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da Geologia 2000 [ http://www.anisn.it/geologia2000 ] Il GPS e le sue applicazioni a mare di Carlo Gugliotta, Emilio Pontillo e Davide Siragusano
1.0 - Il Global Position System 1.1 - Caratteristiche generali II sistema GPS (Global Position System) per la sua semplicità e precisione risulta essere un importante sistema di navigazione grazie alla sua estrema precisione. Attualmente è costituito da 24 satelliti (21+3), di cui almeno 4 visibili da ogni angolo della Terra, ruotanti in orbite circolari con copertura mondiale di 24 ore su 24. Ogni satellite ha al suo interno un orologio al Cesio con precisione valutabile in 1 secondo ogni milione di anni, ed è "sincronizzato" col ricevitore GPS che trasforma il tempo impiegato a ricevere il segnale in distanza dal satellite che lo ha emesso. Per fare il punto bidimensionale il GPS deve "agganciare" almeno tre satelliti; calcolata la sua distanza da ciascuno di essi, lo strumento elabora un algoritmo che costruisce nello spazio tre sfere di raggio uguale alle tre distanze a disposizione, sfere che si intersecano in soli due punti: uno è il punto di stazionamento del GPS e l’altro quello direttamente opposto, che viene automaticamente scartato come "impossibile". La posizione così ottenuta è bidimensionale, ovvero affetta da un certo grado di errore dovuto al fatto che i calcoli eseguiti dal GPS non hanno tenuto conto dell’altezza sul livello del mare dell’antenna del ricevitore. Per eliminare tale errore ed ottenere un punto tridimensionale è necessario agganciare almeno un quarto satellite, operazione che riduce gli errori di calcolo ad una sfera di raggio circa 50 metri. Al crescere del numero di satelliti agganciati decresce il raggio della sfera d'imprecisione grazie al controllo di ridondanza che lo strumento effettua in tempo reale sui dati ricevuti. I segnali emessi dai satelliti, vengono elaborati dal GPS il quale è in grado di fornire tutte le informazioni di latitudine e longitudine, distanza e rotta verso il waypoint, velocità e rotta rispetto al fondo marino (SOG), errore di fuori rotta (XTE), ora stimata di arrivo (TTG).  torna all'indice
1.2 - Frequenze in uso I satelliti lavorano in banda UHF (300 MHz - 3 GHz). Su ogni satellite viene generata da un oscillatore una frequenza fondamentale f0 = 10,23 MHz ed i satelliti trasmettono su due bande di frequenze che sono dei multipli della f0: L1 = 1575,42 MHz (154 volte f0) L2 = 1227,6 MHz (120 volte f0) torna all'indice
1.3 - Codici in uso La frequenza L1 e la L2 vengono cifrate con due codici PRN (Pseudo-random noise): il codice C/A ed il codice P; la frequenza L1 viene inoltre modulata dal messaggio NAV. CODICE C/A (Coarse Acquisition) = frequenza di ripetizione 1,023 MHz (1/10 f0) - periodo di ripetizione 1 ms - è la base del servizio SPS; CODICE P (Precision) = frequenza di ripetizione 10,23 MHz (f0) - periodo di ripetizione 7 giorni - è il principale segnale per il calcolo della distanza ed è la base del servizio PPS. In modalità Anti-Spoofing il codice P viene cifrato nel codice Y. MESSAGGIO NAV = frequenza di ripetizione 50 Hz - Codice che contiene le informazioni relative allo stato di salute ed alle effemeridi del satellite; fornisce inoltre i dati di correzione degli orologi del satellite. torna all'indice
1.4 - Impiego delle frequenze La frequenza L1 serve a:
