Se sei interessato ad acquistare un GPS di precisione per il tuo lavoro, ma non sai molto bene come funziona, in che modo lo potresti usare e cosa fare una volta acquistato, provo a spiegartelo in questo articolo.

Per cominiciare ti do un’informazione con cui potrai “vantarti” tra i tuoi amici e colleghi: nel 2017 (ma già da un bel po’ di anni) usare il termine GPS per intendere il sistema di posizionamento satellitare è improprio!
GPS sta per Global Positioning System e si riferisce solo al sistema che usa i satelliti Americani.
Nello spazio, in orbita attorno alla Terra, ci sono anche i Russi (GLONASS), i Cinesi (BEIDOU), gli Indiani (IRNSS) e noi Europei (GALILEO).
Sta diventando un posto un po’ affollato!
Dopo un primo momento in cui c’erano solo Americani e Russi, e ciascuno di loro si curava dei propri satelliti, si è passati ad una condivisione delle informazioni e dei mezzi a vantaggio di tutti gli utilizzatori sulla Terra ed al lancio di parecchi nuovi satelliti da parte delle varie potenze mondiali.
Ora i nostri smartphone, i palmari da escursionismo e le antenne topografiche ricevono informazioni non solo dai satelliti americani ma anche dagli altri (non proprio tutti) in orbita intorno alla Terra.
E per questo non si dovrebbe parlare di GPS ma di GNSS (Global Navigation Satellite System).

Spiegone finito!
E comunque anch’io continuerò a chiamarlo GPS, nelle righe che seguono!
🙂

Questo articolo prediligerà la praticità al rigore.
Non me ne volere se sei già un topografo che conosce il funzionamento del GPS! Forse non ci troverai contenuti interessanti ed utili per il tuo lavoro.
Il mio obiettivo qui è dare informazioni a chi pensa che un ricevitore satellitare di precisione possa essere utile per il proprio lavoro, anche se non è un topografo full time, e vuole saperne qualcosa di più sul funzionamento operativo e pratico.

Ho preso molti spunti da questo ottimo testo: “Il GPS nello studio tecnico professionale” di Leonardo Gualandi – Hoepli Editore – un libro molto pratico e poco accademico!

Nelle note in fondo all’articolo ho messo un approfondimento recente, grazie al contributo di Giuseppe Scarpino.

IL POSIZIONAMENTO SATELLITARE

Anche se vorrei passare subito alla parte pratica non posso non spiegarti brevemente (spero!) come funziona il posizionamento satellitare.

Calcolando il tempo che passa tra l’invio di un segnale da un satellite nello spazio e la sua ricezione da parte di un’antenna sulla terra si può sapere la posizione dell’antenna.
L’idea funziona ma da sola non basta.

PRINCIPIO GEOMETRICO

Un solo satellite vincola la posizione del ricevitore ad una sfera.

Due satelliti vincolano la posizione del ricevitore ad una circonferenza, intersezione delle due sfere.

Aggiungere un terzo satellite limita la posizione del ricevitore a due punti: quello effettivo ed un altro diametralmente opposto e quindi a spasso nello spazio.

Se è vero che tre sfere sono teoricamente sufficienti perchè si intersecano in due soli punti di cui uno può essere sicuramente scartato (per la sua posizione distantissima dalla superficie terreste) è anche vero che la ridondanza di misure aiuta, e di molto, l’accuratezza del dato rilevato.
Quindi “più ce n’è e meglio è!”.
Diciamo che il minimo sono quattro satelliti visibili dal ricevitore ma dato il numero di satelliti in orbita è normale ormai lavorare con 8-10 satelliti ben visibili!

PRINCIPIO FISICO

Il principio fisico su cui si basa la misura satellitare è davvero semplice:

velocità = distanza : tempo

da cui

distanza percorsa dal segnale satellitare = velocità della luce x tempo misurato

Il GPS è essenzialmente un orologio che misura il tempo che il messaggio impiega a raggiungere l’antenna ricevente da quando è stato trasmesso dal satellite.

La realtà è un po’ più complessa di così.

