Glonass si Glonass no: proviamo a rispondere

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1 Glonass si Glonass no: proviamo a rispondere di Pasquale Armenise, con la preziosa collaborazione di Fulvio Pellini. Con la serie etrex più recente, i GPS Garmin possono ora acquisire i segnali anche dai satelliti Glonass, il sistema di posizionamento globale russo. Ma quali sono i vantaggi concreti per l utenza? Abbiamo condotto un esperimento per voi e, come sempre, quando si parla di GPS, le sorprese non mancano GPSolutions 2012, tutti i diritti riservati. Introduzione L obiettivo del nostro esperimento piuttosto complesso dal punto di vista tecnicoorganizzativo - era quello di verificare se e quali tipi di vantaggi si possono ottenere dallo sfruttamento del sistema Glonass in aggiunta al sistema GPS, con particolare riferimento alla velocità di acquisizione del segnale e alla accuratezza della posizione calcolata. A tal scopo, abbiamo messo a confronto la nuova serie etrex di Garmin, l unica ad oggi a supportare tale funzionalità, e, più specificatamente, un etrex 30, con altri due modelli GPS-only, vale a dire un Dakota 20 e un GPS MAP 62sc. Abbiamo percorso un breve tragitto in montagna per una lunghezza di circa 4 chilometri (inclusivi di andata e ritorno per la stessa via), con un passaggio caratterizzato da visibilità del cielo limitata, lo stesso percorso che abbiamo già utilizzato a suo tempo per raffrontare il vecchio GPS MAP60CSx con la nuova serie 62. Infatti, esperimenti di questo genere hanno senso soltanto sottoponendo i ricevitori a condizioni di funzionamento particolarmente difficili, essendo assodato che, con buone condizioni di visibilità del cielo, la gran parte dei dispositivi se la cava più che egregiamente 1

2 Quando si vogliono mettere a confronto ricevitori satellitari differenti, rispetto a caratteristiche come la velocità di acquisizione del segnale o l accuratezza della posizione calcolata, la precondizione necessaria per qualsiasi raffronto è che gli strumenti operino esattamente nelle stesse condizioni, con le stesse impostazioni e la medesima visibilità del cielo. Pertanto, abbiamo effettuato un reset degli strumenti per riportarli alle condizioni di uscita dalla fabbrica. Abbiamo poi acceso gli strumenti al chiuso, in modalità demo (acquisizione satellitare disabilitata) per il solo tempo necessario a impostare la modalità di registrazione della traccia (1 punto ogni 5 secondi) e le unità di misura metriche. L esperimento è stato condotto nel corso di una sola uscita, tenendo i tre dispositivi accessi contemporaneamente uno accanto all altro, in modo da essere certi che tutti e tre gli strumenti avessero la stessa visibilità del cielo. Tempo di acquisizione del segnale Come abbiamo detto, è stato effettuato un reset degli strumenti, in modo che i dispositivi partissero da una condizione di prima acquisizione (TTFF, Time To First Fix). Abbiamo accesso i tre dispositivi contemporaneamente. Immediatamente dopo l accensione, abbiamo impostato sull etrex 30 la ricezione dei satelliti GPS+Glonass, cercando di fare il più in fretta possibile. Come noto, gli strumenti Garmin escono dalla fabbrica con la registrazione della traccia attivata. Pertanto, non appena il ricevitore acquisisce il segnale comincia a registrare il percorso. L orario di registrazione del primo punto traccia coincide, quindi, con l ora in cui il ricevitore ha fatto il fix. 2

