La localizzazione satellitare GNSS è presente nella vita quotidiana di tutti i giorni. Con una grande varietà di ambiti di applicazione, il suo funzionamento è spesso poco conosciuto. Come funziona? Dalla teoria alla pratica, i principi fondamentali del posizionamento GNSS
Il Global Positioning System ( GPS ) è stato sviluppato dall’esercito americano. A partire dal 1973, è stata creata la prima tecnologia di posizionamento satellitare. Inizialmente riservato a un uso strettamente militare, il GPS è stato aperto liberamente nel 2000 alle applicazioni civili. Nel corso degli anni, ha assunto un ruolo fondamentale nella società.
E sebbene il linguaggio comune utilizzi spesso il solo termine « GPS » per evocare questa tecnologia, è più corretto oggi parlare del Sistema globale di navigazione satellitare ( GNSS ). Infatti, altre costellazioni e sistemi di posizionamento si sono uniti al GPS americano.
Da scoprire anche : Come avviare un'impresa?
Oggi abbiamo migliaia di satelliti attorno alla Terra. Tra questi, possiamo citare i satelliti delle costellazioni GPS americane, GLONASS russe, GALILEO europee, BEIDOU cinesi… Non tutti sono ancora operativi al 100 %. È il caso di GALILEO e BEIDOU, che dovrebbero essere operativi nel 2020.
Il principio di funzionamento si basa sull’intersezione dei segnali elettromagnetici emessi dai satelliti. L’utente rileva i segnali satellitari che definiscono segmenti di utenti di satelliti la cui intersezione geometrica consente la localizzazione.
Consigliato : Come funziona una torretta da tetto?
Per essere sempre funzionali ovunque e in qualsiasi momento, le soluzioni attuali utilizzano segnali provenienti da più costellazioni. Questa sovrapposizione di informazioni consente una maggiore precisione, tempi di convergenza quasi istantanei e una disponibilità 24/7 in tutto il mondo.
La precisione dei ricevitori è al meglio metrica. Diversi calcoli e strategie vengono utilizzati per migliorare questa precisione. TERIA è uno degli strumenti per aumentare la precisione. Consente all’utente di ottenere una precisione centimetrica e in tempo reale.
L’arrivo di nuove soluzioni centimetriche ci consente di affrontare nuovi ambiti di applicazione: guida autonoma dei veicoli, utilizzi marini, droni, ecc.
Le costellazioni operative nominali GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… sono composte da diverse decine di satelliti che operano a un’altitudine di quasi 20.000 km lungo orbite distribuite uniformemente per coprire tutti i continenti .
Grazie a questa copertura, l’utente è in grado di vedere simultaneamente tra cinque e trenta cinque satelliti a seconda della sua posizione sulla Terra.
Ogni costellazione è monitorata e controllata da stazioni di controllo che aggiornano le informazioni (posizioni, ephemeridi e correzione degli orologi) di tutti i satelliti. Queste informazioni vengono poi diffuse sulla Terra tramite onde elettromagnetiche che trasportano segnali codificati.
I satelliti GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… hanno orologi atomici che forniscono una datazione estremamente precisa . Le informazioni temporali sono inserite nei codici trasmessi dal satellite. Il ricevitore determina quindi continuamente l’ora in cui il segnale è stato trasmesso. Il segnale contiene anche dati orbitali affinché il ricevitore possa calcolare la posizione dei satelliti. Questo è ciò che chiamiamo informazioni di navigazione.
Il ricevitore GNSS (telefono, topografia, agricoltura, automobile/sistema di guida aeronautica…) utilizza la differenza di tempo tra la ricezione e il tempo di diffusione del segnale per determinare la distanza tra il ricevitore e il satellite. Il ricevitore moltiplica il tempo di percorrenza per la velocità della luce per calcolare la distanza ricevitore/satellite.
Così, un GNSS mobile che cattura segnali provenienti da almeno quattro satelliti può localizzare con precisione in tre dimensioni qualsiasi punto situato nella visibilità dei satelliti. Per farlo, utilizzerà l’intersezione di questi vettori satellite-ricevitore.
Tuttavia, anche in assenza di ostacoli, fattori perturbatori importanti richiedono una correzione dei risultati del calcolo. Il primo è l’incrocio degli strati inferiori dell’atmosfera, la troposfera. La presenza di umidità e i cambiamenti di pressione della troposfera alterano l’indice di rifrazione e quindi la velocità e la direzione di propagazione del segnale satellitare.
Il secondo fattore di perturbazione è l’ionosfera. Questo strato ionizzato dalla radiazione solare cambia la velocità di propagazione del segnale. La maggior parte dei ricevitori integra un algoritmo di correzione.
