GPS - Rilievo con GPS

Metodi di rilevamento tramite GPS (Global Positioning System)

Alla fine degli anni sessanta il Dipartimento della Difesa degli Usa ha deciso di sviluppare un sistema di posizionamento tridimensionale in tempo reale su tutto il globo basato su una costellazione di satelliti artificiali; tale sistema era chiamato NAVSTAR GPS e doveva consentire un posizionamento con accuratezze dell’ordine delle decine di metri. In ambito geodetico e topografico il sistema GPS ha avuto un maggior utilizzo dai primi anni ’90.

Il GPS è basato sulla ricezione di segnali radio emessi da satelliti artificiali posti su orbite quasi circolari con raggio di circa 26500 km. Per una maggiore comprensione del funzionamento si usa distinguere tre segmenti: segmento spaziale; segmento di controllo; segmento di utilizzo.

Segmento spaziale

Il segmento spaziale identifica la costellazione satellitare, che nella sua configurazione finale, è costituita da almeno 24 satelliti posti su 6 piani orbitali ugualmente spaz... a longitudine di 60° e inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale. Essi sono distanti dalla superficie terrestre 20200 km ed il loro periodo di rivoluzione è di 11 ore e 58 minuti. Tale geometria orbitale consente ad un generico utente posto sulla superficie terrestre di osservare a qualsiasi ora, da qualsiasi punto e contemporaneamente un numero di 4-8 satelliti con una elevazione di almeno 15° sull’orizzonte.

Le funzioni svolte da un satellite GPS sono molte ma fondamentalmente esso trasmette segnali codificati verso gli utenti (dotati di un ricevitore) con una temporizzazione molto accurata. Per assolvere tali funzioni i satelliti montano a bordo oscillatori atomici (orologi) molto stabili e apparati di ricezione e trasmissione. Oltre a questi sono presenti memorie, unità di calcolo, il sistema di autoalimentazione costituito da pannelli solari, un apparato di navigazione basato su propulsori che consente di correggere in continuazione il movimento lungo l’orbita.

Generazione di satelliti in orbita

I satelliti GPS fino ad ora utilizzati sono divisi in cinque classi chiamate Blocco I, Blocco II, Blocco IIA, Blocco IIR, Blocco IIR-M, Blocco IIF e Blocco III (A,B e C). Quelli del Blocco I sono stati rimpiazzati dal Blocco II e così via fino a raggiungere un continuo aggiornamento della costellazione con i satelliti di ultima generazione del Blocco III. Pertanto in orbita si trovano sempre satelliti di generazione e caratteristiche differenti.

Indice dei satelliti

Ognuno di questi satelliti è identificato dal numero di lancio e dal cosiddetto pseudorandom noise (PRN), codice che individua il segnale emesso dai singoli satelliti.

Oltre al segnale GPS utilizzato nel posizionamento, dai satelliti viene trasmesso anche un segnale in bassa frequenza contenente informazioni riguardanti la posizione degli stessi (effemeridi), e vari parametri relativi alla qualità del segnale inviato.

Segmento di controllo

Il segmento di controllo consiste in una rete globale di strutture di terra che tracciano i satelliti GPS, ne monitorano le trasmissioni, sviluppano analisi ed inviano dati ed ordini alla costellazione. Uno dei compiti è di calcolare le effemeridi (coordinate lungo la sua orbita) del satellite e predire la loro orbita per un limitato periodo.

Riassunto: GPS

Global Positioning System

• Segmento spaziale
• Segmento di controllo
• Segmento di utilizzo

Segmento spaziale

• Formato da 24 satelliti orbitanti attorno alla Terra su orbite circolari ad una distanza di N≃20’000km.
• Disposizione dei satelliti tale che qualsiasi operatore, in qualsiasi punto, a qualsiasi ora possa osservare contemporaneamente dai 4 agli 8 satelliti.
• Satelliti, Segnali codificati, Utente
• Satellite = orologio atomico + apparati di ricezione e trasmissione + memorie + unità di calcolo + pannelli solari.
• Satelliti in orbita ∈ 4 epoche.

Segmento di controllo

• Rete globale di stazioni a terra, bracciano i satelliti e ne monitorano le trasmissioni.
• MCS effemeridi Antenne terrestri effemeridi Satelliti messaggi di navigazione.
• Effemeridi: coordinate del satellite lungo la sua orbita dati dell'ultima settimana stima traiettorie della settimana successiva.
• Effemeridi predette adattate con dati raccolti nelle ultime 12-24h, Effemeridi di riferimento.

• ERRORI di OSSERVAZIONE:
• MULTIPATH: si verifica quando parte del segnale arriva all'antenna in maniera indiretta, RIFLESSO da altri superfici. Poca attenzioni perché è difficile da eliminare a posteriori.
• ELETTRONICA del RICEVITORE ed INTERFERENZE: è importante avere un segnale pulito per avere buona correlazione tra codici e fasi.
• VARIAZIONE della POSIZIONE del CENTRO di FASE dell'ANTENNA: pt nel quale il segnale è più vicino e riferimento della posizione calcolata. File con variazioni del centro di fase
• ERRORI GROSSOLANI:
• NON CORRETTO STAZIONAMENTO dell'ANTENNA: mi interessa la posizione del pt di stazione a terra. -> quota del centro di fase dell'antenna e quindi la quotatura della parte dell'antenna che a volte sono definiti dal software.
• DEFINIZIONE del MODELLO dell'ANTENNA