Capitolo 2 Il sistema satellitare

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 8

Capitolo 2

Il sistema satellitare

GPS

In questo capitolo viene presentata una descrizione piuttosto generale

dell’intero sistema NAVSTAR –GPS (NAVigation System for Timing And Ranging –

Global Positioning System), partendo da alcune nozioni di carattere storico, fornite nel paragrafo 1, e proseguendo, nel paragrafo 2, con una illustrazione dei

principi di fondo su cui si basa il sistema GPS, la cui struttura organizzativa viene

analizzata nel paragrafo successivo. Infine, nel paragrafo 4 sono forniti alcuni dati

relativi alla composizione generale del segnale GPS.

2.1– Cenni storici

L’anno 1973 rappresenta il punto di partenza del progetto NAVSTAR – GPS, che

darà vita ad uno dei sistemi di navigazione satellitare, ancora attivo al giorno

d’oggi e più comunemente indicato con l’acronimo GPS. In questo anno, infatti, il

Department of Defense (DOD) degli Stati Uniti d’America istituisce un Joint

Program Office (JPO) con il compito di dar vita al progetto di un nuovo sistema di

navigazione satellitare, il Defense Navigation Satellite System (DNSS), che

prevedesse il coinvolgimento di tutte le forze armate, vale a dire Marina, Esercito ed Aviazione ([1]). Non è un caso che tale progetto sia sorretto da forti stimoli provenienti dal mondo militare: siamo in piena Guerra Fredda e, a dimostrazione del fatto che un sistema del genere fosse una potente arma strategica, nello stesso

periodo anche l’Unione Sovietica decide di mettere a punto il GLONASS (GLObal

NAvigation Satellite System)1, sistema satellitare dalle prestazioni praticamente

1_{La sigla russa è ГЛОНАСС ‐ Глобальная Навигационная Спутниковая Система (Glonass –} Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)

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identiche a quelle offerte dal GPS. Nei primi anni ’60, alcune importanti

organizzazioni governative degli Stati Uniti, tra cui l’Esercito, la NASA (National

Aeronautics and Space Administration) ed il DOT (Department of

Transportation), si interessano allo sviluppo di un sistema di posizionamento satellitare, il cui requisito principale deve essere quello di offrire una copertura globale della superficie terrestre, attiva 24 ore su 24 indipendentemente dalle condizioni atmosferiche ed in grado di servire utenti fortemente dinamici con un alto grado di accuratezza. Il primo esperimento a prendere vita è il cosiddetto Transit (1959), frutto della collaborazione tra la Marina e l’Applied Physics Laboratory (APL), originariamente destinato a scopi militare, ma reso poi disponibile anche ai civili nel 1967, i cui contributi maggiori sono da ricercarsi nel campo degli algoritmi di predizione della posizione dei satelliti. Un altro

precursore del sistema GPS è il cosiddetto Timation (1964), programma sempre

appoggiato dalla Marina, le cui innovazioni consistono soprattutto nell’impiego di orologi atomici a bordo dei satelliti. Contemporaneamente, l’Aeronautica sta lavorando ad un progetto simile, denominato System 621B (1963), che prevede una navigazione su tre dimensioni (a differenza dei precedenti, che si limitavano a latitudine e longitudine) attraverso l’impiego di segnali radio modulati con un

codice pseudocasuale, detto PseudoRandom Noise (PRN); negli stessi anni

l’Esercito propone un proprio sistema, il cosiddetto SECOR (SEquence Correlation

Of Range). Allo scopo di non disperdere le energie nei vari programmi, è nel 1968

che il DOD decide di istituire un comitato congiunto, chiamato NAVSEG

(NAVigation Satellite Executive Group), con il compito di mettere a punto tutte le specifiche, tra le quali, per citare le più importanti, costellazione dei satelliti, modulazione e tecnica di accesso multiplo, al fine di dar vita a quello che, cinque

anni dopo, diventerà il sistema NAVSTAR – GPS. Tale programma entra nel vivo a

partire dall’anno successivo, quando la Rockwell International è scelta per

fabbricare i primi satelliti GPS; il primo lancio si ha già nel luglio 1974, ma

occorre attendere altri quattro anni per il lancio del primo degli 11 satelliti

appartenenti al Block I, completato nel 1985 e destinato a testare l’intero sistema.