La terza e ultima fase consiste nel determinare una posizione precisa. Il ricevitore sarà in grado di effettuare una trilaterazione della posizione a partire dai dati di distanza raccolti tra il ricevitore e diversi satelliti.
Un ricevitore GNSS ha bisogno di almeno 4 satelliti per poter calcolare la propria posizione. Tre satelliti determineranno la latitudine, la longitudine e l’altezza. Mentre il quarto permette di sincronizzare l’orologio interno del ricevitore.
Per semplificare la dimostrazione, ci poniamo su un piano 2D. Il principio sarà identico per passare allo spazio 3D. Solo i cerchi saranno sostituiti da sfere.
Supponiamo che il ricevitore sia a 25.000 km da un primo satellite dato. Ciò significa che il ricevitore può trovarsi ovunque sul cerchio di 25.000 km di diametro, con il satellite come centro.
La scatola riceverà anche un segnale da un secondo satellite a 20.000 km, ad esempio. Concluderà che si trova anche su questo cerchio. La sua posizione esatta sarà all’intersezione dei due cerchi, cioè due possibilità.
Per determinare quale di queste possibilità è corretta, è necessario il segnale di un terzo satellite. Per la dimostrazione, lo immagineremo con un diametro di 15.000 km.
All’intersezione di questi tre cerchi, rimane solo un punto possibile in un piano 2D. Questo è il punto di geolocalizzazione del nostro ricevitore.
Scorri per passare da 2D a 3D
Per passare alla 3D, sarebbe quindi necessario un 4° satellite, poiché l’intersezione di 3 sfere dà 2 punti. Tuttavia, possiamo farne a meno perché solo uno dei due punti è geometricamente coerente. E quindi ci sarebbe ancora una possibilità da eliminare.
Tuttavia, l’uso di un 4° satellite è necessario , poiché fornisce soluzioni in base al tempo di propagazione del segnale. I ricevitori GNSS a terra hanno solo orologi sommari che non hanno la precisione degli orologi atomici satellitari. Il risultato è una desincronizzazione che deve essere risolta per controllare la distanza ricevitore-satellite e ottenere quindi una geolocalizzazione corretta.
Seguici anche sui social media e tramite la nostra Newsletter!
L’esempio fa riferimento all’uso di quattro satelliti, ma i ricevitori GNSS sono in grado di seguire molti satelliti contemporaneamente (stazioni, topografia, telefono, dispositivo di navigazione…). Ciò migliora la precisione, il tempo di convergenza, la copertura e riduce i rischi di errore.
In media, un ricevitore può catturare 7satelliti della stessa costellazione (14 satelliti su GPS — GALILEO). Per il posizionamento centimetrico, sono indispensabili almeno 5 satelliti.
Attualmente 129 satelliti di posizionamento satellitare sono attivi e disponibili per applicazioni civili:
Per le applicazioni in cui la precisione centimetrica è essenziale (veicolo autonomo, batimetria, topografia…), ciò non è sufficiente. Infatti, le distorsioni nella propagazione dei segnali possono portare a errori di diversi metri. È il caso in particolare nell’incrocio degli strati atmosferici.
Alcune soluzioni come TERIA possono correggere questi errori di misura e fornire un posizionamento centimetrico di 1-2 cm in tempo reale .
Si basano su reti di ricevitori tutti connessi ai centri informatici, che modellano tutti gli errori e le correzioni di ritorno (PPP, PPP-RTK, NRTK e RTK) in tempo reale agli utenti
Per localizzare matematicamente un oggetto sulla Terra in modo inequivocabile, è necessario definire un deposito geodetico che è espresso da coordinate geografiche che sono più spesso: latitudine, longitudine e altitudine (o elevazione) rispetto al livello del mare medio (elevazione ortometrica) o rispetto a una superficie di riferimento, generalmente ellissoidale (elevazione ellissoidale).
Storicamente, i sistemi geodetici erano determinati a partire da misurazioni angolari e misurazioni di lunghezza. Un sistema geodetico era associato a una rete geodetica, un insieme di punti le cui coordinate erano state determinate a partire da misurazioni terrestri.
La tecnologia spaziale ha permesso di definire sistemi geodetici globali. Il sistema geodetico più utilizzato al mondo è il Sistema geodetico mondiale 1984 ( WGS84 ), associato al sistema di posizionamento GPS americano.
Fonte: color-science.eu gnssplanning.com Vuoi provare TERIA per la tua azienda?
Tag: aggiornare un GPS