IL SISTEMA GPS. De Agos(ni S.p.A. - Novara

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1 IL SISTEMA GPS

2 Che cos è il GPS? Il Global Posi8oning System (GPS) è un sistema per calcolare le coordinate geografiche e di quota, nato negli Sta( Uni( per scopi militari ma sempre più diffuso anche in campo civile. Si basa su segnali emessi da una rete di circa 30 satelli8 in orbita intorno alla Terra che permecono a qualunque ricevitore GPS di calcolare la posizione con uno scarto di pochi metri. I satelli( sono distribui( su 6 orbite in modo tale che ne siano sempre visibili contemporaneamente almeno 5. Il sistema è ges(to dal governo degli Sta( Uni( d America ma è liberamente accessibile a chiunque.

3 Come funziona il sistema GPS I satelli( trasmecono in con(nuo verso la Terra un segnale che con8ene: l orario di invio dei da( le effemeridi 1 di una sezione della propria orbita le effemeridi degli altri satelli( I ricevitori GPS sincronizzano il loro orologio interno con quello atomico dei satelli(, e sono quindi in grado di calcolare la distanza di ciascun satellite misurando il tempo impiegato da un segnale radio a percorrere la distanza satellitericevitore.

4 Il rilevamento della posizione FASE 1 FASE 2 FASE 3 1. Il primo segnale ricevuto permece di determinare che la nostra posizione è in un punto qualsiasi di una sfera di prossimità, che ha come centro il satellite e come raggio la distanza calcolata sul tempo di ritardo nella ricezione dei da(. 2. Ricevendo i da( di un secondo satellite viene generata una seconda sfera di prossimità, che interseca la prima generando una circonferenza: pensate a due bolle di sapone. La nostra posizione è lungo uno qualsiasi dei pun8 della circonferenza. 3. Ricevendo segnali da almeno 3 satelli8, il ricevitore genera tre sfere di prossimità. Queste tre sfere si intersecheranno in due pun8, uno dei quali è la nostra posizione geografica sulla Terra (l altro sarà a migliaia di kilometri nello spazio).

5 L acquisizione dei satelli8 e l elaborazione del fix Il fix è il dato di posizionamento che si oyene con il sistema GPS. Nelle immagini che seguono si mostra in quacro fasi come il ricevitore GPS elabora i segnali dei satelli( sino a fornire coordinate e quota. Coordinate Precisione di rilevamento Quota Nessun satellite ricevuto Barre segnale vuote: segnali ricevu8 in maniera ancora incompleta per quei satelli( Barre segnale piene: segnali ricevu8 in maniera completa per quei satelli( QuaCro o più satelli( ricevu(: fix effevuato.

6 L errore di rilevamento Il margine di errore na8vo del Sistema GPS è compreso tra i 5 e 15 metri. Questo errore è dovuto a diversi favori (approssimazioni decimali nei calcoli; errori negli orologi dei satelli(; rifrazione ionosferica che rallenta e devia le onde radio ecc.). L errore più gravoso è quello cos(tuito dal cosiddeco effevo mul8path (effevo di rimbalzo): si verifica quando il segnale viene ricevuto due volte dall antenna, direvo ma anche riflesso, perché rimbalza su ostacoli dell ambiente esterno, per esempio su pare( rocciose. Il calcolo della posizione risulta di conseguenza alterato anche di parecchi metri m Raggio di errore (pico EffeCo mul(path

7 La quota Lo strumento GPS calcola la quota dalla superficie dell ellissoide, garantendo una precisione variabile fra 0 e 50 metri circa (a seconda della posizione geografica). Il valore della quota che leggiamo su carte e segnali stradali è però calcolato rispeco al livello del mare (Il valore medio della pressione al livello del mare è fissato a 1 atm ovvero 760 mm Hg). Per ovviare a questo problema negli strumen( di ul(ma generazione viene inserita una capsula barometrica, che fornisce il valore di quota calcolandolo tramite la pressione atmosferica.

