GPS


 

Prima di tutto qualche definizione.GPS è una abbreviazione di NAVSTAR GPS,che a sua volta, è un acronimo delle parole inglesi NAVigations System whit Time And Ranging Global Positioning System, tradotte in italiano è:  sistema di posizionamento globale mediante misure di tempo e di distanza rispetto a satelliti di navigazione.

Il sistema satellitare GPS si avvale di una costellazione di 26 satelliti,orbitanti intorno alla Terra,grazie ai quali un utilizzatore munito di apposito ricevitore, può determinare con  precisione prestabilita, la sua posizione sulla superficie terrestre.

I metodi per determinare tale posizione sono svariati,ma fondamentalmente sono riconducibili a tre grosse categorie:navigazione autonoma,correzione differenziale del posizionamento (DGPS) e posizione differenziale di fase.

La navigazione autonoma utilizza un singolo ricevitore indipendente ed è utilizzata fondalmente da escursionisti,navi in alto mare,aerei,usi militari e altro.L’accuratezza della precisione è dell’ordine dei 20 mt. La correzione differenziale del posizionamento (DGPS) è utilizzata per la navigazione marina costiera,per l’acquisizione di dati GPS,rilevamenti in campo agricolo e la precisione ottenibile con tale sistema è dell’ordine di 0,5-5 mt.La posizione differenziale di fase consente un’accuratezza  di precisione dell’ordine di 0,5-2 cm,tale metodo è utilizzato per rilevamenti di alta precisione,per il controllo di dispositivi,geodesia e altro.

 

Il concetto matematico   sul quale è basato il calcolo della posizione sulla superficie terrestre è il seguente: il ricevitore è in grado di calcolare la distanza intercorrente fra esso e i satelliti “tracciati” (visti) in quel determinato momento,se il ricevitore vede almeno quattro satelliti contemporaneamente,allora si dimostra in matematica che, quattro immaginarie sfere avendo ognuna centro nel satellite e raggio pari alla distanza dal ricevitore ,si intersecano in uno e sol punto che è la posizione del ricevitore.

La distanza fra ricevitore e satellite si ottiene moltiplicando la velocità del segnale radio emesso reciprocamente dall’orologio atomico sia del ricevitore che dal satellite (velocità pari a quella della luce circa 300.000 Km/sec) per il tempo impiegato dalla emissione all’arrivo.Tale precisione sarebbe assoluta se l’onda radio lungo il suo percorso non subisse alterazioni,ma purtroppo cosi non è,e quindi il calcolo della distanza è più o meno affetto da errori,che ne vanno ad inficiare la precisione finale.

Si ribadisce che il ricevitore,nel sistema GPS, per poter stabilire la sua posizione,deve poter “tracciare” minimo quattro satelliti.Va subito detto che tale sistema satellitare non è l’unico orbitante intorno al pianeta ve ne sono altri, usati sempre per il posizionamento (sistema russo GLONASS   mentre il gps è americano, derivanti entrambi da una tecnologia militare).In particolare occorre citare il sistema europeo Galileo (GNSS) in fase di attuazione e che sarà completato nel 2014,nettamente in concorrenza con il sistema GPS americano.

Sistema Satellitare Galileo

Senza scendere nei dettagli prettamente tecnici,si può dire che i due sistemi (GPS e GNSS) non sono incompatibili fra di loro,anzi ci sono ricevitori avanzati che possono tracciare i satelliti di entrambi i sistemi.

Comunque nel campo dei trasporti il sistema europeo Galileo  si preannuncia rivoluzionario per i seguenti motivi:

Esso  riguarda una serie di servizi integrati: può spaziare dall’utilizzo nel campo dei trasporti (aerei, su rotaia, marittimi, stradali, pedonali), al sincronismo, alla sorveglianza come supporto alla legge, per applicazioni ingegneristiche, scientifiche, ambientali ed anche ricreative. Il suo influsso condizionerà anche aziende nel settore bancario, energetico, assicurativo, delle telecomunicazioni, del turismo e agricolo.

Galileo nasce per essere un sistema di navigazione da applicare nel campo dei trasporti ed è stato progettato per soddisfare le molteplici necessità dei vari segmenti di utenza presenti nel mercato; in campo aereo l’avvento del GNSS porterà alla possibilità di effettuare, senza nessun rischio, manovre critiche quali atterraggi e decolli anche in condizioni di scarsissima visibilità o addirittura nulla, portando ad una progressiva riduzione dei sistemi di controllo terrestri.

