COME FUNZIONA IL GPS, COORDINATE E MAPPE

Il GNSS (Global Navigation Satellite System) è una struttura, basata su satelliti, che consente ad un ricevitore di determinare la propria posizione nello spazio terrestre. Al GNSS appartengono il sistema europeo GALILEO, il cinese COMPASS, il russo GLONASS, l'indiano IRNSS, il giapponese QZSS e l'americano NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System) che è attualmente l'unico apparato a copertura globale completamente funzionante.
Il GPS si compone di tre parti: i satelliti, la centrale di controllo, i ricevitori.
I satelliti (massimo 32) sono disposti ad una altezza di circa 20000 Km da terra su 6 orbite inclinate di 55° rispetto all'equatore. Ognuno di essi prevede una sezione radio che emette su due diverse frequenze (1,2 e 1,5 GHz) il valore ricavato da un orologio atomico di bordo di estrema precisione (esattamente quattro oscillatori di cui due al cesio e due al rubidio).
La centrale di controllo ha il compito di controllare da terra l'esattezza delle orbite dei satelliti e la sincronizzazione dei loro orologi atomici.

I ricevitori GPS implementano un orologio, una unità di elaborazione, una sezione radio ricevente e un'antenna. Ogni ricevitore è in grado di captare la stringa di dati (ora GPS + parametri orbitali) inviata dai satelliti “in vista”. Il ritardo tra l'ora ricevuta e quella del proprio orologio determina il tempo di percorrenza del segnale e quindi la distanza dei satelliti. Conoscendo la distanza e l'esatta posizione di almeno 3 satelliti, il ricevitore riesce a determinare tramite un processo di trilaterazione (simile alla triangolazione) la propria posizione.
Una curiosità, poiché non è proponibile un orologio atomico in un ricevitore GPS, il problema è stato aggirato implementando un orologio precisissimo solo per bevi periodi. In pratica, il ricevitore elabora i dati di 3 satelliti, quando le tre sfere virtuali si intersecano calcola la posizione, legge ora un quarto satellite e se la quarta sfera non si interseca risincronizza il proprio orologio e riparte.

Le coordinate geografiche

I sistemi GPS utilizzano lo standard WGS84 (World Geodetic System 1984) e i ricevitori GPS indicano la propria posizione mediante coordinate geografiche.
Le coordinate geografiche, composte da latitudine e longitudine espresse in gradi sessagesimali, consentono infatti di identificare la posizione di un punto sulla superficie terrestre.

La latitudine geografica è pari all'angolo tra il punto e il piano dell'equatore terrestre (piano perpendicolare all'asse di rotazione terrestre e passante per il centro, divide il globo in due emisferi Nord e Sud).
La latitudine può variare tra 0 e 90° N e tra 0 e 90° S.
I punti che hanno la stessa latitudine si trovano sullo stesso parallelo .
90° N è il polo nord, 90° S è il polo sud
I suffissi N e S possono essere sostituiti dai segni + e -, in questo caso vale la seguente regola:
N (North, Nord) = + , S (South, Sud) = -

La longitudine geografica è la distanza angolare tra il punto e il meridiano fondamentale (linea di longitudine passante attraverso l'osservatorio di Greenwich in Inghilterra).
La longitudine può variare tra 0 e 180° E e tra 0 e 180° W.
I punti che hanno la stessa longitudine si trovano sullo stesso meridiano .
I suffissi E e W possono essere sostituiti dai segni + e -, in questo caso vale la seguente regola:
E (East, Est) = + , W (West, Ovest) = -

La misura dell'angolo

L'angolo di latitudine e di longitudine viene espresso in gradi (degree) sessagesimali (indicati con il simbolo °) definendo l'angolo di un completo cerchio (angolo giro) uguale a 360°.
Il minuto d'arco (arco minuto o semplicemente minuto) è uguale ad 1/60 di grado.
Il secondo d'arco (arco secondo o secondo) è uguale ad 1/60 di minuto, ovvero ad 1/3600 di grado.
Riepilogando, le sottounità del grado (minuti e secondi) sono sessantesimi dell'unità superiore: un grado coincide a 60 minuti; un minuto è pari a 60 secondi. Se si suddividono ulteriormente le unità di misura dell'angolo (gradi, minuti, secondi) vale invece il normale sistema decimale, ad esempio in 60.45' il numero 45 è espresso in base 10.