Nel febbraio 1989 iniziano i lanci dei 28 satelliti Block II, che daranno vita alla

costellazione di satelliti operativi e che si concluderanno nel 1994; è allora che il

Comandante della Federal Aviation Administration (FAA), David Hinson, dichiara

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operativo il sistema GPS. Fino ad oggi, il sistema non ha subito sostanziali

modifiche, se si escludono alcuni miglioramenti, come la rimozione del disturbo Selective Availability (SA)2, avvenuta nel maggio 2000, ed il potenziamento della

costellazione, grazie al lancio dei satelliti BLK IIA (Fig. 1.1)e BLK IIR, di nuova

generazione3.

2.2 Principi di funzionamento

Il sistema GPS è un sistema di posizionamento satellitare che consente una misura

della posizione dell’utente nelle tre coordinate spaziali (latitudine, longitudine

Fig. 1. 1 – Satellite BLK IIA ([2])

2_{Per informazioni più specifiche sul disturbo}_SA_{, si veda il Par. 1.2}

3_{Tali satelliti, prodotti da Martin Marietta, garantiscono una maggiore affidabilità dal punto di}

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e altitudine) e del tempo UTC (Universal Coordinated Time)4 con una copertura

globale e continua e con un grado di accuratezza che varia a seconda del tipo di utenti. Sono previste, infatti, due classi di utenza: gli utenti militari, che fruiscono

del Precise Positioning Service (PPS), e gli utenti civili, che sfruttano lo Standard

Positioning Service (SPS)5. Il sistema, per come è stato strutturato, non prevede

alcuna limitazione al numero di utenti: i ricevitori (User Segment, US), infatti,

operano in maniera passiva, decodificando i messaggi che vengono trasmessi in

modalità broadcast dai satelliti che compongono lo Space Segment (SS), i quali

vengono monitorati costantemente dall’Operational Control Segment (OCS). Il

concetto su cui si basa il funzionamento del GPS è lo stesso che venne impiegato,

per la prima volta sfruttando segnali radio, dal sistema di radionavigazione marino LORAN (LOng Range Aid to Navigation), usato durante la II Guerra Mondiale. Tale meccanismo è pero noto ai navigatori fin dal tardo Medio Evo e può essere illustrato attraverso un esempio analogo per le due dimensioni (Fig. 1.2), riportato in [3].

Fig. 1. 2 – Misura della posizione mediante due sirene da nebbia

4_{Il sistema G}_PS_{fornisce il tempo nel proprio formato, che differisce da quello U}_TC_{per alcuni secondi; tale correzione,}

però, è resa possibile dai messaggi trasmessi dal sistema stesso

5_{Il Precise Positioning Service garantisce un’accuratezza di almeno 22 m sul piano orizzontale e 27.7 m su quello verticale,}

con un errore massimo di 0.2 m/sec per la velocità e di 200 nsec rispetto al tempo UTC, mentre lo Standard Positioning Service assicura una precisione di 100 m sul piano orizzontale, 156 m su quello verticale, con un offset temporale di 340 nsec

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Supponendo di conoscere i centri O1 e O2 ed i raggi d1 e d2 di due cerchi, è

possibile risalire ai due soli punti di intersezione tra questi, A e B; se si dispone poi di informazioni aggiuntive che consentono di escludere uno dei due, è allora noto l’unico punto a comune. Questa situazione può essere applicata ad un contesto solo apparentemente distante: supponiamo il caso di un marinaio che intenda stabilire la propria posizione calcolando il tempo in cui percepisce il fischio emesso da due sirene da nebbia; supponendo che conosca la posizione

esatta delle due sirene (O1 e O2) e che sia perfettamente sincronizzato con esse, e

che queste siano a loro volta sincronizzate tra loro, è poi in grado di risalire alle

distanze d1 e d2 moltiplicando i tempi di propagazione dei segnali emessi per la

velocità di propagazione del suono.

