Tecniche di localizzazione: il GPS

La presenza dei rilevatori GPS (Global Positioning System) su smartphone e palmari ha favorito lo sviluppo di applicazioni dotate di funzionalità interessanti, che utilizzano i dati provenienti dal satellite per localizzare gli utenti. La posizione dei dispositivi mobili può essere determinata in diversi modi:

1. rilevazione tramite rete del telefono mobile: in questo caso l’errore potrebbe essere molto elevato e la posizione rilevata potrebbe ricadere anche in un raggio di qualche chilometro rispetto a quella reale;

2. rilevazione tramite sistema GPS, riuscendo ad ottenere una buona precisione con un errore massimo di qualche metro;

3. rilevazione tramite una rete locale, come all’interno di un edificio mediante l’utilizzo di dispositivi Bluetooth, calcolando tramite triangolazioni la posizione del dispositivo mobile.

Il sistema proposto per la fruizione dei siti di interesse culturale è strettamente legato alla posizione fisica dell’utente. I contenuti presentati dal dispositivo mobile durante la visita, attraverso un’interfaccia dedicata, risiedono sul dispositivo e sono identificati da un range di coordinate: all’interno dell’applicazione viene interrogato un database opportunamente gestito che, in base alle coordinate che definiscono la posizione dell’utente, restituisce il dato multimediale opportuno. Tra le tecniche di localizzazione utilizzabili su piattaforma iPhone, è stato scelto il Global Positioning System – GPS. Vediamo le sue caratteristiche principali. Il sistema NAVSTAR GPS (Navigation System with Time and Ranging Global Positioning

83 sistema di navigazione globale in grado di fornire le coordinate geografiche, la quota e la velocità di qualsiasi mezzo mobile in ogni punto della terra e per l’intero arco delle 24 ore. Il programma per la realizzazione del sistema fu ideato dal DoD (Department of Defence degli USA) nel 1973 per consentire a navi, aeroplani e veicoli terrestri delle forze armate degli USA di determinare, in qualsiasi istante, la propria posizione in qualunque parte del globo si trovassero. Pur essendo stato concepito per scopi militari, gli addetti ai lavori fecero in modo che anche i civili potessero usarlo, anche se con caratteristiche minori (ad esempio una precisione minore). I primi 11 satelliti di tipo sperimentale furono lanciati dal 1978 al 1985 e furono sostituiti successivamente da quelli operativi, a partire dal 1989. A seguito del completamento della prevista costellazione di 24 satelliti, l’8 dicembre 1993, fu fatta una prima dichiarazione di inizio operatività del sistema (IOC o Initial Operational Capability). Al completamento di tutti i test per la verifica, in particolare, delle specifiche militari del sistema, esso fu definitivamente dichiarato operativo il 27 aprile 1995 (FOC o Full Operational Capability). L’interesse da parte della comunità scientifica internazionale verso il sistema e gli studi condotti, hanno consentito anche agli apparati riceventi non militari di utilizzare il sistema con una precisione notevolmente superiore a quella ipotizzata dai progettisti35. Per tale motivo le applicazioni pratiche nel settore civile sono diventate numerosissime, anche al di fuori dei campi tradizionali della navigazione marittima ed aerea, ad esempio:

 è utilizzato quale sistema base per il controllo della navigazione aerea ed anche di quella marittima nelle aree di maggior traffico;

 esso viene utilizzato dall’industria petrolifera, o in generale estrattiva, per la determinazione della posizione di mezzi terrestri e navali impiegati nelle ricerche o nelle estrazioni petrolifere;

 l’estrema precisione del sistema permette di localizzare gli automezzi terrestri ed in particolare un ricevitore GPS determina istantaneamente la posizione che viene comunicata via radio ad una centrale di controllo. Tali sistemi sono utilizzati da alcune società di trasporti quale strumento antifurto per i propri automezzi; sono utilizzati dai servizi di assistenza e di protezione civile per una migliore gestione ed utilizzo dei mezzi di soccorso. È prevedibile che esso potrà essere utilizzato anche nel controllo del traffico ferroviario;

35 _{M. Bertolini (1998), Corso di Aggiornamento in Navigazione Moderna, available on:}