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1.5 - Come lavorano i codici Codice C/A Il codice C/A (Coarse acquisition) è un rumore pseudo-randomico (Pseudo Random Noise, PRN) a 1 MHz che si ripete ogni 1023 bits, pari ad 1 millisecondo; esso modula in fase la portante della frequenza L1, con l'effetto di allargare la banda della frequenza L1 di 1 MHz. Vi è un codice PRN per ogni satellite; in questo modo ciascun satellite viene riconosciuto per il suo unico codice PRN. Il codice C/A è la base del servizio SPS. Codice P Il codice P modula sia la frequenza L1 che la frequenza L2; anche il codice P è un PRN; ma, a differenza del codice C/A, è a 10 MHz (anzichè 1 MHz); inoltre esso è molto più lungo; si ripete infatti ogni sette giorni (contro 1 millisecondo). Nella modalità Anti-spoofing (A-S), il codice P viene cifrato nel codice Y; il codice Y richiede l'impiego di un modulo A-S per ogni canale del ricevitore ed è impiegabile solo da utenti autorizzati in possesso della chiave di decifrazione. Il codice P, ed in particolare il codice P(Y) è la base del PPS. Messaggio di navigazione (NAV) Il messaggio di navigazione è un segnale a 50 Hz che serve a comunicare i dati significativi del satellite: orbita, correzioni orarie, ed altri parametri del sistema. Il messaggio di navigazione modula il codice C/A (frequenza L1). torna all'indice
1.6 - Natura dei messaggi La trasmissione da parte dei satelliti avviene a gruppi di bits (frame), costituiti da 1500 bits suddivisi in 5 sottogruppi (sub-frames) da 300 bit ciascuno. Un frame viene trasmesso ogni 30 secondi. Tre sub-frames (sei secondi ciascuno) contengono i dati dell'orbita e degli orologi; in particolare, la correzione degli orologi del satellite è contenuta nel sub-frame 1, mentre i dati delle effemeridi del satellite sono contenuti nei sub-frames 2 e 3. torna all'indice
1.7 - Correzione degli orologi Ogni satellite informa di quanto l'ora del GPS è sfasata rispetto all'UTC; questa correzione consente di ridurre l'errore di tempo fino a circa 100 ns. torna all'indice
1.8 - Effemeridi Descrivono l'orbita del satellite per piccole porzioni di essa; normalmente un ricevitore aggiorna i dati delle effemeridi del satellite ogni ora, ma può impiegare gli stessi dati fino a quattro ore senza commettere grossi errori. I dati forniti dal satellite vengono elaborati da un algoritmo con il quale il ricevitore è in grado di determinare l'esatta posizione del satellite all'interno del tratto di orbita cui le trasmissioni si riferivano. I sub-frames 4 e 5 sono impiegati per trasmettere altri dati del sistema, quali ad esempio, i parametri dell'atmosfera e gli almanacchi dei satelliti. torna all'indice
1.9 - Parametri dell'atmosfera Si riferiscono ad un modello della ionosfera che è stato memorizzato nel ricevitore e servono per prevedere quale sarà l'errore di tempo introdotto dalla rifrazione ionosferica in qualsiasi momento e posizione sulla Terra. torna all'indice
1.10 - Almanacchi Gli almanacchi sono dati relativi ai parametri approssimati delle orbite di tutti i satelliti; essi descrivono le orbite dei satelliti per periodi di tempo molto lunghi (nell'ordine dei mesi) ed ogni satellite trasmette agli altri satelliti i dati relativi alla propria orbita ogni 12 minuti e mezzo. La rapidità con cui il ricevitore appena acceso riesce a posizionarsi dipende molto dalla disponibilità di almanacchi aggiornati; in questo modo il ricevitore è in grado di conoscere la posizione approssimata dell'intera costellazione (sapere già quali saranno i satelliti in vista e di questi quali saranno da scartare in quanto troppo bassi sull'orizzonte) ed il valore effettivo della frequenza influenzato dall'effetto Doppler. Un insieme di 25 frames (125 sub-frames) costituisce il Messaggio di Navigazione, che viene trasmesso ogni 12 minuti e mezzo. Ogni sub-frame contiene dei bits di parità per il controllo della correttezza della trasmissione. torna all'indice
1.11 - Composizione di un frame di dati In ogni ricevitore GPS è disponibile una replica del codice C/A e/o del codice P(Y) di ogni satellite; ogni codice è un rumore, ma solo apparentemente, in quanto ha uno schema ed è quindi prevedibile. Il ricevitore può generare la sequenza del codice C/A specifica per un determinato satellite (ogni satellite ha un diverso PRN), oppure, come avviene per i moderni ricevitori, ha tutte le sequenze dei vari satelliti già in memoria. Quando riceve un segnale da un satellite, il ricevitore lo confronta con i codici che ha in memoria; se il codice è quello di un altro satellite non ci sarà correlazione ed il ricevitore lo scarterà, provando con il codice di un altro satellite fino a quando non troverà il codice che genera la piena correlazione con il segnale ricevuto. In questo caso il segnale viene decifrato ed il ricevitore può accedere alle informazioni contenute nel segnale. torna all'indice