Questa premessa è necessaria per introdurre le 3 possibili notazioni utilizzate per indicare le coordinate geografiche di un punto. Ad esempio, la nostra sede di Rescaldina si trova a 45° Nord e 8° Est ma questi numeri non bastano per indicare gli angoli di latitudine e longitudine con la precisione offerta dal GPS.
Ricorrendo ai decimali di grado abbiamo la notazione DD (Decimal Degrees):
Latitudine 45.61395° N
Longitudine 8.96118° E
Oppure possiamo indicare i decimali dei minuti, DM (Degrees, Decimal Minutes):
Latitudine 45° 36.8373' N
Longitudine 8° 57.6712' E
Ancora, possiamo usare i gradi, i minuti e i secondi, DMS (Degrees, Minutes, Seconds):
Latitudine 45° 36' 50” N
Longitudine 8° 57' 40” E
Le 3 notazioni riportate indicano tutte esattamente lo stesso punto.

La sintassi utilizzata dai nostri dispositivi TK, coincide anche con quella delle stringhe NMEA, è la DM.
La latitudine viene espressa con 2 cifre che indicano i gradi e con 2 cifre e 4 decimali per i minuti:
4536.8373,N va letta come 45° 36.8373' N
La longitudine viene espressa con 3 cifre che indicano i gradi e con 2 cifre e 4 decimali per i minuti:
00857.6712,E va letta come 8° 57.6712' E

Le mappe digitali

Stabiliti quali sono i numeri che esprimono le coordinate del nostro punto sulla terra è interessante poterli trasformare in un punto su di una mappa. Per fare questo abbiamo bisogno di una cartografia georeferenziata, ovvero di una mappa in cui ad ogni punto siano associate le relative coordinate geografiche. I maggiori produttori di mappe digitali GPS sono NAVTEQ e TeleAtlas. Queste mappe sono implementate nella totalità dei software di navigazione GPS e di visualizzazione cartografica.

Usare le mappe (TomTom)

Se disponiamo di un software di visualizzazione cartografica completo di mappe possiamo ricercare il punto digitando le coordinate. Ad esempio, se abbiamo un navigatore TomTom o un software TomTom installato su un PDA o su un cellulare, dovremo selezionare: “Scorri mappa”, “Trova”, “Latitudine Longitudine”, digitare ora la latitudine N45°36.8373', selezionare “Fatto”, digitare la longitudine E8°57.6712', selezionare “Fatto”, il programma visualizzerà ora il punto sulla mappa.

Molti siti internet consentono di eseguire una ricerca cartografica partendo dalle coordinate. Tra questi possiamo citare Google Maps e Google Earth, in questo caso basta digitare le coordinate di latitudine e longitudine separate da una virgola, esempio: 45° 36.8373' N,8° 57.6712' E

L'ora del GPS

Il GPS indica data e ora utilizzando come riferimento il tempo coordinato universale, indicato dalla sigla UTC (Universal Time, Coordinated). In particolare se osserviamo, ad esempio, una stringa NMEA RMC avremo la data espressa da 6 cifre che rappresentano giorno, mese ed anno e l'ora indicata con 9 cifre (ora, minuti e secondi con 3 decimali):
090109 coincide con ggmmaa = 9 gennaio 2009
175523.834 coincide con oommss.sss = ore 17, 55 minuti e 23.834 secondi
Occorre tenere presente che in Italia e in gran parte dell'Europa centrale si usa l'ora CET (Central European Time, Tempo Centrale Europeo).
Il CET è uguale al tempo UTC+1 con l'ora solare e UTC+2 quando è in vigore l'ora legale.