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GPS: Come funziona il Global Positioning System? - seconda parte

GPS: Come funziona il Global Position System

GPS: Come funziona il Global Positioning System?, seconda parte. Se, ad esempio, il segnale radio impiega 0,08 secondi, la distanza tra il satellite ed il ricevitore è: s=300000Km/se x0,08 sec=24000 Km

Detto questo resta da spiegare come fa il ricevente a sapere quando è stato trasmesso il segnale; la cosa è presto detta: ogni apparecchio è collegato con un minimo di 4 ed un massimo di 8 satelliti, e tutti i 24 satelliti che formano la “costellazione GPS” dispongono ciascuno di ben 4 orologi atomici (al Cesio) estremamente precisi, che a loro volta ricevono contemporaneamente e periodicamente sullo stesso canale un segnale di sincronismo per rimetterli in passo con quello del centro di controllo GPS posto a terra (a Colorado Spring, negli USA).

Il ricevitore GPS dispone di un proprio orologio, decisamente meno preciso di quello atomico, ma comunque affidabile perché molto stabile, e soprattutto perché in ogni momento può ricevere i segnali temporali dagli altri satelliti a parte quello con il quale si collega per il calcolo del tempo.

Siccome tutti i dispositivi orbitanti hanno la stessa ora, il ricevitore conosce anche l’ora del satellite sul quale va a fare il calcolo, e quando questo gli invia i dati contenenti l’ora di trasmissione ricava la differenza tra i due tempi (è solitamente piccolissima, dell’ordine dei centesimi di secondo) in modo da avere l’indicazione, sia pure non impeccabile, del tempo trascorso dalla partenza del segnale dallo spazio all’arrivo sull’antenna.

Chiaro? Se ancora non lo è basta un semplice esempio: supponiamo che un satellite mandi una stringa di dati che contenga l’ora, e che dica “sono le 12, 2 minuti, 3 secondi e 10 centesimi; l’orologio del ricevitore è stato sincronizzato con la precedente trasmissione di quel satellite o con i segnali degli altri che riceve contemporaneamente, ed ha una precisione sufficiente per tenere il passo con quelli atomici “in orbita” senza dare apprezzabili scostamenti almeno per qualche ora.

Se, quando il ricevitore GPS riceve in antenna il segnale con l’orario il suo orologio interno dice che sono le 12, 2’, 3” e 20/100, significa che da quando il satellite l’ha inviato sono trascorsi 10/100, cioè 0, 1 secondi; riprendendo la formula scritta poc’anzi vediamo che la distanza è pari a:

s=300000 Km/sec x 0,1 sec=30000 Km

Ovviamente il tempo di trasferimento del segnale sarà affetto da un minimo errore dovuto a fattori atmosferici, nonché allo spostamento dei satelliti rispetto all’orbita teorica, spostamento che tuttavia viene rilevato a terra dal centro di controllo e comunicato di volta in volta via radio al satellite che ne è soggetto.

GPS in commercio

Una volta eseguito il calcolo della distanza da almeno 3 satelliti, e ricevuti da essi anche i segnali indicanti le loro posizioni aggiornate, il ricevitore elabora i valori fino a determinare la posizione del punto di incontro delle linee immaginarie tracciate da essi e lunghe ciascuna quanto la rispettiva distanza; determina allora la posizione goniometrica, ovvero le coordinate di longitudine (orizzontale, Eeast-West) e di latitudine (verticale, North-South) con notevole precisione, esprimendole su un display in gradi, primi, secondi, e centesimi, ovvero in forma sessagesimale (multipli di 60).

Come già accennato, l’elaboratore solitamente provvede ad escludere preventivamente il secondo punto ricavabile dalla trilaterazione, quando esso appaia irreale in base ai dati sulla struttura terrestre che deve avere in memoria. L’incertezza sparisce quando la posizione viene determinata utilizzando almeno quattro satelliti, in quanto nota la distanza da 4 punti dei quali si conosce la posizione, è possibile determinare dove sta un punto incognito, dato che l’unione delle quattro linee non può che avvenire in un solo punto, mentre con 3 sole può avvenire in due differenti.

Alla luce di tutto ciò, capite bene quanto sia importante la funzione di localizzazione offerta dal sistema GPS (Global Positioning System), soprattutto in tutti quei casi in cui sia necessario conoscere la posizione di persone, natanti e veicoli, anche in movimento. E sta assumendo particolare importanza negli ultimi anni perché la tecnica viene ormai applicata all’automobile ed ai mezzi di trasporto pesante, nonché per lo spionaggio.

Vediamo in breve alcuni dei casi in cui il GPS trova attualmente largo impiego e ne troverà sempre più nel corso degli anni a venire.

