GPS for dummies ( per principianti)

Questo articolo si prefigge di spiegare in modo facile il GPS. Non sarà semplice perché l’argomento è complesso, ma ci proviamo. GPS sta per una sigla che tradotta dall’inglese significa “Sistema di Posizionamento Globale” e sfrutta l’utilizzo di tre attori, chiamati segmenti, per determinare la nostra posizione nel pianeta. Il primo segmento è la costellazione satellitare. Infatti per funzionare è necessario che intorno alla terra siano  posizionati dei satelliti geostazionari, ovvero il satellite gira intorno alla terra mantenendone inalterata l’altezza/distanza, in numero tale da permettere una misura trilaterare (ovvero una sorta di triangolazione) che non deve essere inferiore a tre. Una costellazione solitamente comprende da 24 a 32 satelliti. Il secondo segmento è quello di controllo, che non ci fregherà poi molto perché noi non controlliamo i satelliti, se non per una conoscenza del sistema EGNOS di cui parleremo più avanti. Il terzo e ultimo è il segmento utente, ovvero l’hardware e il software che utilizziamo per determinare la posizione. Può essere il nostro moderno smartphone, il sistema di navigazione della macchina o i dispositivi pensati per l’escursionismo. Ma vedremo che persino i semafori che per definizione non si muovono, così come la borsa di Wall Street, utilizzano il GPS… Un po di storia, ma anche no. Il sistema nasce ovviamente per scopi militari da parte degli Stati Uniti, e dopo vari passaggi ed evoluzioni il segnale è stato reso pubblico  favorendo la nascita di un mercato e l’evoluzione di un servizio per la gente davvero interessante. Negli anni oltre al sistema GPS degli Stati Uniti si è aggiunto il sistema Russo chiamato GLONASS. Di recente sono stati avviati, ma non ancora completati, un sistema cinese chiamato Beidou, il sistema europeo chiamato Galileo ed è in programma uno Indiano relativo alla sola copertura nazionale. Nel momento in cui scriviamo i dispositivi in commercio sono quindi compatibili a ricevere solo i segnali dei satelliti Americani e Russi. Perché è importante sapere queste cose? Come abbiamo accennato in precedenza per determinare la posizione è necessario avere almeno la copertura di tre satelliti. Tuttavia semplificando il concetto possiamo dire che maggiore è il numero di satelliti che possiamo ricevere, maggiore è la precisione con cui viene determinata la nostra posizione. In genere il sistema GPS originario permette di ricevere e mantenere, con un ottimo ricevitore, sino ad una media di circa 8 satelliti. Con l’utilizzo di due costellazioni questo numero aumenta fino a sfiorare tranquillamente i 20. Provate a cercare se nel vostro dispositivo è presente nei menu di personalizzazione la possibilità di attivare la rete satellitare GLONASS! In precedenza abbiamo citato il sistema EGNOS, si tratta di un sistema Europeo messo in atto dalla ESA (l’Agenzia Spaziale Europea) e che permette tramite l’utilizzo di stazioni terrestri di migliorare sensibilmente la posizione a terra correggendo il segnale originale dei satelliti americani. In sostanza se il sistema originale dell’esercito americano aveva un margine di errore di circa 100 metri, con EGNOS questo margine viene limitato ad 1 metro. Esiste una cosa simile anche nel continente nord americano e si chiama WAAS. Infatti nel vostro dispositivo è abbastanza probabile che possiate trovare nelle opzioni la possibilità di attivare questo miglioramento sotto la voce WAAS-EGNOS. L’importanza di Hardware e Software. Avrete intuito che il lavoro di triangolazione (trilaterazione) non è quindi determinato dai satelliti, ma dal vostro ricevitore GPS che sfrutta il segnale di predetti satelliti. Il nostro ricevitore infatti spetta il calcolo del tempo che intercorre il segnale radio inviato dal satellite a al ricevitore stesso. Ogni satellite ha un orologio atomico e invia tale dato alla terra (il tempo impiegato è di qualche microsecondo), tramite