Il GPS

Originally Posted Sunday, July 18, 2004

Introduzione

L’esigenza di conoscere in modo esatto e rapido una posizione e la necessità di individuare la direzione su cui spostarsi in un ambiente terrestre, aereo, e nautico ha indotto l’uomo a sviluppare nuove tecnologie. I vecchi sistemi di navigazione astronomica, infatti, richiedono lunghi calcoli applicati ad osservazioni che a volte non si possono eseguire a causa delle condizioni atmosferiche. Data l’alta velocità degli aeromobili moderni, si è dovuto ricercare un metodo nuovo che permettesse la navigazione a lunga distanza. Infatti i vecchi sistemi di radionavigazione (Loran, Omega, INS) riuscivano a coprire aree molto limitate di superficie terrestre. Fu così che in ambiente militare incominciarono i primi studi applicando tecnologie spaziali e informatiche, e si diede il via alla creazione di una rete di satelliti artificiali collegati a computer e orologi atomici che prese il nome di Sistema Globale di Posizionamento (G.P.S.). Questo sistema in un attimo ha spazzato via tavole di calcolo astronomico e strumenti come il sestante permettendo di evitare le lungaggini dei tempi richiesti da tali metodi. Inoltre il G.P.S. può essere utilizzato tutto l’anno sia di giorno sia di notte e con qualsiasi condizione atmosferica.

Principio di funzionamento Si basa sulla triangolazione della posizione di 24+3 appositi satelliti militari che inviano una serie di sequenze digitali, sequenze che non vengono utilizzate per calcolare angoli, ma distanze. Ogni satellite ha al suo interno un orologio al Cesio con una imprecisione valutabile in 1 secondo ogni milione di anni, ed è “sincronizzato” col ricevitore G.P.S. che trasforma, in distanza, il tempo impiegato a ricevere il segnale dal satellite che lo ha emesso. Per fare il punto bidimensionale il G.P.S. deve “agganciare” almeno tre satelliti. Calcolata la sua distanza da ciascuno di essi, il G.P.S. elabora un algoritmo che costruisce nello spazio tre sfere di raggio uguale alle tre distanze a disposizione, sfere che si intersecano in soli due punti: uno è il punto di stazionamento del G.P.S. e l’altro quello direttamente opposto, che viene automaticamente scartato come “impossibile” (l’antenna del G.P.S. dovrebbe trovarsi nella ionosfera…). La posizione così ottenuta è bidimensionale, ovvero affetta da un certo grado di errore dovuto al fatto che i calcoli eseguiti dal G.P.S. non hanno tenuto conto dell’altezza sul livello del mare dell’antenna del ricevitore. Per eliminare tale errore ed ottenere un punto tridimensionale è necessario agganciare almeno un quarto satellite, operazione che riduce gli errori di calcolo ad una sfera di raggio circa 50 metri. Al crescere del numero di satelliti agganciati decresce il raggio della sfera d’imprecisione, grazie al controllo di ridondanza che lo strumento effettua in tempo reale sui dati ricevuti.

Gli utilizzi fondamentali del G.P.S.

1. la visualizzazione delle coordinate geografiche.
2. la registrazione del nostro percorso. Il percorso può essere riportato sulla cartina e, pertanto, è possibile sapere con precisione dove si è passati.
3. il supporto alla guida: immettendo prima di partire le coordinate dei punti che si vogliono raggiungere e comandando allo strumento di impostare la navigazione verso di essi (funzione Goto). Questa funzione viene usata in maniera automatica dallo strumento quando creiamo una rotta e ci navighiamo, ripetendo il Goto per tutti i punti della rotta.
4. il tracback , conseguente alla funzione del punto precedente ed utilissima se ci si è persi per tornare sui propri passi.
5. il Mark, che crea un waypoint.

Caratteristiche importanti

1. La quantità massima di waypoint, delle rotte, e della lunghezza della tracks che sono memorizzabili nello strumento. Ricordate che tutti gli strumenti, una volta raggiunto il limite di memorizzazione, sovrascrivono i punti più vecchi oppure smettono di registrare, a seconda delle impostazioni definite nel setup, con la conseguente perdita di parte delle informazioni acquisite. La capacità di memoria è per tutti tra i 250 ed i 500 waypoint, mentre per quanto riguarda i punti di track il G.P.S.3 surclassa tutti gli altri con i suoi 1900 punti, e la possibilità di salvarli separatamente in 10 track distinti.
2. Possibilità di connettere una antenna esterna
3. Possibilità di connettere un’alimentazione esterna
4. Possibilità di interfacciare l’unità ad un PC tramite porta seriale per scaricare ed elaborare i dati raccolti dal G.P.S. con programmi appositi.
5. Disponibilità della cartografia generale del mondo intero che può essere presente nella memoria, non certamente perfetta, ma molto utile per avere una idea di base..

