Il sistema Gps: la correzione della posizione
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Il sistema Gps: la correzione della posizione
1 febbraio 2012 10 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 1 1 febbraio 2012 10 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 2 1 febbraio 2012 10 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 3