* * * * Conoscere Il Gps * * * *

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KORKI

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VERSIONE 1.0 30/11/04 |
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Il GPS si sta diffondendo sempre di più da come si evince nel forum, ma è ancora alta la diffidenza da parte di molti forumendoli. Vuoi per il prezzo vuoi per una presunta utilità/inutilità, spero di far cosa gradita portando alcune informazioni su questo utile strumento.

USARE UN RICEVITORE GPS

Il GPS è l'acronimo di Global Positioning System (sistema di posizionamento globale), inizialmente chiamato Navstar GPS ( Navigation Satellite Timing and Ranging GPS). Il sistema fu inventato negli anni 70 (ma divenne pienamente operativo negli anni 90) dal dipartimento della difesa degli stati uniti, per fornire all'esercito, alla marina e all'aeronautica un sistema di orientamento preciso e affidabile in ogni condizione atmosferica. Successivamente si è reso disponibile l'uso anche in ambito civile.

IL SISTEMA

E' composto da tre parti separate:
  • Il segmento di controllo
  • Il segmento dello spazio
  • Il segmento dell'utente.
SEGMENTO DI CONTROLLO

E' formato da cinque stazioni terrestri nelle basi dell'Aeronautica Americana localizzate in:
  • Colorado Springs (America continentale)
  • Hawaii (Oceano pacifico)
  • Ascension Island (Oceano atlantico)
  • Diego Garcia (Oceano indiano)
  • Kwajalein (Pacifico occidentale)
Le stazioni terrestri monitorano costantemente i satelliti, correggendone l'orbita, mantenendo sincronizzati i loro orologi atomici e ritrasmettendo loro la localizzazione precisa e i dati di sincronizzazione.

SEGMENTO DELLO SPAZIO

I satelliti che formano la costellazione GPS sono 24, orbitando ad un altitudine di 20.200 km. Ci sono 6 orbite con 4 satelliti ognuna, che ogni satellite compie in 12 ore. Le orbite sono disposte in modo che in ogni momento, almeno 5 satelliti siano visibili da qualunque punto della terra.
Ogni satellite trasmette costantemente dei segnali radio in codice contenenti i dati sulla sua localizzazione e velocità, e alla localizzazione di tutti gli altri satelliti rispetto a se stesso. Tutti i satelliti comunicano fra di loro per sapere dove si trovano.

SEGMENTO DELL'UTENTE

E' costituito da tutti i ricevitori GPS del mondo. Poiché tutto quello che serve ad un ricevitore GPS per conoscere la sua posizione sono i segnali trasmessi dai satelliti ( l'unità gps non trasmette nulla), non c'è limite al numero degli utenti.

PERCHE' UN RICEVITORE GPS?

I vantaggi di un GPS portatile rispetto ai normali sistemi di orientamento sono numerosi. Funziona 24 ore al giorno, in qualunque condizione atmosferica e in qualunque parte del mondo, e può stabilire la posizione con uno scarto inferiore ai 15 mt.

Il GPS ha tre caratteristiche principali che lo rendono particolarmente utile in caso di escursione in zone incontaminate:
  • E' in grado di segnalare la posizione in modo accurato ed estremamente preciso, anche in caso di visibilità zero.
  • E' in grado di fornire la direzione dove si trova il nostro obiettivo, e quanto dista.
  • E' in grado di registrare la propria posizione attuale così da consentire di ritrovare la strada per tornarci.
I LIMITI DEI RICEVITORI GPS

Quando viaggiate NON dovreste mai fare affidamento al SOLO GPS per il semplice motivo che è un apparecchio elettronico e quindi suscettibile di malfunzionamenti, può danneggiarsi, si possono esaurire le batterie. Inoltre, a meno di non possedere un ricevitore cartografico, abbiamo la necessità di portare comunque una mappa cartacea. Pertanto, durante una semplice escursione all'aperto, utilizzate occasionalmente il ricevitore per verificare la posizione, e fate ricorso ad altri mezzi d'orientamento. In questo caso il GPS economizza le batterie, utili in caso di emergenza.