Fig. 1. 3 – Misura della posizione con errore di sincronizzazione

Eliminando l’ipotesi assai poco plausibile che il marinaio sia sincronizzato con le due sirene da nebbia, i tempi di arrivo risultano affetti da un errore ε, che, ritenendo ancora valida l’ipotesi che il sistema sia sincronizzato, risulta essere uguale per entrambi: in questa situazione (Fig 1.3), per la risoluzione del problema occorre una terza sirena, che serve a confinare le possibili posizioni del marinaio entro la zona tratteggiata. Applicando un algoritmo iterativo che tenga conto di questo errore ε, è possibile eliminare l’incertezza ed ottenere la posizione effettiva P.

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 13 Estendendo l’esempio alle tre dimensioni, il concetto di cerchio si traduce in quello di sfera: a questo punto, si rende necessario l’impiego di quattro sfere, come illustrato in Fig 1.4.

Fig. 1. 4 – Misura della posizione nelle tre coordinate spaziali con errore di sincronizzazione

Nel nostro caso, il centro di ciascuna sfera è rappresentato dalla posizione di ogni satellite ricevuto, che può essere ottenuta mediante i dati relativi alle effemeridi trasmesse dal satellite stesso, mentre il raggio è calcolato misurando i tempi di interarrivo dei segnali e moltiplicandoli per la velocità della luce. Un ricevitore

GPS si può ricondurre alla situazione appena descritta decodificando i messaggi

provenienti da ciascun satellite, trasmessi su due portanti, dette L1 e L2, poste rispettivamente a 1575.42 MHz e 1227.6 MHz, su una banda complessiva larga approssimativamente 20.46 MHz e impiegando, come tecnica di accesso multiplo,

il Code Division Multiple Access (CDMA). Ciascun satellite, infatti, trasmette

utilizzando un proprio codice, detto PseudoRandom Noise (PRN), che va a

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Codice P (Y) C / A

Rate 10.23 Mchip/sec 1.023 Mchip/sec

Lunghezza _{2.35 10}_⋅ 14 ₁₀₂₃

Tab. 1. 1 – Caratteristiche dei codici PRN

Come avevamo già anticipato, il sistema GPS offre due modalità di servizio, PPS e

SPS, che si distinguono sulla base dei codici usati: il codice destinato agli utenti

autorizzati (militari), detto P (Precision), che diventa Y quando è attiva la cifratura dovuta alla modalità di Anti-Spoofing, ha un rate trasmissivo di 10.23 Mchip/sec ed una durata pari ad una settimana, mentre il codice utilizzato dagli utenti civili, che non prevede alcuna restrizione d’uso, è un codice di Gold, detto C/A (Coarse Acquisition), di durata pari a 1023 simboli e di rate pari a 1.023 Mchip/sec (Tab. 1.1). Il codice P(Y), che può essere ricostruito solo da parte di utenti autorizzati, va a modulare i dati su entrambe le portanti, mentre il codice

C/A viene trasmesso solo sulla portante L16. La modulazione utilizzata è di tipo

BPSK e viene applicata al risultato dell’operazione di somma modulo 2 tra i dati,

che fluiscono con un bitrate di 50 bit/sec, ed i chip dei codici, modulati in

quadratura. Il segnale s_{L i}_1, ( )t , relativo al satellite i-esimo, inviato sulla portante

L1 è pertanto nella forma

[

]

(

)

[

]

(

)

1, ( ) ( ) ( ) cos 2 1 2 ( ) ( ) sin 2 1

L i i i L i i L

s t = ⋅A P t ⊕D t ⋅ πf t+ϕ + A G t⋅ ⊕D t ⋅ π f t+ϕ ,

dove A è l’ampiezza del segnale in fase, D t_i( ) è la sequenza di dati a 50 bit/sec,

( )

i

P t è il codice P(Y) dell’i-esimo satellite, ( )G t_i è il codice C/A dell’i-esimo

satellite, f_L₁ è la frequenza della portante L1 e ϕ è la fase iniziale. La struttura

generale del segnale GPS è riassunta in Tab. 1.2.

