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mercoledì 24 settembre 2014

Come funziona il GPS e come spiano il mondo con scanner GPS

Come funziona il GPS  e come spiano il mondo con scanner GPS 

Come il telefonino, anche il ricevitore GPS è diventato in questi anni un apparecchio dall'uso talmente scontato che quasi ci si dimentica di come e perchè funziona. Oltre alla soddisfazione personale di capire “cosa si sta facendo”, è bene conoscere i limiti dell'oggetto per prevedere fino a che punto possiamo contare su di esso.
Il Global Positioning System è di esclusiva proprietà e gestione del Pentagono. Gli elementi del sistema sono tre: la costellazione di 24 satelliti, un centro terrestre di controllo in Colorado e quattro “filiali” nei vari continenti, e i ricevitori di noi utilizzatori.

Tutti i 24 satelliti orbitano a 10.900 miglia di altezza, compiono un giro completo in 12 ore e sono distribuiti in modo che, su tutta la Terra, ce ne possano sempre essere almeno 6 sopra l'orizzonte (fig. 1).

 Fig. 1

Il loro lancio è iniziato nel 1978 con un gruppo di 10 a scopo sperimentale (Block I).

 GPS - Block-1

L'attuale costellazione, Block-2, è stata messa in orbita tra il 1989 e il 1994, data della effettiva copertura mondiale del servizio.

 GPS - Block-2

L'apparecchio GPS è un computer in simbiosi con un ricevitore radio, in grado di captare simultaneamente da 8 a 12 satelliti (dipende dai modelli), che trasmettono sui 1.575 MHz; una seconda frequenza, 1.227 MHz è di uso esclusivamente militare. Il principio di funzionamento è simile al metodo per determinare il punto nave grazie alla posizione nota di alcuni oggetti a terra.
All'accensione, la prima cosa che fa il GPS è “mappare” la posizione dei satelliti che ha sopra di sé. Per fare questo legge dalla propria memoria l'almanacco, una specie di orario dei treni che gli dice cosa passa, dove e quando. L'almanacco è quello dell'ultimo utilizzo precedente; se è passato qualche mese o se siamo a 3-400 miglia di distanza, è inservibile e va ricostruito: ecco perchè a volte capita che il GPS ci mostra la carta o un elenco di Nazioni e chiede: “dimmi dove siamo”; se gli diamo un'indicazione di massima sulla posizione, la compilazione del nuovo almanacco è veloce, altrimenti, ricevendo tutti i dati dal cielo, richiede una dozzina di minuti. All'accensione successiva, invece, tutto è più rapido: da ogni satellite deve ricevere solo le effemeridi, che comunicano le correzioni rispetto alla posizione teorica dell'orbita.


Fig.2 Nota la posizione dei satelliti, il calcolo delle distanze d permette di determinare la posizione del GPS.
Una volta nota la posizione degli amichetti, il ricevitore calcola la propria distanza rispetto ad ognuno di essi (fig. 2), e lo fa misurando il tempo che il segnale radio impiega ad arrivare. Per questo scopo ogni satellite trasmette di continuo una sequenza di dati senza contenuti specifici, ma ognuna con caratteristiche diverse e già note al ricevitore. Tecnicamente si chiama pattern pseudo-casuale, semplificando possiamo immaginare che ogni satellite suoni di continuo una filastrocca; anche se molto disturbata (e lo è, vista la grande distanza e la minuscola antenna), essa sarà comunque riconoscibile dal ricevitore, il quale non ha bisogno di ricavarne dati ma solo, appunto, di riconoscerla. GPS e satellite iniziano a “suonarla” insieme esattamente nello stesso istante; il dato utile è la differenza di tempo (il ritardo) tra le due “esecuzioni”. Il prodotto tra il ritardo e la velocità del segnale (300.000 Km/sec) fornisce la distanza. Il ricevitore ora sa di trovarsi su una ipotetica sfera di raggio pari alla distanza misurata. Lo stesso calcolo, ripetuto con tre satelliti, permette di determinare il punto; ma non basta...
Il nocciolo della questione è misurare esattamente il ritardo del segnale: una differenza di 1 millisecondo tra gli orologi di satellite e ricevitore provocherebbe un errore di 300 Km! Gli orologi in orbita sono atomici, quanto di più preciso esista, e vengono regolarmente tenuti in fase tra loro dal centro in Colorado; il nostro GPS ha un orologio al quarzo, preciso a sufficienza nel breve periodo necessario ai calcoli, ma sicuramente sfasato rispetto a quelli lassù. La soluzione è usare un quarto satellite: se il quarto calcolo non restituisce il punto dei precedenti tre, c'è un errore; il GPS quindi corregge l'orologio fino a quando tutte e quattro le distanze portano ad un punto geometricamente valido. Il punto sarà sempre più preciso man mano che aumentano i satelliti che concorrono al calcolo (e noi ora sappiamo di avere a bordo un orologio perfetto!).
La latitudine e la longitudine ottenute sono comunque accompagnate da uno scarto di 10-50 m. Cosa determina l'errore? La deviazione del segnale all'attraversamento di ionosfera e troposfera, effemeridi e orologi, disturbi radio, rimbalzi del segnale su gole, monti e palazzi, una posizione geometricamente sfavorevole dei satelliti; ma soprattutto la Selective Availability: la facoltà da parte del Pentagono di diffondere effemeridi volutamente errate per necessità militari.
Dall'entrata in servizio del sistema GPS le informazioni trasmesse dalla costellazione di 24 satelliti non sono mai cambiate. Perchè allora i vecchi Gps sono così scarni di funzionalità mentre quelli più recenti sono molto più versatili e precisi? Va subito detto che dal cielo non arriva nessun dato direttamente utilizzabile dall'utente, tipo coordinate o velocità; tutte le informazioni che leggiamo sul display del gps sono frutto di calcoli eseguiti dal solo ricevitore. L'evoluzione degli apparati dipende quindi in larga misura dalla aumentata capacità di calcolo che, analogamente ai personal computer, sfrutta processori sempre più veloci e abbondanza di memoria. Inoltre, un numero sempre più crescente di utilizzatori ha permesso di determinare il tipo e la qualità delle funzioni, e di produrre elettroniche “dedicate”, abbattendo costi e ingombri.
GPS mod. Garmin 45 ai raggi X

