Il sistema g.p.s. Global Position Sistem nato da un'idea degli U.S.A. intorno agli anni 70 è stato completato nel 1993.
Realizzato come primo scopo per rispondere all'esigenza del Ministero della difesa degli Stati Uniti per seguire lungo il percorso i vari mezzi militari consentendo operazioni di supporto e salvataggio.
Il gps è un sistema di individuazione della posizione che utilizza 24 satelliti.
I satelliti hanno una vita media di 10 anni e quelli attuali della serie Block 2 pesano circa 1000 Kg ed hanno un trasmettitore di circa 40 Watt di potenza per ridurre al minimo il consumo di energia.
Le frequenze di trasmissione sono due, così definite L1 1575 MHz e L2 1227 MHz.
L1 è la frequenza dei ricevitori civili mentre L2 quella militare. A dire il vero i ricevitori militari le ricevono entrambe.
Il segnale è di tipo digitale con modulazione P.S.K.
Di questi satelliti 21 sono sempre in servizio mentre gli altri 3 sono di scorta per sopperire ad eventuali avarie.
I 24 satelliti ruotano attorno alla Terra ad una quota di circa 17600 Km a gruppi di 4 in orbite distanti fra loro di un angolo di 60° e formanti un angolo rispetto al piano equatoriale di 55°
Visto l'orbita ed il periodo di rotazione dei satelliti ed il numero degli stessi possiamo dire che in ogni istante in media sopra di noi sono "visibili" da cinque ad otto satelliti.
Funzionamento:
Il gps basa il suo funzionamento sulla misura della distanza fra il satellite ed il ricevitore.
Il tutto avviene con degli orologi sincronizzati, data la velocità della luce nota.
I satelliti sono dotati di quattro orologi atomici che sfruttano le oscillazioni degli atomi di rubidio e cesio per mantenere il più possibile la precisione. Con questo sistema si riesce ad avere una precisione di un secondo ogni 30000 anni!
Tutto il sistema è sincronizzato e ogni volta che il singolo satellite passa sopra Colorado Spring viene verificato ed eventualmente effettuate le correzioni del caso.
I nostri satelliti trasmettono in continuazione dati numerici che comprendono le proprie coordinate X, Y, Z e l'istante esatto di trasmissione T.
Tutti questi dati vengono elaborati dal nostro ricevitore che confrontandoli con il proprio orologio e conoscendo la velocità delle onde elettromagnetiche deduce a che distanza si trova da ogni satellite che ha in acquisizione.
Noto l'istante Ta dove è partito il segnale (satellite) e l'istante Tb indicato dall'orologio locale del nostro ricevitore si conosce il tempo impiegato a percorrere la distanza tra noi e il satellite, essendo nota la velocità delle onde elettromagnetiche v. La distanza D risulta: D=v(Tb-Ta)
Questa in sostanza l'equazione semplificata del sistema di funzionamento gps.
Il risultato della distanza di un solo satellite è un dato insufficiente per determinare la nostra posizione perché non conosciamo ne la posizione azimutale ne quella zenitale dello stesso. Ugualmente avviene per due satelliti perché l'intersezione di due sfere di raggio noto, cioè le distanze calcolate dal nostro rx, dà luogo ad un cerchio e non ad un punto.
L'intersezione di tre sfere (caso con tre satelliti) di raggio noto determinano due punti: Solitamente uno è di norma inaccettabile perché si trova ad altissima quota e risulta muoversi a velocità assurda l'altro invece si avvicina di molto al risultato esatto.
I migliori ricevitori dotati di software atto a calcolare il punto iniziano ad effettuare una navigazione grossolana con margini quasi accettabili.
Quindi soltanto con quattro satelliti si ha il punto esatto di dove ci troviamo, infatti l'intersezione di quattro sfere determina univocamente un punto nello spazio. Ora il nostro ricevitore lavora con tutti i dati necessari per un'ottima navigazione sia essa terrestre od aerea. Questo in maniera molto semplice ma la realtà è un pochino più complicata.
La misura così fatta dal ricevitore è affetta da tre errori principali:
- L'errore dell'orologio del ricevitore rispetto al tempo gps
- L'errore di misurazione della distanza a causa dei disturbi atmosferici
- L'errore dell'orologio del satellite rispetto al tempo gps
(Per tempo gps si intende il riferimento esatto dato dalla stazione di Colorado Spring)
Se abbiamo degli orologi così precisi sui satelliti non è altrettanto vero per il nostro ricevitore.
L'ipotesi di montare un orologio al cesio è scartata a priori: dimensioni eccessive e non più trasportabile ed un costo di circa 150000 Euro!!!! La soluzione usata è quella di usufruire di orologi abbastanza precisi per brevi periodi ma con la possibilità di essere corretti dal sistema gps molto di frequente.
Ritorniamo alle nostre sfere per la determinazione della posizione.
Ipotizziamo per un attimo che gli orologi dei satelliti e del nostro ricevitore siano perfettamente sincronizzati.
Il ricevitore calcola il tempo esatto del segnale quindi la distanza e l'intersezione delle sfere... ecco la nostra posizione.
Ipotizziamo per un attimo che gli orologi dei satelliti e del nostro ricevitore siano perfettamente sincronizzati.
Il ricevitore calcola il tempo esatto del segnale quindi la distanza e l'intersezione delle sfere... ecco la nostra posizione.
L'rx però non può sapere se il suo orologio è perfettamente sincronizzato. Un milionesimo di secondo equivale ad un errore di 300 mt. Quindi ascolta un quarto satellite verificando la quarta sfera e l'intersezione di essa. Se l'intersezione non coincide con le altre si presume che c'è un errore di clock. Non è geometricamente possibile che le quattro sfere si intersecano nello stesso punto se l'orologio non è più che preciso.
