuiti i costi. Senza alcuna pretesa di completezza ,tenendo conto che molte sono le categorie di dispositivi ( per la navigazione automobilistica, per l'escursionismo e il cicloturismo, per la navigazione aerea e marittima, o integrati in macchine fotografiche e telefonini) ma che noi siamo interessati solo all uso "outdoor" ( interessano l'autonomia , ma sicuramente le funzioni di guida 'vocali', sono ridicole nella pratica escursionistica) , presentiamo un rapida carellata. Va sottolineato che il dispositivo "specializzato" ha caratteristiche che sempre più sono avvicinate da quelle di dispositivi diversi (ad esempio uno smartphone moderno non solo è in grado di fare buone foto, ma anche di avere funzionalità GPS di buona qualità).. Senza alcuna pretesa di completezza , qui sotto vedete una piccola rassegna di che cosa offre il mercato (click per maggiori informazioni).

antenna guider logger logger con traccia fotocamera GPS outdoor
gps chip gps chip gps chip gps chip gps chip gps chip gps chip gps chip gps chip
posizione punti posizione traccie registrate visualizzazione e tracce registrate posizione nella foto (tracce) posizione su mappa e tracce
..... e soprattutto SMARTPHONE (Android / OS)
gps chip
Tutti gli oggetti su mostrati sono in grado di fare il punto (calcolare latitudine/longitudine) della località dove si trovano). Possono poi comunicare tali coordinate ad un PC collegato (via cavo o bluetooth), mostrarle su di un display, memorizzarle nel dispositivo stesso (in memoria od in una fotografia .od entrambe le cose) per comporre un percorso (logger). I dispositivi specifici per l'outdoor fanno alcune delle attività elencato contemporaneamente , aggiungendo il fatto di poter presentare la posizione del GPS su di una mappa topografica precaricata, avere in genere una migliore ergonomia e resistenza ed una migliore antenna.
Di seguito somo mostrati alcuni sistemi che integrano anche la funzionalità di trasmissione, cioè inviano su rete telefonica in genere, le coordinate di chi ha il ricevitore in modo che remotamente sia possibile sapere ove questo si trova (tracker) . Cio ad esempio è utile in sistemi antifurto , di soccorso o di tracciamento
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La limitazione è che in genere si servono della rete telefonica GMS/UMTS sia voce che dati. Questo limita l'utilizza delle apparecchiature a ove vi sia la presenza di rete. Certo che la problematica è differente se si parla di un apparecchio per sapere ove si trova il cagnolino, il tir rubato od il ferito in montagna, Alcuni utilizzano però la rete stelefonica atellitare ed in questo caso non vi somo problemi di copertura.


Alcune considerazioni riguardanti lo strumento di ricezione GPS

Pur essendo affidabile e molto evoluto, il ricevitore GPS è uno strumento elettronico ed ha pur sempre delle limitazioni.Affidare la nostra sicurezza completamente ad uno tale strumento può essere rischioso

Lo strumento elettronico è un ausilio e un aiuto, anche molto importante, ma non deve mai sostituire la nostra preparazione e va integrato con altri strumenti . Quindi


Alcune nozioni di cartografia

Abbiamo visto che il sistema GPS è in grado di dare come risultato la sostra posizione sul globo terrestre (latitudine / longitudine), che può essere espressa in diverse unità di misura (gradi , gradi/minuti/secondi , etc...). Tale posizione sarebbe di ben poca utilità se non fosse possibile rappresentarla su di una carta geografica, quindi su di un'immagine schematica del luogo. Il tema dei sistemi cartografici è complicatissimo, e richiederebbe trattazioni molto specialistiche ( i più interessati possono trovare informazioni e risposte dettagliate nel web).
gps chip E' evidente da subito la difficoltà  di rappresentazione dovuta alla forma pseudosferica della terra, impossibile da ricondurre ad una superficie piana quale una carta geografica. A seconda della proiezione scelta ,solo alcune delle caratteristiche possono essere mantenute (angoli, aree,lunghezze...). Inoltre, sebbene convenzionalmente la terra sia vista come una sfera con i poli leggermente schiacciati (quello che si dice un "ellissoide"), in realtà  ha una forma più simile ad una patata ("geoide"). Se poi parliamo di quote ,lo stesso concetto di altezza rispetto la superficie del mare è una concezione convenzionale, già  ci viene subito in mente la marea, ma quello che sorprende è che i mari non sono tutti alla stessa altezza o meglio distanza dal centro ideale della terra. Questo è dovuto alla gravità , alla forza centrifuga, all'attrazione della luna, al magnetismo, alla conformazione geologica, all'azione delle correnti ecc. Per fare un esempio il livello del mare a NewYork è una quarantina di metri più in basso di quello a Venezia Non ci addentreremo quindi nella scelta del tipo di ellissoide (Map Datum ), del tipo di riferimenti (griglia ed origine delle coordinatedel) , ed infine del tipo di proiezione utilizzata per portare la superfice sferica della terra su di un piano (il problema è abbastanza trascurabile quando si rappresentano piccole superfici del globo terrestre , quali le carte catastali e quelle escursionistiche). Basti sapere che per definire un sistema cartografico sono neccessari 4 elementi :