Tipologia dei terminali I G.P.S. si dividono in due grandi categorie: i monocanale seriali e i multicanale paralleli. Il G.P.S. monocanale aggancia i tre-quattro satelliti necessari ai suoi calcoli in sequenza (in serie…) e quindi non è in grado né di fornire misure di alta precisione, né di fornirle in tempo reale. Il suo errore medio è dell’ordine delle molte centinaia di metri ed i suoi tempi di acquisizione ed elaborazione dell’ordine delle decine di minuti (sino a due ore in condizioni sfavorevoli) e solo a veicolo fermo.

Il G.P.S. multicanale lavora invece in tempo reale poiché aggancia i satelliti necessari contemporaneamente (in parallelo…), con tempi di acquisizione ed elaborazione dell’ordine dei secondi, anche a veicolo in movimento, e con precisione media di alcuni metri. Sono disponibili, a costi che salgono in modo esponenziale. La Garmin produce la serie di unità G.P.S.2/G.P.S. 3 basate tutte sullo stesso contenitore, che hanno una funzione utilissima: permettono di orientare lo schermo, “girandolo” di 90° e consentendo così un montaggio orizzontale.

La cartografia di base (Basemap) È inserita in una ROM (indelebile). Non è altamente dettagliata. È fornita dalla Garmin in tre versioni: Americas (due Americhe e Canada), Atlantic (Europa, Africa e Medio Oriente) e Pacific che copre il resto del mondo. Non è possibile intervenire su questa cartografia residente, per cui attenzione alla versione quando li comprate. Per aumentare il dettaglio della cartografia si possono caricare nella memoria apposita del G.P.S., tramite l’applicazione Map Source, i cd Road & Recreations ed i Metroguide prodotti dalla Garmin stessa. Nel 3+ la memoria è interna da 1,44 Mb, pertanto, per l’eMap bisogna acquistare a parte una cartuccia di memoria da 8 o 16 Mb se si vuole caricare cartografia aggiuntiva. Il dettaglio aumenta in misura notevole.

Street Pilot: le sue caratteristiche non lo rendono adatto alla navigazione al di fuori dalla rete stradale in quanto è un sistema chiuso, e non può essere usato con il supporto di una carta topografica. L’unico Map disponibile è il WGS84, nel quale vengono attualmente prodotte solo pochissime carte topografiche.

Unità eTrex: ha funzioni e dimensioni decisamente ridotte. Niente antenna esterna, solo una rotta di cinquanta punti È poco più del minimo indispensabile, anche se l’unità garantisce la stessa precisione di un G.P.S. 3+. Ha una porta di comunicazione/alimentazione per essere interfacciata al PC ed alimentata dall’esterno (tramite adattatore). Una nuova generazione di eTrex è SUMMIT, con due funzioni veramente utili: una bussola elettronica, funzionante anche quando si è fermi, ed un altimetro barometrico efficace e preciso. È un buon strumento per fare trekking.

Accendiamo il G.P.S. La prima cosa che vi appare è una schermata di benvenuto , in questo momento il software del G.P.S. sta facendo una serie di controlli di diagnosi interna, dopodiché passa alla pagina di stato dei satelliti ed inizia la ricerca dei segnali. Nei G.P.S. cartografici, prima della pagina di stato dei satelliti vi appare una pagina di avvertimento che vi comunica che la cartografia è da considerare solo come ausilio e non bisogna affidarsi ad essa per la navigazione. E’ vero. La cartografia dei G.P.S. è spesso grossolana, a volte incompleta, ed in alcuni casi proprio sbagliata.