una serie complessa calcoli dovuta alle moltissime variabili il ricevitore permette di determinarne la distanza di ogni singolo satellite. Tecnicamente sarebbero sufficienti, come abbiamo già detto, tre satelliti ma in realtà ne servono quattro poiché l’orologio interno del ricevitore non essendo di tipo atomico è soggetto ad un margine di errore che deve essere continuamente corretto. Infatti un ricevitore GPS è anche un precisissimo orologio, tanto che viene utilizzato appunto come orario ufficiale della Borsa di Wall Street o per sincronizzare i semafori! Ogni satellite dispone di due frequenze, una ad uso civile e una a uso militare. Di recente i ricevitori più raffinati, come quelli per l’escursionismo, sono in grado di sfruttare in qualche modo anche la seconda frequenza e migliorare il posizionamento sino a qualche centimetro di errore. Tra i vari dati spediti dal satellite vi è lo stato della costellazione e le effemeridi di se stesso. Abbiamo detto che  ogni satellite ha una orbita geostazionaria, ma questo non preclude il fatto che abbiano degli spostamenti, seppure minimi, nella loro orbita. Questo parametro va ad influire sul dispositivo, ad esempio in fase di accensione un ricevitore meno pregiato potrà metterci anche 15 minuti prima di agganciare correttamente i satelliti che stanno passando sopra di noi, poiché dovrà attendere lo scarico dello stato della costellazione che impiega appunto 12,5 minuti. Da queste considerazioni si può comprendere come un dispositivo GPS di ottima fattura possa costare anche oltre 300 euro, mentre per contro ne troviamo praticamente a costo nullo all’interno dei moderni smartphone. Ovviamente tutto dipende dall’utilizzo che si intende farne, vedremo più avanti il discorso stradale come sia diverso da quello escursionistico, però è ovvio che il GPS dello smartphone avrà dei limiti, in particolare della ricezione del segnale e dalla mancanza di alcune parti hardware e software che possono in taluni casi limitare, più o meno parzialmente, il risultato. Una delle prove più interessanti è quella della registrazione di una traccia da fermo. I vecchi ricevitori spesso stando in una posizione fissa, come potrebbe essere la pausa spuntino durante una escursione, registravano come punto della traccia anche distanza di centinaia di metri tra di loro, disegnando sulla mappa una ragnatela caotica di punti senza senso. In realtà noi siamo stati fermi, ma la registrazione non accurata dovuta alla mancanza di WAAS-EGNOS, GLONASS e ad un ricevitore economico hanno fatto si che il dispositivo “ci credesse” in movimento a bighellonare senza un senso. Precisione e Cartografia. Stando a quanto abbiamo letto è tutto fantastico, si può avere la determinazione geografica che spacca il centimetro e forse anche meno. Non è sempre vero, ci sono altre variabili che è bene conoscere. Uno degli aspetti che possono trarre in inganno il dispositivo è il Canyoning, o segnale di riflesso. Questo può succedere anche in città, infatti i palazzi possono assumere la valenza di un Canyon quando camminiamo per strada. Parte dei satelliti, specie quelli che stanno transitando in orbita più radente rispetto a noi, possono essere disturbati dalla presenza fisica dei palazzi come dalle montagne. Per giunta tale segnale invece di essere raggiunto direttamente può essere raccolto di rimbalzo. Come abbiamo spiegato in precedenza introdurre un ritardo di tempo non predeterminabile, come il segnale di rimbalzo, genera come conseguenza un possibile errore nella nostra geo-referenziazione. Per questo è consigliabile poter mettere il ricevitore in un punto che sia letteralmente a vista con il cielo, magari attaccandolo nella parte alta dello zaino. Infatti un ricevitore potrebbe incorrere in banali segnali di rimbalzo perché è dentro lo zaino e qualcosa sopra di esso, anche un thermos in alluminio, ne oscura parzialmente la ricezione. Per chi usa il TOM TOM o ha il navigatore