IL
GPS (Global Position System) "sistema di
posizionamento globale" è un sistema di calcolo di
coordinate terreno determinate attraverso l'utilizzo di
satelliti.
CHE
COS' E' IL GPS
-
Un
sistema di posizionamento estremamente preciso
-
Creato
e gestito dal Ministero della Difesa Americano
-
Nato
per esigenze militari
-
Sviluppato
in previsione delle potenziali applicazioni civili
-
Basato
su una costellazione di satelliti artificiali
DATI
STORICI DEL GPS
-
Il
sistema è in continua evoluzione dal 1973
-
Il
primo satellite è stato lanciato nel 1978
-
La
costellazione è stata ultimata nel1994
-
Una
nuova generazione di satelliti (Blocco IIR) sta
rimpiazzando quelli del blocco I e II
-
Il
tutto è gestito dal DoD (Dipartimento della Difesa
Americano)
IL
sistema determina le coordinate di un punto partendo da
una base nota.
Gli
elementi di base sono 3:
-
ELEMENTO
SPAZIALE; il satellite (sono 24, trasmettono agli
operatori vari segnali ed hanno coordinate note in
funzione di tempo e orbita).
-
ELEMENTO
DI CONTROLLO; composta da stazioni a terra che
controllano e trasmettono dati ai satelliti (correzioni
degli orologi, nuove effemeridi ovvero informazioni che
consentono il computo della posizione del satellite in
base alle stelle fisse, le effemeridi). Queste stazioni
a terra sono di coordinate note e servono solo per
apportare periodicamente le correzioni di posizione dei
satelliti sopra descritte.
-
ELEMENTO
UTENTE; calcola la posizione del punto a terra da
determinare con l'utilizzo di un'antenna (ricevitore) in
base ai segnali ricevuti dai satelliti.
Per
semplificare: l'utente utilizzerà solo due di questi
tre elementi, l'elemento spaziale, il satellite (ne deve
ricevere almeno quattro per risolvere le quattro
incognite x, y, z, tempo) e l'elemento utente, il
ricevitore.
Per
aumentare la precisione si aggiungerà un ricevitore a
terra fisso, posizionato su di un punto di coordinate
note, che costituirà, assieme all'elemento spaziale, la
base nota.
IL
SISTEMA GPS
GLI
ELEMENTI BASI DEL G.P.S. Il sistema GPS è costituito da
tre parti:
Il segmento SPAZIALE
-
24 Satelliti orbitanti
-
Orbite circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati
di 55° rispetto al piano equatoriale
-
4 satelliti equidistanti su ogni piano orbitale
-
Orbite molto alte altezza 20.200, periodo di rivoluzione
11 ore 58 minuti (l'altezza fornisce maggiore precisione
e sicurezza).
Il
segmento di controllo ovvero 4 Stazioni di monitoraggio a terra
-
Diego
Garci
-
Ascention
Island
-
Kwajalein
-
Hawaii
Trasmettono
le nuove effemeridi, la correzione per gli orologi, ecc.
Il
segmento Utenza
-
Utilizzatori ai fini della navigazione
aerea, marittima e terrestre
-
Utilizzatori
per applicazioni geodetiche e topografiche
STRUTTURA
DEL SEGNALE
Due
frequenze portanti in banda L:
L1
- 1575.42 Mhz
L2
- 1227.60 Mhz
Tre
modulazioni (codici):
Due
codici per la determinazione della distanza
Codice
(C/A): Solo su L1, freq. 1023 Mhz, lungh. (29.3m)
Codice
(P): P1 su L1 e P2 su L2, freq. 10.23 Mhz lungh. (29.3m)
Un
codice di messaggio (NAVDATA) su entrambe le frequenze:
Dati
di correzione (orbite e clock)
Stato
dei satelliti (orbite e stato di salute)
QUANTO
E' PRECISO?
Dipende da alcune variabili
-
Tempo
impiegato nella misura
-
Tipo
di ricevitori utilizzati
-
Algoritmo
di correzione applicato alle misure
-
Da
30 a 100 metri Per qualunque ricevitore utilizzato in
modo autonomo
-
Da
1 a 5 metri Per ricevitori in modalità differenziale
DGPS
-
Precisione
< 1 cm Per i sistemi più sofisticati
COME
FUNZIONA IL SISTEMA GPS ?
I 5 punti su cui si basa il
sistema
-
La
trilaterazione dai satelliti è la base del sistema GPS
-
Il
GPS misura la distanza dai satelliti conoscendo il tempo
impiegato e la velocità del segnale
-
Per
poter misurare la distanza dai satelliti è necessario
un ottimo orologio e un quarto satellite
-
I
satelliti trasmettono la loro posizione e conoscendone
la distanza, è possibile calcolare la posizione del
ricevitore
-
Si
analizzano infine i vari errori dovuti alla propagazione
del segnale nell'atmosfera e alla geometria dei
satelliti
TRILATERAZIONE
CON IL GPS
Una sola misura di distanza da un punto (1
satellite) individua la nostra posizione ovunque sulla
superficie di una sfera
Noi
ci troviamo in un punto qualunque sulla superficie della
sfera
L'intersezione
di due sfere è una circonferenza
Una
seconda misura indica la nostra posizione
sull'intersezione di due sfere
Una
terza misura individua solo due punti
Punti
individuati dalla intersezione di due sfere
Una
quarta misura toglie ogni dubbio
Quttaro
misure identificano un solo punto
-
In
teoria tre misure sono sufficienti
-
Uno
dei due punti può essere eliminato perchè assurdo (si
trova chissà dove nello spazio e si muove ad altissima
velocità)
-
Abbiamo
comunque bisogno del quarto satellite perchè ci sono 4
incognite da risolvere:
-
Latitudine
-
Longitudine
-
Quota
-
TEMPO!
