GPS Il sistema GPS Global Positioning System un

GPS Il sistema GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione mondiale che utilizza una costellazione di 24 satelliti. Lo studio, lo sviluppo e la manutenzione sono interamente a cura del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Questo sistema viene di solito scomposto in tre elementi detti segmenti: il segmento spaziale, il segmento di controllo ed il segmento utilizzatore.

I tre segmenti SEGMENTO SPAZIALE Il satellite (sono 24, trasmettono agli operatori vari segnali ed hanno coordinate note in funzione di tempo e orbita) SEGMENTO DI CONTROLLO composto 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. SEGMENTO UTENTE calcola la posizione del punto a terra da determinare con l'utilizzo di un'antenna (ricevitore) in base ai segnali ricevuti dai satelliti.

Il segmento spaziale inizialmente si componeva di una costellazione di 24 satelliti distribuiti su 6 piani orbitali (4 per ogni piano) inclinati di 55° rispetto all’Equatore ad intervalli di longitudine di 60° (attualmente il numero di satelliti è variabile da un minimo di 24 ad un massimo di 32, a seconda delle loro condizioni di funzionamento). Un satellite ogni giorno compie due rivoluzioni attorno alla terra ad una quota di 20. 000 km

Vista d’insieme del sistema GPS

Nel tempo si sono susseguite diverse generazioni di satelliti GPS, differenti fra loro per le componenti installate 3 generazioni · blocco I: lanciati dal 1978 al 1985 (ormai tutti fuori uso); · blocco II: lanciati dal 1989 al 1990; · blocco IIA: lanciati dal 1990 ad oggi. • A partire da quelli del blocco II, ciascun satellite dispone di 4 oscillatori, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio: tali oscillatori servono per garantire un segnale di tempo quanto più accurato possibile. Per il proprio approvvigionamento energetico ciascun satellite dispone di pannelli solari, con superficie di circa 7 metri e di retrorazzi per manovre correttive sull’orbita·

Il segmento di controllo comprende 5 stazioni a terra equispaziate lungo l’equatore. Ricevono continuamente i segnali emessi da tutti i satelliti per controllare le loro effemeridi (dati descrittivi sulla posizione dei satelliti) e predire la loro orbita. 1. 2. 3. 4. Diego Garcia Ascention Island Kwajalein Hawaii I dati raccolti da ciascuna stazione vengono inviati alla stazione Master (Colorado Springs) che effettua una stima quotidiana dell’orbita e dell’offset d’orologio previsti per ciascun satellite nelle 24 ore successive

Il segmento di utilizzo Tale sezione è costituita da tutti gli utenti civili e militari Ogni utente è dotato di un equipaggiamento più o meno sofisticato che comprende un’antenna e un ricevitore capaci di acquisire i segnali emessi dai satelliti GPS per stimare il posizionamento tridimensionale in tempo reale e di raccogliere dati per una compensazione successiva che fornisce risultati più precisi. Ciascun ricevitore è costituito da: Un’antenna per la ricezione e l’amplificazione del segnale satellitare Una o più schede elettroniche per l’elaborazione dei segnali ricevuti Un dispositivo di comando per l’elaborazione e la memorizzazione dei dati.

Ricevitori GPS Total Station

Struttura del segnale Frequenza fondamentale = 10, 23 Mhz da cui vengono generate due frequenze portanti in banda L: · · L 1 - 1575. 42 Mhz - Lunghezza d‘onda cm 19 L 2 - 1227. 60 Mhz - Lunghezza d‘onda cm 24 · · · Due codici per la determinazione della distanza Codice (C/A): Solo su L 1 Codice (P): P 1 su L 1 e P 2 su L 2 · · Dati di correzione (orbite e clock) Stato dei satelliti (orbite e stato di salute) Tre modulazioni (codici): Un codice di messaggio (NAVDATA) su entrambe le frequenze: L'esistenza di utenti non militari richiede l'esistenza di due tipi di segnali diversi permettere differenti precisioni nel posizionamento, da ciò l'esistenza dei codici P e C/A