Il ricevitore allora ri-sincronizza l'orologio per ottenere la giusta posizione.
Questa sincronizzazione succede praticamente sempre all'accensione dello stesso e successivamente se si rende necessaria. Una volta rilevata la posizione si può calcolare lo scarto dell'effetto Doppler dei satelliti ed ottenere un'indicazione vettoriale di velocità fra l'altro molto precisa rispetto al suolo terrestre.
Per ovviare all'inconveniente dei disturbi atmosferici solitamente i ricevitori hanno dei modelli matematici all'interno del software per la correzione dato che le perturbazioni sono in funzione della posizione sul globo rispetto l'equatore.
Il codice digitale per ottenere ancora migliori risultati:
Ricordiamoci infatti che il segnale gps è digitale quindi ha bisogno una certa sincronizzazione per poterlo rilevare.
Abbiamo anche detto che il nostro piccolo ricevitore deve conoscere perfettamente quando il segnale è stato trasmesso dal satellite (Ta). Quindi la perfetta sincronia dei due orologi non basta più, ed entra in gioco il codice.
Pensiamo ad una sequenza di linee dell'alfabeto morse ma ogni tanto una ne salta lasciando un "buco".
Ogni satellite trasmette un codice diverso. Il nostro rx contiene 32 modelli di codice per l'identificazione esatta.
Quando il ricevitore capta il satellite confronta i vari codici. Conoscendo quindi il momento preciso di emissione (data dal code), il ricevitore genererà la copia esatta del codice del satellite. Il codice arrivato dal satellite risulterà sfasato da quello del ricevitore.
Solo un altro rilevamento è necessario per la posizione, mentre il terzo satellite viene usato per sincronizzare l'orologio.
Questa è la navigazione bi-dimensionale. L'accuratezza della posizione non è delle migliori ma grazie a dei software ci danno la possibilità di iniziare la navigazione fino all'acquisizione di altri satelliti.
L'altra ragione dell'utilizzo del codice riguarda la ricezione del segnale.
Il segnale di pochi watt irradiato dal satellite si confonde con il "noise" atmosferico, quindi il nostro ricevitore inizia a generare i vari codici e quando ha sufficienti corrispondenze per riconoscere il segnale buono si "aggancia" fino a riceverne almeno tre. Ecco perché si ha la possibilità di usare antenne piccolissime.
Il flusso di dati:
Al contrario di quanti possono pensare il gps è un sistema di scambio dati molto lento paragonabile al nostro packet radio.
Il flusso di dati scorre in pacchetti di 1500 byte, Composto da 5 sezioni da 300 byte. Le ultime due sezioni vengono commutate 25 volte l'una, ossia per ottenere un messaggio completo è necessario trasmettere 25 pacchetti di dati. L'itero pacchetto di 1500 byte necessita quasi 30 secondi per essere inviato. In breve per un articolo come questo ci vogliono circa 7 ore!
Le 5 sezioni dei dati contengono le varie informazioni. La 1, 2 e 3 riguardano data, ora, qualità di ricezione, le effemeridi, la sincronia dell'orologio. La 4 e 5 contengono invece la routing, ovvero la posizione nello spazio di tutti i satelliti. Si tratta di una grossa quantità di dati e per questo viene sub-commutata.
Se così non fosse ma verrebbero irradiate continuamente fino al completamento, il nostro ricevitore impiegherebbe circa 15 min. ogni accensione per "inizializzarsi" e non si potrebbe lanciare la navigazione fino al termine del processo.
Avete appena preso il vostro nuovo e piccolissimo ricevitore gps. Lo accendete e... nulla non funziona!
Non andate su tutte le furie riportandolo al rivenditore. Siate pazienti! Semplicemente la routing è scaduta oppure il ricevitore è stato spostato più di 2000 km dall'ultima accensione. La routing scade dopo circa 9 mesi dall'ultimo funzionamento.
Lasciatelo acceso in luogo aperto e dopo 13 minuti inizierà a funzionare! Perché?
Ritorniamo alle nostre sezioni 4 e 5 del pacchetto dati. Ogni sezione impiega 6 sec. Siccome le sezioni sono 5 i dati relativi alla routing impiegano i 2/5 del tempo di trasmissione. Ci vogliono i famosi 25 pacchetti per ottenere l'informazione completa.
Ogni pacchetto impiega 30 sec (tempo di invio di una sezione x il numero delle sezioni 6x5). Quindi i 25 pacchetti impiegano 12 minuti e 30 sec. Dopo che ha "scaricato" tutte queste info può localizzare gli altri satelliti e dirvi dove siete con lo scarto di qualche decina di metri. Sull'accuratezza del sistema si sente ogni valore... da pochi cm a centinaia di metri.
Prendiamo per buono il valore medio di 100 mt per l'utilizzo civile. Dobbiamo tener conto tra i vari errori un probabile ma esistente errore matematico voluto dal ministero della difesa Americano. Chi dispone di un ricevitore fisso sulla vettura deve aggiungere che in mancanza di segnale satellitare il sistema utilizza una piccola bussola per sentire i cambiamenti di direzione e la velocità tachimetrica del veicolo, per ricalcolare, seppur con minor precisione la posizione del veicolo. Ecco perché funziona anche in galleria e ottimamente in città dove la ricezione è spesso critica a causa di alti edifici e ponti, il vostro sistema vi porta a destinazione. Ora non vi resta che accendere il vostro gps e gironzolare quà e la senza arrabbiarvi se alcune volte vi perde. Ora ne conoscete a grandi linee il funzionamento ed è quindi tutto più semplice.
Buona navigazione a tutti!

73 de Valerio F/IW2HNN

F    Articolo pubblicato il giorno 24 aprile 2008

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