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Global Positioning Systems (GPS)
Gli amanti del mare già da qualche anno sembra non possano più farne a meno, ma le applicazioni del sistema Gps sono sempre più numerose anche nel settore automobilistico, per localizzare la posizione dei veicoli, e nelle telecomunicazioni, per sincronizzare temporalmente gli apparati appartenenti a una stessa rete
Il sistema di navigazione Gps (Global Positioning System), noto anche con il nome di Navstar, fu concepito dal Ministero della Difesa statunitense come mezzo universale per determinare con precisione il punto esatto in cui un ricevitore si trova sulla terra e per ottenere un’indicazione oraria molto precisa. Le applicazioni del sistema Gps non sono limitate al campo militare, ma sono disponibili a tutti anche per uso civile. La disponibilità del segnale Gps 24 ore su 24 in ogni angolo del globo e la progressiva riduzione dei costi dei ricevitori, hanno trasformato il sistema Gps addirittura in un fenomeno di massa, soprattutto nel settore della navigazione marina, dove ormai un ricevitore Gps portatile è presente anche nel più piccolo gozzo che solca i nostri mari.
Sebbene le applicazioni marine siano quelle più visibili a tutti, ne sono possibili molte altre, soprattutto nel settore automobilistico e in quello delle telecomunicazioni. Infatti, la conoscenza della posizione esatta di un veicolo è il primo passo fondamentale per realizzare sistemi di allarme e gestione flotte molto sofisticati, nonché una serie di prodotti di ausilio alla guida, generalmente realizzati accoppiando un ricevitore Gps a un sistema di elaborazione di carte stradali digitalizzate e consultate in tempo reale dal guidatore. Nelle reti di telecomunicazione uno dei problemi più difficili da risolvere è la sincronizzazione tra i vari apparati che compongono una stessa rete, soprattutto quando i collegamenti sono realizzati su portanti radio. Grazie alla disponibilità del segnale Gps in ogni punto del pianeta, e alla sua precisione, è possibile ricavare localmente un segnale di clock che sia sincronizzato a quello generato localmente in altre località non collegate direttamente, ma che ricavano anch’esse il segnale di sincronismo dai satelliti Gps.
Come funziona il Gps
Il sistema Gps si compone di tre parti: il segmento spaziale, il centro di controllo e i ricevitori.
La costellazione di 24 satelliti che costituisce il sistema Gps fu completata nel 1993, prevede 21 satelliti operativi e tre satelliti di scorta pronti a intervenire in caso di guasto. I satelliti sono posti in un orbita circolare a circa 20.200 km dalla terra e compiono una rivoluzione in 12 ore, ripassando sullo stesso punto visto da un osservatore terrestre ogni 24 ore circa. I piani orbitali su cui ruotano i satelliti sono sei, spaziati tra loro di 60° e inclinati di circa 55° rispetto al piano equatoriale. In ogni punto della terra è sempre possibile "vedere" tra cinque e otto satelliti.
Ciascuno dei satelliti Gps in orbita trasmette in continuazione due portanti a radiofrequenza. La portante L1, a 1575,42 MHz, trasporta il segnale per la localizzazione grossolana ("coarse acquisition") e il segnale di tempo, la portante L2, a 1227,60 MHz, trasporta il segnale per la localizzazione di precisione. Le due portanti sono modulate in fase utilizzando tre diversi codici, quello detto C/A, che serve per la localizzazione grossolana, quello detto P, che serve per la localizzazione precisa e quello che trasporta i dati della navigazione, cioè quei bit che descrivono l’orbita del satellite, le correzioni al suo segnale di clock e altri parametri di sistema.
La portante L1 viene modulata con un clock a 10,23 MHz da un segnale utile alla localizzazione precisa (codice P) e da un segnale a 1,023 MHz utile per la localizzazione grossolana (codice C/A). A ciascuno dei due segnali modulanti binari vengono sommati modulo-2 i dati per la navigazione emessi a 50 bps. Tali dati per la navigazione, che vengono comandati dal centro di controllo terreno del sistema Gps, comprendono il segnale di clock del satellite, la sue correzioni rispetto al tempo universale Utc (Universal Time Coordinate), le effemeridi dei satelliti e vari segnali di stato.