Ogni satellite invia un messaggio in codice predefinito, una sequenza di 0 ed 1, che il ricevitore legge come un codice a barre.
Immagina una parola che si ripete senza interruzione.
Quando un’antenna riceve il segnale dal satellite, legge il codice e sa a che punto è nell’intero messaggio.
In questo modo riesce a sapere il momento precisio in cui è stato trasmesso.
Tuttavia se ci si basasse sulla lettura del solo codice trasmesso dai satelliti gli errori sulla misura sarebbero troppo alti per gli scopi topografici (la velocità della luce è così alta che un errore nella misura del tempo di un milionesimo di secondo corrisponderebbe, più o meno, ad uno spazio di 300 metri!).
Si è passato quindi ad analizzare anche la lunghezza dell’onda elettromagnetica su cui viaggia il messaggio, contando il numero di onde intere che arrivano al ricevitore e misurando lo sfasamento che ne rimane.

Il sistema GPS fa quindi “misure di codice“, più veloci ma più approssimative, e “misure di fase“, più precise.
In questo modo si determina la posizione di un punto sulla superficie terrestre.

RICEVITORI A DOPPIA FREQUENZA

Se vuoi comprare un ricevitore GPS ad alta precisione e ne trovi uno usato, un po’ vecchiotto, assicurati che riesca a leggere almeno la doppia frequenza L1 e L2 (quelli nuovi lo fanno di default ed alcuni leggono anche la frequenza L5!). Questo non tanto per la precisione del risultato, quanto piuttosto per un processo che si chiama “risoluzione dell’ambiguità di fase“.
Non ti dico che cos’è, ti chiedo solo di fidarti di me ed acquistare un ricevitore che sia a doppia frequenza (almeno)!

POSIZIONAMENTO SINGOLO E DIFFERENZIALE: LA BASELINE

La teoria della propagazione del segnale dal satellite a terra non tiene conto del fatto che le onde elettromagnetiche non viaggiano nel vuoto ma attraversano l’atmosfera.
La velocità di propagazione cambia a seconda della densità degli strati in cui si muove.
Per questo motivo è impossibile contenere l’errore entro valori centimetrici nel misurare la posizione di un solo ricevitore sulla superficie terrestre.
Questo è il posizionamento singolo.

Usando invece due ricevitori su punti diversi, anche se le loro posizioni sono comunque affette dallo stesso errore, il vettore che li congiunge, la baseline, si riesce a rilevare con precisione.
Questo metodo di chiama posizionamento differenziale.

Concludo questa parte teorica introduttiva dicendoti che è possibile condurre misure topografiche di precisione con il sistema di posizionamento GNSS, a patto di avere a terra due ricevitori satellitari e misurare la distanza del segmento tra di loro.

QUANTO E’ PRECISO UN RILIEVO CON IL GPS

La precisione sulla posizione di un punto rilevato con il GPS, nei metodi attualmente più diffusi, è dell’ordine di qualche centimetro.
Il “quanti centimetri” è un valore variabile che dipende da quanti satelliti ci sono nel cielo, da come sono messi, da che cosa hai intorno…
Se speravi in una precisione millimetrica immediata, mi dispiace deluderti ma per questo la Stazione Totale resta ancora lo strumento più preciso!
Avevo scritto un articolo piuttosto generale sugli strumenti utilizzati dai topografi nei rilievi, con le relative precisioni
Lo trovi a questo link.

Tuttavia e sei spaventato dall’idea di dover acquistare non uno ma due GPS professionali (e quindi costosi!), non smettere di leggere perchè ci sono soluzioni alternative!

IL GPS SUL CAMPO

RTK

I testi accademici lasciano la modalità di uso RTK alla fine della trattazione sul posizionamento satellitare, dopo gli altri metodi altamente preferibili.
In questo articolo ti parlo invece subito di questo, perchè è il più semplice, il più immediato ed il più pratico!

R.T.K. sta per Real Tine Kinematic ed è un modo per conoscere la posizione di un punto istantaneamente, quasi senza fermarsi.
Prendendo in prestito il termine dalla Fisica, con “cinematico” si dà l’idea di movimento, in contrapposizione all’immobilità di un rilievo “statico“, di cui ti parlo dopo.

