Il sistema Gps: la correzione della posizione

1 febbraio 2012
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Innovazione
Il sistema Gps:
la correzione della posizione
Aldo Calcante
Le tecniche di correzione disponibili
prevedono l’impiego di dati acquisiti
contemporaneamente da due ricevitori:
rover e master.
In un precedente contributo, che ha avuto come oggetto
la descrizione del sistema di posizionamento Gps (global positioning system) si sono analizzate le prestazioni
dei ricevitori in commercio e descritte le prestazioni (in
termini di accuratezza e precisione) richieste al sistema
per poter essere impiegato nelle varie attività agricole.
L’articolo si è chiuso evidenziando che, a causa di alcuni
errori che affliggono la tecnologia satellitare (errori
strumentali, interferenze atmosferiche, ostruzioni, multipath ecc.), non è possibile ottenere accuratezze inferiori a 5-10 m con l’uso del solo ricevitore Gps, indipendentemente dal fatto che esso sia a singola o a doppia
frequenza. Dato che 5 metri di errore possono essere
trascurabili per alcune attività hobbistiche o di navigazione stradale, ma assolutamente insostenibili per attività che richiedono, per una loro corretta esecuzione, un
riferimento corretto a terra, si deve obbligatoriamente
ricorrere a tecniche in grado di correggere la posizione
calcolata. L’impiego di queste soluzioni, già notevolmente diffuse in passato per correggere un disturbo di
origine militare (Selected Availability - Sa, rimosso nel
maggio del 2000) che degradava di molto le prestazioni
dei ricevitori, consente – ad oggi – di ottenere ottime
prestazioni in termini di affidabilità, accuratezza e precisione di posizionamento. In sintesi, i fondamenti teorici su cui si basano le tecniche di correzione disponibili
prevedono l’impiego dei dati acquisiti contemporaneamente da almeno due ricevitori, uno detto rover e un
analogo, operante in postazione fissa a coordinate note,
detto master. I due ricevitori non devono essere troppo
distanti tra loro, in modo tale da trovarsi nelle stesse
condizioni atmosferiche, poter vedere gli stessi satelliti
e ricevere gli stessi segnali. Entrambi, quindi, possono
effettuare i consueti calcoli sulla base dei segnali ricevu-
ti e determinare la propria posizione, che sarà afflitta
però, per la natura del segnale satellitare, da un errore
che chiameremo “E”. Considerando in prima approssimazione “E” uguale per entrambi i ricevitori, siamo in
grado di correggere l’errore del ricevitore rover. Infatti,
se è vero che la posizione data dal Gps master è pari alle
coordinate “reali” più l’errore E (Xm,Ym), ed essendo le
sue coordinate note (Xn, Yn), è possibile ricavare per
differenza proprio l’errore E come mostra la prima figura.
A questo punto, se il master comunica l’errore E al rover, quest’ultimo dovrà semplicemente “sottrarre” E
dalla propria lettura (Xr,Yr), per ottenere la posizione
esatta. Ovviamente l’errore E non è costante nel tempo
altrimenti, una volta calcolato, non avrebbe più senso
continuare con la correzione della posizione. Tale procedura, nota come correzione differenziale (differential
global positioning system, Dgps), è attualmente la miglior soluzione in grado di garantire precisioni centimetriche anche su veicoli in movimento, e può essere applicata:
 in tempi differiti (post-processing): quando le correzioni vengono apportate in tempi successivi ai rilievi
effettuati; in pratica, i dati di posizione calcolati da
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master e rover vengono memorizzati per mezzo di datalogger ed elaborati – tramite appositi software – in
un secondo tempo; una tecnica che viene utilizzata,
grazie agli ottimi risultati conseguibili, per correggere
rilievi Gps con finalità topografica;
 in tempo reale (real time): quando le correzioni sono
indispensabili contestualmente al rilievo svolto; questa tecnica è solitamente impiegata per l’automazione
dei processi di campo. In questo caso, il sistema Dgps deve
provvedere alla trasmissione
dei dati di correzione tra
master e rover in tempo reale.
Per quest’ultimo caso, la comunicazione tra master e rover
prevede l’impiego di protocolli
standard (radio technical commission for maritime services,
Rtcm o Rtk). La soluzione che
offre migliori prestazioni, soprattutto su veicoli in movimento dotati di ricevitori a doppia frequenza, è lo standard
Rtk (Real Time Kinematic), grazie al quale si possono
ottenere accuratezza centimetrica. Da un punto di vista
economico, tuttavia, è la soluzione più costosa, in quanto richiede: l’impiego di due ricevitori (master + rover,
meglio se in doppia frequenza); il ricorso a vari sistemi
di trasmissione dati, per mantenere master e rover costantemente in comunicazione tra loro (es. radio modem, modem Gprs o Gsm).