Ogni satellite ha un codice di modulazione univoco, ortogonale a quello degli altri satelliti, così che il ricevitore possa discernere i vari segnali trasmessi sulla stessa frequenza da tutti i satelliti, che lavorano con una modalità di accesso a divisione di codice (Cdma) a spettro disperso (spread spectrum). L’utilizzo del segnale C/A è libero per tutti, mentre l’utilizzo del codice P è limitato ai soggetti autorizzati dal Governo degli Stati Uniti. I ricevitori commerciali sono pertanto costruiti per ricevere solamente il segnale L1 e decodificare il codice C/A, mentre i ricevitori per uso militare ricevono entrambi i segnali L1 ed L2 e possono decodificare sia il codice C/A, sia il codice P.
Fino a qualche mese fa, il Governo statunitense ha intenzionalmente degradato la precisione ottenibile utilizzando il codice C/A, per cui le applicazioni civili non potevano sfruttare appieno tutta la precisione teoricamente ottenibile dal sistema Gps. Recentemente tale restrizione, indicata anche con la sigla SA (Selective Availability) è stata parzialmente rimossa, per cui in futuro si dovrebbero poter costruire ricevitori per uso civile capaci di sfruttare appieno tutte le potenzialità del sistema Gps per ottenere una localizzazione più precisa. In realtà, mediante tecniche differenziali e una serie di stazioni terrene anche con le apparecchiature civili si possono ottenere delle precisioni di localizzazione più elevate di quelle garantite dalla ricezione del solo codice C/A.
Il centro di controllo del sistema Gps si trova nei pressi di Colorado Spring ed ha il compito di eseguire tutte le misure necessarie per "correggere" le informazioni inviate dai satelliti Gps. La stazione di controllo comunica ai vari satelliti i dati di correzione, i quali a loro volta li inseriscono nei dati di navigazione che diffondono continuamente ai ricevitori posti a terra.
Un ricevitore Gps determina la sua posizione istantanea misurando le distanze (range) dalla sua antenna ai satelliti visibili in quel momento, dei quali è nota la posizione nello spazio. Intersecando geometricamente le misure di distanza effettuate contemporaneamente dal ricevitore su più satelliti si ottiene la longitudine e la latitudine in cui si trova il ricevitore stesso, oltre che un’informazione temporale riferita al clock del sistema Gps.
Da un punto di vista teorico, la triangolazione geometrica garantisce che per conoscere la propria località basterebbero tre misure di distanza rispetto a tre oggetti noti (tre satelliti). Conoscendo tre distanze da tre punti noti si identificano in realtà due punti nello spazio tridimensionale, dati dall’intersezione di tre sfere il cui raggio è pari alla distanza misurata tra ricevitore e punto di riferimento. Dei due punti però, uno in genere manifestamente errato e può essere facilmente scartato; si pensi per esempio a una nave, se uno dei due punti della soluzione trigonometrica ha un’altezza di chilometri rispetto alla superficie terrestre, è immediato notare che rappresenta una falsa soluzione. Comunque, per ovviare a una delle maggiori incertezze delle misure, per ricavare la propria posizione è indispensabile eseguire quattro misure indipendenti anziché tre, onde introdurre anche la variabile tempo in un sistema di quattro equazioni e quattro incognite che, risolto, produce la propria localizzazione con la minima incertezza garantita dal sistema.
Per misurare la distanza istantanea da un satellite, il ricevitore Gps calcola il tempo che occorre al segnale per viaggiare dal satellite all’antenna del ricevitore. Il codice temporale emesso dal satellite è confrontato con l’identico codice generato dal ricevitore. Lo scostamento di fase del codice generato del ricevitore viene fatto variare onde ottenere la massima correlazione con il segnale ricevuto dal satellite. Lo scostamento temporale tra i due segnali, moltiplicato per la velocità della luce, produce la distanza apparente tra antenna del ricevitore e satellite. Il sistema funziona bene poiché tutti gli orologi che intervengono nel sistema Gps sono sincronizzati tra loro. In ogni satellite sono montati quattro orologi atomici che periodicamente vengono ulteriormente sincronizzati dal centro di controllo onde stabilire la massima stabilità. Per quanto riguarda il ricevitore che ovviamente non può disporre di un orologio atomico per ragioni di costo, ciò che importa è la stabilità del clock nel breve periodo e non la precisione assoluta, eseguendo il calcolo della localizzazione partendo da quattro misure (anziché le tre necessarie teoricamente) si elimina l’imprecisione dovuta a uno scostamento costante del clock del ricevitore.
