Rilevamento mobile: Posizione GPS

Il sistema di posizionamento globale (GPS)

Il Global Positioning System (GPS) è un sistema di localizzazione sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per scopi militari. Fornisce stime accurate di posizione, velocità e tempo utilizzando una rete di computer e una costellazione di 24 satelliti per determinare l'altitudine, la longitudine e la latitudine di qualsiasi oggetto sulla superficie terrestre attraverso la triangolazione. Il sistema è operativo dal 1995.

Uso civile del GPS

In ambito civile, per motivi di sicurezza, è consentito solo un sottoinsieme degradato di segnali GPS. Tuttavia, la comunità civile ha trovato alternative per ottenere un'eccellente precisione di localizzazione attraverso tecniche differenziali. Queste tecniche hanno portato a un'enorme crescita delle applicazioni civili e attualmente esistono oltre 70 produttori di ricevitori GPS.

Principi di funzionamento

Lo scopo del Sistema GPS consiste nel calcolare la posizione di un punto qualsiasi in uno spazio di coordinate (x,y,z), partendo dal calcolo delle distanze del punto da un minimo di tre satelliti di cui si conosce la posizione. La distanza tra l'utente (ricevitore GPS) e un satellite si misura moltiplicando il tempo di volo del segnale emesso dal satellite per la sua velocità di propagazione.

Per capire quanto tempo ha impiegato il segnale radio a viaggiare, gli orologi dei satelliti e dei ricevitori devono essere impostati sulla stessa ora. Questo perché entrambi devono inviare lo stesso codice alla stessa ora. Ma mentre gli orologi dei satelliti sono molto precisi, quelli dei ricevitori sono oscillatori al quarzo economici e poco precisi. Le distanze con errori dovuti al sincronismo sono chiamate pseudorange. La differenza degli orologi dei ricevitori è un'altra incognita che rende necessario l'uso di almeno quattro satelliti per capire dove si trovano i ricevitori.

Calcolo degli pseudorange

Nel calcolare gli pseudorange, si tiene conto del fatto che i segnali GPS sono deboli e sono immersi nel rumore di fondo inerente al pianeta nella banda radio. Questo rumore naturale è costituito da impulsi casuali, che portano alla generazione di un codice pseudocasuale artificiale da parte dei ricevitori GPS come schema di fluttuazioni. Ad ogni istante, un satellite trasmette un segnale con lo stesso schema della serie pseudocasuale generata dal ricevitore. Sulla base di questa sincronizzazione, il ricevitore calcola la distanza spostando il proprio codice pseudocasuale nel tempo fino a farlo coincidere con il codice ricevuto; questo spostamento corrisponde al tempo di volo del segnale. Questo processo viene eseguito automaticamente, continuamente e istantaneamente in ogni ricevitore.

Stazioni di terra e orologi atomici

Sebbene la velocità dei satelliti sia elevata (4 km/s), la loro posizione istantanea può essere stimata con un errore inferiore a qualche metro, sulla base di una previsione delle posizioni precedenti in un periodo di 24-48 ore. Le stazioni di terra controllano periodicamente gli orologi atomici dei satelliti, due al cesio e due al rubidio, inviando le effemeridi e le correzioni degli orologi, poiché la precisione degli orologi e la stabilità della traiettoria dei satelliti sono fondamentali per il funzionamento del sistema GPS.

Fonti di errore nel GPS

Esistono diverse fonti di errore che possono influenzare le misurazioni GPS. Alcune delle fonti principali sono:

- Disturbo ionosferico: La ionosfera è costituita da uno strato di particelle elettricamente cariche che possono influenzare la velocità dei segnali radio che la attraversano.

- Fenomeni meteorologici: Il vapore acqueo nella troposfera, lo strato più vicino alla superficie terrestre, può rallentare i segnali elettromagnetici e causare errori nelle misurazioni GPS difficili da correggere.

- Imprecisione negli orologi: Anche con un'attenta regolazione e controllo, sia gli orologi atomici dei satelliti GPS che quelli dei ricevitori possono presentare lievi deviazioni.

- Interferenze elettriche impreviste: L'interferenza elettrica può causare errori nella correlazione dei codici pseudocasuali o nel calcolo dell'orbita, con conseguenti disallineamenti fino a un metro.

- Errore multipercorso: I segnali GPS possono essere riflessi dalle superfici prima di raggiungere il ricevitore, causando errori nella distanza misurata. È difficile ridurre al minimo questo errore perché dipende dall'ambiente in cui si trova l'antenna GPS.

- Disponibilità selettiva (S/A): I militari introducono intenzionalmente questa fonte di errore, rendendola la più grande.

- Topologia del ricevitore-satellite: La disposizione spaziale dei satelliti visibili utilizzati nel calcolo delle distanze può influire sulla precisione delle misure GPS. I ricevitori avanzati possono modificare l'errore di misurazione della distanza.

Queste fonti di errore possono essere classificate in quelle che dipendono dalla geometria dei satelliti e quelle che non dipendono da essa. La disponibilità selettiva e gli errori di clock non sono influenzati dalla forma del satellite, ma i ritardi ionosferici e troposferici e gli errori di multipath sono molto influenzati dalla forma del satellite. Ogni misura di posizione GPS ha un valore chiamato "incertezza" che si basa su tutte le diverse fonti di errore.

Applicazioni GPS

Le applicazioni GPS hanno molteplici campi di utilizzo, tra cui i sistemi di ausilio alla navigazione, la modellazione atmosferica e spaziale terrestre e la misurazione del tempo ad alta precisione. Ecco alcuni esempi di sistemi GPS utilizzati in ambito civile:

- Studio dei fenomeni atmosferici: I segnali GPS sono utili per sviluppare modelli di previsione meteorologica analizzando le variazioni di velocità causate dal vapore acqueo nella troposfera.