Il ricevitore funziona in base ad una chiara ricezione di segnali radio; pertanto non funzionerà in modo appropiato nelle zone in cui la ricezione è molto bassa o bloccata da ostacoli. Luoghi tipici dove i ricevitori NON funzionano:
  • L'interno dei palazzi.
  • L'interno delle grotte.
  • Sott'acqua.
Luoghi dove la ricezione può essere bassa o irregolare:
  • Le strade di città che passano tra costruzioni elevate.
  • Le gole o le valli profonde.
  • Le giungle o le foreste particolarmente fitte.
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PRECISIONE DEGLI OROLOGI ATOMICI
Senza la precisione estrema fornita dagli orologi atomici, il sistema GPS non funzionerebbe. L'accuratezza di una posizione GPS dipende dalla precisione delle misurazioni dei tempi impiegati dai segnali radio che viaggiano alla velocità della luce (circa 300.000 km/s) tra i satelliti e il ricevitore. Un errore di un millisecondo può generare un errore di 320 km nel calcolo della posizione. Gli orologi atomici consentono di misurare questi tempi con una precisione calcolata in nanosecondi.
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FONTI DI ERRORE

Ci sono molti fattori che possono generare errori in un ricevitore GPS. La maggior parte incide proprio sui segnali radio che viaggiano dai satelliti al ricevitore. Altri errori riguardano gli orologi atomici o nella localizzazione dei satelliti.

1) L'interferenza ionosferica

Quando un segale radio passa attraverso le particelle della ionosfera ( la regione dell'atmosfera dai 60 ai 1000 km al di sopra della superficie terrestre), e poi attraversano le nuvole di vapore acqueo presenti nella troposfera, viene rifranto. Questo processo genera lievi errori di sincronizzazione perché il segnale segue un percorso che è leggermente più lungo rispetto ad una linea retta. Questa interferenza può essere affrontata in due modi:
  • Modellazione dell'errore.
  • Misurazione della doppia frequenza.
La modellazione dell'errore utilizza un modello matematico che prevederà quale sarà l'errore tipico causato dalla ionosfera e troposfera in un giorno tipico. I ricevitori GPS civili usano questo metodo. Il metodo della doppia frequenza è più accurato, ed è utilizzato dai ricevitori militari. I segnali radio di frequenze diverse vengono rifranti differentemente. Misurando la differenza temporale tra questi due segnali, si può calcolare l'esatto effetto di rifrazione. I satelliti trasmettono entrambi i segnali su due frequenze chiamate L1 e L2. I ricevitori civili possono captare solo i segnali L1, mentre quelli militari entrambi.

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PERCENTUALE DI ERRORE
Questa lista mostra l'influenza esercitata da varie fonti di errore sull'accuratezza del calcolo di posizione:

FONTE DI ERRORE E AMPIEZZA
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Orologi satellitari___________ 1,5 mt
Errori orbitali______________ 2,5 mt
Inososfera________________ 5,0 mt
Troposfera _______________ 0,5 mt
Errore da percorso multiplo__ 0,5 mt
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LA GEOMETRIA SATELLITARE

Quando si ottiene il punto di una posizione usando due rilevamenti di bussola intersecantisi, il margine di errore si riduce se i rilevamenti sono a circa 90° l'uno dall'altro. Allo stesso modo esiste una geometria ideale per la disposizione dei quattro satelliti necessari per calcolare in modo accurato la propria posizione. La geometria ideale si ha quando un satellite si trova direttamente sopra il ricevitore e gli altri tre si trovano disposti attorno all'orizzonte a distanze costanti.

