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GPS - Parte 1
Concetti fondamentali
GPS


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Concetti fondamentali e funzionamento del GPS

GPS = Global Positioning System (Sistema globale di posizionamento) è un termine divenuto famoso in questi ultimi anni, soprattutto per l'ausilio alla "navigazione" automobilistica. Esso consente essenzialmente di ricavare la propria posizione, in termini di coordinate geografiche, sul globo terrestre mediante l'elaborazione del segnale proveniente da una rete di 24 satelliti attivi in orbita attorno alla Terra (più 3 di scorta), disposti in modo non geostazionario e in modo che da ogni punto del pianeta si riceva il segnale di almeno quattro satelliti, e da 5 stazioni di controllo a terra . In questa pagina esamineremo velocemente i concetti fondamentali di questo strumento, ormai alla portata di tutti, e le sue applicazioni in ambito escursionistico (quindi non verranno trattati i gas per uso automobilistico, marittimo, ecc.). I concetti espressi si basano essenzialmente sul materiale rintracciabile in rete (spesso in inglese, meno frequentemente in italiano), in particolare sui siti dei produttori, e sull'esperienza personale. La prima volta che vidi un sistema GPS fu a Experimenta - Torino 1994, un apparato grande almeno quanto un computer portatile di oggi, utilizzabile soprattutto in ambito nautico o aeronautico. Gli apparati moderni sono delle dimensioni di un telefono cellulare o poco più, adatti anche all'uso in montagna. L'apparato in mano all'utilizzatore, ricordiamo, è solo un ricevitore, non trasmette nessuna informazione ai satelliti che ricevono informazioni solo fra loro e dalle stazioni a terra.

Il sistema GPS è stato realizzato dall'USAF (United States Air Force, l'aviazione militare americana), non dalla NASA come qualcuno potrebbe pensare, ipotizzato già negli anni successivi alla seconda guerra mondiale come strumento di ausilio alle operazioni militari, viene attuato a partire dal 1978 (data di messa in orbita del primo satellite) ed è stato accessibile solo alle forze armate statunitensi almeno fino al 1980 quando furono resi pubblici i parametri necessari per l'utilizzo anche in campo civile ma per lungo tempo le sue applicazioni furono ancora limitate poiché, per sicurezza, veniva introdotto un "errore" per limitarne la precisione a non più di 100 mt., insufficiente per molti usi (per rintracciare una nave in mare poteva andare bene, non certo per guidarci fra le strade di una città). In realtà la precisione del sistema era maggiore (circa 30 mt.) ma gli utenti non autorizzati (non militari) non potevano sfruttarla. Nel 2000  il governo americano ha deciso di togliere questa limitazione e ciò ha portato allo sviluppo dei sistemi gps portatili, con il conseguente calo di prezzo, che conosciamo oggi. La fruizione del sistema GPS è completamente gratuita, ma esiste la possibilità per il Ministero della Difesa americano di interrompere il servizio senza preavviso in caso di necessità strategiche. In alternativa al GPS americano l'Europa, tramite l'ESA (European Space Agency) ha ideato un sistema proprio, più moderno e preciso, denominato GALILEO, composto da 30 satelliti orbitanti su tre piani di orbite diverse, che originariamente doveva essere completato già nel 2007. Con le consuete diatribe tra gli strati membri su dove localizzare le basi a terra, ritardi ecc. non si prevede che esso sarà operativo prima del 2014. Intanto la Cina ha già cominciato a mettere in orbita i primi satelliti del proprio sistema di posizionamento satellitare. Esisteva inoltre un altro sistema, di origine russa, denominato GLONASS, ma per motivi derivanti essnzialmente dalla crisi economica e dal disfacimento dell'Unione Sovietica, è stato sempre meno aggiornato e i satelliti sono andati mano a mano fuori uso senza essere rimpiazzati. Dal 2011 però il GLONASS è in fase di ripristino per cui alcuni dei ricevitori GPS prodotti ultimamente (ad esempio la nuova serie Etrek della Garmin prodotta dal 2010) possono ricevere anche questo segnale. Questo significa che utilizzando GPS e Glonass contemporaneamente, avremo un maggior numero di satelliti visibili e/o in posizione favorevole che in precedenza per cui da un lato aumenterà la precisione del rilevamento e dall'altro le occasioni in cui si avrà perdita di segnale tenderanno a ridursi notevolmente.