GPS in navigazione

Tornando alle origini del sistema, nato per aiutare chi solca i mari, dobbiamo dire che l’applicazione più tradizionale e semplice (se così si può considerare) della localizzazione riguarda proprio i natanti: quando la bussola non basta o funziona male, quando non ci si raccapezza con le cartine, ci sono appositi ricevitori, acquistabili liberamente per qualche centinaio di migliaia di lire che visualizzano sul loro display svariate informazioni quali la posizione sul globo terrestre (latitudine e longitudine) l’altitudine, la velocità di spostamento, l’ora esatta, ecc.

Disponendo di un apparecchio portatile Global Positioning System (GPS) è facile conoscere in ogni momento la propria posizione per ritrovare o ritracciare la rotta di navigazione, o per comunicarla alle autorità (Guardia Costiera) nel caso serva soccorso e le unità di intervento fatichino a rintracciare il natante.

Oltre che in mare, i ricevitori portatili servono anche quando si fanno escursioni in zone poco frequentate, e ci si perde in luoghi vasti dove è troppo laborioso, dispendioso e lungo effettuare le ricerche senza riferimenti certi: pensate alle spedizioni che si perdono nel deserto...

GPS: La telesorveglianza

Girando per le strade, avete mai incontrato un camion con la dicitura “Trasporto vigilato da Satellite”? Se la risposta è affermativa e vi siete domandati il perché senza capirlo, ve lo spieghiamo in poche righe: per proteggere il carico dalle rapine e per localizzare il veicolo in ogni momento si monta un ricevitore GPS capace di localizzare la posizione del mezzo, quindi di ritrasmetterla usando bande di frequenza libere o comunque destinate alle comunicazioni del caso, nonché sistemi di telefonia mobile.

I dati dei veicoli sottoposti a questo controllo, ovviamente codificati e numerati, vengono rilevati ed elaborati da una centrale di sorveglianza nella quale il personale tiene sotto controllo il percorso. Se un automezzo viene rubato è quindi facile comunicare alle Forze dell’Ordine la posizione relativa consentendo un rapido intervento.

Questa applicazione è utile anche per controllare se gli autisti percorrono il tragitto previsto dalla tabelle di marcia, oppure se si concedono qualche deviazione particolarmente lunga e non autorizzata: è quindi utile non solo per i camion, ma anche per le vetture aziendali e per il controllo degli automezzi delle società di noleggio e delle aziende di trasporto pubblico.

Global System Position (GPS) - La circolazione assistita

Restando in ambito automobilistico il GPS viene da tempo utilizzato per trovare le strade, cioè per circolare senza mai perdersi, e per arrivare in un luogo nel minor tempo possibile, percorrendo la strada più breve; in questi casi viene montato in auto il solito ricevitore che però è interfacciato con un computer nel quale sono memorizzate le mappe delle principali città, località e strade di una nazione o di una regione, spesso contenute in CD-ROM intercambiabili (ad esempio uno per l’Italia, uno per la Germania, per l’Inghilterra, ecc.) e leggibili da apparati abbinati all’elaboratore.

Sistemi del genere sono ad esempio il Carin della Philips ed il Route Planner della Magneti Marelli, entrambi dotati di display LCD da posizionare sul cruscotto dell’auto, mappe memorizzate, e capaci di offrire varie funzioni che non si limitano all’indicazione (con un punto o una freccia) della posizione del veicolo sulla cartina, ma arrivano all’individuazione della direzione da prendere, alla ricerca di Hotel, Ristoranti ed altri servizi, o all’indicazione preventiva della segnaletica e dei percorsi obbligati.

Un’altra applicazione interessante è la localizzazione degli incidenti stradali preventivamente comunicati alla rete satellitare da appositi trasmettitori, attualmente molto pubblicizzata. Per avere indicazioni circa le strade da prendere nei centri urbani, dove le vie sono spesso molto fitte e quindi poste a breve distanza, il ricevitore GPS deve poter contare su un numero abbastanza elevato di satelliti: da 4 in su, altrimenti la precisione del codice C/A (100 metri in orizzontale e 150 m in verticale) è relativamente poco utile.

Un’ulteriore funzione dei dispositivi di circolazione assistita è la comunicazione vocale della strada da percorrere: le indicazioni del caso vengono date da una voce sintetizzata e controllate dal computer sulla base delle mappe e della direzione del veicolo. Nei centri urbani quando l’automobile si trova a circolare tra costruzioni molto alte è probabile che il segnale dei satelliti giunga troppo debole al ricevitore, pertanto vengono adottati alcuni accorgimenti quali sensori odometrici e giroscopi per determinare con la massima precisione possibile la posizione.