La pagina di Stato dei Satelliti In questa pagina viene riportato il cielo sopra di noi, delle barre con un numero arbitrario che identificano i satelliti, e l’indicatore della carica delle batterie. Vi sono due cerchi concentrici: quello esterno rappresenta l’orizzonte, quello interno un “cono” rovesciato (immaginario) di 45° con la punta al suo centro, ovvero alla nostra posizione. Man mano che il G.P.S. riceve i segnali dai satelliti, le barre diventano dapprima “vuote” quando il satellite è agganciato ma ancora non viene utilizzato per il calcolo della posizione, per poi colorarsi quando finalmente il G.P.S. ha finito di ascoltare la stringa del satellite e lo sta usando per il computo della posizione. Quando il G.P.S. ha a disposizione i dati di almeno tre satelliti, lo schermo cambia ancora, mostrando la pagina di posizione. Subito dopo, gli altri satelliti visibili vengono ascoltati ed utilizzati per la navigazione: infatti, se si torna alla pagina di stato dei satelliti subito dopo aver ottenuto il fix, si nota che questa si sta popolando di altri elementi. Se nei modelli multiplexing il G.P.S. stenta a ricevere i segnali, cioè acquisisce uno o due satelliti e non va oltre, nonostante i satelliti siano visibili, può essere utile spegnerlo e poi riaccenderlo. A volte in questa maniera si ottiene un fix in poco tempo.

Cold-Start La prima volta che si accende un G.P.S. dopo un periodo di tempo di inattività si ha quello che in gergo viene chiamato cold start, ovvero accensione a freddo. Questo perché il G.P.S. non ha idea della sua posizione sulla terra, e per cui deve fare una scansione approfondita del cielo alla ricerca dei satelliti, ascoltare i dati delle tavole numeriche che vengono trasmessi, aggiornare il suo almanacco ed infine elaborare la posizione. Nei nuovi modelli paralleli questo può richiedere solo 45 secondi, mentre nei vecchi modelli multiplexing sono necessari diversi minuti.

Warm Start Ogni volta che. viene spento e poi riacceso dopo poco tempo, il G.P.S sa già grosso modo dove si trova, per cui la fase di scansione del cielo viene saltata, ottenendo un fix anche in 15 secondi. Questo è il warm start, ovvero l’accensione a caldo, ed è possibile perché il vostro G.P.S. memorizza le informazioni delle effemeridi dei satelliti, per poterle riutilizzare. Non serve che i satelliti siano gli stessi, l’importante è che almeno tre (o meglio quattro) satelliti di cui il G.P.S. ha registrato le effemeridi siano ancora visibili nel cielo. Le effemeridi sono aggiornate da terra ogni due ore, ma possono essere considerate valide per quattro ore: considerato che i satelliti hanno l’orbita di 12 ore, e che la terra si muove sotto di loro, questo è più o meno il tempo in cui un satellite rimane visibile dallo stesso punto del globo.

Initstart/Altolocate Attenzione: se ci si sposta con il G.P.S. spento per più di due/trecento chilometri quando lo si accendete, lo strumento non riesce a fare il punto ma vi chiede di inizializzare la posizione manualmente. Nessun problema: lo strumento non è rotto, solo che il suo “almanacco” dei satelliti ovviamente non corrisponde al cielo che avete sopra di voi. L’almanacco dei satelliti di un G.P.S. è il “bios”, per usare un termine da PC, e riporta le informazioni riguardo tutte le orbite di tutti i satelliti, per cui se lo strumento viene spostato da spento, quando viene riacceso non trova i satelliti che si aspettava, e ci chiede di essere inizializzato. Questo si può fare in due modi: inizializzare manualmente la posizione (Inizialize Position) oppure usando la funzione Autolocate. L’inizializzazione della posizione nei G.P.S. cartografici è semplice: andare nella pagina del plotter, e spostare il cursore fino a raggiungere la posizione approssimativa. Se il G.P.S. non è cartografico, si deve inserire il nome del Paese dove ci si trova, scorrendo una lista. Se non si ha idea di dove ci si trova, allora selezionate l’opzione Autolocate, che attiva un particolare sistema di scansione del cielo alla ricerca di tutti i segnali G.P.S. disponibili in quella posizione. Questa possibilità è chiaramente più lunga, e può portar via anche un buon quarto d’ora prima di fornire un fix, ma è l’unica alternativa se non si conosce la propria posizione, e neppure il paese dove ci si trova.