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Tab. 1. 2 – Struttura del segnale GPS

Priorità del segnale Primaria Secondaria

Designazione del segnale L1 L2

Frequenza della portante 1575.42 MHz 1227.6 MHz

Codice PRN P(Y) = 10.23 Mchip/sec C/A = 1.023 Mchip/sec P(Y) = 10.23 Mchip/sec o C/A = 1.023 Mchip/sec* Messaggio di

navigazione 50 bit/sec 50 bit/sec

*

* Il codice solitamente usato su L2 è il codice P(Y); il messaggio di navigazione a 50 Hz è in genere modulato con il codice P(Y), ma può essere tolto dal segmento di controllo per aumentare le prestazioni di jamming. Ci sono tre possibilità: codice P(Y) con dati, codice P(Y) senza dati, codice C/A con dati

La differenza in termini di prestazioni tra PPS e SPS è ottenuta

artificialmente tramite i meccanismi di Selective Availability (SA) e di

Anti-Spoofing (AS): il primo consiste nell’introduzione voluta di errori aggiuntivi sui

parametri di navigazione (rimossa dal DOD dal maggio 2000, ma con riserva di

riattivazione in caso di necessità senza preavviso), mentre il secondo è attivato per evitare tentativi di jamming da parte di utenti non autorizzati.

2.3 – Organizzazione del sistema

Il sistema GPS è formato da tre segmenti:

a) Space Segment (SS)

b) Operational Control Segment (OCS) c) User Segment (US)

a) Lo Space Segment (SS) è costituito da una costellazione di 24

satelliti operativi, cui si affiancano 4 satelliti previsti per eventuali sostituzioni. I satelliti sono disposti, a gruppi di 4 o 5, su sei orbite centrate attorno alla Terra, con una disposizione tale da garantire i minimi effetti negativi in caso di

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 16 mancato funzionamento di uno di questi. Le orbite, di tipo ellittico, sono equispaziate tra loro e presentano un angolo di inclinazione di 55° ed un raggio approssimativo di 26,560 km (Fig. 1.5). Come si evince dal raggio orbitale, i satelliti non sono di tipo geostazionario, ma hanno un tempo di rivoluzione attorno alla Terra pari alla metà del giorno siderale, equivalente a circa 11 ore e 58 minuti, con una velocità di 3874 m/sec ed un peso a terra di 2032.13 kg ed in

orbita di circa 1075.03 kg 7.

Fig. 1. 5 – Costellazione delle orbite dei satelliti GPS

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 17 Nel corso degli anni, come anticipato nel Par. 1.1, abbiamo assistito ad una

evoluzione dei satelliti, a partire dal Block I fino ad arrivare ai più moderni Block

IIR (Fig. 1.6) 8.

Fig. 1. 6 – Satellite BLK IIR ([4])

Componenti fondamentali di ciascun satellite sono i quattro orologi atomici a bordo, due al Cesio e due al Rubidio, che garantiscono un errore inferiore al secondo per un periodo che va da 30,000 ad un milione di anni e che servono per la generazione dei segnali in trasmissione; tali orologi, infatti, danno luogo ad un oscillatore con una frequenza base di 10.23 MHz, da cui è possibile ricavare tutte le frequenze in gioco: oltre ai generatori di codice, a 10.23 Mbit/sec e 1.023 Mbit/sec, è possibile ottenere il clock a 50 Hz, dividendo l’oscillatore di riferimento per 204,600, e le frequenze portanti L1 e L2, moltiplicando rispettivamente per 154 e 120. L’angolo di apertura dei trasmettitori satellitari è rispettivamente di 21°18" per il segnale L1 e di 23°24" per il segnale L2, ampiamente sufficiente per la copertura della superficie terrestre, come si evince dalla Fig. 1.7. Considerando il raggio orbitale pari a 26,560 km ed il raggio medio terrestre pari a 6,368 km, applicando il teorema di Pitagora al triangolo formato dal raggio terrestre e dalle distanze calcolate tra il satellite e i punti a distanza minima e massima in cui esso è visibile, si ottiene un angolo massimo di apertura pari a 13°52".

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Fig. 1. 7 – Orbita satellitare circolare

Una ulteriore conseguenza della situazione riportata in Fig. 1.8 è la necessità di sagomare il diagramma di irradiazione in modo tale da rendere più uniforme possibile la potenza ricevuta sui vari punti della superficie terrestre, tenendo anche conto del non uniforme guadagno di antenna del ricevitore di terra rispetto all’angolo di elevazione. Tipicamente, in accordo con le specifiche di sistema, la potenza in trasmissione è pari ad almeno 13.4 dBW, con un guadagno di antenna

di circa 13.4 dBi, che assicurano un livello minimo di –160 dBW in ingresso al

ricevitore di uso civile (considerando inoltre le perdite dovute alla propagazione in spazio libero ed al disadattamento di polarizzazione).