Quando si accende il ricevitore, questo va a cercare i quattro satelliti disposti secondo la geometria migliore, ignorando gli altri. Se il segnale di questi viene a mancare per vari motivi (ad esempio una montagna che copre il cielo), verranno utilizzati al meglio gli altri satelliti disponibili. In questo caso si parla di errore chiamato Geometric Diluition of Precision (GDOP).

ERRORE DA PERCORSO MULTIPLO

Nella fase finale del percorso dal satellite al ricevitore, il segnale può venire riflesso da montagne, edifici o altre strutture elevate. Questo significa che il ricevitore può captare 2 o più volte lo stesso segnale ( il primo diretto dal satellite, gli altri riflessi). Un effetto simile lo si ottiene con le immagini fantasma che compaiono sullo schermo della televisione quando l'antenna è orientata in modo da captare i segnali riflessi. La maggior parte dei ricevitori GPS non è in grado di eliminare questo errore, quindi attenzione agli ostacoli vicini.

LA DISPONIBILITA' DIFFERENZIATA

Al momento dell'introduzione del GPS, il dipartimento della difesa mantenne un vantaggio militare introducendo deliberatamente un errore casuale nei segnali dei ricevitori civili. I ricevitori militari potevano calcolare la posizione con uno scarto di 15 mt, quelli civili attorno ai 100 mt; nel maggio 2000, questo errore è stato eliminato aumentando la precisione a tutti.

COME FUNZIONA UN RICEVITORE GPS

Nonostante un uso massiccio della tecnologia più moderna, il GPS si basa sullo stesso principio della resezione ( o triangolazione ) per determinare la posizione usando due o più rilevamenti con la bussola intersecantisi. La bussola permette di misurare il rilevamento da un punto di riferimento conosciuto per fornire una linea di posizione. Un ricevitore GPS misura la distanza da un punto di riferimento conosciuto per fornire una sfera di posizione. Come due rilevamenti di bussola s'intersecano in un unico punto sulla superficie terrestre, così lo fanno anche tre sfere di posizione.

MISURARE IL TEMPO E LA DISTANZA

Le onde radio viaggiano alla velocità della luce, circa 300.000 km/s. Un ricevitore GPS misura la distanza che lo separa da un satellite misurando il tempo che il segnale radio impiega per coprire tale distanza, e poi moltiplicandolo per la velocità della luce. L'equazione sarà:

@@@@@@@@@@VELOCITA' X TEMPO = DISTANZA

Per esempio se un'auto viaggia a 100 km/h ed il tempo che impiega per viaggiare dal punto A al punto B è uguale a 30 minuti (0,5 ore), allora la distanza tra i due punti sarà: 0,5 x 100 = 50 km.

Ma come è possibile misurare il tempo di viaggio di un segnale radio?
Sappiamo tutti della differenza temporale tra la percezione uditiva e visiva di uno stesso fenomeno ad una certa distanza, come ad esempio un fulmine ed un tuono. Siamo soliti contare i secondi che intercorrono tra il lampo e il tuono che poi moltiplicheremo per la velocità del suono nell'aria di 330 m/s per trovare la distanza. Possiamo usare questo calcolo perché sappiamo quando cominciare a contare.

Immaginiamo, invece, che un ragazzo trasmetta della musica esattamente alle 12:00. Noi ci troviamo a portata d'orecchio, ma non sappiamo la reale distanza che ci separa dalla sorgente sonora. Se il nostro orologio fosse esattamente sincronizzato con quello del ragazzo, si potrebbe cominciare a trasmettere lo stesso brano musicale esattamente nello stesso momento. In questo caso la musica proveniente dallo stereo del ragazzo ci giungerebbe con un certo ritardo rispetto alla nostra; tale ritardo può essere misurato rallentando il nostro nastro finché non si sincronizza con quello del ragazzo. Questo ritardo può essere usato per calcolare la distanza.
Questo è il principio usato dai ricevitori GPS. Invece della musica, il satellite trasmette un codice pseudo-casuale, ossia una sequenza di numeri codificati. Il ricevitore, il cui orologio interno è perfettamente sincronizzato con l'orologio atomico dei satelliti, controlla il tempo della sequenza, calcola il ritardo e lo moltiplica per la velocità della luce per fornire la distanza.

