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I ricevitori GPS: le Elaborazioni ed il GPS differenziale DGPS

Satelliti GPS elaborazioni e DGPS

Le elaborazioni GPS

Nell'articolo precedente (Come funziona il GPS) abbiamo visto come un ricevitore satellitare calcoli la distanza dai satelliti GPS sulla base della elaborazione del tempo di ritorno del segnale.

Si tratta di un processo abbastanza complesso.
In un particolare momento del periodo di rotazione (poniamo a mezzanotte), il satellite genere una particolare codifica digitale che si definisce come codice pseudo-casuale. Dall'altra parte, il ricevitore GPS esegue la stessa sequenza di codifica. Nel momento in cui il segnale generato dal satellite raggiunge il ricevitore, si otterrà un certo ritardo tra la ricezione di tale segnale e la sua esecuzione in locale.

Tale ritardo corrisponde al periodo di tempo che il segnale impiega per viaggiare. Il ricevitore moltiplica questo dato per la velocità della luce, determinando la distanza tra il dispositivo ed il satellite GPS. Assumendo che il segnale viaggia su una linea retta, questa linea rappresenterà la distanza tra il ricevitore ed il satellite.

Per avere una misurazione accurata, occorre che ambedue i sistemi coinvolti siano sincronizzati da orologi interni con una precisione all'ordine del nanosecondo.

Dunque, per fare in modo che il tutto sistema di posizionamento satellitare faccia unicamente uso di orologi sincronizzati, sarebbe necessario che nn solo i satelliti ma che anche i ricevitori siano sincronizzati da orologi atomici. Tuttavia, gli orologi atomici hanno un costo variabile tra i 50.000 ed i 100.000 dollari, decisamente alto per il tradizionale mercato di consumo.

Il sistema di posizionamento satellitare offre una valida soluzione a questa problematica. Ciascun satellite possiede un orologio atomico costoso, ma il dispositivo ricevente ha invece cablato al suo interno un tradizionale timer al quarzo, che viene resettato di continuo. Nello specifico, il ricevitore attende il segnale proveniente da quattro o più satelliti e rimedia da solo alla propria non accuratezza.

In altre parole, vi è un solo valore che il ricevitore può interpretare come "orario attuale".
Il valore temporale corretto è ottenuto dall'allineamento in un punto dello spazio di tutti i segnali ricevuti. E dunque, tale valore sarà quello indicato dagli orologi atomici contenuti in tutti i satelliti che vengono visti in quel momento. A questo punto il ricevitore regolerà il suo orologio interno a quel valore, corrispondente a quello ricevuto dai satelliti. Si può dire che il ricevitore GPS ha la precisione di un orologio atomico "gratis".

Quando viene misurata la distanza da quattro satelliti, è possibile ottenere l'intersezione in un punto di quattro ipotetiche sfere. Tre di queste sfere si intersecherebbero comunque anche in caso di non accuratezza, ma la quarta non si intersecherebbe nel caso di dati non corretti. Dal momento in cui il ricevitore calcola le distanze tramite un timer incluso, tutte le distanza sarebbero scorrette dal punto di vista proporzionale.

Il dispositivo ricevitore può calcolare in modo molto semplice tutti gli aggiustamenti necessari per far intersecare in un punto le quattro sfere ideali. Su questa base, azzera automaticamente il proprio timer per sincronizzarsi con l'orologio atomico del satellite.

Questa operazione viene eseguita continuamente ogni qualvolta si accende il dispositivo, il che significa che può considerarsi accurato quasi quanto l'orologio atomico stesso.

Per fare in modo di poter utilizzare le informazioni sulla distanza ottenute, il ricevitore deve anche conoscere il posizionamento dei satelliti. Non è un dato questo particolarmente difficile da ottenere, da momento che i satelliti viaggiano su traiettorie molto prevedibili. Il ricevitore GPS ha queste traiettorie memorizzate in una sorta di "almanacco", per cui è possibile conoscere il posizionamento di ciascun satellite in un dato periodo di tempo.
Fattori come la forza di gravità lunare o solare esercitano delle forze che spostano leggermente i satelliti orbitanti, ma il Dipartimento della Difesa degli USA ne monitora costantemente la posizione e trasmette segnali di correzione a tutti i ricevitori GPS come parti dei segnali provenienti dai satelliti.