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β = 13°52" SL₁ SL₁ SL₂ SL₂ 21°18" 23°24"

Fig. 1. 8 – Angoli di apertura dei trasmettitori satellitari

b) L’Operational Control Segment (OCS) ha il compito di controllare e

monitorare l’intero sistema GPS. L’intera sezione è composta da una stazione di

comando, la Master Control Station (MCS), situata nella Falcon Air Force Base in

Colorado, da cinque stazioni di monitoraggio MS (Monitor Station) e da tre

stazioni trasmittenti GA (Ground Antenna), controllate dall’organo statunitense

DSCS (Defense Satellite Communications System). Tra le operazioni svolte dal

Control Segment, le più importanti sono quelle di monitoraggio dello stato dei satelliti, del calcolo dei fattori orbitali e della trasmissione delle correzioni di tali parametri, ottenute avvalendosi di strumenti di misurazione e di calcolo notevolmente potenti e accurati.

c) Lo User Segment (US) è rappresentato da tutti gli utenti civili e

militari del sistema GPS. In questa trattazione ci occuperemo soltanto della prima

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Fig. 1. 9 - (a) Schema di principio di un generico ricevitore GPS per uso civile (SPS);

(b) Schema a blocchi di un generico canale, elaborato dal DSP

Tipicamente, l’antenna usata per ricevitori SPS ha una polarizzazione circolare di

tipo destrogiro (RHCP), con un diagramma di irradiazione quasi semisferico, che

consente un angolo di apertura di circa 160°, con un guadagno massimo (2.5 dBi)

in corrispondenza dello zenit: tali requisiti possono essere ottenuti con antenne a microstriscia. Lo stadio successivo del ricevitore è costituito dalla conversione digitale in banda base del segnale ricevuto; a questo punto, sulla base dell’algoritmo di predizione dei satelliti in visibilità, descritto in maniera

approfondita nel Cap. 2, vengono generati a livello locale i codici PRN associati a

ciascun satellite ricevuto. Effettuando una misura della correlazione tra il segnale complessivo ed il codice locale, il ricevitore è in grado di separare i vari canali, corrispondenti ai diversi satelliti, dando luogo ad una prima fase di acquisizione rozza, cui seguirà una fase di tracking del segnale. Una volta che il ricevitore si è

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 21 sincronizzato con i dati di ciascun satellite, scatta la fase di Navigazione, descritta nel Cap. 3, nella quale vengono immagazzinati tutti i dati necessari alla fase di Positioning, illustrata nel Cap. 4, che, dialogando con la Man-Machine Interface

(MMI), fornisce una stima della posizione dell’utente sulla superficie terrestre. La

Fig. 1.10 mostra uno schema generale della struttura del sistema GPS, visto nei

suoi principali segmenti.

Fig. 1. 10 – Organizzazione del sistema GPS nei tre segmenti

2.4 – Formato del segnale GPS

Il segnale trasmesso da ciascun satellite GPS contiene tutte le informazioni

necessarie per la stima della posizione da parte di un utente situato sulla superficie terrestre. In questo paragrafo vengono illustrate le principali caratteristiche del formato di tale segnale; una trattazione più dettagliata ed approfondita è presentata nel Cap. 3, dedicato alla fase di Navigazione. Come già anticipato nel Par. 1.2, i dati trasmessi dallo Space Segment hanno un bitrate pari a 50 bit/sec e vanno a sommarsi modulo 2 ai codice P(Y) e C/A, i cui chip/rate sono rispettivamente di 10.23 Mchip/sec e 1.023 Mchip/sec.

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 22 1

20 msec

50 bit/sec = ,

si ripetono 20 codici C/A, di durata pari a 1023

1 msec

1023 Mchip/sec = .

La gerarchia del segnale GPS (Fig. 1.11) prevede 25 frame, che si

compongono ciascuno di 5 subframe; ciascun subframe è formato a sua volta da 10 word, di lunghezza pari a 30 bit, che corrispondono ad una durata di 0.6 sec. Occorrono pertanto 6 sec per la trasmissione di un subframe e 30 sec per la

trasmissione di un frame, mentre la durata complessiva del messaggio GPS è pari a

12.5 minuti.