2.0 - I segmenti del sistema satellitare Il sistema satellitare GPS si articola in tre segmenti:
Il segmento utenza consiste di tutti i ricevitori militari e civili, capaci di ricevere segnali. Il segmento di controllo è basato su 5 stazioni di monitoraggio sparse su tutta la Terra:
Un ricevitore standard è composto da:
I dati ricevuti dai satelliti devono poter essere registrati su floppy disk, schede, memoria interna. Le dimensioni sono importanti per la praticità d'uso. Il sistema satellitare possiede una tecnologia complessa, ma i concetti di base che la governano sono semplici. I satelliti, in orbita attorno alla Terra, occupano sempre posizioni istantaneamente note. Il ricevitore, posto su un punto sconosciuto, determina la distanza verso tutti i satelliti visibili. Conoscendo tre o quattro di queste distanze è possibile determinare l’ubicazione del ricevitore nello spazio. La precisione di tale determinazione dipende dalla precisione con la quale sono state determinate le distanze verso i satelliti. Ciò rappresenta la procedura di "posizionamento assoluto" di un punto. Per calcolare le distanze fra il punto di cui si vuol determinare la posizione ed i satelliti "visti", il ricevitore misura il tempo che le onde radio emesse da ciascun satellite hanno impiegato per raggiungerlo. Per quanto riguarda i satelliti, essi sono dotati di 4 orologi atomici, cioè di dispositivi che misurano il tempo sulla base delle oscillazioni di un particolare atomo. Analoghi dispositivi non possono essere installati sui ricevitori, il cui costo deve necessariamente essere contenuto entro limiti accettabili. I ricevitori sono costituiti da un antenna e da una apparecchiatura che comprende un orologio elettronico, un sistema per l’acquisizione, la parziale elaborazione e la memorizzazione dei dati ed un sistema generatore dei codici di frequenza. Essi differiscono anche per il numero di canali di ricezione disponibili per ciascuna frequenza. Importanti differenze riguardano la maggiore o minore capacità di memorizzazione e di elaborazione dei dati. Le applicazioni della tecnica satellitare per la geodesia e per la topografia impongono l’uso contemporaneo di almeno due ricevitori. A seconda del tipo di ricevitore e della tecnica operativa impiegata, varia anche il tempo necessario alla determinazione di una base. Dal punto di vista operativo, l’uso della strumentazione in campagna è relativamente semplice. Le operazioni di ricezione e memorizzazione dei dati da parte del ricevitore sono infatti quasi completamente automatizzate e gli interventi dell’operatore a questo riguardo sono ridotti al minimo. Nel caso di rilevamenti di dettaglio, al ricevitore possono essere collegate apparecchiature ausiliarie quali, ad esempio un registratore di dati. Per quanto riguarda la messa in stazione del ricevitore occorre tenere presente che la posizione del punto determinata dal sistema corrisponde al centro di fase dell’antenna. A seconda del tipo di apparecchiatura, l’antenna può essere integrata con l’apparato di ricezione e formare un tutto unico con esso, oppure costituire un’unità a sé stante. L’altezza dell’antenna è in genere calcolata dopo la misura del lato obliquo (bordo antenna – punto stazione). Per l’esecuzione di rilevamenti di dettaglio, in cui sono da rilevare molti punti, mentre uno dei ricevitori resta fermo su una stazione di riferimento, un altro ricevitore si porta successivamente sui vari punti da rilevare. Il trasporto dell’unità mobile può essere fatto in modi diversi in funzione del tipo di rilevamento da eseguire e delle condizioni locali. Il rilievo col metodo satellitare si svolge in 3 fasi:
