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 Uso
gps
IL GPS (Global Position
System) "sistema di posizionamento globale" è un sistema di
calcolo di coordinate terreno determinate attraverso l'utilizzo di
satelliti.
News
Dal primo aprile 2003 è operativa la
versione europea del sistema WAAS: si tratta del sistema EGNOS
(European Geographic Navigation Overlay System), che
garantisce agli strumenti compatibili (ormai i nuovi GPS lo
sono quasi tutti) una precisione attorno ai due metri!!
Inoltre il sistema garantisce l'affidabilità del dato GPS
ricevuto dai satelliti e consente un calcolo della quota
estremamente più preciso, che in futuro verrà utilizzato anche
per la navigazione aeronautica.
Copertura WAAS - EGNOS. Proprietà della Federal
Aviation
Administration
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:
* 24 Satelliti orbitanti
* Orbite circolari su 6 piani orbitali
paralleli inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale
* 4 satelliti equidistanti su ogni piano orbitale
* 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.:
* Diego Garci
* Ascention Island
* Kwajalein
* Hawaii
Il segmento utenza:
- Utilizzatori ai fini della navigazione
aerea, marittima e terrestre
- 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:
- Dati di correzione (orbite e clock)
- Stato dei satelliti (orbite e stato di
salute)
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
I
ntorno 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:
*Latitudine
*Longitudine
*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
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 pchimillimetri
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:
- a posteriori in "Post-processing"
- immediatamente nella
fase di misura in "Real time"
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
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