Fig. 1. 11 – Formato del segnale GPS

Ciascuna word è composta dai primi 24 bit, contenenti l’informazione vera e propria, mentre i restanti 6 bit sono utilizzati per il controllo della parità secondo

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 23 un algoritmo piuttosto complesso, descritto nel Par. 3.1.4. Ogni subframe, formato

da 10 word, invia sempre, con due word ben definite, la TeLeMetry word (TLM) e

la Hand-Over Word (HOW), che contengono le informazioni necessarie per la

sincronizzazione di trama, il tempo di trasmissione e l’identificativo del subframe, che consente un’adeguata decodifica delle successive 8 word. La composizione di ciascun frame prevede 5 subframe: il primo subframe di ogni frame contiene le informazioni relative alle correzioni del clock ed alla settimana corrente, mentre il secondo ed il terzo subframe di ogni frame forniscono i parametri relativi alle effemeridi di ciascun satellite. Il quarto ed il quinto subframe, al contrario dei tre precedenti, variano a seconda del frame corrente: le informazioni sono relative agli almanacchi, allo stato dell’intero sistema, alle correzioni atmosferiche ed alla

conversione tra i tempi GPS e UTC9. Come illustrato nel Par. 1.2, un utente GPS ha

bisogno di conoscere la posizione dei satelliti di cui sta decodificando i dati: per fare questo, necessita almeno dei parametri di correzione del clock e delle

effemeridi10. Nel caso più “fortunato”, intercorrono 18 secondi tra la fine della

fase di sincronizzazione di trama e l’inizio della fase di Positioning; nella pratica, supponendo il caso più “sfortunato” in cui il ricevitore si sia sincronizzato sul subframe 4, si attendono 30 secondi, in modo tale da avere la certezza di aver ottenuto tutti i dati necessari e considerare il canale pronto per la fase di

Positioning11.

2.5 – Lo standard NMEA

Il GPS comunica attraverso uno speciale formato, standardizzato dalla National Marine Electronics Association (NMEA), di tipo seriale basato sulla trasmissione di una ben precisa famiglia di messaggi in formato testo. Le origini di questo sistema sono prevalentemente nautiche; oggi invece è impiegato nella maggior parte dei dispositivi GPS commerciali. Le frasi del protocollo NMEA sono composte da una sequenza di caratteri ASCII. L’inizio della stringa è

9_{Il subframe 4 di alcuni frame è riservato oppure destinato alla comunicazione di messaggi speciali da parte del sistema} 10_{Per una stima accurata occorrono anche i parametri per le correzioni atmosferiche e per il passaggio G}_PS_-U_TC_{, che però}

hanno un intervallo di validità di diverse settimane; supponendo di utilizzare un ricevitore software, questo dispone tipicamente di una memoria non volatile, in cui vengono memorizzati tali parametri e da cui si può attingere per la fase di Positioning (Cap. 4)

11_{In realtà, non è detto che sia sufficiente questo tempo: potrebbe darsi il caso, infatti, che i parametri del clock e delle}

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 24 delimitato dal carattere “$” seguito da un prefisso indentificatore; da una serie di campi separati da una virgola ed un checksum finale.

Esempio

$PREFISSO, campo, campo, …, campo, *checksumCRLF

Una frase NMEA può contenere fino a 82 caratteri compresi "$" e CR LF. Se i dati per un campo non sono disponibili, il campo viene omesso, ma le virgole che lo delimiterebbero sono comunque aggiunte, senza spazi tra di loro.

I dispositivi collegabili tra loro, con sistema NMEA, ricadono in diverse categorie:

• Autopiloti.

• Dispositivi di comunicazione (radio e anche GPS). • Sensori di direzione (bussole e giroscopi).

• Dispositivi LORAN.

• Sensori di velocità ed una categoria per altri trasduttori

Tutte le sentenze NMEA, come detto, iniziano con un prefisso costituito dal carattere "$", seguito da due caratteri che identificano l'entità che le genera, talker. Nell'ambito del GPS, le frasi iniziano con "$GP", dove "GP" denota che essa è stata generata da un dispositivo GPS. I successivi tre caratteri del prefisso della frase indicano il tipo di frase. La frase, dopo il prefisso, continua con una serie di campi, separati da virgole, che contengono le informazioni vere e proprie. Si noti che tra le varie versioni (e spesso tra diverse implementazioni e costruttori) le lunghezze dei campi possono variare o non essere presenti. Chi scrive un software di decodifica considera i campi di lunghezza variabile e si basa sulle virgole. Inoltre, alcune implementazioni includono gli zeri davanti ai numeri, altri no, e il numero di cifre decimali varia tra diverse implementazioni.