L’esecuzione delle misure è la fase più semplice nell'utilizzo del sistema. Infatti, effettuata la programmazione e stabilito l’ordine con cui rilevare i punti, il lavoro in campagna può iniziare. Posta l’antenna sul punto, acceso il ricevitore, il resto è automatico. La terza fase di lavoro, per il rilievo col metodo satellitare è l’elaborazione dei dati. Tutti i dati registrati in campagna dai ricevitori sono trasferiti su un computer per l’elaborazione. I programmi, forniti con la strumentazione GPS, riconoscono i dati registrati dai diversi ricevitori negli stessi istanti e li elaborano insieme eliminando in tal modo gli errori costanti. Il sistema GPS si sta sempre più diffondendo ed è destinato a diventare di uso comune in un prossimo futuro, nelle sue diverse applicazioni torna all'indice
3.0 - Limiti del GPS Il GPS è un dispositivo da usare con interesse e fiducia ma che è affetto da alcuni limiti. Il primo è quello dell’alimentazione dell’apparecchio, che permette un’autonomia di 20/30 ore con batterie alcaline; l’esperienza però dimostra che non è necessario tenere il dispositivo sempre acceso, limitandosi a memorizzare una serie di punti di riferimento per definire in maniera inequivocabile il percorso. I moderni palmari accettano poi l’uso di batterie ricaricabili in cambio di una riduzione dell’autonomia a circa 8 ore, in funzione del tipo di batterie. Il secondo limite è quello della variabilità della precisione nella localizzazione, che suggerisce una certa attenzione nell’uso, da attribuire al fatto che la costellazione dei satelliti Navstar continua a cambiare posizione: questo determina la continua variazione delle condizioni di visibilità a terra e dei relativi dati. Anche la visibilità parziale del cielo, cioè di quella porzione di volta celeste che emerge dall’orizzonte quando ci troviamo in zone montuose, è un fattore che può influenzare la precisione dello strumento, in quando il segnale di alcuni satelliti viene schermato dalle montagne circostanti: per questo aspetto, i marinai sono assolutamente avvantaggiati. Ma la tecnologia ci viene ancora in aiuto e mentre si prevede il continuo aumento dei satelliti operativi nella costellazione GPS, il firmware della macchina (il suo programma interno di gestione che può anche essere di volta in volta aggiornato tramite Internet) ci dice in qualsiasi momento qual’è la prospettiva di precisione in funzione dei satelliti visibili e sincronizzabili; e, con una mappa del cielo, ci può aiutare a individuare meglio la posizione di miglior ricezione. Certo, non possiamo ancora pretendere che la piccola macchina ci possa guidare sino a portare i nostri piedi sul punto esatto che abbiamo stabilito, ma possiamo essere certi che ci aiuterà nella localizzazione, permettendo di avvicinarci all’obiettivo in un raggio di precisione da essa stessa indicato. Raggiunta l’area, dovremo aiutarci con gli occhi e l’istinto per localizzare precisamente il punto. Gli ultimi modelli palmari sono anche predisposti per incrementare la loro precisione di localizzazione fino al metro, utilizzando il funzionamento in modalità differenziale, cioè avvalendosi di una stazione terrestre GPS Master, che riceve i segnali dai satelliti provvedendo a calcolare e inviare via radio un segnale di riferimento (in realtà, si tratta di una correzione) che viene ricevuto ed elaborato dai palmari. A loro volta, gli apparecchi GPS di precisione operanti nella modalità di differenza di frequenza e di fase, utilizzando i due canali chiamati L1 ed L2, raggiungono precisioni nell’ordine di millimetri. Ma attenti all’uso, per via dell’affidabilità e della potenzialità del sistema: alcuni paesi adducono motivi strategici per non gradire l’importazione di dispositivi GPS nel loro territorio (come il Pakistan) e l’essere sorpresi con un ricevitore GPS potrebbe portare a incresciose situazioni. Per il resto, la “macchinetta prodigiosa” non conosce limiti politici o geografici sull’intera