3 Di seguito i risultati ottenuti: Ricevitore MAP 62sc Dakota 20 etrex 30 Ora di acquisizione del segnale 9:53:24 9:54:22 9:53:36 Ritardo in secondi Come si può vedere, il GPS MAP 62sc è stato il più veloce, seguito dall etrex 30, con un distacco di 12 secondi e, in coda, il Dakota 20, con un ritardo di quasi un minuto dal primo. Ci saremmo aspettati da parte dell etrex 30 una prestazione ancora più elevata, in virtù del maggior numero di satelliti disponibili. Tuttavia, c è da mettere in conto qualche secondo di ritardo accumulato per l impostazione su quest ultimo della ricezione GPS+Glonass. In definitiva, si può affermare che l antenna esterna della serie 62 consente di acquisire il segnale più in fretta rispetto ai GPS con antenna integrata e che, con riferimento al tempo di acquisizione del segnale, la sensibilità del ricevitore, può rappresentare un fattore importante così come lo è certamente il numero di satelliti a vista. Infatti, in condizioni di visibilità del cielo non ottimale, la quantità di satelliti disponibili al ricevitore rappresenta un importante valore aggiunto rispetto alla sensibilità del ricevitore stesso. Ciò detto, va ricordato che i tempi di acquisizione del segnale satellitare nelle accensioni successive dei ricevitori, tendono a omologarsi (a meno che non ci si metta in condizioni similari a quelle di un TTFF) e che, in ogni caso, non riteniamo che qualche decina di secondi in più o in meno possa costituire un fattore importante per la scelta di un modello di ricevitore rispetto a un altro, essendoci molti altri fattori ben più importanti da tenere in conto in rapporto all uso che si intende farne. Tempo di stabilizzazione del segnale Il tempo necessario alla stabilizzazione del segnale è il tempo necessario al ricevitore per il calcolo di una posizione accurata, dopo l acquisizione iniziale del segnale. E noto, infatti, che le posizioni iniziali calcolate dai ricevitori immediatamente dopo l accensione non sono accurate ma vanno affinandosi col passare dei secondi. Di conseguenza, questo valore è ancora più importante del precedente, non potendo il ricevitore essere utilizzato in maniera affidabile prima che il segnale si stabilizzi. 3

4 Quando si è sul campo, possiamo considerare il segnale stabilizzato quando, stando fermi, il valore stimato di accuratezza della posizione, riportato normalmente nella pagina dei satelliti, non migliora più e diventa pressoché costante (si passa, per esempio, da +/- 16 metri al momento dell accensione a +/- 3 metri dopo qualche decina di secondi per poi non diminuire oltre). Se, come nel nostro esperimento, la registrazione della traccia è iniziata contestualmente all accensione del dispositivo, con segnale quindi non ancora stabilizzato, allora è possibile risalire dall analisi della traccia al momento in cui il segnale si è stabilizzato. La stabilizzazione avviene quando, scansionando i punti traccia registrati, partendo dall inizio della traccia (ricordando che eravamo fermi), si cominciano a trovare i primi punti con valori di coordinate molto vicini tra loro e la distanza percorsa da un punto al successivo prossima allo zero. Quando il segnale è stabilizzato, infatti, i punti traccia registrati dal ricevitore in condizioni di non movimento - sono vicinissimi uno all altro (spesso a una distanza inferiore al metro, di norma entro 1-2 metri), senza scarti rilevanti. Un'altra tecnica per verificare a posteriori al computer il punto e l istante in cui il segnale si è stabilizzato si basa sulla conoscenza dell esatta posizione in cui si era al momento dell accensione del ricevitore. In tal modo è possibile verificare, per esempio con l ausilio di immagini satellitari ad alta risoluzione, con una certa approssimazione, il momento in cui i punti registrati dal ricevitore smettono di essere palesemente errati e diventano più accurati. 4

5 Segnale stabilizzato: eravamo qui Segnale all accensione non stabilizzato: non eravamo qui Riportiamo nella tabella seguente i valori dei tempi di stabilizzazione del segnale rilevati nel nostro esperimento. Essi sono necessariamente approssimativi, essendo il frutto di un lavoro di interpretazione dei dati, suscettibile di errore: Ricevitore MAP 62sc Dakota 20 etrex 30 Ora di stabilizzazione del segnale Ritardo in secondi rispetto all acquisizione del segnale Ritardo in secondi rispetto al ricevitore più veloce 9:54:29 9:56:07 9:55: In sostanza, il GPS MAP 62sc ha impiegato poco più di 1 minuto prima di calcolare posizioni accurate, il Dakota 20, 1 minuto e 45 secondi, l etrex 30, 1 minuto e 40 secondi. Il primo GPS ad essere pronto per l utilizzo è stato quindi il GPS MAP 62sc 5

