I ricevitori GPS : come sono, cosa sono, quali sono le caratteristiche

Al giorno d’oggi il ricevitore GPS accoppiato al telefonino/palmare o il TomTom sono diventati un oggetto di larga diffusione e vengono venduti ad un prezzo che è in continuo calo. Chi la robotica la pratica per hobby o per lavoro, almeno una volta avrà pensato di realizzare un sistema GPS per il monitoraggio di veicoli, come sistema di antifurto remoto o semplicemente per tracciare i percorsi fatti dal proprio robot/drone o qualsivoglia mezzo radiocomandato.

I sistemi GPS si vanno anche diffondendo sotto altre forme forse meno conosciute ma altrettanto utili (e forse ancora più utili delle precedenti): sistemi personali di assistenza remota (es.: mi perdo o mi sento male in un luogo remoto: premo un pulsante e qualcuno mi verrà a soccorrere perchè sa dove mi trovo), Geotag (un sistema che permette, tramite un GPS che scrive nelle informazioni Exif delle immagini JPG, di risalire al posto in cui una foto è stata scattata) e così via passando da applicazioni scientifiche che spaziano dal seguire le migrazioni degli animali allo studio della crosta terrestre.

Mi occuperò in questo articolo di fornire delle nozioni di base su alcune caratteristiche dei ricevitori GPS (anche in maniera da fare un po’ di chiarezza in questo campo) per poi passare a capire, in un prossimo articolo, il formato con cui tali dispositivi inviano i dati, che è la parte che a noi robottari interessa di più.

Per il funzionamento dell’intero sistema rimando invece sugli articoli che si possono trovare su wikipedia, nei link in fondo alla pagina.

Il GPS : non ne esiste “uno solo”

Spesso si utilizza il termine GPS in maniera impropria in quanto si tende a confondere il sistema generico (l’idea di fondo) che permette appunto il posizionamento globale con il sistema specifico (fatto di satelliti, protocolli, frequenze e compagnia bella) che ci permette di farlo. Il posizionamento globale, difatti, può essere realizzato appoggiandosi a più reti  (o meglio: costellazioni) di satelliti e quella che utilizziamo noi attualmente prende  il nome di Navstar GPS, di proprietà di enti militari americani, nata inizialmente per scopi militari e poi estesa ad uso civile (ha in pratica seguito lo stesso iter di internet… sarà un’usanza degli USA?).

Esiste anche il GLONASS, di proprietà Russa, che però non riceve manutenzione da molto tempo e giace quasi abbandonato (i ricevitori GPS russi, di fatti, sono in grado di ricevere sia i segnali del GLONASS che del Navstar GPS). Giusto per fare numero: c’è anche il CNSS cinese.

Il Navstar GPS può essere disattivato dai militari americani in qualsiasi momento  senza preavviso e senza che nessuno possa reclamare: è di loro esclusiva proprietà e possono farci quello che vogliono dal momento che non sono stati presi accordi con nessuno. In  passato, durante i periodi di guerra è già successo: il Navstar GPS ha difatti la possibilità di oscurare, per usi civili, alcune zone del globo. Difatti tale sistema ha la possibilità di inviare i dati in forma criptata in maniera tale che solo i dispositivi militari americani possano usufruirne.

A cusa di tale motivo, l’unione europea ha deciso anch’essa di dotarsi della propria rete di satelliti destinati al GPS e che sarà inoltre resa disponibile a tutti: tale rete è stata chiamata Galileo, attualmente non è ancora completa (i finanziamenti arrivano col contagocce) e permetterà di ricevere via satellite, oltre ai dati necessari per il posizionamento, anche altri servizi  (info meteo, traffico, segnalazioni emergenze e altro), anche se non tutti i servizi aggiuntivi saranno disponibili gratuitamente (e te pareva!).

Si capisce, quindi, che nel momento in cui il sistema di posizionamento Galileo entrerà in funzione, gli attuali ricevitori GPS non saranno in grado di riceverlo in quanto trasmetterà con una codifica differente dagli altri sistemi esistenti (sebbene la frequenza di trasmissione utilizzata sarà la stessa del Navstar GPS). Si avrà quindi un nuovo mercato dei ricevitori GPS con un  innalzamento dei prezzi dal momento che i nuovi chip saranno costruiti in maniera tale da poter ricevere sia Galileo che Navstar.