sfera terrestre e l’uso della tecnologia GPS viene oggi attualmente ben visto anche nell’ambiente della strumentazione aeronautica civile (in particolare, i sistemi di guida per aeromobili) come sistema di posizionamento integrativo quando l’informazione da terra è scarsa (per esempio, per l’attraversamento di oceani). L’evoluzione della componentistica e della miniaturizzazione per la realizzazione di ricevitori sempre più piccoli offre oggi il GPS da polso, ma la tecnologia GPS ha da tempo messo a disposizione un comodo e preciso strumento di misurazione utilizzato vantaggiosamente da ricercatori. torna all'indice
4.0 - Tipi di GPS I GPS si dividono in due grandi categorie: i monocanale seriali e i multicanale paralleli. Il GPS monocanale aggancia i tre-quattro satelliti necessari ai suoi calcoli in sequenza (in serie) e quindi non è in grado nè di fornire misure di alta precisione nè di fornirle in tempo reale. Il suo errore medio è dell’ordine delle molte centinaia di metri ed i suoi tempi di acquisizione ed elaborazione dell’ordine delle decine di minuti (sino a due ore in condizioni sfavorevoli) e solo a veicolo fermo. Il GPS multicanale lavora invece in tempo reale poichè aggancia i satelliti necessari contemporaneamente (in parallelo), con tempi di acquisizione ed eleborazione dell’ordine dei secondi anche a veicolo in movimento e con precisione media di alcuni metri. Sono disponibili, a costi che salgono via via in modo esponenziale, GPS per uso civile a 6, 12, 24, 36 canali con velocità e precisioni che è facile immaginare, ma inutili per l’uso con le carte INC. E’ infatti superfluo disporre di tali precisioni quando il tratto della matita (0,5 mm) su una carta 1:200.000 rappresenta ben 100 metri, cioè il massimo errore di un GPS portatile quadricanale. torna all'indice
5.0 - Applicazioni in mare del GPS 5.1 - Navigazione Il GPS mostra una particolare attitudine verso la navigazione marina; in quanto è in grado di fornire degli avvisi sonori per il fuori rotta, per l'ancora che ara, e per il punto d'arrivo ed inoltre in grado di indicare tutti gli aiuti alla navigazione anche nella cartografia di base, oltre che a visualizzare anche la cartografia terrestre con i dovuti aggiornamenti. Navigare con il GPS (che cos’è il waypoint?) Nel progettare un piano di rotta, durante al navigazione stessa, il navigante può introdurre nel GPS di bordo, le coordinate (latitudine e longitudine) di uno o più punti (waypoint) lungo la rotta, di solito quello e/o quelli in cui si deve fare un’accostata (cambiare rotta). A ciascuno di questi waypoint (wp) viene assegnato un numero; la successione dei wp introdotti costituisce un piano di navigazione che, ove necessario, potrà essere sempre modificato. Via via che la nave si approssima al waypoint impostato, l’apparato fornisce la posizione del successivo waypoint, la distanza da esso e la nuova rotta per raggiungerlo. In caso di fuori rotta, anche se dovuta a deriva e/o scarroccio, il timoniere porrà sul display la direzione di prua da far assumere alla barca per dirigere verso il punto prefisatto e, in caso di vento e/o mare contrari, infine, comparirà anche l’indicazione dei bordi più appropriati per bordeggiare adeguatamente fino alla meta finale. Batimetria Il posizionamento dei battelli che compiono rilievi batimetrici è da sempre un problema di difficile risoluzione. Nel caso si conducano rilievi fluviali o a breve distanza dalla costa è possibile ricorrere a sistemi di posizionamento tradizionali (stazione totale), ad esempio installando una serie di prismi sul natante ed uno strumento topografico a terra. 
Gli svantaggi di un tale sistema sono evidenti; ad esempio, non è possibile lavorare in condizioni di scarsa visibilità, e possono essere necessarie più stazioni per seguire il battello. Questo significa che è necessario disporre di personale specializzato per la gestione della stazione totale e che ogni spostamento provoca una certa perdita di tempo.