DISTANZA
DAI SATELLITI
Misura della distanza da un satellite
-
Si
misura il tempo impiegato dal segnale a compiere il
percorso Satellite-Ricevitore
-
Si
moltiplica il tempo impiegato per la velocità della
luce:
-
Tempo
(sec) x 300.000 (km/s) = Distanza
-
E'
necessario sapere esattamente quando il segnale è stato
trasmesso
-
E'
indispensabile avere un ottimo orologio
Come
si fa a sapere quando il segnale è partito?
-
Si
usa lo stesso codice (sequenza di impulsi) sul satellite
e sul ricevitore
-
Si
sincronizza l'orologio del ricevitore con quello dei
satelliti
-
In
questo modo satelliti e ricevitori generano lo stesso
codice nello stesso istante
-
E'
ora possibile comparare il codice ricevuto con quello
generato e misurare la differenza di tempo tra i due
(ovvero la differenza di tempo tra il momento di
emissione del segnale e il momento di ricezione a terra)
L'IMPORTANZA
DELL'OROLOGIO
-
Per misurare la distanza
Satellite-ricevitore è necessario un orologio
estremamente preciso
-
Assicura
che i satelliti e i ricevitori siano sincronizzati
-
I
satelliti hanno più orologgi atomici a bordo
-
Precisi,
ma decisamente costosi
-
Per
i ricevitori è sufficiente un orologio stabile
-
Grazie
all'informazione del quarto satellite possiamo
sincronizzare l'orologio del ricevitore e risolvere
l'incognita TEMPO
Situazione
con orologio impreciso
Posizione
errata a causa dell'errore degli orologi
Tre
misure con orologio impreciso
Posizione
errata a causa dell'errore degli orologi
La
terza misura non interseca le altre due nella stessa
posizione
I
SATELLITI
-
Sono a circa 20.000 km di altezza
-
Il
satellite stesso trasmette la sua posizione a quella di
tutti gli altri satelliti (almanacco)
-
Orbita
molto alta:
-
Rende
il moto dei satelliti molto stabile
-
Assenza
di attrito atmosferico
-
Copertura
terrestre
-
Controllati
dal DoD (Department of Defense)
-
La
loro orbita li porta sopra al territorio americano
almeno una volta al giorno
-
Il
DoD trasmette le correzioni di orbita ai satelliti
ORIGINE
DEGLI ERRORI
Il sistema GPS non lavora nel vuoto
Ionosfera
(80-500km)
Porzione
dell'atmosfera densa di particelle cariche
elettricamente, in grado di deviare le onde radio
Troposfera
(0-10km)
Porzione
dell'atmosfera dove si creano i principali fenomeni
metereologici
Caratterizzata
da una forte presenza d'acqua, molto variabile da zona a
zona
-
Errori
nell'orologio e nell'orbita dei satelliti
-
Molto
piccoli e principalmente corretti dal DoD
-
Errori
del ricevitore
-
Problemi
dovuti all'instabilità dell'oscillatore (orologio)
-
Rumorosità
nelle misure introdotta dal ricevitore stesso
-
Multipath
(percorsi multipli)
-
Il
segnale rimbalza su superfici riflettenti ed
interferisce con il segnale diretto
-
Ricevitori
ed antenne di buona fattura sono in grado di ridurre il
problema
-
Dop
-
La
geometria dei satelliti influenza la precisione
Selective
Availability (S/A)
-
Il governo Americano può introdurre
un errore artificiale sull'orologio dei satelliti e
sulla loro orbita per degradare la precisione del
sistema:
-
Impedisce
a nazioni ostili di utilizzare il GPS per scopi militari
-
Quando
attivata, è la maggior fonte di errore
-
L'
S/A è la somma di due errori:
-
Epsilon:
maniolazione dei dati, le effemeridi vengono falsate
(ogni ora)
-
Dither:
variazioni applicate ciclicamente agli orologi (ogni
4-15 minuti)
Geometria
dei satelliti (DOP)
L'errore aumenta se i satelliti
formano tra loro angoli acuti
E'
espressa attraverso questi valori
-
Gdop
- Geometric Diluition Of Precision
-
Pdop
- Position Diluition Of Precision
-
Hdop
- Horizontal Diluition Of Precision
-
Vdop
- Vertical Diluition Of Precision
-
Edop
- East Diluition Of Precision
-
Ndop
- North Diluition Of Precision
-
Tdop
- Time Diluition Of Precision
-
Gdop2=
Pdop2+Tpod2
-
Pdop2=
Hdop2+Vpod2
-
Hdop2=
Edop2+Npod2
RIEPILOGO
Errori tipici:
-
Orologio
satellite 0.5 m
-
Effemeridi
0.5 m
-
Ricevitore
1.0 m
-
Iono/troposfera