8 Rilevazione in movimento Il Sistema GPS fornisce esclusivamente due da(: la8tudine e longitudine. Tu] gli altri da8 (velocità, distanza, direzione ecc.) sono sempre calcola8 dal disposi8vo dell utente, in tempo reale, solo quando è in movimento. Nord Arrivo Disposi8vi diversi mostreranno 8pi di da8 diversi, ma sopracuco li mostreranno in maniera diversa a seconda dello scopo: Nel navigatore per automobile la navigazione verso un indirizzo segue le svolte della rete stradale. Nel GPS porta8le da trekking la navigazione segue il tracciato dei sen(eri o in sua assenza una linea reca verso la des(nazione. Nel GPS nau8co la navigazione indica roce a segmen(. Nel GPS aeronau8co la navigazione indica roce in linea reca. Partenza Traccia Azimuth La mia posizione

9 La bussola Gli strumen( GPS quando sono fermi non forniscono un indicazione di direzione affidabile in quanto geometricamente sono assimilabili ad un punto e un punto non ha orientamento alcuno. Per poter ocenere indicazioni di direzione affidabili si fa ricorso quindi a due o più levure di posizione successive che consentono di tracciare un segmento, che ha invece un orientamento rispevo al Nord. Per ocenere indicazioni di direzione anche da fermi ci si affida a un sensore di bussola elevronica, integrata negli strumen( di ul(ma generazione, che orienta correvamente le varie schermate in ogni istante.

10 Sistemi alterna8vi di navigazione satellitare Oltre al sistema GPS, ad oggi il più diffuso e capillare, esiste il GLONASS di proprietà della Russia, il GAGAN dell India, il BEIDOU della Cina. A dicembre del 2016 è diventato opera(vo il Sistema europeo GALILEO che conterà entro il 2020 su 30 satelli(. I segnali provenien( dalle diverse re( possono essere u8lizza8 parallelamente ma anche in modo integrato per fornire una precisione di posizionamento ancora maggiore. Un satellite del sistema russo GLONASS al CeBIT del 2011, la più importante fiera dedicata all Informa(on and Communica(on Technology. Il lancio del tredicesimo satellite del sistema Galileo nel dicembre ESA

11 Note 1 (Diaposi(va numero 3) Le effemeridi sono la raccolta dei da( caraceris(ci dell orbita di un corpo celeste. La raccolta delle effemeridi cos(tuisce l almanacco del ricevitore GPS. Gli smartphone (salvo alcune eccezioni) hanno a bordo un chipset «A-GPS» ovvero che non dispone dell almanacco: si appoggiano alla rete GSM per ocenerlo. Tale caraceris(ca è pensata per poter fornire un rapido posizionamento tra al( palazzi e negli strey vicoli dei centri storici, dove la ricezione di un segnale satellitare è spesso ostacolata. Ne deriva però come conseguenza che mol( smartphone, nelle zone con assenza di segnale GSM, non riescono a calcolare la posizione pur avendo il GPS acceso e funzionante.

12 Sitografia NASA: hcp://science.nasa.gov/real(me/jtrack/3d/jtrack3d.html/ Sito ufficiale Sistema GPS: hcp:// Sito ufficiale Sistema GLONASS: hcps:// Sito ufficiale Sistema BEIDOU: hcp://en.beidou.gov.cn/ Sito ufficiale Sistema GAGAN: hcp:// Sito ufficiale ESA European Space Agency (Agenzia Spaziale Europea): hcp:// Sistema A-GPS: hcps://it.wikipedia.org/wiki/gps_assis(to

13 Credi8 Tes$ a cura di: Massimo D Eramo, Garmin Academy. Redazione: Veronica Longo, De Agos(ni Scuola. Le immagini sono state fornite da: ShuCerstock, commons.wikimedia.org The Pennsylvania State University, European Space Agency.