IL SEGNALE GPS LE SUE CARATTERISTICHE ED I SUOI PROTOCOLLI

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SINCRONIZZAZIONE DI SISTEMI DI MISURA REMOTI ATTRAVERSO IL
SISTEMA GPS

B.1 – Il Sistema di Posizionamento Globale: GPS (Global Positioning System)

Il Sistema di Posizionamento Globale (GPS) è un sistema di navigazione
adatto a fornire in tempo reale le coordinate geografiche (latitudine, longitudine e
altitudine) del ricevitore di un utente. Dalla sequenza temporale di tali misure, il GPS
può dare anche informazioni sulla velocità e sul percorso del ricevitore. Infine, se
l’utente rimane fermo in una determinata posizione, il GPS può ottenere informazioni
molto precise sulla sincronizzazione della scala temporale del ricevitore (tempo
locale) rispetto all’UTC (Universal Coordinated Time, ossia Tempo Coordinato
Universale) che oggi è il sistema di riferimento per la misura del tempo accettato in
tutto il mondo. Il GPS fu introdotto ed è tuttora controllato dal Dipartimento della
Difesa degli Stati Uniti (DOD, Department of Defense): è infatti un sistema militare
parzialmente utilizzabile per scopi civili, che oggigiorno comprende molte migliaia di
utenti sparsi su tutto il globo.
Il cosiddetto Space Segment (segmento spaziale) del GPS è costituito da una
costellazione di più di 24 satelliti, disposti su 6 piani orbitali inclinati di 55° rispetto
all’equatore. Le loro orbite sono circolari, con un’altezza di 20183 km e con un
periodo di 12 ore. Da quasi ogni punto della Terra e a qualsiasi istante, almeno 5
satelliti sono visibili sopra l’orizzonte. Per gli scopi di posizionamento, ogni satellite
trasmette due onde radio portanti (L1 a 1575.42 MHz e L2 a 1227.6 MHz), modulate
da due codici pseudo-casuali, il codice C/A (coarse-acquisition, ossia acquisizione
grossolana) e il codice P (preciso), e da un messaggio di navigazione. I satelliti
trasportano orologi atomici (al cesio o al rubidio, la cui stabilità è tipicamente di circa
1 o 2 parti su 1013 nel periodo di un giorno) che forniscono un riferimento temporale
preciso e accurato per i segnali radio, trasmessi verso il ricevitore a terra.
Cinque stazioni di controllo a terra (il cosiddetto Control Segment),
distribuite in longitudine sul globo terrestre, controllano continuamente lo stato di
funzionamento dei satelliti, registrando le loro anomalie orbitali e le derive temporali
di ognuno degli orologi atomici in orbita. La principale stazione di controllo (Master
Control Station), situata a Colorado Springs, raccoglie i dati forniti dalle varie
stazioni e, utilizzando sofisticati modelli software (ossia realizzati con programmi al
calcolatore) predice le future correzioni che ogni satellite trasmetterà nel suo
messaggio di navigazione. Tali parametri consentono agli utenti di rimuovere in
tempo reale tutte le cause di errore e di mantenere quindi l’orologio del proprio
sistema strettamente sincronizzato con l’UTC.
Infine il ricevitore GPS (il cosiddetto User Segment, ossia il segmento
dell’utente) segue, tramite un solo o entrambi i codici (o anche tramite le fasi
elettriche dei segnali portanti, nella sequenza necessaria per ottenere la maggiore
precisione), tutti i satelliti visibili contemporaneamente. Per tale ragione l’antenna del
ricevitore deve possedere un’ottima sensibilità omni-direzionale, in modo da
garantire una risposta uniforme relativamente all’intera volta celeste.
Fondamentalmente, il ricevitore a terra misura il ritardo tra il tempo
t1 in cui un segnale è trasmesso da un satellite e il tempo t2 in cui è
rilevato dall’antenna ricevente. L’hardware (ossia l’insieme dei
circuiti elettronici) del ricevitore genera una copia locale del codice
trasmesso dal satellite, quindi lo trasla temporalmente finché le due
sequenze digitali non si sovrappongono esattamente (il software cerca
il ritardo temporale che massimizza la funzione di correlazione
incrociata dei due codici). L’intervallo di tempo (t2 – t1)
moltiplicato per la velocità di propagazione delle onde radio
nell’atmosfera, che è prossima alla velocità della luce c, fornisce la
distanza tra ogni satellite e l’antenna del ricevitore a terra. Questa
valutazione è corretta solo nel caso in cui l’orologio dell’utente sia
sincronizzato con il tempo del GPS. Per ottenere tale risultato
l’utente non necessita di un orologio atomico.
L’errore di sincronizzazione del suo orologio può, infatti, essere semplicemente
incluso come un’ulteriore quantità incognita nella soluzione della navigazione. Se,
per esempio, l’utente volesse ottenere una soluzione tridimensionale (quindi
latitudine, longitudine e altitudine), dovrebbe misurare i ritardi da almeno quattro
satelliti.
Quando il ricevitore GPS è riuscito a seguire un numero sufficiente di
satelliti per fornire la soluzione tridimensionale, l’orologio dell’utente è
automaticamente sincronizzato con il tempo del GPS. Esistono speciali ricevitori
dedicati a tale scopo che possono implementare questa funzione con estrema
accuratezza, prendendo in considerazione anche ritardi interni, ecc.
L’accuratezza di localizzazione da parte del GPS può variare da alcuni
centimetri fino a decine di metri in relazione a diversi fattori. I più importanti sono: il
tipo di codici utilizzati, la reale distribuzione geometrica dei satelliti nel cielo al
momento della misura, le incertezze nelle orbite reali, le eccessive variazioni dei
ritardi dovute a effetti della ionosfera e della troposfera, la qualità del sistema di
ricezione e il livello di raffinatezza dell’analisi dei dati.