6 dopo 65 secondi dall acquisizione del segnale, seguito dall etrex 30 dopo 47 secondi rispetto al 62sc e, infine, dal Dakota 20, dopo 98 secondi. A questo punto vanno fatte un paio di considerazioni: 1. l etrex 30, nel calcolare la posizione, deve tener conto di un numero di satelliti molto più elevato rispetto agli altri ricevitori. Evidentemente, se questo maggior numero di satelliti apporta dei vantaggi allora ciò è giustificato, altrimenti non lo è. Fino a questo momento, abbiamo visto come la maggiore disponibilità di satelliti consente all etrex 30 prestazioni migliori rispetto al Dakota 20 e paragonabili a quelle di un GPS MAP 62sc, almeno per quanto riguarda i tempi di acquisizione e stabilizzazione del segnale, che comunque, ribadiamo, almeno per chi fa outdoor, non rappresentano certo un parametro di scelta significativo di un modello rispetto ad un altro, in confronto ad altri parametri ben più importanti. Qualche decina di secondi in più o in meno, di norma non cambiano la vita né l escursione 2. La seconda considerazione attiene invece alla qualità della stabilizzazione del segnale raggiunta dal ricevitore. E possibile osservare nell etrex 30 un fenomeno che non ci è capitato di osservare spesso prima d ora ovvero: quando il segnale si stabilizza, nell etrex 30 lo fa sul serio Nelle immagini seguenti vediamo alcuni frammenti delle proprietà della traccia registrata dall etrex 30 in orari differenti, in corrispondenza di punti in cui eravamo fermi (abbiamo dovuto fermarci spesso per annotare ciò che accadeva nei vari ricevitori ). La posizione calcolata è quasi sempre la stessa e di conseguenza la distanza percorsa calcolata tra un punto e il successivo è quasi sempre esattamente pari a 0: 6

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8 Questo dato ci induce a pensare che il calcolo della posizione nell etrex 30, con la ricezione GPS+Glonass abilitata, sia particolarmente accurato e affidabile. Ma non vogliamo anticipare conclusioni affrettate, pertanto continuiamo nella illustrazione del nostro esperimento 8

9 Numero di satelliti a vista, accuratezza della posizione e calcolo della quota Nel corso dell escursione, abbiamo annotato per ciascun dispositivo i seguenti valori, con un intervallo temporale di circa 5 minuti o comunque quando la posizione era di particolare interesse per via della scarsa visibilità del cielo: il numero di satelliti a vista in quell istante, l accuratezza stimata della posizione calcolata (valore Precisione nei ricevitori), la quota. In tal modo, abbiamo potuto ottenere un quadro di riferimento generale delle condizioni di operatività degli strumenti nel corso dell esperimento. Per quanto riguarda la quota, precisiamo che non è stata effettuata la calibrazione dell altimetro in nessuno dei dispositivi, che sono tutti dotati di altimetro barometrico. Nella tabella seguente, i valori che abbiamo registrato nel tragitto di andata: Ricevitore / Punti camp. MAP 62sc / Dakota 20 / etrex 30 Satelliti (GPS+GLONASS) Accuratezza Quota Alla partenza /-3 +/-3 +/ punto /-3 +/-3 +/ punto /-3 +/-3 +/ punto /-5 +/-6 +/ punto /-9 +/-7 +/ punto /-4 +/-9 +/ punto /-3 +/-5 +/ punto /-3 +/-3 +/ punto /-3 +/-3 +/ Prima di commentare i risultati, forniamo alcune indicazioni per la lettura corretta della tabella. Nelle colonne Satelliti, Accuratezza e Quota, ciascuna rilevazione riporta in colore rosso tre valori: il primo si riferisce al GPS MAP 62sc, il secondo al Dakota 20 e il terzo all etrex 30. Nella colonna della quota, viene riportato in blu un quarto valore, che è il valore di quota approssimativo atteso per quella posizione, mutuato da altre 9

10 fonti cartografiche di dettaglio. Nella colonna dei Satelliti, il terzo valore di ogni campo, quello che si riferisce all etrek 30, non riporta un singolo valore bensì l addizione di due valori, di cui il primo si riferisce al sistema GPS ed il secondo al sistema Glonass. Ad esempio, l addizione 8+7 nel primo campo, significa che in quell istante l etrex 30 riceveva 8 satelliti GPS + 7 satelliti Glonass, per un totale di 15 satelliti. Un ultima considerazione preliminare importante è la seguente: quando si analizzano i dati calcolati da ricevitori satellitari con esperimenti di questo tipo, non è opportuno trarre conclusioni su valori spot relativi a singole rilevazioni (che possono essere influenzate da svariati fattori, a volte di difficile interpretazione) ma occorre cercare di individuare i trend di comportamento, le situazioni ripetitive, i valori medi. Tutto ciò premesso, proviamo a trarre qualche conclusione dall analisi del prospetto su riportato. Per quanto riguarda la quota, se sommiamo per ciascun ricevitore lo scarto fra il valore calcolato dallo stesso e quello atteso (in blu) e dividiamo per il numero di rilevazioni effettuate (nove), otteniamo l errore medio di quota del ricevitore. Ricevitore MAP 62sc Dakota 20 etrex 30 Scarto medio nella quota in metri 10,44 10,55 8,88 Come si può vedere, l etrex 30 si è comportato mediamente meglio degli altri ricevitori benché, anche in questo caso, le differenze siano modeste e di scarso interesse dal punto di vista pratico. Esaminando i valori relativi all accuratezza, si evince chiaramente la presenza di quello che presumiamo essere un errore di calcolo nel firmware dell etrex 30, almeno fino alla data dell esperimento, vale a dire i valori di stima dell errore di posizionamento con la ricezione GPS+GLONASS attivata variano in un intervallo dai +/-9 ai +/-25 metri. Poiché il ricevitore ha calcolato posizioni accurate almeno quanto quelle del GPS MAP 62sc e del Dakota 20, come vedremo più in là dall analisi dei tracciati, e questi ultimi hanno correttamente stimato l errore minimo in +/3 metri, in corrispondenza di tratti con una buona visibilità del cielo, se ne ricava che i valori calcolati dall etrex sono palesemente errati. Si può anche aggiungere che il valore di stima dell accuratezza di +/- 9 metri nell etrex 30 equivale ai +/- 3 metri degli altri ricevitori. Ci aspettiamo che tale anomalia venga rimossa con i successivi aggiornamenti del firmware. Passando, in ultimo, all analisi del numero di satelliti ricevuti nel corso dell esperimento, vediamo chiaramente come GPS MAP 62sc ed etrex 30, con la 10

