Correzioni differenziali GPS tramite Internet: prime prove in Friuli Venezia – Giulia
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CAPITOLO 1 : INTRODUZIONE AL GPS
Il GPS è un sistema di posizionamento globale (Global Positioning System), valido
per tutti i punti della terra. Il programma per la sua realizzazione è stato inizialmente
elaborato dal Dipartimento della Difesa degli U.S.A. nel 1973 per consentire la
navigazione a navi, aeroplani e veicoli terrestri, e solo successivamente il suo utilizzo
è stato reso libero per usi civili. Dal punto di vista tecnologico si può comunque dire
in termini più generici che l’era della geodesia satellitare inizia nel 1957, quando
viene lanciato in orbita il primo satellite artificiale.
La nuova tecnologia GPS rappresenta una rivoluzione per tutte le precedenti tecniche
di rilevamento topografico, in quanto fornisce direttamente le coordinate dei punti
misurati, e opera inoltre in tre dimensioni, se si considera che i punti a coordinate note
sono i satelliti artificiali, che sono oggetti non appartenenti alla superficie terrestre. E’
possibile inoltre effettuare misure anche in condizioni meteorologiche non ideali, e
nel calcolo della distanza tra due punti non è necessario che i due punti siano visibili
tra loro. Grazie al GPS è poi possibile determinare la posizione di un punto ubicato
sulla superficie terrestre rispetto a un sistema di riferimento geocentrico, in maniera
continua al variare del tempo. La continuità della misura nel tempo ci permette quindi
di definire anche la posizione e la traiettoria di un mezzo in moto (automezzi, aerei,
navi).
1.1 Vantaggi e svantaggi del GPS rispetto alle tecniche classiche
Il GPS dimostra di possedere numerosi aspetti che lo rendono assolutamente
innovativo e tecnologicamente avanzato rispetto ai classici metodi topografici di
misurazione:
- non è necessaria la visibilità reciproca tra due punti per la determinazione della
loro distanza (detta “baseline”).
- non si risente delle condizioni atmosferiche e di visibilità: si può operare in
condizioni climatiche non ottimali, ed eventualmente anche di notte.
- la semplicità d’uso è notevole. A differenza dei metodi classici, non si richiede
personale particolarmente esperto per le operazioni di campagna. Anche la post
elaborazione dei dati è sempre più automatizzata con i programmi commerciali
che hanno raggiunto una estrema affidabilità.
- il posizionamento relativo che si ottiene è molto preciso, almeno pari a quello
ottenibile con misure classiche di precisione.
- il tempo impiegato per l’effettuazione dei rilievi è sensibilmente inferiore a quello
dei metodi classici.
Per contro, esistono anche alcuni problemi pratici, che limitano di fatto l’applicazione
di tale metodo:
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- i metodi di posizionamento relativo e differenziale, se non avvengono mediante
l’appoggio di stazioni permanenti, richiedono la disponibilità contemporanea di
due ricevitori e di due squadre di operatori da disporre su due punti.
- una stazione GPS richiede una visibilità molto buona dei satelliti, ovvero richiede
l’assenza di ostacoli fisici al di sopra dell’antenna in un cono visuale ad asse
verticale con angolo al vertice di 150° circa (15 – 20° al di sopra dell’orizzontale).
- il costo dell’ attrezzatura è ancora piuttosto elevato, anche se la presenza di una
concorrenza sempre maggiore ha portato ad un graduale ribasso dei prezzi nel
tempo.
- la strumentazione è sensibile ai campi elettromagnetici, alle interferenze
ionosferiche e troposferiche dovute alla presenza di elettroni negli strati dell’ aria
vicini alla terra.
In ogni caso, il sistema non potrà mai soppiantare del tutto i metodi di rilevamento
classici, sempre insostituibili quando la ricezione dei satelliti sia impedita da ostacoli
fisici (si pensi alle città, alle zone ricche di vegetazione, alle strette valli montane…).
Il futuro è quindi sicuramente nell’ integrazione tra GPS e topografia classica.
Integrazione peraltro perfettamente realizzabile, anche se richiederà un’ evoluzione
del grado di preparazione teorica dei tecnici, che dovranno essere in possesso di
conoscenze geodetiche più approfondite che in passato.
1.2 Campi di applicazione del GPS
Il GPS trova attualmente largo uso in molti settori, dal trasporto pubblico ai mezzi di
soccorso, ai mezzi di consegna a domicilio e porta valori, permette inoltre
l’atterraggio completamente assistito ad un aereo, che in questo modo può orientarsi
anche in condizioni di maltempo, ed è utilizzato per l’esplorazione di zone
sconosciute, oppure per la determinazione delle piattaforme off- shore e della
posizione di mezzi navali o terrestri. Attualmente si fa largo uso del GPS anche nella
navigazione assistita di un veicolo dotato di computer di bordo e cartografia
elettronica delle arterie stradali. Per scopi topografici, il GPS viene utilizzato per
determinare con elevata precisione la posizione di punti sulla superficie terrestre. Per
situazioni ambientali di emergenza, viene utilizzato per il controllo continuo degli
spostamenti di piccola entità, o per verificare l’andamento delle correnti marine e
delle maree. Gli sviluppi futuri di questa tecnologia portano ad avere una navigazione
completamente automatica, integrata con altre tipologie di sensori, e grazie inoltre alla
futura miniaturizzazione dei sistemi, il GPS potrà essere inserito in spazi di
dimensioni sempre minori, trovando quindi un utilizzo sempre più a larga scala.