Ecco i formati dei dati usati dalle frasi NMEA GPS:

 hhmmss.ss: Ore, minuti, secondi e centesimi di secondo (es: 132957.94 = 13:29:57.94).

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 25  A: Campo numerico di lunghezza fissa di un carattere.

 A-A: Campo alfanumerico di lunghezza variabile.  llll.ll: Campo latitudine (es: 4531.47 = 45°31.47').

 yyyyy.yy: Campo longitudine (es: 00917.21 = 009°17.21').  x: Campo numerico con n cifre intere.

 x.x: Campo numerico con n cifre intere e n cifre decimali (es: 123.45).  n: Campo numerico, singola cifra.

 nn: Campo numerico, due cifre.  nnnn: Campo numerico, quattro cifre.

Al termine di ciascuna frase NMEA è posto, dopo un asterisco, un checksum per poter individuare eventuali errori sulla linea di trasmissione tra emettitore e ascoltatore (talker e listener). Con le attuali tecnologie, una trasmissione a 4800 bps su una interfaccia RS232 è, a dir poco, affidabile, ma qualora la trasmissione avvenisse mediante un sistema più complesso (infrarosso, Bluetooth) o una catena più lunga (come nel campo della localizzazione veicolare, magari su GSM/GPRS o ponti radio) il checksum può essere utile per assicurare l'integrità della trasmissione. Il checksum è uno XOR a 8-bit (senza i bit di start o stop) di tutti i caratteri della frase NMEA, compresi i delimitatori ",", tra i delimitatori "$" e "*" esclusi. Il valore esadecimale dei 4 bit più "alti" e "bassi" del risultato sono convertiti in due caratteri ASCII (0-9, A-F). Il carattere trasmesso per primo è quello più significativo. Questo checksum è eseguito di default dal ricevitore GPS. Lo standard NMEA prevede una gran quantità di sentenze e, di seguito, sono riportate quelle che trovano un’applicazione pratica nei ricevitori GPS.

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Figura 1.12:Tutte le frasi che compongono l'NMEA

Vediamo nel dettaglio quelle che sono le frasi più significative per l’utilizzo corretto del GPS.

GPGGA – Global Position System Fix

Comprende i dati concernenti la localizzazione 3D del dispositivo e il tempo relativo al GPS.

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 27 GPGLL – Geographic Position Latitude/Longitude

Contiene solamente i dati posizionali.

GPRMC – Recommended Minimum GPS Data

È una delle frasi più complete, comprende i dati essenziali riguardanti data/ora, posizione, velocità e qualità della rilevazione.

GPGSA – GPS DOP and Satellites Active

Comprende i dati sulla qualità del fix e l'indicazione dei satelliti ricevuti (o di cui i vari canali stanno tentando la ricezione). Esistono significative differenze di implementazione nell'ordine e organizzazione dei campi indicanti i satelliti attivi. Taluni ricevitori li raggruppano all'inizio della sequenza (lasciando campi vuoti alla fine), alcuni li ordinano per numero (Garmin), altri li lasciano in ordine sparso con campi vuoti intermedi (Evermore).

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Capitolo 2 : Il sistema satellitare GPS 28 GPVTG – Vector Track and Ground Speed

Contiene informazioni sulla direzione e sulla velocità a terra del GPS.

GPGSV – GPS Satellites in View

Contiene i dati relativi ai satelliti che il ricevitore, in base ai propri dati delle effemeridi e eventualmente alla maschera di elevazione, ritiene di poter ricevere. Per ciascun satellite sono indicati identificatore, azimuth, elevazione, e livello di segnale ricevuto. La frase completa si struttura in un gruppo di più frasi di tipo GSV per poter contenere tutti i campi necessari. Un ricevitore a 12 canali potrà indicare un massimo di 12 satelliti suddivisi su tre frasi.

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