11 sola ricezione GPS, abbiano acquisito quasi sempre un numero di satelliti maggiore rispetto al Dakota 20, con la sola eccezione delle ultime due misurazioni, con visibilità del cielo molto buona, dove tutti è tre i ricevitori hanno acquisito 9 satelliti GPS. Se ne deduce che l etrex 30 è dotato comunque di un ricevitore molto sensibile. Inoltre, l etrex 30, grazie alla costellazione GLONASS, ha acquisito mediamente 6 satelliti in più rispetto al GPS MAP 62sc. E, finalmente, passiamo a vedere se tale abbondanza di segnali disponibili all etrex 30 abbia apportato dei vantaggi in termini di accuratezza della posizione calcolata e, se si, quali. Come? Attraverso l analisi delle tracce registrate dai ricevitori, naturalmente Analisi dei tracciati GPS MAP 62sc: andata (colore rosso) e ritorno (colore giallo) Nel rettangolo riportato sull immagine, abbiamo evidenziato l area critica, quella con scarsa visibilità del cielo, dove, per intenderci, abbiamo effettuato le rilevazioni dei punti 3,4 e 5 in tabella. 11

12 Come si può notare, nell area critica il ricevitore ha registrato tracciati differenti nei due tragitti di andata e ritorno. Con tutta evidenza, se assumiamo che uno dei due sia quello più vicino alla realtà (ma, fino a questo momento, non siamo in grado di dire quale) l altro è di conseguenza errato. In teoria, potrebbero essere entrambi imprecisi più o meno nella stessa misura e la verità potrebbe anche stare nel mezzo ma appare chiaro che, nel punto indicato dalla freccia che, di qui in poi, chiameremo per semplicità punto critico, è successo qualcosa di importante 12

13 Dakota 20: andata (colore arancione) e ritorno (colore celeste) Anche nel Dakota 20 si ripropone esattamente lo stesso comportamento, tracciati divergenti tra andata e ritorno nell area critica, pertanto uno dei due tracciati è meno preciso dell altro. Quello che appare sorprendente, è che i tracciati sembrano molto simili a quelli del GPS MAP62sc, inclusa la particolarità del punto critico già evidenziata con la freccia nell immagine precedente. 13

14 Cerchiamo quindi conferma sovrapponendo all immagine i quattro tracciati: In effetti, è difficile non restare basiti: i tracciati di andata e quelli di ritorno registrati dai due dispositivi sono molto simili fra loro, manifestando una strabiliante coerenza, anche nell errore A questo punto possiamo cominciare a trarre delle conclusioni. Nello specifico, abbiamo la conferma di un fatto, per la verità noto, ovvero che, più importante del numero dei satelliti acquisiti dal ricevitore, è la loro geometria, vale a dire la disposizione degli stessi rispetto al punto in cui siamo. Almeno in questo esperimento, il fatto che il GPS MAP62sc sia dotato di un ricevitore più sensibile del Dakota 20 e che abbia spesso acquisito un maggior numero di satelliti rispetto a quest ultimo, non gli è bastato a comportarsi meglio del Dakota quando ci siamo trovati ad attraversare l area critica. D altronde, al di fuori dell area critica, entrambi i ricevitori hanno registrato buoni tracciati molto simili tra loro. Se ne ricava che i satelliti ricevuti dal solo GPS MAP62sc (e non visibili al Dakota 20) erano in realtà superflui e non sono stati decisivi per la registrazione di un buon tracciato in entrambe le direzioni (andata e ritorno), considerato che il Dakota 20 ha prodotto gli stessi risultati anche senza il loro ausilio. Ciò è altresì confermato dal fatto che, al di fuori dell area critica, il Dakota 20 ha lavorato con una precisione di +/3 metri alla pari del GPS MAP62sc ma con un minor numero di satelliti a vista. 14