I satelliti del sistema GPS

I satelliti del sistema GPS

Tralasciando momentaneamente il Glonass e giusto per fornire un po' di dati, diremo che i satelliti attualmente impiegati per il GPS hanno una vita operativa media di circa 8 anni, per cui devono essere continuamente sostituiti da nuovi (che ovviamente mostrano via via progressi tecnologici rispetto ai loro predecessori). Come già detto le orbite non sono di tipo geostazionario, i satelliti orbitanti sono 24 suddivisi su 6 piani orbitali paralleli inclinati di circa 55° sul piano equatoriale (4 satelliti per ogni orbita), l'altezza dell'orbita è circa 20.000 Km , in pratica i satelliti si muovono continuamente attorno alla terra alla velocità relativa di circa 3000 Km/h rispetto ad essa (la velocità assoluta, ovvero orbitale, è invece circa 11000-13000 Km/h). Per confronto, ricordando che ad orbite più basse corrispondono velocità orbitali più elevate, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) orbita a circa 400-500 Km di altezza con una velocità orbitale di circa 28.000 Km/h. Ogni satellite impiega 11 ore e 58 minuti per compiere una rivoluzione completa attorno alla Terra.I satelliti del primo blocco (denominato blocco 1) lanciati dal 1978 al 1985, attualmente non sono più operativi. Dal 1998 è iniziata la messa in orbita dei satelliti del blocco2, di dimensioni contenute (circa 6 mt di lunghezza con i pannelli solari estesi e peso di circa 1500 Kg), programma che aveva subito un rallentamento a causa della perdita dello Shuttle Challanger (1984) mentre attualmente vengono messi in orbita altri satelliti che, con caratteristiche migliorate, affiancano quelli esistenti aumentando affidabilità e precisione del sistema.

Il principio di funzionamento del gps si basa sul calcolo della distanza del ricevitore (ossia della nostra unità portatile) dai satelliti in orbita che riesce a rilevare. Tale calcolo consiste in pratica nel determinare il tempo necessario perché il segnale trasmesso dal satellite venga ricevuto dal nostro gps mobile, poiché il segnale viaggia all'incirca alla velocità della luce (poco meno di 300.000 km/s) è evidente che un errore di una frazione di secondo porta in termini di distanze ad un errore molto elevato. Il nostro gps contiene al suo interno un orologio al quarzo che si sincronizza con gli orologi al cesio dei satelliti i quali si sincronizzano a loro volta fra loro. Poiché la precisione di un orologio al cesio è molto maggiore della precisione del nostro orologio interno all'apparatro ricevente (che da solo viene a costare da 100 a 1000  euro contro i 200.000 dollari di un singolo orologio al cesio) la precisione richiesta si ottiene confrontando il segnale ed il tempo di percorrenza di più satelliti. Per il calcolo della nostra posizione lo strumento deve ricevere il segnale di almeno tre satelliti ma in pratica ne occorre almeno un quarto per la verifica (ed il calcolo dell'altitudine). Esaminiamo lo schema seguente:

schema satelliti


S1, S2, S3 sono i tre satelliti che riceviamo: noto il tempo di trasmissione del segnale lo strumento calcola le distanze d1, d2, d3 dai tre satelliti in questione. Da ogni satellite si può tracciare una circonferenza di raggio pari alla distanza d calcolata: il ricevitore dovrà ovviamente trovarsi su questa circonferenza. Poichè la condizione deve essere soddisfatta per tutte tre le circonferenza, nel punto dove si intersecano tutte e tre le circonferenze deve esserci il ricevitore poiché è solo in quella posizione che esso si può trovare contemporaneamente alle distanze calcolate d1, d2, d3 dai satelliti. Sulla base di questo il sistema calcola la nostra posizione, note le posizioni dei satelliti. Nella realtà questa è una semplificazione poiché non ci troviamo su di  un piano ma nello spazio (noi sulla terra e i satelliti in orbita), ed al posto di individuare tre circonferenze occorre individuare delle sfere, ma il principio resta lo stesso. Inoltre i satelliti non sono geostazionari (cioè immobili rispetto all'osservatore sulla terra) ed il sistema deve considerare anche il moto relativo fra essi. In rete si possono trovare numerosi documenti che spiegano la trattazione analitica del problema, applicata poi dal software interno ai nostri piccoli ricevitori. La presenza di un numero maggiore di satelliti (più di 3 cioè) serve ad aumentare la precisione, poiché come si è detto la precisione dell'orologio interno al nostro strumento è molto inferiore di quella degli orologi al cesio dei satelliti. E' inoltre importante notare che la precisione del nostro segnale è influenzata non solo dal numero di satelliti che riceviamo ma dalla loro disposizione nel cielo, se sono tutti raggruppati la precisione è minore che se sono sparsi ed equamente distribuiti.