Come usare i ricevitori

Finora abbiamo parlato di sistemi GPS dedicati dandone un’idea senza scendere nei dettagli: si tratta comunque di dispositivi per uso specifico, e non adattabili ad altri impieghi. Esistono tuttavia diversi tipi di sensori, ovvero ricevitori fatti apposta per leggere i segnali dei satelliti e trasferirne i dati contenuti sotto forma seriale: tra i più noti spiccano quelli della Garmin, una Casa americana (di Olathe, Kansas, per la precisione...) specializzata in prodotti capaci di rilevare i dati trasmessi secondo il protocollo NMEA0183, il più diffuso nel GPS civile sul codice C/A.

gps protocollo nme0183
global positioning system protocollo nme0183

Si tratta di dispositivi molto versatili perché sono semplicemente dei ricevitori a microonde con decodifica ed interfaccia che permette di trasferire all’esterno i dati elaborati, così da metterli a disposizione di ogni tipo di sistema computerizzato fisso e mobile. I ricevitori Garmin utilizzati per questo scopo sono molto piccoli e solitamente hanno la forma di un mouse per PC, possono trovare impiego in automobile ma anche come ricevitori portatili collegati a computer, NoteBook o a trasmettitori radio utilizzati per mandare a distanza i dati di localizzazione così da far conoscere, ad esempio, ad una centrale operativa la posizione e gli spostamenti di un veicolo.

In quest’ottica vengono usati dalle Forze dell’Ordine per la sorveglianza di persone sospette nell’ambito delle investigazioni giudiziarie. Dopo avervi dato le nozioni di base del sistema GPS vogliamo adesso arrivare alla pratica, e proporvi un’applicazione realizzata appunto con un modulo della Garmin interfacciato con un qualunque Personal Computer sul quale far girare un programma molto semplice.

In sostanza vi proponiamo di procurarvi un ricevitore satellitare generico, di quelli senza display, che permetterà di vedere sul monitor di un PC i principali dati forniti dalla rete Global Positioning System GPS, quali la sua posizione latitudine, longitudine, altitudine, velocità, nonché l’ora.

Per ora ci accontenteremo di un modulo con antenna esterna, anche se andranno bene tutti quelli con antenna incorporata. Come prima esperienza colleghiamo il modulino alla porta seriale di un computer IBM o compatibile in modo da studiare il protocollo di comunicazione con il satellite; la connessione è semplicissima perché il GPS dispone dei collegamenti necessari e basta collegare i fili ad un cavetto terminante con il connettore DB25 femmina volante.

Per l’alimentazione occorrono da 3,6 a 6 volt in continua, ed una corrente dell’ordine di 50 mA. Per interpretare i dati forniti dal ricevitore secondo il protocollo standard NMEA0183 è necessario che il computer usi un apposito programma di decodifica: in queste pagine pubblichiamo le righe di listato indispensabili per l’acquisizione e l’elaborazione, quindi per la visualizzazione a video della stringa contenente i dati di posizione, velocità ed ora.

Il programma è diviso in diverse sezioni (procedure di supporto) ed un modulo principale, scritto quest’ultimo per inizializzare la porta seriale del PC e definire alcune variabili specifiche per il protocollo utilizzato. Terminata la fase di inizializzazione si entra in un ciclo di attesa: per uscire è necessario premere uno dei tasti abilitati, ovvero F1 oppure Esc: il primo abilita e disabilita la scrittura dei dati letti dal ricevitore GPS in un file, mentre con il secondo si abbandona tutto il programma.

I dati vengono ricevuti costantemente mediante la procedura “Ricevi” che interviene all’arrivo di un carattere sulla porta seriale: essa verifica la corretta sintassi del protocollo, ne estrae i dati significativi e verifica che l’intero messaggio sia corretto confrontando il checksum trasmesso dal GPS con quello calcolato in base ai dati ricevuti (un po’ come il controllo di parità). I dati vengono memorizzati se si preme il tasto F1 sulla tastiera del PC. Ottenuta la stringa “pulita” un’altra procedura, chiamata “Gestione”, ne analizza i dati.

Sostanzialmente questa estrae i parametri del messaggio GPS a seconda del tipo (il protocollo NMEA supporta circa 20 messaggi differenti) e li visualizza sullo schermo del computer in maniera leggibile. Come primo passo è stato implementato il supporto solo per il messaggio GPRMC che fornisce una serie di informazioni basilari quali la latitudine (emisfero Nord/Sud) longitudine (emisfero Est-Ovest) velocità al suolo, direzione di movimento (se il ricevitore non è fermo) ecc. Sempre all’interno della procedura di gestione viene effettuato il salvataggio dei dati in un file chiamato fileout.txt nel quale i diversi campi dei dati sono separati da un carattere “punto e virgola” (;) utilizzato come separatore standard dai più diffusi fogli elettronici e Text-Editor: sarà così più semplice vedere i dati campionati avvalendosi di uno di tali programmi.

 

 

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