15 etrex 30: andata (colore magenta) e ritorno (colore blu) L etrex 30 ci riserva un altra sorpresa: i tracciati di andata e ritorno divergono tra loro in misura più contenuta rispetto agli altri ricevitori e, in aggiunta, per un tratto di percorso più breve. Inoltre, l etrex 30 si è comportato molto bene nel punto critico. 15

16 Proviamo allora a sovrapporre all immagine i tracciati di andata e ritorno di tutti gli strumenti: Come si può vedere, i tracciati di andata dei tre ricevitori, considerata la difficoltà di ricezione, sono tutti abbastanza vicini, pertanto possiamo concludere che nel tragitto di andata tutti e tre i ricevitori si sono comportati egregiamente, producendo tracciati simili. In aggiunta, abbiamo visto come l etrek 30 abbia generato anche al ritorno un tracciato simile a quello dell andata, diversamente da quanto fatto da GPS MAP 62sc e Dakota 20. Siamo quindi in grado di affermare che i tracciati più fedeli sono quelli relativi al tragitto di andata registrati da tutti gli strumenti nonché quello di ritorno dell etrex 30, mentre, al ritorno, l area critica ha messo in difficoltà sia il GPS MAP62sc che il Dakota 20. Cerchiamo allora di capire cos è successo nel tragitto di ritorno, analizzando i tracciati nel punto critico, indicato nelle immagini precedenti dalla freccia. 16

17 Iniziamo dal tracciato di ritorno del GPS MAP62sc. Possiamo vedere come, in corrispondenza del punto critico evidenziato in blu nell elenco dei punti traccia, esattamente alle , risulta essere stata percorsa una distanza di 23.5 metri rispetto al punto precedente, il tutto in un intervallo temporale di 5 secondi Ovviamente ciò non è possibile. 17

18 Il Dakota 20 ci racconta una storia analoga: Alle , in corrispondenza del punto critico, risulta essere stata percorsa una distanza di 21 metri rispetto al punto precedente, sempre nello stesso intervallo temporale di 5 secondi... 18

19 E l etrex 30? Vediamo un po Alle , nel ricevitore non accadeva nulla di particolare ma registrava semplicemente un punto a 4.7 metri di distanza dal precedente 19

20 Conclusioni A questo punto siamo in possesso di tutti i dati necessari a spiegare quello che si è verificato nel corso dell esperimento, nel tragitto di ritorno. Quando, percorrendo la strada all incontrario (con riferimento all immagine, da destra verso sinistra), siamo entrati nell area critica, sia il GPS MAP62sc che il Dakota 20, con tutta evidenza, hanno perso la ricezione di uno o più satelliti GPS, fondamentali per il calcolo di una posizione accurata. La conseguenza è stata che le due tracce in registrazione hanno cominciato a divergere rispetto a quelle più accurate registrate all andata. Quando, alle , siamo giunti a quello che abbiamo denominato punto critico, i due ricevitori hanno in realtà riacquisito contemporaneamente nuovi segnali GPS, non sappiamo (ma è ininfluente) se dagli stessi satelliti GPS persi poco prima o da altri. Quello che è certo, è che sia il GPS MAP62sc che il Dakota 20 hanno ripreso a calcolare posizioni più accurate, riportandosi sullo stesso percorso registrato all andata, con un balzo improvviso di circa 20 metri. Con ogni probabilità, anche l etrex 30 ha perso la ricezione degli stessi satelliti GPS persi dagli altri due dispositivi ma non ne ha risentito, in quanto ha potuto contare sui segnali ricevuti da uno o più satelliti GLONASS, i quali, evidentemente, gli hanno consentito una buona triangolazione anche nell area critica, permettendogli di continuare a calcolare posizioni accurate. Possiamo quindi concludere che, per quanto riguarda l accuratezza della posizione calcolata dai tre ricevitori (che si riflette anche nella precisione dei tracciati registrati dagli stessi), la disponibilità o meno del sistema GLONASS in presenza di una buona visibilità del cielo, è praticamente ininfluente. Viceversa, qualora ci si trovi in un contesto ambientale caratterizzato da visibilità del cielo limitata, la possibilità di usufruire del sistema GLONASS può costituire un importante valore aggiunto. 20