Infine ricordiamo che in realtà i satelliti emettono due tipi di segnali su due frequenze diverse, il primo accessibile a tutti, il secondo (molto più ricco di informazioni anche sulla posizione reciproca dei satelliti stessi) accessibile solo con gli apparati militari. Con quest'ultimo la precisione arriva al metro ed anche meno. Per gli usi civili la precisione attuale è dell'ordine di 10-15 mt. (aumenta se si riceve il segnale da un numero maggiore di satelliti, diminuisce se riceve poco e male). Per la precisione i segnali del GPS viaggiano su due onde portanti vengono denominate L1 (frequenza 1.575,42 MHz) e L2 (frequenza 1.227,60 MHz). Sula portante L1 vengono trasmessi un codice C/A (Coarse Acquisition o acquisizione grossolana) con freq. 1023 Mhz (lunghezza d'onda 29.3m) che può avere, date le distanza in gioco fra satelliti e ricevitore a terra, un errore sino a 300 mt ed un codice P1 freq. 10.23 Mhz (lunghezza d'onda 29.3m). La combinazione di questi due codici consente di arrivare ad un errore di pochi metri. Sulla portante L2 viene trasmesso un codice P2 anch'esso di freq. 10.23 Mhz (lunghezza d'onda 29.3m). Il codice tipo P è quello che il Dipartimento della Difesa americano si riserva di poter degradare in caso di attacchi terroristi o situazioni di pericolo nazionale.



Schermo acquisizione satelliti Etrek Venture

Lo schermo acquisizione satelliti del Garmin Etrek Venture HC
Il cerchio esterno segna l'orizzonte, quello interno la divisione fra la metà inferiore e quella superiore della volta celeste.

Nella foto sopra abbiamo visibili 9 satelliti (siamo in un'area abbastanza aperta) e la precisione risulta essere 4 mt , un buon risultato. In presenza di valli strette, rocce o boscaglia la precisione può ridursi a 10-15 mt o anche meno.

A partire dal 2008-2009 si sono diffusi i GPS con ricevitore ad alta sensibilità (*), questo permette di avere una buona ricezione anche con lo strumento in tasca, sotto gli alberi o nelle strade strette fra le case. Per contro questi ricevitori possono, almeno in linea teorica, essere più soggetti all'errore dovuto alla riflessione del segnale da parte di pareti rocciose (vedi paragrafo successivo per gli errori del GPS), proprio a causa della capacità di ricevere segnali più deboli. In campo aperto con un numero sufficiente di satelliti, usando GPS con ricevitore ad alta sensibilità, possiamo avere un errore soli di 2-3 metri.

(*) la Garmin identifica i modelli dotati di ricevitore ad alta sensibilità con la lettere H maiuscola quando occorre distinguerli da quelli della stessa serie con ricevitore di vecchio tipo (come ad esempio la serie Etrek). Più precisamente il nome del modello è seguito da alcune lettere che significano:

H = ricevitore high sensibility (alta sensibilità)
C = display a colori
X = possibilità di utilizzare espansioni di memoria (schede micro SD)

ad esempio (serie Etrek) il Venture HC monta schermo a colori e ricevitore ad alta sensibilità ma non permette di utilizzare espansione di memoria su micro SD, il Venture CX ha ricevitore di vecchio tipo, schermo a colori e consente di utilizzare schede microSD.

I modelli più recenti della Garmin (serie Montana, nuovi Etrek, dakota, GPS62) hanno tutti ricevitori ad alta sensibilità.

Due parole inoltre sugli errori del sistema GPS. Come si è detto il rilevamento della propria posizione, base di tutte le operazioni che vedremo si possono compiere con un apparato gps, deriva dal segnale che riceviamo dai satelliti. E' quindi necessario che questo segnale ci arrivi in condizioni ottimali, ovvero che la trasmissione del segnale attraverso gli strati dell'atmosfera non subisca variazioni non compensabili. La correzione dell'errore dovuto ad effetti di rifrazione attraverso gli strati più alti dell'atmosfera (che come si sa non hanno spessore ne densità, ionizzazione, ecc. costanti ma variano a seconda delle condizioni atmosferiche) richiede però l'elaborazione di due distinti segnali, sfasati fra loro (nella fattispecie si misura il ritardo con cui viene ricevuto il secondo rispetto al primo e la differenza rispetto al  ritardo iniziale con il quale vengono emessi), cosa che è è possibile solo con apparati di tipo militare, che ricevono infatti entrambi i due segnali trasmessi dai satelliti (questo rende già il sistema ad uso militare più preciso di quello per usi civili). Altri errori possono essere quelli dovuti al calcolo della posizione dei satelliti ma questi vengono perlopiù compensati dagli stessi satelliti che aggiornano di continuo fra loro le informazioni (dette effemeridi) sulla loro posizione . All'atto pratico lo strumento al momento dell'accensione, specie se è stato tenuto spento per un po' di tempo o se lo si è attivato a distanza dal luogo dove è stato utilizzato l'ultima volta, deve aggiornare tutto il proprio database interno con la posizione dei satelliti che riceve in quel momento nonché con le informazioni sugli altri che non riceve ma che potrà ricevere a breve. Queste operazione richiede solitamente da1 ad alcuni minuti.