Perdita del segnale Se, durante la navigazione, si perde il segnale dei satelliti per un qualsiasi motivo (gallerie, denso fogliame, ecc.), il software dell’unità continuerà a mostrare una traccia diritta per circa trenta secondi, basata sulle ultime informazioni di direzione e velocità, per poi mostrare il messaggio “Poor G.P.S. Coverage” e smettere di fornire un fix di posizione. Se questa fase di perdita del segnale prosegue, l’unità inviterà ad essere re-inizializzata. Se la perdita di segnale è momentanea, e presto si ripristineranno le condizioni ideali di vista del cielo, selezionare l’opzione “continue acquiring” ovvero imponetegli di continuare a scansionare il cielo alla ricerca di satelliti. Se la perdita del segnale dura per più di 10 minuti, il G.P.S. si spegne, per evitare di consumare le batterie.

La pagina di posizione Il G.P.S. ha ricevuto i segnali, e mostra la pagina di posizione. Accanto al cerchio del cielo, ci sono dei piccoli campi: EPE e DOP (quest’ultimo solo su alcuni modelli). DOP (Diluition Of Precision): è un dato caratteristico che quantifica la “bontà” del fix, ovvero tiene conto della posizione e del numero dei satelliti usati. Più è basso questo valore, migliore è il fix, e tutti i valori inferiori a 2 sono considerati accettabili. In particolari condizioni, con un G.P.S. parallelo e molti satelliti agganciati, può verificarsi di arrivare a vedere valori inferiori ad 1, da considerare ottimi. L’EPE (Estimated Position Error) invece è un valore assoluto usato solo da Garmin per lo più nei vecchi ricevitori multiplex per indicare ugualmente la qualità del fix. Garmin non divulga il metodo usato per la sua computazione. Anche qui, comunque, vale il discorso del valore più basso

Batterie Le migliori sono le alcaline Varta, la loro capacità è intorno ai 1000mA, ed il voltaggio nominale sempre superiore a 1,5 volts (nuove e cariche). Con questo tipo di batterie si assicura la massima autonomia al G.P.S.. Qualcuno usa le pile ricaricabili al NiCd, ma le prestazioni sono indubbiamente inferiori: innanzitutto hanno la tensione nominale di 1,2 volts, inoltre hanno una durata inferiore. L’indicatore di carica batteria delle unità della serie G.P.S.3/3plus ha la possibilità di selezionare il tipo di alimentazione tra Alcaline.

Pagine di configurazione A seconda del modello di G.P.S. ci saranno una o più schermate per la configurazione del sistema. Questa schermata vi chiederà di immettere le voci relative ai dati che l’unità utilizzerà per fornire la posizione e le distanze.

Distanza: impostare metri (o chilometri)

Declinazione magnetica: impostare automatico (a meno di zone con particolari anomalie magnetiche)

Ora: qui è necessario impostare l’ora di Greenwich+1 (a seconda della nazione dove vi trovate, +1 è l’Italia e la Tunisia) tenendo conto anche dell’ora legale

Registrazione in memoria del track: impostate l’unità, se possibile, in modo che registri un punto quando deviate verso destra/sinistra, piuttosto che ogni tot secondi ad intervalli prestabiliti: si ottiene una maggiore precisione. Nell’esempio qui a fianco l’unità è settata per registrare un punto ogni volta si devia a destra o a sinistra di 25 metri. – Settate l’unità in maniera che, se la memoria si riempie, l’unità non sovrascriva i punti, ma smetta di registrarli. In questo modo, quando la memoria è piena, il G.P.S. emette sullo schermo un messaggio “Memory Full”. A questo punto dovrete salvare i punti esistenti e poi continuare a registrarli. Attenzione! Quando il G.P.S. arriva a saturare la memoria e smette di registrare il track, anche se si salva il track per liberare memoria, non si riattiva automaticamente la registrazione: deve essere riattivata da noi.

Battery Save. Questa funzione, una volta attivata, registra solo i cambiamenti notevoli dalla condizione attuale. Se si va dritti ad una certa velocità costante, è inutile registrare punti, per cui lo strumento si “addormenta”. Appena intervengono dei fattori che fanno alterare una condizione qualsiasi, ad esempio un cambio di direzione o di velocità, lo strumento si “sveglia” e registra un punto di track. Questa funzione fa perdere ovviamente qualcosa del dettaglio, ma è efficace in maniera sorprendente e prolunga la vita delle batterie in misura considerevole. Usatela comunque solo se non avete a disposizione una fonte di energia esterna.