Attualmente sono già in produzione dei Chipset in grado di ricevere il Navstar e Galileo, ma a mio parere, fino a quando il sistema europeo non entrerà in funzione, non vale la pena per un normale utente fare questa spesa.

Tutti i sistemi di navigazione rientrano in una macrocategoria chiamata GNSS (Global Navigation Satellite System – Sistema globale di navigazione basato su satelliti).

Sistemi di correzione

Appena il sistema Navstar GPS entrò in funzione anche per uso civile venne applicata la Selective Availability (disponibilità selettiva): i ricevitori GPS ad uso civile dovevano avere un’errore di circa 100m a dispetto dei circa 10m disponibili ai sistemi militari, questo sempre per ragioni di sicurezza (non dimentichiamoci che il GPS nacque per scopi tutt’altro che “civili”: missili con testate nucleari “intelligenti” capaci di raggiungere in maniera autonoma e precisa l’obiettivo da far saltare in aria).

Nel 2000 il presidente Clinton tolse questa limitazione anche se, per evitare il montaggio di ricevitori GPS civili su missili (metti un terrorista a cui viene in mente di costruirsi in casa un razzo nucleare dotato di gps per colpire un luogo ben preciso – che era in pratica l’idea iniziale!), i dispositivi civili non possono funzionare a più di 18Km di altitudine o a 515m/sec di velocità (i limiti possono essere superati ma non contemporaneamente, ovviamente un missile non rispetta nessuna delle due regole e quindi stiamo tranquilli ?!).

L’errore di 10/20 m può essere ulteriormente corretto adoperando dei ricevitori GPS dotati della capacità di ricevere i segnali dei satelliti delle reti SBAS: WAAS (Nord America), EGNOS (Europa) e MSAS (Giappone). Sfruttando queste altre reti, l’errore si riduce a 1/2 metri. Tali sistemi, però, non coprono l’intero globo terrestre come si vede nell’immagine.

E’ in corso anche la messa in opera del sistema GAGAN (India) e QZSS (Giappone). Poi altre nazioni si stanno adoperando per avere il proprio sistema di correzione: SDCM (Russia), SNAS (Cina), WAGE (dipartimento di difesa americano). Ne esistono anche altri ma sono per lo più sistemi privati.

Altri sistemi di correzione errore non utilizzanti reti di satelliti rientrano sotto il nome di DGPS (Differential GPS): la correzione di errore viene effettuata tramite la ricezione di segnali radio provenienti da stazioni terrestri. Ovviamente il ricevitore GPS, in questo caso, dovrà avere altra circuiteria per poter ricevere e decodificare queste altre informazioni. Tale sistema, laddove è disponibile e il ricevitore è in grado di elabolarlo, permette di avere la precisione di 1m anche nei luoghi non coperti dai satelliti di correzione.

Il tanto amato “numero di canali”

Si sente dire spesso: la mia “antenna” (?!) GPS ha 54 canali ed è meglio della tua che ne ha solo 12! In realtà non è affatto detto che quella da 54 canali sia migliore di quella da 12, e certamente non è in grado di ricevere 54 satelliti contemporaneamente!

Premesso che:

• Per permettere il corretto posizionamento basta la corretta ricezione del segnale di 3 (posizionamento detto 2D o bidimensionale) o 4 (3D) satelliti tramite un processo chiamato trilaterazione (in uno dei link in basso viene spiegato in maniera semplicissima il sistema). Ovviamente più aumenta il numero di satelliti ricevuti, più il posizionamento risulta preciso e stabile.
• In orbita, relativamente al sistema Navstar GPS, ci sono soltanto circa 30 satelliti (il minimo è 24 + 3 di scorta, ma spesso ne vengono aggiunti altri che servono solo a fornire una certa ridondanza dei segnali, rendendoli più affidabili).
• In ogni punto del globo terrestre, in linea teorica, è possibile ricevere il segnale di massimo 12 satelliti contemporaneamente ma in realtà questa è solo teoria e difficilmente ci si riesce se non in condizioni moooolto particolari.
• I satelliti sono posizionati in maniera tale che in ogni punto del globo terrestre ne siano visibili almeno 4
• Più aumenta il “numero di canali” più l’antenna assorbe corrente (= surriscaldamento + batterie che si scaricano velocemente).

Il numero di canali in realtà dovrebbe dare una stima della sensibilità del ricevitore GPS: più canali ci sono, più velocemente dovrei riuscire ad “agganciare” un satellite (facendo un esempio molto grezzo: più persone siamo a guardare in cielo, più alta è la probabilità che qualcuno di noi veda un satellite per primo).

