Antonella di Luggo » 19.L'impiego del GPS nel rilevamento

Global Positioning System

Il sistema GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM sistema di localizzazione mondiale) è un sistema di posizionamento topografico che utilizza una costellazione di 24 satelliti. Il GPS è stato studiato per motivi militari dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per poter seguire il percorso di mezzi militari sulla terra ferma e in mare in modo da localizzarne in ogni momento la posizione e consentirne eventuali operazioni di supporto e salvataggio.

È necessario disporre di un ricevitore che intercetti a terra il segnale emesso dai satelliti in orbita per poter conoscere una posizione istantanea, visualizzandone le coordinate sul display sotto forma di coordinate geografiche nel sistema di riferimento del GPS.

La tecnologia GPS bene si presta per la realizzazione di rilievi topografici garantendo precisione e rapidità di esecuzione sia per le operazioni di rilievo di dettaglio sia per tutte le operazioni di tracciamento. Il GPS  inoltre da la possibilità di lavorare direttamente con vari tipi di proiezioni cartografiche potendo quindi determinare sul posto coordinate cartografiche in vari formati.

Global Positioning System (segue)

Il GPS utilizza 24 satelliti artificiali divisi in gruppi di quattro che ruotano attorno alla terra alla quota di circa 20.000 Km e consentono la localizzazione di qualsiasi punto della superficie terrestre.

Tutto il sistema è stato calibrato in modo che almeno 4 satelliti risultino contemporaneamente disponibili per le misure sulla quasi totalità della superficie terrestre.

Funzionamento

Il principio di funzionamento è semplice: calcolando il tempo che intercorre tra l’invio di un segnale da parte del satellite alla sua ricezione sulla terra si riesce a determinare la posizione del ricevitore.Affinchè la misura sia corretta, quest’ultimo deve captare almeno quatto satelliti contemporaneamente in ogni istante (almeno 3 satelliti per avere una posizione 2D – bidimensionale e 4 per avere una posizione 3D – tridimensionale).

La determinazione della posizione di un punto nel sistema GPS viene effettuata in maniera analoga alla trilaterazione che utilizza solo informazioni di distanza. Le coordinate vengono calcolate per qualunque posizione sulla terra attraverso la misurazione della distanza da un certo numero di satelliti alla posizione stessa dove i satelliti fungono da punto di posizione precisa.

Il metodo differenziale permette di ridurre tutti gli errori in quanto le coordinate di un punto vengono determinate rispetto ad una stazione di riferimento posta in un punto noto.

Distanza dai satelliti

I ricevitori captano i segnali dei satelliti e calcolano la propria posizione a partire dai dati ricevuti.

La distanza di un punto sulla Terra si ricava in base alla funzione (distanza = tempo x velocità) che vuole che il punto da rilevare sia ottenuto moltiplicando il tempo di percorrenza del segnale per la sua velocità di propagazione (300.000 km al secondo).

Il ricevitore calcola il tempo messo dall’onda emessa dal satellite par raggiungerlo.

Nota la distanza da un satellite la posizione può essere ristretta ad una superficie sferica creata da quel satellite.

La conoscenza della distanza da un solo satellite è un dato del tutto insufficiente per determinare la propria posizione, in quanto non è nota la posizione azimutale né quella zenitale dello stesso.

Analogamente non è sufficiente conoscere la distanza da due satelliti in quanto l’intersezione di due sfere di raggio noto (r = distanze calcolate) dà luogo ad un cerchio e non ad un punto.

In altre parole, abbiamo individuato una circonferenza che è luogo geometrico di punti ugualmente distanti dal satellite A e dal satellite B ma tra questi dobbiamo individuare univocamente il punto.

Distanza dai satelliti (segue)

Aggiungendo un terzo satellite la posizione viene riferita all’intersezione di tre sfere di raggio noto che determina due punti, uno dei quali è di norma inaccettabile in quanto si trova ad altissima quota e risulta anche muoversi ad altissima velocità.

I satelliti hanno infatti sistemi di valutazione tali da superare questo problema e sanno riconoscere il punto P ricercato, tramite tecniche di esclusione probabilistica.

Comunque è sufficiente effettuare la misura della distanza ad un quarto satellite per localizzare senza ambiguità il punto della superficie terrestre. Ogni altra misurazione con ulteriori satelliti ha essenzialmente lo scopo di aumentare la precisione della determinazione della posizione stessa.

Soltanto l’intersezione di quattro sfere di raggio noto, dunque, consente con certezza, di determinare una posizione univoca nello spazio: i dati del quarto satellite, infatti, oltre a rendere univoca la soluzione al sistema di quattro equazioni in quattro incognite, consentono di correggere il valore del tempo proprio del ricevitore per mezzo dei tempi dei quattro satelliti.

Distanza dai satelliti (segue)

Il GPS permette di determinare le coordinate tridimensionali (latitudine, longitudine, altitudine) di siti occupati da stazioni riceventi ed è particolarmente indicato per lavori di picchettamento, tracciamento, piani quotati ma anche per rilievi e verifiche catastali su piccole e medie estensioni.

Per calcolare le distanze fra il punto di cui si vuol determinare la posizione ed i satelliti che vengono presi in considerazione, il sistema GPS misura il tempo che delle onde radio emesse da ciascun satellite impiegano per raggiungere il punto in questione. Le onde radio viaggiano alla velocità della luce e cioè a circa 300.000 km al secondo. Nota questa velocità e conoscendo esattamente quando il segnale viene emesso e quando esso viene captato dal ricevitore collocato in corrispondenza del punto di interesse, si può determinare la distanza.Naturalmente la misura di tale intervallo di tempo deve essere estremamente precisa, considerando che il segnale emesso dal satellite impiega soltanto circa 6/100 di secondo per giungere al ricevitore. La determinazione del tempo in maniera così precisa è resa possibile dalla disponibilità di orologi elettronici di altissima precisione.

I satelliti sono dotati di orologi atomici che misurano il tempo sulla base delle oscillazioni di un particolare atomo. I satelliti sono dotati di 4 orologi atomici in modo da garantire il funzionamento di almeno uno. La precisione della determinazione della posizione è funzione della misurazione del tempo.