Nella prossima sezione, vedremo quali possono essere gli errori più diffusi e come i ricevitori satellitari sono in grado di correggerli.

Il GPS differenziale

Abbiamo a questo punto appreso come il ricevitore GPS definisce il suo posizionamento tramite l'elaborazione dei dati raccolti da quattro satelliti intercettati.
Il sistema funziona correttamente, anche se non è immune da non accuratezza.
Questo principalmente perchè viene assunto che il segnale attraversa l'atmosfera terrestre alla velocità della luce. In realtà, tale atmosfera rallenta i raggi di energia elettromagnetica nel momento in cui questa viene attraversata, in particolar modo negli strati della troposfera e della ionosfera. Il ritardo è variabile a seconda del punto della superficie terrestre in cui ci si trova, e questo rende difficoltoso avere una buona accuratezza nel contesto del calcolo delle distanze.
Si possono verificare anche dei problemi nel momento in cui i segnali radio vengono dispersi da grosse entità, come ad esempio i temporali, che fanno credere al ricevitore che il satellite è più lontano di quanto questo non lo sia realmente. Un problema ancora più grave è invece quando i satelliti inviano dati errati circa il loro "almanacco", cosa questa che confonde il loro reale posizionamento.

Il GPS differenziale (DGPS) fornisce un valido aiuto per la correzione di questi errori.

L'idea che sta alla base del suo funzionamento è quella di rimediare agli errori del GPS fornendogli una base stazionaria con parametri predefiniti. Dal momento in cui DGPS conosce già il suo posizionamento, risulta semplice calcolare la reale inaccuratezza del ricevitore satellitare. La base trasmette dunque un segnale radio a tutti i dispositivi con sistema DGPS presenti nell'area, fornendone il segnale di correzione. In genere, l'accesso alla possibilità di correggere le informazioni rende il sistema DPGS più affidabile rispetto al più tradizionale sistema GPS.

La funzione essenziale di un ricevitore GPS è quella di captare le trasmissioni di almeno quattro satelliti e di combinare le informazioni ricevute con quelle contenute in un archivio elettronico, il tutto per definire la posizione del dispositivo sulla superficie terrestre.

Una volta che il ricevitore satellitare elabora questi dati è in grado di fornire la latitudine, la longitudine e l'altitudine (o altre misurazioni simili) del suo posizionamento corrente. Al fine di facilitare la navigazione, molti ricevitori visualizzano i dati nel contesto di una mappa salvata nella memoria.

E' possibile utilizzare le mappe già memorizzate nel ricevitore, collegare il ricevitore ad un computer in grado di visualizzare mappe più dettagliate o semplicemente acquistare una mappa dettagliata della propria area e trovare il percorso utilizzando le rilevazioni di latitudine e longitudine fornite dal ricevitore satellitare. Alcuni ricevitori consentono di memorizzare mappe dettagliate scaricate da internet oppure di includere altre mappe tramite apposite cards.

Un ricevitore GPS standard non si limiterà unicamente a segnalare la propria posizione su di una mappa, ma sarà in grado di tracciare un percorso sulla mappa a seconda della direzione percorsa. Se si lascia un ricevitore acceso, questo rimarrà in costante comunicazione con i satelliti GPS per rilevare gli spostamenti effettuati.

Con questa informazione e con il suo timer interno, il ricevitore è in grado di fornire diverse informazioni:

* La distanza percorsa

* Il tempo percorso

* L'attuale velocità

* La velocità media

* Una traccia dettagliata del percorso effettuato

* Il tempo stimato per l'arrivo a destinazione mantenendo l'attuale velocità

Per tante altre informazioni sui ricevitori GPS e sugli argomenti correlati, date un'occhiata ai links in maggiori informazioni sul GPS.

 

 

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