SINCRONIZZAZIONE DELL'OROLOGIO

Il tempo medio impiegato da un segnale radio per viaggiare dal satellite al ricevitore è di circa 0,06 secondi. Per questo motivo è fondamentale la precisione estrema degli orologi atomici. Questi orologi costano circa 50.000-100.000 Euro. Con una formula matematica, il nostro GPS si puo sincronizzare con gli orologi del satellite acquisendo la necessaria precisione.

POSIZIONE DI UN SATELLITE

Adesso che sappiamo come sia possibile determinare la distanza, vediamo come sia possibile trovare la posizione partendo da satelliti che si trovano a 20.200 km di altezza che orbitano a 2220 km/h.
Il segnale radio trasmesso contiene informazioni riguardanti la posizione e la velocità del satellite e anche del codice pseudo-casuale. Queste informazioni sono chiamate dati delle effemeridi e vengono immagazzinate nel ricevitore GPS tramite un programma almanacco. Questi dati vengono continuamente monitorati dalle stazioni GPS terrestri, e qualunque correzione ai satelliti viene trasmessa ogni ora. Ogni volta che un GPS entra in contatto con un satellite, la prima cosa che fa è scaricare gli ultimi dati delle effemeridi ed aggiornare il suo almancacco.

CALCOLO DELLA POSIZIONE

Una volta note distanza e posizione di un satellite, il GPS può tracciare una sfera di posizione attorno a quel punto (il ricevitore quindi deve trovarsi lungo la superficie della sfera). In realtà, il ricevitore si troverà in un punto sopra la superficie terrestre, o molto vicino ad essa; le posizioni GPS sono tridimensionali e includono l'altezza. Con un solo satellite abbiamo un solo cerchio di posizione ( il ricevitore si può trovare in un punto qualsiasi della circonferenza). Con due satelliti, abbiamo due cerchi di posizione intersecantisi; pertanto la posizione è limitata a uno dei due punti di intersezione. Con un terzo satellite si fornisce un ulteriore cerchio di posizione, che stabilisce con esattezza la posizione. In realtà, il terzo satellite fornisce due punti, ma il ricevitore è in grado di accorgersi qual è quello giusto. Per determinare l'altitudine è necessario un quarto satellite.

MODALITA 2D

Quando il campo visivo del cielo è limitato, il ricevitore può trovarsi a captare i segnali trasmessi solo da tre satelliti. In questo caso un satellite sarà usato per la sincronizzazione dell'orologio interno, e gli altri due per determinare la posizione; l'altitudine non verrà determinata. In questo caso avremo una posizione bidimensionale (2D). Normalmente dovrebbe apparire la scritta 2D sullo schermo del ricevitore. Il margine di errore è quindi molto elevato e il consiglio è di spostarsi in un area più aperta.

I PRODUTTORI DEI RICEVITORI GPS PORTATILI
Questi sono i principali produttori di ricevitori GPS portatili:

Brunton: www.brunton.com
Garmin: www.garmin.com
Lowrance: www.lowrance.com
Magellan: www.magellangps.com
Silva: www.silva.com

LINK UTILI
Link relativi al mondo gps. Dagli stessi siti è possibile utilizzare i link da loro proposti:
Forum: http://www.bike-board.net/community/forum/showthread.php?t=27608 - Link utili per il mondo GPS.
GPScomefare: www.gpscomefare.com - Il sito italiano per utenti gps.
Oziexplorer: www.oziexplorer.com - Il sito del noto programma cartografico.
GPSInfo: http://gpsinformation.net/ - Grande quantità di informazioni (In inglese).
 

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