Recentemente, l’installazione di una rete di stazioni permanenti di coordinate note con
ottima precisione che effettuano continuamente misure di distanza (pseudorange) ha
permesso la produzione di una notevole quantità di dati che, gestiti da un centro di
controllo computerizzato, consentono di effettuare misure dette in “Virtual Reference
Station” (VRS) e “Multi Reference Station” (MRS). Con l’avvento di questi sistemi
innovativi si riesce ad operare con notevole precisione anche a distanze elevate tra
stazione permanente e ricevitore, attenuando le cause d’errore che si manifestavano
per baseline eccessivamente lunghe.
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CAPITOLO 2: IL SISTEMA NAVSTAR GPS
Dato che il sistema di posizionamento globale opera attraverso misure geometriche di
distanza (tra satellite e ricevitore) e di intervalli di tempo, esso viene anche indicato
col nome di NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time and Ranging), e le sue
componenti fondamentali sono tre:
- SEGMENTO SPAZIALE (satelliti geodetici)
- SEGMENTO DI CONTROLLO (stazioni a terra)
- SEGMENTO UTENTE (operatore)
In figura 2.1: segmenti fondamentali di un sistema GPS.
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2.1 Il segmento spaziale
Figure 2.1.1 e 2.1.2: foto di un satellite geodetico e rappresentazione della
distribuzione dei satelliti nello spazio.
Il segmento spaziale è costituito da 24 satelliti che ruotano attorno alla terra alla
velocità di 4 Km/sec. a una distanza di circa 20.200 Km su 6 orbite distanti tra loro di
60° di longitudine all’ equatore e con inclinazione dell’ orbita rispetto all’ equatore di
55°. I satelliti emettono con continuità un segnale sottoforma di onda elettromagnetica
modulata sinusoidalmente in ampiezza, con una lunghezza d’onda tipica delle onde
radio (circa 20 cm.). All’ onda elettromagnetica portante vengono sovrapposti dei
codici binari ad alta frequenza che contengono delle informazioni riguardanti la
posizione del satellite e il tempo di emissione del codice, tutti dati necessari per le
misure GPS.
La posizione del satellite viene comunicata attraverso parametri che consentono alla
sezione ricevente di ricostruire in ogni istante la posizione del satellite stesso: le
effemeridi.
Per misurare il tempo con la migliore accuratezza possibile, i satelliti sono dotati di
orologi atomici al cesio e al rubidio che operano con precisioni molto elevate (errori
non superiori a 10
-14
sec.).
I satelliti sono inoltre dotati di oscillatori che generano una frequenza fondamentale di
10,23 MHz, da cui successivamente vengono ricavate le due portanti nella banda L1
ed L2, sulle quali vengono poi modulati i codici contenenti informazioni come il
tempo in cui è stato emesso il segnale, e le varie effemeridi che descrivono istante per
istante la posizione del satellite stesso.
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In figura 2.1.3 : schema esemplificativo della modalità di trasmissione di un segnale
GPS.
I segnali inviati a terra dal satellite sono quindi codificati, ovvero il messaggio
contenuto nelle onde elettromagnetiche viene criptato. La necessità di una codifica del
segnale è una precauzione adottata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d’
America, che desidera evitare che chiunque (e quindi anche potenziali nemici) possa
usufruire di un sistema di rilevamento ad alta precisione.
I codici sono in pratica delle onde quadre formate da transizioni pseudo casuali di
valori +1 e -1 generati da un algoritmo che si ripete periodicamente nel tempo. Il
codice di decodifica P (Precise) è segreto, molto preciso, ed è riservato a scopi
militari, modula le portanti L1 ed L2 ripetendosi ogni settimana. Il codice di
decodifica C/A (Corse/Acquisition) è il codice che si utilizza per scopi civili, e
fornisce un' accuratezza del posizionamento fino a 15 m. Modula la sola portante L1 e
fornisce anche l’identificativo del satellite e si ripete ogni millisecondo. Il codice D
contiene il cosiddetto messaggio navigazionale, modula le portanti L1 ed L2,
descrivendo così la posizione dei satelliti tramite le effemeridi.
Affinché il GPS possa funzionare con la dovuta precisione, è necessario che i satelliti
siano ben visibili e ben distribuiti nello spazio. La bontà della configurazione
geometrica è data dal parametro PDOP (Position Dilution Of Precision) ovvero dal
calo di precisione nel posizionamento tridimensionale. A seconda di questo parametro
si distinguono varie classi di visibilità dei satelliti (in figura misurate secondo il
Global – DOP), che dipendono dalla loro posizione rispetto al ricevitore:
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