La misura di distanza così ricavata è affetta da diversi errori, dovuti agli effetti atmosferici sulla velocità di propagazione del segnale, alle imprecisioni dei segnali di clock dei satelliti e ad altri effetti secondari. Per tale ragione, la distanza misurata viene chiamata nel gergo Gps "pseudodistanza" o "pseudorange". Avendo a disposizione quattro pseudodistanze misurate contemporaneamente su quattro satelliti diversi, il ricevitore è in grado di risolvere un sistema a quattro incognite e ricavare longitudine, latitudine, altezza da terra e tempo assoluto in cui si trova. La precisione normale che si ottiene nelle misure civili con ricevitori economici è di circa 100 m nelle direzione orizzontale, di circa 150 m in quella verticale e di circa 340 ns in quella temporale. Se il ricevitore è in grado di vedere più di quattro satelliti contemporaneamente, è possibile sfruttare algoritmi matematici di correzione degli errori che aumentano la precisione ottenibile.
Un ricevitore Gps da solo ha una precisione orizzontale di 20 metri per il 95% del tempo.Le principali cause di errore sono solitamente l’imperfezione delle orbite dei satelliti, l’errore degli orologi dei satelliti e gli effetti della ionosfera sul segnale.
Per minimizzare gli effetti della disponibilità selettiva e degli altri errori, gli utenti e i governi di vari paesi si sono affidati alle stazioni di riferimento differenziali, che calcolano e trasmettono ai ricevitori in zona le correzioni da apportare ai loro dati. Sono state installate in molte aree una serie di stazioni radio fisse, prevalentemente costiere, che emettono il segnale utile alle misure differenziali, ma le radio necessarie per lo scambio delle correzioni sono frequentemente assai più costose di un ricevitore normale.
Nelle applicazioni geodetiche, ricercatori, ingegneri minerari e studiosi dalle terra spesso si installano una propria stazione di riferimento e ottengono la precisione centimetrica. Ma anche qui la disponibilità selettiva è in agguato: l’errore che essa impone varia continuamente e le correzioni via radio devono arrivare al ricevitore rapidamente e di continuo. La perdita della ricezione anche di pochi secondi comporta un errore che cresce molto rapidamente, anche se il ricevitore riesce a ricevere il segnale da molti satelliti contemporaneamente. Un’altra conseguenza della maggiore disponibilità di segnali contemporanei dai satelliti è che - quando la precisione centimetrica è possibile - il tempo richiesto per raggiungerla diminuisce con l’aumentare dei segnali ricevuti.
Ci sono anche i russi con Glonass
Nel gennaio 1996 i russi hanno completato la loro costellazione di 24 satelliti operativi del sistema Glonass (GLObal NAvigation Satellite System). Gps e Glonass sono sistemi molto simili, ma alcune differenze sono significative: Glonass non ha nessun degrado della precisione né crittografia dei segnali. Le orbite dei due tipi di satellite sono simili. I satelliti Gps ruotano su 6 piani, 4 per ogni piano. Glonass usa 3 piani, con 8 satelliti su ognuno. L’inclinazione dei piani orbitali è leggermente superiore nel Glonass (64.8°) che nel GPS (55°). Le orbite sono entrambe circolari, con raggio analogo (GPS 26.560 Km, Glonass 25.510 Km). Sia il Gps sia il Glonass funzionano con lo stesso principio della trilaterazione: conoscendo la distanza da più punti di coordinate note, si può calcolare la propria posizione. Sorge spontanea una domanda: "E se potessimo aggiungere altri 24 satelliti alla nostra costellazione Gps? E magari senza alcun degrado del loro segnale causato volutamente dalla Selective Availability? Potremmo eliminare alcuni limiti del sistema ?" La risposta è affermativa e in commercio oggi si trovano ricevitori che abbinano i due sistemi per ottenere prestazioni migliori.
Sommando i due sistemi la costellazione diventa di 48 satelliti, di cui almeno 11 sono sempre visibili in ogni istante. Gli orologi dei satelliti Gps sono tutti sincronizzati. Anche gli orologi dei satelliti Glonass sono tutti sincronizzati, ma l’ora Gps non è sincronizzata con l’ora Glonass. Così il ricevitore ha due incognite: l’orario Gps e l’orario Glonass. Queste due incognite più latitudine, longitudine e altezza fanno 5 incognite, da risolvere con 5 (o più) satelliti visibili.
Se un tipico ricevitore Gps da solo fornisce punti con precisione di 20 metri, un tipico ricevitore combinato Gps/Glonass da solo ha già una precisione di 16 metri, senza ricorrere a tecniche differenziali. Un’altra conseguenza della maggiore disponibilità dei satelliti è che - quando la precisione centimetrica è possibile - il tempo richiesto per raggiungerla diminuisce con l’aumentare dei segnali ricevuti. Un tipico ricevitore differenziale di precisione per Gps necessita di circa 30-40 minuti per arrivare alla precisione centimetrica, mentre a un equivalente ricevitore combinato Gps/Glonass bastano 5-15 minuti.