Personalmente il numero di canali è l’ultima cosa che vado a guardare in un ricevitore GPS dal momento che questo è un parametro che funge un po’ da specchietto per le allodole: fa figo scrivere sulla scatola “54 canali” e i produttori di ricevitori GPS “scarsi” amano tanto pubblicizzare questa caratteristica e la scrivono sulle scatole a caratteri cubitali.

Sono sicuramente più importanti caratteristiche come il basso consumo e la possibilità di ricevere il sistema EGNOS.

Ricordo che il WAAS lo si può ricevere solo in Nord America quindi a noi italiani non interessa in particolar modo, ma in genere i ricevitori che possono agganciare il WAAS, agganciano anche l’EGNOS. Molto più rara è invece la possibilità di ricevere il sistema MSAS ma non penso vi importi a meno che non viviate in Giappone.

Capite quindi per quale motivo un ricevitore GPS costa più degli altri (es.: un ricevitore 20 canali che costa il doppio di uno da 54) e che il fantomatico “numero di canali” non è un parametro da prendere in seria considerazione: meglio un 12/20 canali con sistema EGNOS con un chip a basso consumo che un 254 canali al quadrato che sgarra di 20 metri e ha un’autonomia di solo due ore.

Partenza a freddo, partenza a caldo, partenza “a tiepido” ?!

Altro parametro più o meno importante sono i tempi di partenza che accompagnano le caratteristiche dei ricevitori GPS. Partiamo innanzitutto dal presupposto che, un ricevitore GPS, per poter acquisire i satelliti deve in qualche modo sapere quali sono i satelliti in vista in quel momento, in quel luogo. Per tale motivo, se già lo sa, il posizionamento è quasi istantaneo, altrimenti ci dovrà mettere un po’ di tempo in più.

Per rendere possibile tale operazione, il ricevitore GPS deve avere in memoria un almanacco che riporta la posizione, intorno al globo terrestre, dei singoli satelliti del sistema GPS in uso, in maniera tale da poter capire subito, relativamente al punto in cui si trova, quali satelliti è possibile agganciare.

La prima volta che un ricevitore GPS viene acceso (o dopo che viene riacceso dopo un lungo periodo di inattività), la prima operazione che viene effettuata è quella appunto del download di tale almanacco (trasmesso sempre dai satelliti insieme a tutte le altre informazioni). Questa operazione è abbastanza lunga e a volte può richiedere anche 45 minuti, questa è quella che viene chiamata partenza a freddo (cold start).

I ricevitori GPS hanno al loro interno una batteria tampone o un super condensatore, che permette loro di tenere in memoria l’orario, l’ultima posizione rilevata, l’almanacco dei satelliti e altro ancora. Dal momento che i satelliti si spostano è ovvio che l’almanacco non è sempre valido per cui si capisce che dopo un lungo periodo di inattività, il ricevitore deve scaricarlo nuovamente.

Per velocizzare tale operazione sono stati inventati, sugli smartphone, i ricevitori AGPS (Assisted GPS) che si basano su un principio molto semplice: dal momento che le celle di telefonia  (quelle che alcuni chiamano “ripetitori” o “antenne GSM”) hanno sempre una posizione fissa è ragionevole pensare che il cellulare che ha la linea si trovi più o meno nel range coperto dalla cella a cui è agganciato in quel momento. Conoscendo la cella la sua posizione, ecco che in maniera approssimativa si può risalire anche all’area in cui si trova il cellulare e quindi sapere quali sono i satelliti in vista in quel momento.

Diciamo che su questo principio si basa anche il sistema utilizzato dalle forze dell’ordine per localizzare in maniera grossolana le persone sorvegliate quando utilizzano il cellulare.

Il download dell’almanacco sugli smartphone, inoltre, può essere ulteriormente velocizzato tramite appositi software che ne effettuano il download via internet (per fare un esempio: il programma GPSRapido sui palmari HTC).

Sullo stesso principio sono (saranno) più o meno basati anche i sistemi EPGS (Enanched GPS), che permettono di dare una copertura GPS anche nei luoghi chiusi, o comunque in cui il segnale dei satelliti non arriva, semplicemente basandosi su informazioni prelevate dalla cella di telefonia.