Se andiamo a curiosare dentro a un gps di dieci anni fa, scopriamo che l'elettronica è costituita in larga misura da componenti standard, gli stessi che si usavano per i personal computer e altri apparati industriali. Ad esempio Magellan e Trimble adottavano come microprocessore il Motorola MC68000, lo stesso che in quegli anni veniva montato sui pc Apple Macintosh. Ma questo indizio ci svela un'altra cosa: la potenza di calcolo necessaria a un gps è a tutti gli effetti quella di un computer, non certo quella di una calcolatrice da liceo! Per dare il solo punto nave, un gps deve: riconoscere almeno quattro satelliti e la sequenza di dati che trasmettono, misurare con precisione infinitesimale il tempo con cui arrivano questi segnali (ripulito del ritardo per i calcoli), determinare il punto geometrico tenendo conto che nel frattempo tutto si muove (satelliti e ricevitore), trasformare il punto geometrico in latitudine e longitudine e correggerli rispetto all'elissoide (map-datum) di riferimento. Il tutto nell'arco di un secondo, il tempo tipico che passa tra un punto nave fornito e il precedente. E non basta: l'apparecchio deve poter interagire in ogni momento con l'utente (gestione della tastiera e del display) e con altri eventuali strumenti presenti a bordo (protocollo dati Nmea o simili), e se i satelliti disponibili sono più di quattro (si arriva anche a dodici) vengono automaticamente utilizzati, al fine di migliorare la precisione del punto nave...
Ma un gps che restituisce le sole latitudine e longitudine non esiste, è troppo povero: le coordinate, sebbene indispensabili, da sole sono poco funzionali. Vediamo allora, con le inevitabili semplificazioni, cosa può offrirci la prodigiosa macchinetta sulla base di calcoli in funzione del tempo e dello spazio.
Supponiamo di aver percorso il tratto di mare dal punto Pp (un punto passato), e di trovarci in P0, il punto attuale (fig.2).
 Fig. 2


Le differenze di lat. e long. tra i due punti restituiscono la distanza percorsa, la quale in relazione al tempo impiegato fornisce la velocità. Tutti i punti Pp del viaggio vengono memorizzati assieme all'istante del rilevamento e alla velocità, e vanno a formare una traccia, dalla quale si otterranno grafico del percorso, tempo totale del viaggio, velocità media e velocità massima raggiunta.
La differenza di long. e di lat. tra P0 e Pp ci informa anche sulla rotta: il display mostra una bussola con i gradi della prua. Ovvio che la rotta è un'indicazione significativa solo se siamo in movimento: il gps non “sente” il Nord!
Il punto futuro da raggiungere Pf è un waypoint (traducibile in “punto del percorso”) che avevamo precedentemente registrato nella memoria del ricevitore. I gps accettano centinaia di waypoint: ognuno è caratterizzato dalle sue coordinate e da un nome, spesso anche da un simbolo grafico. Con il comando generalmente chiamato GOTO (“vai a”) informiamo il gps che un certo waypoint presente in memoria sarà il nostro Pf.
Appena concluso questo comando, esso visualizzerà: la rotta in gradi da seguire (l'autopilota di bordo stava aspettando proprio questo dato...), la distanza che ci separa e il tempo stimato per arrivare; e da buon specialista delle orbite, il gps ci dirà anche a che ora tramonta il sole in Pf.


Fig. 3: con questa schermata il gps ci informa sulla velocità (30) e che mancano 7,56 miglia e 3 ore e 34 al prossimo waypoint, al quale arriveremo alle 4.22 con prua 245 gradi.

In navigazione, ogni punto P0 può diventare istantaneamente un waypoint: una comodità impagabile quando si solcano acque sconosciute e si vuole memorizzare il punto per usi futuri (l'ingresso in un porto, un relitto, dove ho perso l'ancora...). Un uso particolare del waypoint preso al volo è l'uomo a mare. Molti ricevitori hanno la funzione MOB (Man Over Board) che è a tutti gli effetti una scorciatoia per fissare in emergenza un waypoint con la pressione del solo pulsante Mob (curiosità: deriva forse da qui il termine mobbing, il buttare fuori dalle aziende i dipendenti scomodi?).
Una concatenazione di waypoint e di goto è aggregabile in una Rotta (Route), anch'essa utilissima per affrontare percorsi complessi, quali la navigazione in un arcipelago o tra i canali di acque interne.
Tra le funzioni che via via si sono integrate nel gps, facendolo diventare uno strumento sempre più “multiruolo”, possiamo trovare: la bussola magnetica, il barometro, l'almanacco delle maree e delle fasi lunari, il telefono gsm, l'integrazione con le carte digitali.
Antenna elicoidale del GPS mod. Garmin 45 ai raggi X