Altri errori che ci riguardano più da vicino sono quelli dovuti al segnale riflesso da pareti rocciose, da costruzioni elevate o dal terreno stesso prima di arrivare al ricevitore, ovvero quando il percorso fatto dal segnale non è diretto ed è maggiore di quello che dovrebbe essere (il tempo di percorrenza è più lungo). Gli apparecchi più recenti in genere riescono a correggere questo problema con una antenna particolare. Un ulteriore errore può essere dovuto al fatto che i satelliti che riceviamo siano troppo bassi sull'orizzonte oppure siano disposti tutti in una area ristretta del cielo, questi problemi sono evidenziati dallo strumento mediante appositi parametri che ci indicano quanto è affidabile la misurazione.

L'ultimo tipo di errore è quello dovuto ad ostacoli naturali o non che impediscono la ricezione del segnale o consentono la ricezione di un numero insufficiente di satelliti) in genere la ricezione è più difficile fra costruzioni alte e vicoli stretti, presso pareti rocciose alte o in boschi troppo fitti. Mentre non sono un ostacolo alla ricezione la stoffa ed il vetro (quindi riceve se lo tenete in tasca o sul cruscotto dell'auto) sono un ostacolo il metallo ed il cemento (non riceve quindi all'interno delle abitazioni). Per tutti questi motivi é naturale che la precisione del rilevamento della posizione mediante gps non è costante ma varia in base alle diverse situazioni. In generale quindi si può dire che la precisione aumenta sempre all'aumentare dei satelliti osservati, numero che può variare considerevolmente spostandosi anche di poco, o in momenti successivi della giornata. Molti tracciati GPS risentono così della particolare situazione del giorno in cui sono stati realizzati: se i satelliti sono posizionati in modo sfavorevole (bassi sull'orizzonte, dietro a montagne, raggruppati) posso avere oggi un pessimo tracciato (impreciso, traccia interrotta, errori evidenti) e domani, ripetendo il percorso, un tracciato pressoché perfetto. Non è quindi strano trovare difformità tra due tracce GPS realizzate sullo stesso percorso ben definito, come può essere un sentiero, se realizzate in momenti diversi. Nell'elenco dei Tracciati GPS questi problemi sono evidenziati nelle annotazioni.

Come detto, con i ricevitori ad alta sensibilità degli strumenti più moderni, gli errori solitamente sono più contenuti.

NOTA SUGLI SMARTPHONE CON GPS: negli ultimi anni si sono diffusi molti telefoni cellulari (smartphone) con GPS integrato sui quali è possibile installare applicativi gratuiti o a pagamento che li trasformano in veri e propri GPS da escursione (ad esempio per Android sono disponibili OruxMaps, Osmand, ecc.) che consentono anche di utilizzare mappe di tipo OpenStreetMap con tutti i vantaggi del caso. I concetti espressi in queste pagine sono validi di conseguenza anche per l'uso di smartphone con gps integrato anche se è comunque preferibile utilizzare un ricevitore dedicato (personalmente non utilizzo smartphone, neppure senza gps, per cui non svilupperò capitoli dedicati ad esso, in rete si trovano diverse informazioni, anche per l'installazione di mappe derivate da OpenStretMap, in modo da utilizzarle, se gli applicativi lo consentono, SENZA connessione internet, che in alta montagna non è sempre presente. Tuttavia malgrado diversi applicativi consentano di replicare tutte o quasi le funzionalità di un gps escursionistico (tra cui la memorizzazione di waypoint e della traccia dell'escursione), l'utilizzo come GPS del telefono cellulare CONSUMA VELOCEMENTE LA BATTERIA, per cui è consigliabile riservargli una funzione essenzialmente di emergenza (non so dove sono, lo accendo, visualizzo la posizione e la mappa e lo tengo acceso solo l'indispensabile), altrimenti si corre il rischio di restare senza carica anche solo per le chiamate telefoniche. Chi vuole tracciare il prprio percorso, anche a scopo mappatura OpenStreetMap,  è bene quindi che metta in preventivo l'acquisto di un GPS escursionistico anche economico, ma comunque cartografico, sui cui installare cartografia escursionistica e non.

Per l'utilizzo del GPS nelle nostre escursioni passare alla Parte 2: Il GPS nella partica escursionistica e successive.


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