Tra i sistemi cartografici vanno ricordati Per il nostro scopo basta sapere che la superficie terrestre e' idealmente divisa in spicchi da curve passanti per i due poli chiamati meridiani ( il meridiano zero è quello che passa sull’osservatorio astronomico di Greenwich , vicino a Londra), ed in fette orizzontali (di cui la più grande è l'equatore)


Le coordinate cartografiche locali

Identificano con precisione una determinata posizione della superficie terrestre. Sono una coppia di valori ed abbiamo visto che sono il prodotto del ricevitore GPS:

Molti sistemi identificano la posizione con lettere N,S,E,W, altri con il segno (+ -): in questo caso si usa + per il nord e per l'est e - per valori che si riferiscono alla latitudine sud e longitudine ovest.

La coppia di valori che identifica un punto è espressa in gradi sessagesimali con notazione:
gradi° minuti' secondi (ed es. 41°55’27.851 ). I gradi hanno un valore compreso tra 0 e 89 per la latitudine (N/S) e da 0 a 179 per la longitudine (E/W). Ogni grado si compone di 60 minuti primi e ogni primo è, a sua volta, suddiviso in 60 minuti secondi, come nella misurazione dell'ora. Per ulteriore precisione i secondi sono divisi in frazioni decimali. I minuti ed i secondi vanno sempre da 0 a 59.
Si possono trovare (od utilizzare) le notazioni , del tutto equivalenti , quali:

Ricordiamo , anche nell'uso col GPS, che le carte che rappresentano la superficie terrestre vanno correttamente orientate sfruttando, per convenzione, il nord della sfera terrestre (il nord magnetico, polo cui la bussola fa riferimento, è spostato rispetto al nord geografico, il punto estremo dell'asse di rotazione della terra.

A questo punto è opportuno spendere qualche parola sulla cartografia "a schermo" cioè quella non cartacea.

Tale immagine puo essere di due tipologie: 'BitMap/raster' e 'Vettoriale'




Il sistema GPS piu' in dettaglio

La costellazione di satelliti artificiali

Il sistema GPS , la cui realizzazione per scopi militari è iniziata negli anni 70 negli Stati Uniti, si avvale di 31 (24+3 riserva ed altri fermi) satelliti posti in orbita dal 1978 al 1994 a 20.000 km di altezza , su diversi piani angolati di circa 55°piani, e con un periodo orbitale di 12 ore. saltellitiGPS La distribuzione ed il movimento nel cielo dei satelliti (costellazione) è sono tali che da qualsiasi punto della terra siano visibili ad orizzonte sgombro almeno 5 satelliti, con un massimo teorico di 12 satelliti. Nel 1980 fu resa pubblica dal governo USA la decodifica del segnale satellitare GPS denominata SPS (Standard Positionig System),cui però veniva aggiunto un apposito degrado del segnale che portava l'errore delle utenze civili a diverse centinaia di metri. Era così consentito lo sviluppo delle applicazioni soprattutto in campo marittimo civile, ma non in campo stradale per l'eccessivo errore. Il segnale di uso militare PPS (Precision Positioning System) restava criptato e senza errori. Nel 2000 il presidente Clinton riduce il degrado del segnale civile , da cui una accuratezza che puಠarrivare ai cinque/dieci metri di errore. Questo ha scatenato l'utilizzo in campo civile con le applicazioni di navigazione per l'automobile e per l'outdoor amatoriale. Riservato all' uso militare resta un canale dedicato (con diversa frequenza) e con accuratezza dell'ordine dei centimetri Per sfuggire al vincolo proprietario USA (che potrebbe a sua discrezione disattivare il sistema), è attualmente in progetto e in fase di realizzazione un sistema civile europeo, denominato Galileo, sempre basato su costellazione di satelliti artificiali. E' operativo anche un sistema russo GLONASS ( Globalnaya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema) che i ricevitori più moderni già utilizzano in parallelo al GPS.,


Il ciascun satellite nel protocollo di comunicazione , oltre a dati identificativi per il riconoscimento trasmette informazioni dell'ora esatta nel punto dove si trova ,dati sulla sua posizione presente e futura (tecnicamente l'Almanacco di se stesso o Effemeridi) Come detto ,il ricevitore, per ricavare la posizione al suolo , calcola il punto intersezione di quattro sfere , ciascuna con centro in un satellite e raggio pari alla distanza del satellite dalla posizione del ricevitore. .