L’RTK è un metodo di posizionamento differenziale che usa due ricevitori contemporaneamente.
Un ricevitore è fermo su un punto e si chiama Base, l’altro ricevitore si muove sui punti da battere, e si chiama Rover.
Forse ne hai sentito parlare come sistema “base-rover” (immagine qui sotto ©Carlson Benchmark AZ).

I due ricevitori si scambiano dati usando un segnale GSM telefonico o una trasmissione radio.
Conoscendo la posizione, sempre fissa, della base, il software di bordo del ricevitore applica le stesse correzioni al rover e ne determina la posizione.

Nell’RTK, oltre alla coppia di ricevitori (ed ai relativi treppiedi ed aste di supporto), serve anche un controller collegato all’antenna Rover, in modo che l’operatore, che se ne va in giro a misurare, può facilmente battere i punti, controllare che cosa sta succedendo, sapere se la base ed il rover comunicano bene, vedere quanti satelliti ci sono in cielo e come sono messi nella volta celeste, conoscere le precisioni sulle misure…
Il controller è un dispositivo palmare o un tablet con un software di bordo specifico.

POST-ELABORAZIONE

Oltre all’RTK (anzi, dovrei dire, prima dell’RTK) ci sono metodi di uso del GPS che prevedono una post-elaborazione in ufficio dei dati presi sul campo.
Pur essendo un po’ più scomodi, lunghi e meno immediati dell’RTK (perchè non conosci immediatamente la tua posizione), sono quelli che permettono di ottenere i migliori risultati sull’affidabilità della posizione dei punti rilevati.

STATICO

Il metodo statico prevede di lasciare il ricevitore fermo su un punto ad acquisire i dati dai satelliti per un po’ di tempo.
Quanto tempo?
L’ordina di grandezza è quello dell’ora, anche se non è proprio preciso metterla in questo modo.
La durata del tempo di acquisizione è funzione della misura della baseline.

I satelliti nello spazio non sono geostazionari ma si muovono su orbite.
Fanno circa due giri in ventiquattro ore.
Ad ogni istante ciascun satellite occupa una posizione diversa, ma nota.
Lasciando il ricevitore in acquisizione per tanto tempo succede che ciascun satellite genera più sfere (quelle dello schema dei paragrafi teorici) con cui si possono fare molteplici intersezioni per determinare la posizione del ricevitore.

Le precisioni ottenute con questo tipo di acquisizione sono sub-centrimetriche!

STATICO-RAPIDO

Il metodo statico-rapido si basa sul solito principio del metodo statico ma i tempi di occupazione su ciascun punto sono più brevi (dell’ordine del quarto d’ora).
Il metodo statico-rapido permette di ottenere ottimi risultati in termini di precisione dei punti, anche per valori del vettore baseline di vari chilometri.

Lo statico-rapido può venire in prezioso aiuto ad un rilievo RTK quando non è possibile stabilire una connessione solida tra Base e Rover!

LA POST-ELABORAZIONE

Nel metodo statico ed in quello statico-rapido il procedimento che si fa per calcolare la posizione di un punto è sempre quello di misura della baseline, il vettore che unisce due ricevitori a terra.
Tuttavia in questi casi, a differenza del metodo RTK, i due ricevitori non sono in collegamento tra loro.
La post-elaborazione prevede infatti, una volta rientrati in ufficio, di scaricare i dati registrati dalle antenne e, tramite appositi software, si determinano le posizioni mettendo in correlazione le misure acquisite sul campo.

Sono sempre necessari due ricevitori GPS per il posizionamento di alta precisione.

RETI DI STAZIONI PERMANENTI

Fino ad ora hai parlato di coppia di ricevitori GPS ma io non il budget per comprare due antenne! Mi avevi promesso una soluzione, qual è?
Veramente ti avevo parlato di possibilità alternative ad utilizzare una coppia di ricevitori!
Una è il noleggio di un secondo ricevitore ma siccome credo che ti aspettassi qualcosa di diverso da questa risposta, passo all’altra soluzione che è quella di appoggiarsi ad una rete di stazioni fisse sul territorio.