B.2 – Il GPS e le misure di tempo

L’utilizzo del GPS permette, al giorno d’oggi, a basso costo, ciò che era
semplicemente impensabile fino a pochi anni fa: avere accesso, dal proprio
laboratorio, alla stabilità di un insieme di orologi atomici. In effetti, attraverso
un’opportuna scelta del ricevitore GPS, chiunque, in ogni luogo, può non solo
ottenere, in tempo reale, la conoscenza delle proprie coordinate geografiche, come
latitudine e longitudine, ma anche ricevere un particolare segnale ogni secondo, il
cosiddetto one peak per second (1PPS). Se l’antenna ricevente è mantenuta in una
posizione fissa, come in un laboratorio, il segnale 1PPS può essere utilizzato come
sistema di riferimento per il tempo. I moderni ricevitori destinati ad applicazioni per
la misura del tempo possono prendere in considerazione quasi tutte le cause di ritardo
del sistema, in maniera tale che il segnale 1PPS sia sincronizzato entro 100 ns
(nanosecondi), o additrittura meno, con il tempo UTC1, e reso disponibile localmente.
Il risultato finale è che tutti gli eventi locali, correttamente riferiti a
quell’impulso GPS in ogni sito, possono essere strettamente riferiti al tempo UTC. La
scala di tempo locale che può essere derivata da un moderno ricevitore GPS fornisce
un’accuratezza in precedenza irraggiungibile. Il segnale 1PPS, fornito dai ricevitori
GPS, è in assoluto il migliore standard disponibile per lunghi tempi d’integrazione.
Il livello di accuratezza trasferibile all’orologio interno di un PC
(personal computer) dipende principalmente dai limiti del suo sistema
operativo; per esempio Windows non può rispondere in meno di alcuni
millisecondi; utilizzando Linux (e modificando il Kernel standard) si
può invece ottenere una migliore connessione all’UTC, con un livello di
accuratezza inferiore anche al microsecondo.

B.3 – L’uso del GPS per la sincronizzazione remota di eventi EEE registrati
su PC