84  considerati i bassi costi e le dimensioni ridotte dei ricevitori attuali, il sistema può essere utilizzato da ricercatori o altre persone durante l’esplorazione di zone terrestri isolate. Sono inoltre già state commercializzate applicazioni, analoghe a quelle in uso sulle navi, in cui il ricevitore GPS è collegato ad un apparato che rappresenta su un monitor la mappa della zona con l’indicazione continua della posizione del ricevitore;  l’introduzione del DGPS o GPS differenziale ha consentito di raggiungere precisioni

adeguate per poterlo utilizzare quale strumento di posizione, sia statico che dinamico, nelle misure geodetiche, geofisiche, idrografiche e cartografiche. Molti laboratori scientifici utilizzano inoltre i segnali GPS per avere l’ora UTC (Universal Time Coordinated) con una precisione di 0,1 microsecondi. Le applicazioni elencate sono soltanto alcune di quelle in uso, molte altre sono allo studio per cui il sistema avrà un’importanza sempre maggiore in tutti i campi della vita civile;

 la tecnologia GPS occupa un ruolo importante per i Location Based Systems (LBS) in ambito culturale ed è in grado di rilevare la posizione dei visitatori all’interno dei parchi archeologici. Le coordinate che lo identificano in un sistema di riferimento globale costituiscono l’input per questa tipologia di sistemi, che restituiscono in output contenuti multimediali interattivi.

Il principio di funzionamento si basa sull’invio contemporaneo di un segnale da parte di vari satelliti, la cui orbita è calcolata con precisione da cinque stazioni di controllo distribuite lungo la fascia equatoriale. Per poter determinare la posizione tridimensionale di un ricevitore è necessario ricevere le osservazioni da almeno quattro satelliti, perché nelle misure di pseudorange si devono stimare quattro incognite, tre di posizione e una di offset dell’orologio del ricevitore. Il GPS è in grado di fornire con elevata precisione la posizione del ricevitore in tempo reale, senza la necessità di aspettare un doppio passaggio satellitare.

Altra condizione indispensabile è la sincronizzazione dell’invio del segnale tra i vari satelliti. Infatti, un errore di sincronizzazione anche di un milionesimo di secondo potrebbe comportare un calcolo sbagliato sulla distanza di 300 metri. Per evitare ciò, i satelliti sono equipaggiati con orologi atomici che garantiscono una elevata precisione. Oltre agli errori di sincronizzazione tra ricevitore e satelliti, il segnale GPS può subire altre degradazioni dipendenti da ritardi nel passaggio attraverso gli strati dell’atmosfera, da distorsioni del percorso del segnale, dalla disposizione geometrica dei satelliti. Per ridurre il più possibile le degradazioni del segnale e quindi minimizzare l’errore di posizionamento del ricevitore si utilizza una tecnica chiamata DGPS (GPS differenziale). Tale tecnica consiste nell’utilizzo di un segnale aggiuntivo, proveniente da stazioni radio terrestri, che fornisce la misura

85 dell’errore di posizione locale (figura 39). Le coordinate di una stazione ricevente fissa sono note a priori; di conseguenza è nota la differenza con quelle calcolate con un ricevitore GPS. Tale errore, fluttuante nel tempo, rimane costante su aree geografiche abbastanza estese, per cui si assume che tutti i ricevitori GPS ad una certa distanza dalla stazione (un centinaio di km) commettano circa lo stesso errore36.

Figura 39. DGPS - Fonte: Sistemi di Localizzazione Satellitare, ottobre 2006

Negli ultimi anni sono stati avviati alcuni servizi per la correzione differenziale sia su scala nazionale che internazionale. Il limite dell’applicabilità locale del segnale differenziale trasmesso dalle stazioni radio è stato superato attraverso la collezione spaziale di tutte le correzioni disponibili rilevate da postazioni fisse disposte su vaste aree di territorio e la successiva trasmissione a terra con l’utilizzo di satelliti geostazionari. Esistono tre modalità di acquisizione del segnale GPS, differenti per tipi di impiego e per accuratezza di misurazione richiesta. Il posizionamento statico è la modalità più precisa, consentendo di raggiungere precisioni subcentimetriche, ma anche la più lenta, a causa dei lunghi periodi in cui i ricevitori vengono lasciati in acquisizione. Il GPS, propriamente detto cinematico, consiste nel tenere fisso uno dei due ricevitori (base) e nel trasportare il secondo (rover) lungo un percorso da determinare muovendosi con continuità. Il tracciato seguito viene determinato per punti, a intervalli di tempo regolari corrispondenti all’intervallo di campionamento fissato nei due ricevitori. Il metodo stop and go è una variante operativa del metodo cinematico con cui i punti da determinare vengono occupati successivamente dal rover tenendolo fermo per un certo tempo. Tale metodo consente di ottenere maggiori precisioni del precedente grazie ad un numero maggiore di epoche in cui si occupa il punto e con cui si determinano le ambiguità per ogni satellite. Si impiega però maggiore tempo37.

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Programma Vision, Sistemi di navigazione satellitare: dal GPS al GNSS, available on: http://www.programmavision.it/gallery/Report_protciv.pdf

37 _{Programma Vizìsion, Sistemi di navigazione satellitare: dal GPS al GNSS, available on:}

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