Dalle barche alle automobili
La funzione principe del sistema Gps è quella di identificare univocamente la posizione del ricevitore. Le prime applicazioni del sistema Gps, che hanno ormai generato un vero e proprio mercato di massa, sono state nel settore della navigazione. Il progresso della microelettronica ha permesso di realizzare ricevitori che anche i diportisti si possono permettere, senza spendere un capitale. I sistemi per la navigazione marina sono spesso predisposti anche per la ricezione e l’elaborazione del segnale Gps differenziale emesso dalle stazioni fisse costiere esistenti in molte nazioni.
Lo stesso principio della localizzazione unita alla presentazione cartografica è alla base anche dei sistemi di navigazione pensati per le automobili, attualmente offerti come opzione su alcune vetture di prestigio, ma che molti credono possano diventare un mercato di massa nei prossimi anni. Tutte la maggiori case automobilistiche e i loro fornitori di componentistica sono attualmente impegnati nello sviluppo di sistemi di navigazione di nuova generazione, che siano più economici e con i quali si possa creare un completo sistema di "assistenza" al guidatore e ai passeggeri. Infatti, il guidatore automobilistico più che alla semplice informazione istantanea sulla sua posizione è interessato a conoscere la via da percorrere per arrivare al meglio alla sua destinazione finale, nonché conoscere eventualmente altre informazioni sull’ambiente circostante, per esempio a che distanza è il successivo distributore di carburante oppure dove si trova la pizzeria più vicina.
I sistemi di navigazione per auto, quindi, sono generalmente più complessi di quelli per barche, non tanto nella tecnica di ricezione del segnale Gps, ma nella presentazione e integrazione del dato misurato con tutta una serie di informazioni supplementari. Attualmente tutti i sistemi di navigazione per auto utilizzano un apparato elettronico per la ricezione del sistema Gps che, oltre all’antenna nascosta o integrata nella vettura, dispone di un lettore di Cd-Rom. Generalmente installato nel vano bagagli, il Cd-Rom contiene tutte le informazioni cartografiche e di contorno relative alla zona in cui ci si trova. Le informazioni per il guidatore vengono riportate su di un display grafico nell’abitacolo ed eventualmente ripetute tramite un sintetizzatore vocale per non distogliere l’attenzione del guidatore dalla strada. Per raggiungere un elevato grado di precisione e affidabilità anche nei centri urbani, dove talvolta la ricezione del segnale Gps è ostacolata dalla presenza di edifici alti nei dintorni, i sistemi di navigazione per auto usano anche dei sensori odometrici e dei giroscopi per stimare con più precisione la posizione esatta del veicolo.
Gestione flotte
Unendo un sistema di localizzazione Gps con una ricetrasmittente si ottiene una piattaforma adatta a realizzare un sistema di controllo delle flotte di veicoli centralizzato. Diverse aziende, anche italiane, hanno realizzato sistemi completi per il controllo delle flotte di veicoli, spesso orientate al settore di trasporto delle merci o a quello della pubblica utilità, mediante i quali da una postazione centrale di controllo si possono ricevere informazioni sulla posizione con essi e comunicare rapidamente con gli stessi mediante messaggi in fonia o computerizzati. Anche TourMap ha la versione multiutente studiata appositamente per questo scopo.
La comunicazione tra unità di bordo e centrale operativa può avvenire tramite apparati radio dedicati o per mezzo di un telefono cellulare.
Sistemi di sincronizzazione
Oltre alle informazioni sulla posizione, un ricevitore Gps dal satellite ricava un segnale orario molto preciso e, soprattutto, garantito e disponibile in tutto il mondo. Ne consegue che l’altra grande applicazione del sistema Gps è quella di fornire un clock di sistema molto affidabile e preciso a tutte quelle apparecchiature che devono lavorare in modo sincrono tra loro, come moltissime reti di comunicazione.
Alcune aziende si sono specializzate nella realizzazione di ricevitori Gps che forniscono in uscita non la loro posizione, che in genere è nota negli impianti fissi, ma un precisissimo segnale di clock che viene sincronizzato automaticamente con quello del satellite, a sua volta generato da degli orologi atomici che vengono corretti periodicamente dal centro di controllo del sistema Gps. Si noti che la precisione intrinseca dell’orologio Gps è di circa 100 ns, ma quando viene degradata artificialmente con la Selective Availability scende a circa 300 ns.
Caratteristiche dei sistemi GPS e Glonass