3.5 m
-
Totale
(rms) 5-10 m
Moltiplicando
per l' HDOP si ha un errore di circa 8-30 m
Con
S/A attiva 100 m
-
La
trilaterazione dai satelliti è la base del sistema GPS
-
Il
GPS misura la distanza dai satelliti utilizzando il
segnale emesso che viaggia alla velocità della luce
-
Per
misurare la distanza dai satelliti è necessario un
ottimo orologio e un quarto satellite
-
Oltre
alla misura della distanza è necessario conoscere la
posizione dei satelliti
-
Per
il calcolo della posizione si analizzano i vari errori
dovuti a ionosfera, troposfera e geometria dei satelliti
Il
GPS in topografia
-
Le fonti di errore influiscono in
eguale misura su tutti i ricevitori che vedono gli
stessi satelliti
-
La
posizione relativa di due o più ricevitori GPS può
essere nota con grande precisione
-
L'analisi
dei segnali ricevuti contemporaneamente da 2 strumenti
porta a precisioni anche di pchi millimetri
-
Il
GPS può misurare vettori di notevole lunghezza (anche
centinaia di km)
-
Funziona
24 ore al giorno e con qualsiasi condizione atmosferica
-
Il
GPS viene utilizzato in topografia perché non è
richiesta l'intervisibilità dei punti da rilevare
La
correzione Differenziale
-
La registrazione dei dati in un
punto è soggetta ad errori
-
Ognuno
di questi errori è identificato dall'ora GPS
-
Nello
stesso istante lo stesso errore agisce su tutti i
ricevitori operanti nelle vicinanze
-
Per
eliminare gli errori viene utilizzata la misura
differenziale DGPS
-
Con
il calcolo differenziale si eliminano gli errori che
influenzano due misure fatte nello stesso periodo di
tempo
-
Il
calcolo differenziale può essere effettuato:
-
a
posteriori in "Post-processing"
-
immediatamente
nella fase di misura in "Real time"
TECNICHE
DI RILIEVO TOPOGRAFICO
-
Statico
-
Statico
veloce
-
Cinematico
STATICO
-
E' il più preciso (<5mm + 1 ppm )
-
E'
il più lento ( > 1 ora di stazionamento )
-
E'
il più affidabile (difficilmente sbaglia)
-
E'
il più semplice (lavoro sul campo = 0)
STATICO
VELOCE
-
Del tutto simile allo statico con tempi di
stazionamento molto inferiori (5-30 min.) (richiede
almeno 5 satelliti)
-
Possibile
grazie a SW e HW più potenti
-
Lo
statico "veramente veloce" si ottiene con
ricevitori a doppia frequenza o a doppia costellazione.
-
Molte più informazioni rispetto alla singola frequenza:
L1, L2, L1+L2, L1-L2
-
Lo statico veloce in singola frequenza si affida
esclusivamente al SW
-
Stessa
semplicità dello statico
-
Stessa
precisione dello statico (?!?)
-
Stessa
affidabilità dello statico (?!?)
*A
livello matematico è tutto vero. In realtà la
precisione è di poco inferiore. L'affidabilità dipende
dalla sensibilità dell'operatore sul campo (DOP, numero
satelliti, rapporto segnale-rumore...)
CINEMATICO
-
E' il più veloce (solo 1 secondo per punto)
-
E'
il più difficile (non bisogna perdere il segnale dai
satelliti)
-
Dovrebbe
avere la stessa precisione dello statico ma rispetto a
questo è molto più influenzato dal DOP (si ottengono
circa 3-10 cm)
-
Richiede
l'INIZIALIZZAZIONE quando si inizia il rilievo e una
nuova inizializzazione ogni volta che si hanno meno di 4
satelliti
-
Inizializzazione
con solo L1 ---- Statico
-
Inizializzazione
con L1+L2 ---- Statico, Statico Veloce, O.T.F. (On The
Fly) (al volo)
-
I
dati possono essere acquisiti in continuo movimento
(cinematico) o passando da un punto all'altro fermandosi
un istante (STOP and GO)
Inizializazione
con solo L1
-
Antenna Swap (scambio di antenne)
-
Statico/Statico
veloce (min. 20 minuti)
-
Inizializzazione
tramite Vettore (o punti) noti
-
Inizializzazione
sempre e comunque da fermi
Inizializzazione
con L1+L2
-
Antenna Swap (scambio di antenne)
-
Statico/Statico
veloce (2-3 minuti)
-
O.T.F.
on the fly (al Volo)
-
Inizializzazione
tramite Vettore (o punti) noti
-
2-3
minuti di dati, anche in movimento
-
I
dati possono essere acquisiti passeggiando verso il
punto da rilevare
-
E'
la tecnica più produttiva in assoluto
|