- Localizzazione e navigazione in regioni inospitali: Il GPS viene utilizzato nelle spedizioni di ricerca in aree di difficile accesso o prive di punti di riferimento. Ciò contribuisce ad approfondire la conoscenza delle regioni polari o desertiche.

- Modelli geologici e topografici: Il GPS è utilizzato dai geologi per studiare il movimento delle placche tettoniche e per la previsione dei terremoti. È anche uno strumento fondamentale per la topografia, per i rilievi del territorio e per gli inventari forestali e agricoli.

- Ingegneria civile: Il GPS viene utilizzato per monitorare in tempo reale le deformazioni di grandi strutture sottoposte a carichi, come quelle metalliche o in calcestruzzo.

- Sistemi di allarme automatici: Il GPS viene utilizzato nei sistemi di allarme collegati ai sensori che monitorano il trasporto di merci inquinanti e deperibili ad alto rischio. L'allarme consente un'assistenza rapida al veicolo.

- Sincronizzazione dei segnali: L'industria elettrica utilizza il GPS per sincronizzare gli orologi delle stazioni di monitoraggio e individuare eventuali guasti nel servizio elettrico.

- Guida per i portatori di handicap fisici: I sistemi GPS sono in fase di sviluppo per aiutare i non vedenti a navigare in città. Si sta anche studiando la possibilità di utilizzarli nel turismo per ottimizzare i percorsi tra i diversi luoghi di un itinerario.

- Navigazione e controllo di flotte di veicoli: Il GPS viene utilizzato per la pianificazione della traiettoria e il controllo della flotta di veicoli da organizzazioni come la polizia, i servizi di emergenza, le stazioni di taxi, i servizi di corriere e le società di consegna.

- Sistemi di aviazione civile: Il GPS è utilizzato nell'aviazione civile per aiutare la navigazione e le operazioni di atterraggio. La sua importanza ha portato allo sviluppo di sistemi volti a migliorare la precisione del GPS.

- Navigazione non assistita del veicolo: Il GPS è incorporato nei sistemi DGPS per manovre precise in aree di traffico intenso, nei veicoli terrestri autonomi, nella sorveglianza in ambienti ostili e nel trasporto merci.

Grazie all'elevata precisione delle misurazioni GPS, sono stati compiuti importanti progressi nello spazio in orbite basse. I robot possono ora svolgere da soli lavori pericolosi, come ispezionare, riparare e assemblare satelliti artificiali.

Il futuro del GPS

Nel 1996, le norme che regolano i sistemi GPS hanno stabilito che la disponibilità selettiva sarebbe stata soppressa nel 2006 e che una frequenza in più sarebbe stata incorporata per uso civile. Ciò significa che entro pochi anni, I satelliti GPS invieranno il codice civile su entrambe le frequenze L2 e L1.. In questo modo si creerà una ridondanza che permetterà di stimare gli errori ionosferici e di ottenere una precisione di modo assoluta simile a quella ottenibile con le tecniche differenziali. Il segnale sulla frequenza L1 rimarrà invariato, quindi i ricevitori attuali potranno ancora funzionare.

Il segmento di controllo sarà migliorato con l'avvio di un nuovo sistema di controllo, attualmente in fase di progettazione, per la stazione degli esperti. Questo comprenderà fino a un totale di venti stazioni di monitoraggio, con un controllo più preciso delle effemeridi e degli orologi satellitari.

Tuttavia, gli attuali sistemi di navigazione GPS, GLONASS e GPS/GLONASS non sono in grado di soddisfare i rigorosi standard di sicurezza richiesti da alcune applicazioni civili, come la navigazione aerea. La notifica all'utente degli errori di funzionamento del sistema può durare da un secondo, quando l'errore si verifica nel satellite, a diverse ore, nei casi in cui il segmento di controllo rileva il guasto.

Per risolvere questi inconvenienti, l'Europa sta sviluppando EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), che sarà operativo nel 2003. Questo sistema soddisferà gli standard di sicurezza per la navigazione aerea installando una rete di 34 antenne riceventi fisse (RIMS) a terra per ricevere i segnali GPS e ridurre gli errori di posizionamento. Questi segnali saranno inviati a un centro di controllo dove le informazioni satellitari saranno calibrate, misurando il possibile errore per correggerlo, e inviate nuovamente a 10 stazioni a terra. Inoltre, questi segnali saranno inviati a due nuovi satelliti geostazionari INMARSAT situati a un'altitudine di 35.000 km, che fungeranno da ripetitori e invieranno i segnali agli utenti. Sia gli Stati Uniti (WAAS: Wide Area Augmentation System) e Giappone (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) stanno lavorando a servizi simili.

Anche l'Europa lancerà il GNSS-1che sta per "Global Navigation Satellite System 1". Questo sistema combinerà i servizi di GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS e MTSAS. Questo sarà il primo passo verso un sistema di posizionamento europeo (GNSS-2 o Galileo) che utilizzerà una costellazione di satelliti europei.

Infine, va notato che nei prossimi cinque anni il GPS e il GPS/GLONASS saranno gli unici sistemi di posizionamento basati su satelliti ad essere operativi.

In conclusione

Il raggiungimento di elevati livelli di accuratezza richiede la consapevolezza delle origini dell'errore di misurazione GPS. Il NOAA GPS Toolbox è uno strumento essenziale per i ricercatori e gli ingegneri che lavorano con la tecnologia GPS, poiché offre software e risorse utili per ridurre queste imprecisioni.