Dopo che il ricevitore ha scaricato l’almanacco e ha calcolato la posizione, diciamo che “starà a posto” per un bel po’: se ci capita di spegnerlo e poi riaccenderlo magari in giornata (teniamo sempre conto che il posizionamento è realizzato basandosi su calcoli temporali tramite gli orari inviati dai satelliti) ecco che il ricevitore rileverà la posizione in un tempo più o meno breve. Questa è quella che si chiama partenza a caldo (hot start). In pratica il ricevitore ricorda l’ultima posizione rilevata, l’almanacco, l’orario e i satelliti in vista, per cui conoscendo l’orario dell’ultimo rilevamento ritiene di trovarsi ancora nella zona coperta dai satelliti che aveva visto poco prima e quindi, se ciò è vero, rileva la posizione in pochi istanti.

La “partenza a tiepido” (warm start) viene realizzata invece quando il ricevitore “ricorda” tutti i precedenti dati ma non i satelliti in vista: avendo a disposizione l’almanacco e l’ultima posizione rilevata può più o meno farsi un’idea di quali dovrebbero essere i satelliti in vista in quel momento, per cui ci metterà un tempo superiore rispetto a quello della partenza a caldo, ma  decisamente inferiore di quello della partenza a freddo.

Lo standard di trasmissione NMEA 0183 e i Chipset

Tutti i ricevitori GPS (che qualcuno chiama impropriamente “antenne”) dispongono di uno standard di trasmissione che permette in qualche modo di trasferire i dati ricevuti dai satelliti al dispositivo utilizzatore.

In maniera primaria, a livello elettrico, tutti i ricevitori GPS (o per lo meno la maggior parte di essi) dispongono di una connessione seriale asincrona (UART) generalmente funzionante a 4800 o 9600bps (con: 8bit di dati, nessuna parità, 1 bit di stop), il che ci permette di interfacciarle in maniera più o meno semplice ad un microcontrollore dotato di UART.

Ovviamente in questo caso non mi riferisco ai ricevitori GPS “commerciali” ma ai ricevitori GPS destinati appunto ad uso hobbystico per realizzazioni elettroniche. I ricevitori commerciali, difatti, sono dotati sempre di Bluetooth o USB per la connessione ad un pc o ad uno smartphone e quindi nella maggior parte dei casi sono inutilizzabili per i nostri scopi da “robottari”, anche se alcuni ricevitori possono essere facilmente “hackerati” per prelevare il segnale seriale in qualche punto: ci vuole solo pazienza e un oscilloscopio o un analizzatore di segnali.

A livello “software”, invece, molti ricevitori GPS sono in grado di fornire i dati rispettando diversi standard, questo perchè ogni produttore di chip si inventa il suo sistema di trasmissione. I sistemi di trasmissione proprietari prevedono l’invio dei dati in formato binario (ovvero sequenze di byte da interpretare opportunamente e non decifrabili all’istante) e spesso permettono di accedere anche a funzioni avanzate o di cambiare alcuni parametri di configurazione del ricevitore.

Il produttore di chipset GPS più conosciuto è sicuramente la SiRF Technology che con i suoi chipset SiRF Star, famosi per la sensibilità e il basso consumo, ha letteralmente spopolato. La SiRF non è comunque l’unico produttore e ce ne sono tanti altri anche molto validi (per annoverarne alcuni: Skytraq, Trimble, Rockwell-Collins) .

La Trimble, tra l’altro, sul suo sito ha un ottimo tutorial sul funzionamento dei sistemi GPS: http://www.trimble.com/gps/index.shtml

Tutti i chipset sono comunque capaci di inviare i dati anche secondo lo standard NMEA 0183, o più semplicemente NMEA, e, anzi, è generalmente la modalità abilitata di default.

Lo standard NMEA prevede l’invio dei dati in forma ASCII: ovvero i bytes ricevuti possono essere interpretati anche ad occhio nudo (passatemi l’esempio) ed è il sistema di comunicazione adottato anche da tutti i software di navigazione più conosciuti (tomtom in primis).

Vedremo in un prossimo articolo come funziona lo standard NMEA 0183.

Links

• Ampia trattazione dall’università di Roma sul sistema GPS
• Gps su Wikipedia
• Il sistema di posizionamento Galileo (wikipedia)
• EGNOS (wikipedia)
• GLONASS (wikipedia)
• Come funziona il GPS: questa parte dell’articolo è molto esaustiva sul concetto di posizionamento bidimensionale