In campo marittimo porterà allo sviluppo dell’AIS (Automated Identification System),già ampiamente applicato in campo nautico privato, il quale aumenterà la sicurezza nella navigazione. Le applicazioni per quanto riguarda il traffico su strada sono tantissime ma la più interessante riguarda gli Advanced Driver Assistence Systems, sistemi ad alta automazione integrati in autoveicoli per permettere il controllo delle collisioni, aumentare la visibilità e consentire delle manovre automatizzate a basse velocità.

Grazie alle sue caratteristiche progettuali garantirà servizi che devono assicurare un’elevata affidabilità per evitare possibili danni a cose  e a  persone.

Un sistema GPS si utilizza  anche per interagire ed aggiornare dati in un sistema GIS.

 

 

La posizione rilevata dal ricevitore deve essere riferita ad un sistema globale terrestre .

Sistema di Riferimento WGS84

Il  sistema di riferimento è un modello matematico della Terra, precisamente un ellissoide al quale saranno, a mezzo di coordinate, riferiti tutti i punti. L’ellissoide GPS è noto come ellissoide WGS84 ,un punto su di esso e quindi anche sulla terra, sarà definibile in base alla latitudine,longitudine e alla quota ellissoidica ,in alternativa, il punto si può riferire ad un sistema di assi cartesiani con centro nell’ellissoide WGS84.

WGS84

sistema UTM-WGS84

 Si chiarisce che la quota rilevata dal GPS è una quota riferita all’ellissoide quindi non reale,mentre la quota fisica è quella riferita al livello medio dei mari (geoide):con opportuni software integrati nei ricevitori si è in grado di trasformare comunque la quota ellissoidica  in quella geoidica tenendo conto dell’ondulazioni geoidiche del posto.

quota ellissoidica e geoidica
il Geoide
strumenti per rilievi di precisione

 

Colgo l’occasione per presentare una mia applicazione che ho prima progettato e poi realizzato.

L’applicazione  Real-Time Navigation è fondamentalmente un sistema software per trasmettere dati in real-time da una unità che li rileva, o li genera, per trasmetterli ad un server remoto che a sua volta li rende disponibili a tutti i client che ne fanno richiesta.Il trasporto del dato avviene col protocollo TCP-IP (internet su rete wireless) oppure in casi di calamita’ naturali  i pacchetti TCP-IP possono essere trasferiti,previa opportuna pacchettizzazione,con una opportuna coppia di radio trasmittente e ricevente.

apparati fissi

schema multiplo
schema fisso1
schema mobile
schema fisso2

I dati da trasferire possono essere svariati: da misure di temperature,ai rumori,ai dati  di laboratorio,ai dati AIS,ai dati GPS e tant’altro.In questa applicazione specifica il sistema è utilizzato per  trasmettere  il dato  GPS in formato NMEA.

Il sistema si compone di tre moduli: l’unità mobile,il server,il client dell’utente.

L’unità mobile è dotata di un ricevitore GPS,più o meno potente,e un sistema operativo (portatile o palmare). I dati di posizione ricevuti vengono utilizzati in locale per la navigazione e visibili all’utente su un software, adatto alla navigazione, di sua scelta,contemporaneamente i dati,trasformati nel formato NMEA,vengono inviati in real-time (flusso continuo di dati) al server sulla rete internet.L’unità può essere equipaggiata con ulteriori device,per esempio una webcam che trasmette immagini del percorso navigato,sempre in real-time.

Il server remoto acquisisce i dati e li rende disponibili,sempre in real-time,al client che si collega,inoltre tali dati, mediante un software database ad hoc (mysql), possono essere salvati per un utilizzo successivo o semplicemente archiviati, e  qualora tale server faccia parte di una centrale operativa, elaborati per gli opportuni servizi distribuiti.

Il client utente collegato riceve i dati e li visualizza su un software di navigazione oppure vengono ,in tempo reale,elaborati per gli opportuni usi.

Sito dell’applicazione:      

Sistema Real-Time Navigation:Foto del Sistema
l’unità mobile
l’unità mobile in ricezione
l’unità mobile traccia i satelliti
coordinate della posizione
l’unità mobile in “navigazione”
l’unità mobile in trasmissione dati
il server in ricezione dati
il server in distribuzione dati
client connesso con NAVIT
client connesso con GOOGLE-MAPS
client connesso con mappe OSM
client connesso con GOOGLE-SATELLITE
NAVIT sull’unità mobile (navigation)

 

 

 

 

 

 

 
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