L'utilizzo dei sistemi GPS consentono di superare tutti gli inconvenienti caratteristici dei sistemi tradizionali. Un tipico sistema per batimetria si compone di una stazione GPS base posta a terra su un punto di coordinate note, a cui viene riferito tutto il rilievo; e un'altra stazione GPS rover posta sull'imbarcazione. Le tecniche di rilievo con il GPS possono essere di due tipi: post-elaborazione e real-time. La prima tecnica (post- elaborazione), come quella real-time, prevede che si possano utilizzare ricevitori a singola o doppia frequenza. Questi ricevitori vengono settati per ricevere e memorizzare i dati inviati dai satelliti. Inoltre il ricevitore posto sul natante è interfacciato con l'ecoscandaglio e consente di associare le informazioni di posizione del sistema GPS con il dato batimetrico proveniente dal sonar. In un sistema di questo tipo tutta l'elaborazione dei dati avviene successivamente in ufficio, senza avere alcuna informazione in tempo reale. Il rilievo in tempo reale (real-time) è un metodo più sofisticato, consiste nell'uso di un link radio-modem tra i due ricevitori, che consente di ottenere in tempo reale le coordinate del natante e quindi di impostare preventivamente uno schema di navigazione da seguire durante le operazioni. Un sistema in tempo reale è composto anch'esso da una stazione GPS a terra posizionata in un punto noto, la quale trasmette i dati che sta ricevendo alla stazione mobile installata sul battello. Quest'ultima stazione riceve i dati dalla base e calcola in tempo reale la sua posizione. Per mezzo di un opportuno software è possibile visualizzare queste informazioni di posizione nel modo più opportuno, e calcolare ad esempio le correzioni di rotta per raggiungere un determinato punto, la distanza da percorrere, visualizzare il fuori rotta del natante, ecc. Naturalmente, anche qui i dati provenienti dall'ecoscandaglio vengono associati con la posizione GPS, in modo da produrre in tempo reale i dati batimetrici. Il sistema GPS, indipendentemente dalla soluzione scelta, collegato ad un apposito software gestito da un PC permette di raccogliere un enorme mole di dati con estrema semplicità. Sul tale computer a bordo del natante, lavorerà il cuore del sistema , il software di rilievo e navigazione. Sarà compito di tale programma occuparsi della corretta posizione del natante e dell'interfaccia dei dati GPS con quelli dell' Ecoscandaglio. Sullo schermo del PC verrà visualizzata la posizione in tempo reale del natante sovrimposta alla cartografia di base gestita come immagine di sfondo, il profilo batimetrico, le informazioni principali relative alla navigazione e alla qualità del dato GPS. I dati registrati vengono memorizzati su files editabili ed utilizzabili da programmi che prevedano l'importazione di dati ASCII, quali ad esempio Excel. torna all'indice
5.2 - Applicazioni del GPS nell'archeologia subacquea Le funzioni e le applicazioni del GPS in ambito archeologico sono molteplici, dal semplice rilievo della posizione assoluta (puntuale, lineare o areale) del record archeologico all’elaborazione, con dispositivi a lettura centimetrica, di rilievi micro-topografici di superfici e strutture, per la creazione di modelli tridimensionali del terreno. Ragionando in termini inversi, la navigazione verso siti noti o ad esempio l’identificazione sul terreno di anomalie individuate con dati telerilevati diventano operazioni di routine. Oltre alle novità tecnologiche sono da rilevare recentissimi mutamenti normativi: l’auspicata abolizione del filtro a valore d’errore fluttuante introdotto dal Dipartimento della Difesa Americana per i sistemi GPS 2 e in ambito italiano la liberalizzazione delle attività di riprese aeree sul territorio nazionale e sulle acque territoriali. Quest’ultima non deve passare inosservata, anzi è da considerare tra i cambiamenti più significativi e ricchi di ricadute immediate. Un problema nell’ applicazione del GPS per le ricerche archeologiche sui fondali marini è rappresentato dal fatto che questo non funziona sott’acqua. Infatti l’acqua impedisce le comunicazioni dall’unità mobile al satellite GPS. 
Questo problema viene ovviato facendo galleggiare il GPS in superficie attaccato a una boa di segnalazione, alla quale è collegato un cavo tramite il quale il sub registra sufficienti dati per effettuare la traslazione dalla sua posizione sott’acqua al punto di stazionamento della boa.
Prima della discesa, il sub imposta le tracce di registrazione ogni 10 sec. Quando registra un punto lo riporta sulla mappa, permettendo al GPS di convertire i dati profondi in superficiali. Tornati a terra, i dati registrati dal GPS vengono riportati su un elaboratore tramite un’interfaccia cablata. La posizione del GPS sulla superficie del mare è estrapolata tramite la corrispondenza della posizione del sommozzatore rispetto le tracce del GPS in quel dato istante. Pertanto, conoscendo la profondità, i dati della bussola, data e ora, la distanza fra il sub e il GPS e con l’ausilio di alcuni elementi di trigonometria, è possibile determinare latitudine e longitudine e profondità dell’oggetto sommerso. torna all'indice
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