Soluzioni Dgps più economiche – senza master, ovviamente a discapito di accuratezza e precisione – consistono nella possibilità di ricevere in tempo reale segnali
di correzione trasmessi via satellite da servizi pubblici
(european geostationary navigation overeay system,
Egnos) o privati (Racal, Omnistar, John Deere). Mentre
per i primi il servizio è gratuito (è sufficiente l’acquisto
di ricevitori appositamente abilitati a tale ricezione), per
i secondi è previsto il pagamento di un canone annuo.
Comunque sia, tale soluzione si appoggia ad alcuni satelliti geostazionari (in genere due o tre, del tutto autonomi rispetto alla rete Gps vera e propria) il cui compito
è quello di veicolare le informazioni di correzione elaborate da una rete di stazioni master a terra.
Questi satelliti trasmettono i dati di correzione sulle
stesse frequenze dei satelliti Gps e, quindi, possono essere captati dagli stessi ricevitori Gps senza che siano
necessarie modifiche particolari alla sezione radio.
Occorre solo che il software del ricevitore sia predisposto per la loro interpretazione.
I risultati ottenibili sono confortanti, poiché riescono ad
ottenere accuratezze metriche (1-2 m) o sub-metriche
(0,5 m) per ricevitori, rispettivamente, in singola e doppia frequenza.
Il risultato finale di un rilievo Gps corretto in differenziale, in termini di accuratezza, dipende fortemente da:
1. tipologia di correzione: la correzione in tempo differito restituisce risultati generalmente superiori rispetto a
quelli ottenibili in tempo reale; per contro, richiede software complessi e costosi per il trattamento dei dati e
non è adatta per applicazioni di controllo operativo;
2. qualità dei ricevitori Gps a disposizione: i ricevitori a
doppia frequenza restituiscono risultati migliori rispetto a quelli ottenibili utilizzando la singola frequenza;
3. distanza tra master e rover: la distanza influenza fortemente l’accuratezza di posizionamento soprattutto
per i ricevitori che dispongono della sola frequenza singola;
4. abilità e preparazione dell’operatore: è importante da
un punto di vista operativo e, nel caso di correzione in
post processing, nell’utilizzo del software di correzione.
L’attuale offerta tecnologica di ricevitori Gps presenti
sul mercato e l’affidabilità delle tecniche di correzione
differenziale consentono, in termini di accuratezza e
precisione, di soddisfare le necessità delle varie attività
agricole, come illustrato in tabella, ove si riportano, per
ogni operazione considerata, la precisione richiesta al
Gps e il tipo di ricevitore e di correzione necessari.
Al crescere del grado di accuratezza richiesta dal tipo di
operazione da eseguire corrisponde un aumento di
complessità tecnologica che serve del sistema Gps-Dgps
e, soprattutto, di costi. A tale proposito, nel grafico è
rappresentata una comparazione sintetica tra i costi di
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ricevitori in singola e in doppia frequenza in funzione
dell’accuratezza da essi conseguibile.
È evidente come il ricorso ai secondi convenga solamente nel caso di accuratezze inferiori ai 50 cm. Per
quanto concerne il mondo agricolo, è il caso di applicazioni automatizzate di elevata precisione, che lasciano
evidenze permanenti sul territorio, come nel caso tipico
delle trapiantatrici o della guida automatica di mezzi
semoventi.
In conclusione, è importante sottolineare come questa
tecnologia sia divenuta, in pochi anni, “di massa” e abbia trovato nel mondo agricolo utilizzatori tra i più appassionati. Ciò è dovuto, da un lato, alla contrazione dei
costi dei ricevitori e alla loro maggiore semplicità d’uso,
dall’altro alla disponibilità di strumenti e attrezzature
che davvero hanno migliorato la qualità del lavoro, in
termini di ergonomia e di efficienza, permettendo, oltre
ad un minor affaticamento degli operatori, anche un
notevole risparmio in termini di tempo, combustibile e
fattori della produzione. Il successo di questa tecnologia
dipende, quindi, dalla percezione che gli imprenditori
ne ricavano sin dai primi giorni di utilizzo, ovvero di un
valido aiuto che restituisce risultati tangibili in breve
tempo.
Aldo Calcante, dottore agronomo, è ricercatore di Meccanica
agraria presso il Dipartimento di Ingegneria agraria
dell’Università degli studi di Milano.
www.intersezioni.eu
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