2 sfere 3 sfere 4 sfere
Per calcolare le distanze dai satelliti si ricorre alla misura del tempo impiegato dal segnale del satellite per raggiungere il ricevitore, sapendo che la velocità delle onde elettromagnetiche è la velocità della luce (299792 km/s nel vuoto). Nel segnale inviato dal satellite è contenuto l'istante di invio. Con l'orologio del ricevitore si misura lo sfasamento tra i due segnali,che corrisponde al tempo impiegato dal segnale. Purtroppo , mentre su satellite è installato un orologio atomico al cesio molto preciso ( i più precisi esistenti, ma anche estremamente costosi 0,86 ns al giorno di errore) , il ricevitore ha un orologio al quarzo con errore dell'ordine di 0,086 s al giorno). Ipotizzando però che l'errore introdotto dal ricevitore sia lo stesso per tutti i 3 segnali , lo si riesce ad eliminare mediante un quarto satellite ed il suo segnale

Va detto che vi sono altri effetti importanti di cui si deve tener conto e per quanto possibile valutare
  • la velocità della luce , quando attraversa l'atmosfera, rallenta
  • per la relatività ristretta l'orologio sul satellite (V 4km/s) rallenta ... 1 s dura 1,0000000007 s. L'errore se no corretto di 2,2 km
  • per la relatività generale la gravità curva lo spazio tempo (i satelliti sona a 20000km) maggiormente a terra , effetto di circa 15km se non corretto
    • l'operazione che porta ad ottenere la posizione geografica in gergo si chiama "fixing"

    A livello pratico quello che maggiormente interessa è sapere che

    • Se il ricevitore è spento da tempo , alla riaccensione troverà  una costellazione di satelliti differente e ciò comporterà un calcolo molto più lungo (anche diversi minuti) per trovare, riconoscere ed accreditare il segnale sui satelliti presenti e tararsi sull'ora atomica esatta acquisita sempre dai satelliti (operazione di fixing).
    • La precisione del segnale è direttamente proporzionale al numero di satelliti agganciati. La situazione migliore si ottiene quando ci troviamo in campo aperto senza ostacoli attorno. Il massimo si ottiene quando l'orizzonte è libero ed è possibile agganciare segnali di satelliti bassi sull'orizzonte.
    • Le onde radio del segnale satellitare hanno una frequenza "poco penetrante" e sono molto influenzati dagli ostacoli. Le strutture di cemento praticamente bloccano , che è degradato anche da lamiere, vetri e perfino da una folta copertura vegetale tipica di un fitto bosco (attenzione a chiudere il ricevitore in una scatola ...) .
    • La precisione del rilievo, pertanto, peggiora o addirittura diventa impossibile se ci troviamo in una stretta vallata, tra una fila di alti edifici in città , dentro una galleria o un edificio.
    • I ricevitori pi๠sofisticati hanno sistemi per mantenere virtualmente il segnale per qualche minuto e antenne che riescono a filtrare problematiche quali l'eco o rimbalzo del segnale (Multipath) quando ci troviamo tra alti edifici di cemento armato.
    • I ricevitori GPS rilevano molte volte al secondo la posizione e ,generalmente, sono dispèositivi che consumano parecchia energia..
    • Il sistema GPS è in grado ,autonomamente, di calcolare la direzione, rispetto al nord e quindi anche il nord stesso, solamente se il ricevitore è in movimento perchè fa riferimento all'interpolazione di pi๠punti registrati. Da fermi deve intervenire la bussola magnetica (se presente) per individuare il nord (vedi pi๠avanti). Questo ha importanza soprattutto nella pratica dell'escursionismo perchà© il camminare molto piano puಠessere considerato come “fermo†e creare difficoltà  nell'orientare correttamente la traccia e le mappe.

    Qui trovi alcuni consigli per ottenere un buon rilievo di un percorso.

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