Il principio di determinazione GPS Si basa sulla misura del tempo di percorso dei segnali emessi da più satelliti verso il ricevitore ovvero calcolare le distanze tra il ricevitore ed almeno quattro satelliti correttamente posizionati al fine di effettuare un rilevamento spaziale Immaginiamo che il satellite del quale dobbiamo misurare la distanza, disti da noi 24. 001, 5 Km. Per coprire questa distanza il segnale impiega: 24. 001, 25 Km / 300. 000 Km/s = 0, 080005 s Se il ricevitore contenesse un cronometro ad altissima precisione sincronizzato con l’orologio atomico del satellite: 0, 080005 s x 300. 000 Km/s = 24. 001, 25 Km

Il punto di intersezione delle sfere Il segnale emesso da un satellite è un’onda sferica che si propaga nello spazio. Un punto nello spazio è individuato da tre coordinate e per tale punto passano solo tre sfere E’ necessario impostare un sistema di tre equazioni in tre incognite dove ciascuna equazione descrive la sfera all’istante ti, quindi anche la posizione del suo centro (posizione del satellite), mentre le incognite rappresentano le coordinate x, y, z da rilevare Ma Ri (pseudodistanza calcolata come differenza di orari fra satellite e ricettore) è imprecisa a causa della sfasatura degli orologi. Occorre individuare almeno una quarta equazione (quarto satellite) per determinare la posizione del Punto di coordinate (x, y, z, t)

Gli errori • Presenza della ionosfera e troposfera • Errori nell'orologio e nell'orbita dei satelliti • Errori del ricevitore • Multipath - Il segnale rimbalza su superfici riflettenti ed interferisce con il segnale diretto • S/A (selective availability) - Il governo USA può introdurre un errore artificiale sull'orologio dei satelliti e sulla loro orbita per degradare la precisione del sistema (disattivato dal maggio 2000) • GDOP - La geometria dei satelliti

La geometria dei satelliti GDOP (Geometric Dilution Of Precision) quantifica l’indebolimento della geometria per un posizionamento 3 D nel tempo e nello spazio Il suo calcolo richiede almeno 4 satelliti. I valori di GDOP che permettono una buona determinazione delle coordinate sono compresi tra 1 e 8 (ricordando che 1 corrisponde al caso ottimale e 8 al limite inferiore). Il GDOP può essere definito schematicamente come inversamente proporzionale al volume della piramide in cui il vertice è rappresentato dal ricevitore, la base dal piano contenente i satelliti e gli spigoli sono le congiungenti tra i satelliti ed il ricevitore

Livelli di precisione DIPENDE DA: Tempo impiegato nella misura Tipo di ricevitori utilizzati Algoritmo di correzione applicato alle misure Modalità d’uso (assoluto o differenziale) • • • Circa 30 metri 1 - 5 metri < 1 cm Per un ricevitore utilizzato in modo assoluto Per ricevitori in modalità differenziale DGPS Per i sistemi più sofisticati

Posizionamento assoluto e differenziale Il posizionamento assoluto è il metodo di misura più diffuso dalla maggioranza degli utenti. Un solo ricevitore, infatti, è sufficiente a fornire le coordinate geografiche di un punto subito dopo la sua accensione e dopo l’avvenuto tracciamento delle orbite dei satelliti da parte dello strumento Con il metodo differenziale, le coordinate di un punto vengono determinate rispetto ad una stazione di riferimento posta in un punto noto Stazione mobile ROVER Stazione fissa REFERENCE Il concetto base di questo metodo è il presupposto che la maggioranza degli errori che degradano le prestazioni del GPS in modo assoluto siano comuni a tutti i ricevitori funzionanti sulla medesima area e nello stesso momento. Il calcolo differenziale può essere effettuato: • a posteriori in "Post-processing“ - DGPS (Differential - GPS) • immediatamente nella fase di misura in "Real time" DTDGPS (Real Time Differential - GPS). Le compensazioni tra le stazioni avvengono durante la misura grazie ad un collegamento radio tra il reference e il rover

Il Sistema di riferimento WGS 84 World Geodetic System E’ un sistema di riferimento cartesiano geocentrico, solidale con la terra, a cui riferire la posizione dei satelliti e dei punti da determinare • gli assi x, y individuano un piano che giace sul piano equatoriale della Terra • l’asse z coincidente con l’asse di rotazione • il piano individuato dagli assi x, z, è posto in corrispondenza con il meridiano di Greenwich per riportare i punti rilevati alla cartografia esistente avremo la necessità di proiettare le coordinate rilevate sul sistema locale utilizzato (occorre conoscere il DATUM locale)