Non è necessario che entrambe i ricevitori GPS per misuare la baseline siano di tua proprietà.
Quello dei due che sta fisso sul territorio può anche essere di qualcun altro, l’importante è che tu possa avere accesso ai dati che registra (per i metodi che richiedono la post-elaborazione) o che tu possa metterlo in contatto con il tuo ricevitore Rover, in un rilievo RTK.

Questo fatto ha portato all’istituzione di tantissime stazioni GPS fisse nel territorio italiano, utilizzabili dagli operatori durante le loro operazioni sul campo o in ufficio.
In alcuni casi il servizio è gratuito in altri è a pagamento (immagini ©Smartnet Italpos).

Se tu hai un solo ricevitore GPS e vuoi fare un rilievo in modalità RTK puoi “agganciarti” alla base fissa più vicina e fare le misure.
Il collegamento Base-Rover avviene tramite rete telefonica GSM.

Ma c’è di più, le stazioni fisse possono fare rete e permettere un particolare posizionamento che si chiama NRTK (Network Real Time Kinematic).
Una rete NRTK è un insieme di stazioni GNSS permanenti i cui dati si usano per fare delle correzioni che vengono inviate poi al tuo ricevitore Rover sul campo. Queste correzioni sono elaborate da un centro di calcolo e si chiamano correzioni RTK di rete.

DOMANDE E RISPOSTE

Fino a qui ti ho parlato di come funziona il posizionamento GPS.
So che potrebbe non essere stato il massimo dell’interesse ma non ne avrei potuto fare a meno.
In questa parte conclusiva provo a darti informazioni più pratiche in forma di “domanda-risposta”.

Il GPS funziona al chiuso?
No. Il GPS non funziona al chiuso.
Il GPS deve vedere i satelliti nel cielo per fare il suo lavoro e, quindi, non funziona bene neppure in un bosco fitto e potrebbe faticare parecchio in una via cittadina con palazzi alti a destra e a sinistra.

Posso fare un rilievo GPS di notte?
Sì. I satelliti non dormono e la trasmissioine del segnale non necessita di luce, quindi il rilievo lo puoi fare anche al buio.

In modalità RTK è meglio utilizzare una comunicazione radio o GSM?
Se ti appoggi alle basi fisse usando un solo ricevitore in modalità rover non puoi fare altro che utilizzare una comunicazione GSM.
Se hai due ricevitori sotto il tuo controllo puoi scegliere di usare anche la tramissione radio.
Le frequenze radio sono più limitate sulla distanza (oltre i 5 km potresti faticare mentre una rete GSM non ha limiti in questo senso) ma lavorano anche in assenza di copertura telefonica.
Se scegli la via del telefono ti consiglio di prendere almeno due schede GSM, di altrettanti operatori diversi, per aumentare le possibilità di avere segnale e permettere la comunicazione base e rover.
Se base e rover non comunicano l’unico modo che hai per portare a casa il lavoro è passare ad un rilievo statico-rapido e fare la post-elaborazione dei dati in ufficio.

Quanto costa un ricevitore GPS di precisione?
Sul prezzo di un ricevitore GPS si apre un ventaglio davvero ampio.
Le caratteristiche e le marche dei modelli sul mercato influiscono sul loro costo (quante costellazioni vedono, quanti canali di comunicazione hanno, …).
Io ti posso dire che utilizzo un ricevitore Geomax Zenith 20 che vede le costellazioni GPS, GLONASS e BEIDOU e l’ordine di grandezza del prezzo per l’antenna + supporto + controller è di circa 6.000 € (non prendo soldi dalla Geomax!).
Sappi però che se sei in modalità RTK, hai un ricevitore super moderno e costoso che dialoga con i satelliti della rete GPS, GLONASS, BEIDOU e GALILEO ma la base a cui ti appoggi vede solo i satelliti GPS, potrai fare affidamento solo su quelli per il calcolo del posizionamento.