satellitare in auto potrebbe trovarsi confuso dopo aver letto l’ultimo paragrafo. Visto che la freccina nella mappa spacca sempre il metro. Infatti qui interviene la cartografia che si può a tutti gli effetti considerare come quarto segmento del sistema. La classica mappa infatti permette di introdurre una serie di accorgimenti niente male. Nel caso del Canyon urbano infatti potremo avere una geolocalizzazione che ci porrebbe qualche metro più in la della strada, ma siccome siamo in macchina e stiamo percorrendo una strada conosciuta al navigatore, il segnale verrà corretto di conseguenza dando “l’impressione-reale” di precisione assoluta. Questo tipo di correzione non è ancora disponibile in escursionismo. O per lo meno, Garmin ci sta provando. Con la TrekMap versione 3.0 è stato introdotto il cosiddetto Turn-by-Turn, ovvero la ben conosciuta guida “gira a destra, eccetera”. Tuttavia le mappe non sono complete e quindi ci si affida a mappe come quelle di OpenStreetMap che però al momento non hanno correzioni come quelle di tipo automobilistico. Non ultimo è da sapere che talvolta anche i satelliti hanno bisogno di manutenzione software. A volte anche le tempeste magnetiche solari ci mettono lo zampino e vanno ad inficiare quel discorso sul calcolo del tempo che vi abbiamo spiegato. Queste cose inducono in errore il vostro ricevitore. Qui sicuramente qualcuno dirà “ah ecco perché l’escursione del giorno X avevo dati sballati, mentre in quella dopo era tutto ok“. Discorso specifico sull’altezza. Per chi va in macchina può fregare di meno, per chi fa escursione invece conta eccome. Quanto siamo saliti dall’inizio dell’escursione? Ecco, la determinazione dell’altezza attraverso il solo calcolo satellitare è meglio lasciar perdere. Abbiamo visto che il sistema è ottimo per determinare latitudine e longitudine ma è parecchio scarso per determinare il calcolo di metri di altezza sul livello del mare. In questo caso il dato è più sensibile all’errore. Tuttavia i moderni ricevitori, specie quelli da escursionismo, hanno degli ottimi correttori quali l’altimetro barometrico e la mappa. Infatti la presenza di un sensore di pressione  barometrica permette di misurare in modo discreto la pressione atmosferica e determinare l’altezza. Ma anche questo dispositivo in presenza di forti cambiamenti atmosferici può prendere degli svarioni. Rimane per ultimo, ma a mio avviso personale potrebbe essere anche l’unico vero sistema, l’utilizzo dei dati DTM o DEM. DEM tradotto dalla sigla inglese significa “Modello digitale di Elevazione” DTM è “Modello digitale del terreno“. Non ci addenteremo in questa disquisizione, ma di fatto sono due sistemi che possono rappresentare in modo preciso il valore dell’altezza in una mappa. Siccome il GPS abbiamo visto essere piuttosto preciso nel posizionarci in quella mappa è altresì possibile far coniugare i due sistemi ed ottenere la misurazione corretta. Al momento gran parte dei sistemi in commercio tende ad usare la correzione attraverso il barometro. Conclusioni. Ci sarebbero molte altre disquisizioni tecniche da fare e che non faremo per non diventare prolissi. Abbiamo voluto dare una spiegazione, speriamo comprensibile e semplice, di cosa è e come funziona il sistema GPS. Il suo utilizzo è diventato di uso comune e spesso molti credono che sia una cosa semplice e di poco conto. Per gran parte degli utilizzatori forse sarà così, per chi va in montagna è meglio conoscere qualcosa in più di questo utile “aggeggio tecnologico”. Infine l’ultima raccomandazione, la più importante di tutte, non fate mai affidamento al 100% sul vostro ricevitore GPS. Al di la dei problemi di errori dovuti alla ricezione che tutto sommato possono essere considerati marginali, possono succedere cose spiacevoli come la batteria che si scarica o la mappa incompleta. E quindi importante partire sempre con una cartina topografia della zona, come la classica Tabacco, al seguito.