In molte applicazioni moderne è importante una buona sincronizzazione
degli orologi interni di calcolatori molto distanti l’uno dall’altro.
Ad esempio, mentre un utente della rete Internet può essere interessato a
sapere l’esatto tempo di invio dei messaggi (e-mail) che riceve da varie parti del
mondo o l’esattezza dell’orologio interno del proprio PC, al giorno d’oggi molti
controlli di processo (si pensi alla distribuzione dell’energia elettrica) devono seguire
sequenze temporali molto precise che avvengono in siti molto remoti. L’accuratezza
richiesta nella procedura di sincronizzazione può variare dai secondi, per applicazioni
umane, fino ai microsecondi o anche meno, per dispositivi, macchinari o per
acquisizioni di dati specifiche nel campo della ricerca scientifica.
È in questo ultimo contesto che si colloca l’esperimento EEE, che consiste
nel rivelare eventi di raggi cosmici, di energia estremamente elevata, tramite dei
telescopi costituiti da rivelatori MRPC, posti in località diverse. I dati dei telescopi,
una volta raccolti e digitizzati, verranno inviati a dei semplici PC per la registrazione.
È di grande importanza poter analizzare i dati di telescopi distanti tra loro centinaia di
metri o chilometri per rivelare eventuali coincidenze temporali tra raggi cosmici che
apparterrebbero a un unico sciame. Più la coincidenza in tempo è stringente, minore è
il numero di coincidenze accidentali e di conseguenza più forte l’evidenza di aver
rivelato uno sciame di grande estensione e perciò di grande energia (si veda a tale
proposito l’Appendice C).
Poichè per ogni telescopio la registrazione dei dati avviene su un PC diverso
e poiché i vari PC sono distanti e comunicano solo attraverso la rete, la
sincronizzazione degli orologi interni dei PC potrebbe essere fatta attraverso la rete
stessa. Tuttavia non risulterebbe sufficientemente accurata.
Per questa ragione l’esperimento EEE prevede l’uso di una stazione GPS
locale per ogni telescopio che assicurerà due vantaggi fondamentali:

  1. l’accuratezza temporale necessaria per il successo dell’esperimento EEE;
  2. l’accuratezza spaziale nel posizionamento relativo dei diversi telescopi
    uno rispetto all’altro e dunque la possibilità di ricostruire con precisione
    la direzione di provenienza dei raggi cosmici in un sistema di coordinate
    omogeneo.

Inoltre l’esperimento EEE risulterà così dotato dello stesso strumento usato
anche in altri esperimenti di Astrofisica e Fisica Cosmica e di conseguenza, grazie
alle sue prestazioni in precisione temporale e spaziale, gli eventi di sciami cosmici
che sarà in grado di rivelare potranno essere messi in correlazione con quelli di altri
Osservatori sparsi per il mondo, ad esempio in Italia nei laboratori sotterranei del
Gran Sasso.

B.4 – Referenze Bibliografiche

Ci sono molti libri di testo e pubblicazioni scientifiche che trattano della
tecnica del GPS. Gli insegnanti possono essere interessati ai due siti web indicati nel
seguito. Essi sono ricchi di immagini adatti anche per fare presentazioni orali agli
studenti:
1) http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
2) http://extnasa.usu.edu/on_target/gps_tutorial/gps_one_webpage.html
La pubblicazione che segue contiene un’analisi critica delle diverse sorgenti
di errore nelle misure fatte con GPS:

• THE GPS ERROR BUSINESS
R.B. Langley
GPS World, March 1997, p.51-56.

Le tre pubblicazioni che seguono riportano l’esperienza maturata dagli autori
nell’uso del GPS per misure di tempo in laboratori didattici universitari:

• GPS AND TIMING: DIDACTIC APPLICATIONS ON HOW TO CHOOSE THE BEST CLOCK
M. Caporaloni and R. Ambrosini
European Journal of Physics, 20, pp. 243-252 (1999).

• TIME SYNCHRONIZATION MEASUREMENTS WITH A COMBINATION OF A GPS
RECEIVER AND THE INTERNET
M. Caporaloni and R. Ambrosini
The European Journal of Physics, 22, pp. 351-359 (2001).

• HOW CLOSELY CAN A PERSONAL COMPUTER CLOCK TRACK THE UTC TIMESCALE
VIA THE INTERNET?”,
M. Caporaloni and R. Ambrosini
The European Journal of Physics, 23, pp. L17-L21 (2002) (also available at
stacks.iop.org/EJP/23/L17).

L’OROLOGIO CON GPS CON GPS2000

Semplice spiegazione di come con un ricevitore GPS sia possibile avere un orologio molto preciso. Lo stesso ricevitore può essere utilizzato per avere un oscillatore molto preciso.

VIRTUAL TO PHYSICAL GPS

Un modo molto interessante per capire il protocollo NMEA utilizzato dal GPS

IL RICEVITORE SYMMETRICOM TTM635

Symmetricom’s TTM635 time and frequency processor modules provide precision time and frequency reference to the host computer and peripheral data acquisition systems.