Ho sentito parlare della rete Italpos. Che cos’è?
Italpos è un servizio di proprietà di Leyca Geosystems che offre la correzione delle misure per il posizionamento in RTK con basi fisse in tutto il territorio nazionale.
Il servizio ha un costo di 300€ all’anno e ti consente di lavorare in NRTK con un’ottima copertura del territorio e la possibilità di scaricare i dati per il post-processamento nelle modalità statico e statico-rapido.
Tutte le regioni hanno basi fisse sul territorio. Alcune permettono di utilizzarne i dati gratuitamente (qui vicino a me ci sono la Liguria, la Lombardia, il Piemonte) mentre altre offrono un servizio a pagamento. Informati sul tipo di servizio che la tua Regione offre, prima di decidere come lavorerai. Io lavoro spesso al confine tra tre regioni (Liguria, Emilia Romagna e Toscana) ed ho preferito usare il servizio di Italpos.

Che coordinate usa il GPS?
Il GPS rileva la posizione con riferimento all’ellissoide WGS84, i dati grezzi che ti fornisce sono pertanto latitudine, lngitudine e quota ellissoidica. Dovrai trasformare questi dati nel Sistema di Riferimento che intenderai usare, così come dovrai trasformare la quota da ellissoidica a geoidica (avevo scritto un articolo sul “problema della quota” che trovi a questo link).
Per trasformare le coordinate io uso il software dell’IGM Verto3K con i grigliati di trasformazione locali (file GK2).
La licenza permanente su chiave USB di Verto3K costa circa 300€.
I grigliati costano invece 50€ per quelli che si riferiscono ad un intorno di 10km dal caposaldo IGM di riferimento e 100€ per gli interi fogli al 25.000.
Una volta acquistato un grigliato lo puoi riusare tutte le volte in cui ne avrai necessità.

Sono quasi deciso a prendere un GPS, posso iniziare con uno solo?
Io direi di sì. Inizia con un ricevitore solo ed usalo in modalità RTK appoggiandoti alle base fise sul territorio nazionale.
La copertura telefonica è in continuo miglioramento e nella maggior parte dei casi dovresti riuscire a mettere in comunicazione la base con il rover.
Se però sai già che lavorerai nelle aree di distacco delle valanghe, in mezzo a gole montane profonde o in zone remote forse è il caso di attrezzarti con due ricevitori da usare in base+rover.
Anche se prima te l’ho detto a mo’ di battuta, non scartare l’ipotesi di un noleggio temporaneo di un altro ricevitore compatibile con il tuo, da un collega o da un rivenditore locale specializzato.

Spero di averti dato informazioni utili per aiutarti a capire se e come utilizzare un ricevitore GPS nel tuo lavoro.
Ci sono tanti altri aspetti tecnici che non ho approfondito ma se hai domande o dubbi non esitare a scriverli nei commenti.

A presto!

Paolo Corradeghini

APPROFONDIMENTO

Un paio di settimane dopo aver pubblicato questo articolo (qui e su LinkedIn) ho ricevuto un messaggio da Giuseppe Scarpino che mi sottoponeva una sua nota tecnica sulle equazioni matematiche che stanno alla base del posizionamento satellitare.

Nonostante questo articolo sia decisamente semplice e dedicato ad un lettore non esperto di GPS, ho pensato che potesse essere interessante aggiungere il contributo di Giuseppe se tu volessi andare oltre a quello che ho scritto ed approfondire la fisica e la matematica che ci stanno dietro!

Puoi scaricare la nota a questo link.

GIUSEPPE SCARPINO

Giuseppe Scarpino è Capo Squadra Esperto in servizio nella Direzione Regionale dei Vigili del Fuoco della Calabria.
E’ Dottore in Scienze Naturali e la sua conoscienza sui sistemi satellitari deriva proprio dall’esperienza diretta sul campo in quanto si occupa, tra le altre cose, di telerilevamento con tecniche satellitare, georeferenziazione e mappatura degli incendi boschivi.

Grazie per il tuo contributo Giuseppe e per aver acconsentito a condividerlo!

Ti segnalo alcune puntate del podcast dove si parla proprio di GNSS e posizionamento di precisione:

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E qui trovi la registrazione di un Webinar fatto insieme a Tiziano Cosso sul processing dei dati grezzi con il software open source RTK Lib: