L’ITSS “Majorana-Giorgi” di Genova in orbita con i sistemi di navigazione via satellite

Alunni e professori della classe VA di Elettronica e Telecomunicazioni

dell’ITSS “Majorana-Giorgi”di Genova

Il presente articolo nasce da una scommessa: riuscire a diffondere la cultura tecnica della navigazione via satellite (GPS, Glonass e Galileo) già a livello di istruzione secondaria.

Una scommessa forse difficile, ma assolutamente utile, se non necessaria, specialmente in un’Europa che sta investendo da anni miliardi di euro per lo sviluppo del sistema di navigazione globale Galileo.

Come sempre le buone idee si sviluppano in piccolo e con una certa dose di ingenuità, per poi prendere il volo e diventare professionalmente serie e feconde.

Gli studenti della classe V sezione A del corso di Elettronica e Telecomunicazioni (anno accademico 2013/2014) presso l’ Istituto Tecnico Superiore Statale (ITSS) “Majorana-Giorgi” avevano letto alcuni articoli di riviste specializzate sulla possibilità di realizzare, con un piccolo investimento economico, una stazione semiprofessionale di monitoraggio dei satelliti GNSS (GPS, GLONASS o Galileo), col duplice obiettivo di approfondire le tecniche della navigazione satellitare e di offrire un interessante ausilio didattico per università ed istituti tecnici professionali.

L’insegnante del laboratorio di elettronica e telecomunicazioni dell’istituto, prof. Primo Bartoli, aderì con entusiasmo all’idea, contattando l’ing. Marco Lisi del Direttorato Navigazione dell’ESA e, al tempo, Consigliere Speciale della Commissione Europea per le attività spaziali.

A questo punto le attività sono partite con un ritmo incalzante e con grande entusiasmo da parte degli studenti.

Il primo passo è stato quello di implementare una semplice stazione di monitoraggio dei segnali GNSS multicostellazione, basata su un ricevitore commerciale molto economico e sull’utilizzo di programmi software di processamento disponibili gratuitamente in rete. Poi gli studenti, non paghi, hanno deciso di sviluppare il loro stesso software, utilizzando il programma LabVIEW della National Instruments.

E’ doveroso menzionare il fatto che National Instruments ha fornito a titolo totalmente gratuito licenze per la piattaforma di sviluppo in LabVIEW nonchè corsi di formazione per tutti gli studenti interessati.

E’ stata anche avviata una collaborazione con la ditta francese M3Systems (M3S), specializzata nello sviluppo di ricevitori SDR (“Software Defined Radio”) per applicazioni GNSS. Attraverso la tecnologia SDR è possibile realizzare ricevitori molto flessibili, in grado di ricevere i differenti formati dei segnali trasmessi dalle varie costellazioni (GPS, Glonass, Galileo e Beidou).

Prima di descrivere in maggiore dettaglio l’attività tecnica svolta ed i risultati ottenuti, vale la pena di dare qualche informazione sull’istituto “Majorana-Giorgi”.

L' I.T.S.S Majorana – Giorgi, già istituto tecnico industriale, si suddivide in due plessi separati, uno in via Salvador Allende e l' altro in via Timavo a Genova. Attualmente l'istituto permette la formazione dei ragazzi nei settori: elettronica industriale, informatica, telecomunicazioni, elettrotecnica e meccanica; sono presenti corsi anche per tecnico commerciale ed il liceo delle scienze applicate.

In entrambe le sedi sono presenti numerosi laboratori muniti di strumentazione tecnica per permettere ai ragazzi di svolgere attività pratiche nel proprio settore.
Sin dal terzo anno di studi viene data l' opportunità di entrare in contatto con il mondo del lavoro e vengono pertanto organizzati stage in ogni settore, facendo così avvicinare i ragazzi anche ad aziende di rilevanza nazionale ed internazionale.

Nel corso degli studi, il numero di progetti e gli stage a cui si aderisce, sempre su base volontaria degli alunni, aumenta in modo da permettere agli studenti di migliorare le loro conoscenze e capacità e in modo da consentire loro di reperire materiale e documentazione che producano un arricchimento delle loro competenze tecniche.
Nell' ambito di queste attività sono stati, negli ultimi anni , attivati progetti relativi alle nuove tecnologie nel campo delle telecomunicazioni.

Ed è  proprio nel laboratorio di elettronica e telecomunicazioni che il nuovo filone di attività sui sistemi di navigazione via satellite si è sviluppato.

Gli studenti dovevano risolvere un problema apparentemente semplice, ma anche foriero di numerosi ed interessanti sviluppi: ricevere i dati più o meno grezzi forniti da un ricevitore GNSS in un formato e secondo un protocollo standard e convertirli in informazioni utili ad un utente, per esempio nella propria posizione su una mappa di qualsivoglia formato.

Un tipico ricevitore GNSS commerciale fornisce i propri dati secondo un formato ed un protocollo di comunicazione definito nello standard NMEA. I dati comprendono innanzi tutto la completa soluzione PVT (posizione, velocità e tempo), ma possono anche includere informazioni dettagliate sui satelliti in vista, ovvero il contenuto stesso dei messaggi di navigazione. I ricevitori GNSS semi-professionali o professionali tendono invece a fornire i dati di navigazione in formato grezzo, secondo lo standard RINEX. Ciò permette un post processamento più sofisticato dei dati stessi.

Limitandosi al caso di dati NMEA, gli studenti del prof. Bartoli dovevano risolvere il problema di acquisire i dati pre-processati, memorizzarli per eventuali elaborazioni statistiche, e convertirli in visualizzazioni utili ad un eventuale utente, per esempio, alla posizione in coordinate cartesiane o polari su una mappa.

La piattaforma di sviluppo software scelta per realizzare l’interfaccia fra ricevitore GNSS ed utente è stata  LabVIEW di National Instruments.

LabVIEW è un ambiente di sviluppo per applicazioni principalmente orientate all’acquisizione di dati, alla gestione di strumentazione elettronica e all’analisi ed elaborazione dei segnali.

L’ambiente di programmazione di tipo grafico ad oggetti (“object oriented language”) di LabVIEW  ha consentito di:

• realizzare il programma, in forma di diagrammi a blocchi;
• avere un pannello frontale per il comando necessario al settaggio del protocollo di comunicazione con il ricevitore GNSS;

visualizzare la posizione, non in termini di stringhe e dati NMEA, bensì all' interno di un grafico XY, il quale poi è facilmente sostituibile con mappe specifiche.

L’attività svolta, che è peraltro diventata una tesina di diploma per molti degli studenti del corso, ha pienamente confermato la validità didattica delle tematiche tecniche e tecnologiche relative alla navigazione via satellite, nonché la possibilità di affrontare tali tematiche con investimenti realistici, anche tenendo conto delle ristrette disponibilità dell’istruzione secondaria in Italia. E’ nelle intenzioni degli autori che questo esperimento didattico e, più in generale, di diffusione della cultura tecnologica fra i giovani, continui e si sviluppi anche nei futuri anni accademici.

Un particolare ringraziamento a Raffaele Fiengo e Massimo Rapini della National Instruments ed a Marc Pollina, fondatore e presidente di M3S, per il supporto generosamente offerto.

Particolari complimenti, inoltre, agli studenti Simone Burlando, Manuel Timuneri e Stefano Lavanna. I primi due, appena diplomati, hanno già trovato lavoro in aziende del settore elettronico nell’area di Genova, a conferma che la buona cultura è la migliore medicina contro la disoccupazione giovanile.

Il prof. Bartoli con gli studenti Stefano Lavanna, Manuel Timuneri e Simone Burlando, davanti alla stazione GNSS

SWL, BCL e …GNSSL? Una stazione amatoriale di monitoraggio delle costellazioni di satelliti per la navigazione

Poiché il titolo potrebbe suonare un po’ criptico, è bene darne subito una spiegazione.

Molti dei lettori avranno cominciato la loro passione per la radio ascoltando le onde corte con il ricevitore casalingo. Si cominciava tipicamente ascoltando le stazioni di radiodiffusione italiane ed estere (“broadcast stations”), poi, magari con l’ausilio di un oscillatore di nota autocostruito (“Beat Frequency Oscillator”, BFO) si passava ad ascoltare i radioamatori e si sognava, si sognava…

Così, senza nemmeno saperlo, si era diventati BCL (“BroadCast Listener”) e SWL (“ShortWave Listener”), cioè ascoltatori di onde corte, e si poteva anche richiedere la licenza ufficiale di ascolto al ministero delle telecomunicazioni.

Oggi le cose sono un po’ cambiate: le stazioni di broadcasting su onde corte, almeno nel mondo occidentale (Europa e Stati Uniti), si fanno sempre più rare; sono onnipresenti le stazioni cinesi, in tutte le lingue e con potenze quali una volta si potevano permettere solo le stazioni del blocco sovietico, Radio Mosca per prima.

Rimangono tuttavia molti appassionati ascoltatori, quali ad esempio gli amici dell’Associazione italiana Radioascolto (AIR), che esiterei a classificare come meri nostalgici, in quanto a volte si cimentano in sperimentazioni davvero d’avanguardia, come la “Software Defined Radio” (SDR) o le modulazioni digitali (DRM e DAB).

Ma tornando al titolo, e proprio a proposito di sperimentazione e nuovi orizzonti, che vuol dire GNSSL?

GNSSL è un acronimo da me inventato che vuol dire “Global Navigation Satellite System Listener”, cioè, tradotto in vernacolo, “ascoltatore di sistemi di navigazione satellitari globali”.

Un GNSS è una costellazione di satelliti in orbita intorno alla Terra che permette l’individuazione esatta della propria posizione e permette quindi una navigazione affidabile e precisa.

Il più famoso GNSS è l’americano NAVSTAR GPS (“Global Positioning System”), ma non è l’unico: oggi esso è affiancato dal russo GLONASS e presto dai sistemi europeo, Galileo, e cinese, Compass (o Beidou). Anche India e Giappone stanno sviluppando i loro sistemi, ma con area di servizio regionale.

Inconsapevolmente, siamo già tutti, o quasi, dei GNSSL: infatti, chi di noi non ha un navigatore satellitare nella sua automobile e chi, magari senza saperlo, non possiede uno smartphone dotato di ricevitore “chip” per la navigazione via satellite (normalmente doppio standard: GPS e GLONASS)?

Lo scopo di questo articolo è tuttavia quello di dimostrare come, attraverso un piccolissimo investimento economico, sia possibile mettere su una stazione semiprofessionale di monitoraggio dei satelliti GPS (eventualmente anche GLONASS o Galileo), che ci permetterà di capire meglio le tecniche della navigazione satellitare. Tale stazione potrebbe anche costituire un interessante ausilio didattico per università ed istituti tecnici professionali.

Gli “ingredienti” necessari per cominciare la nostra attività di GNSSL sono veramente pochi: un’antenna con ricevitore integrato, un personal computer ed un applicativo software adatto allo scopo.

Il cuore di tutta la nostra “stazione” (anche se il termine può suonare un po’ pretenzioso) è una cosiddetta GPS “antenna” con interfaccia USB, come quella mostrata in figura 1.

Figura 1: GPS “antenna” con interfaccia USB

In realtà non si tratta di una semplice antenna, ma di un ricevitore GPS con tanto di demodulatore ed interfaccia dati (da cui l’uso dell’interfaccia USB) integrato in un’antenna microstriscia. Le dimensioni dell’antenna sono piccole, perché ricordo che stiamo lavorando in banda L.

Questo ricevitore/antenna GPS è facilmente acquistabile “on line”, per esempio su E-Bay,  al prezzo di 30-40 euro.

Le caratteristiche del ricevitore non sono critiche. E’ importante che l’interfaccia verso il PC sia USB e che lo standard di trasmissione dei dati sia NMEA (più precisamente: NMEA-0183).

Ci sono anche prodotti in grado di ricevere sia i segnali GPS sia quelli GLONASS. Sono più costosi e richiedono un software di elaborazione e presentazione dei dati compatibile con lo standard NMEA GLONASS.

Per quanto riguarda il montaggio del ricevitore/antenna, esso è lasciato all’immaginazione dell’utilizzatore. Bisogna tenere presente che il componente è previsto lavorare posto su un piano orizzontale, in modo da estendere, se possibile, il campo di vista da 0 a 90 gradi in elevazione e da 0 a 360 gradi in azimut. Al contrario dei satelliti per telecomunicazioni geostazionari, infatti, che appaiono fissi all’osservatore terrestre, i satelliti di navigazione, in orbita più bassa, non geostazionaria, si muovono velocemente rispetto all’osservatore, assumendo valori variabili di azimut ed elevazione. L’antenna tuttavia è di tipo omnidirezionale, quindi non è necessario alcun inseguimento dei satelliti.

Io ho montato la mia antenna con ricevitore integrato sul lato interno del vetro della finestra del mio ufficio, fissandola con del nastro adesivo. Per raggiungere più agevolmente il mio laptop, ho utilizzato una prolunga USB femmina – USB maschio.

Figure 2 e 3: l’antenna/ricevitore GPS montata sulla finestra del mio ufficio

Per quanto riguarda il personal computer, c’è poco da dire: un qualunque laptop o desktop dotato d’interfaccia USB ed operante con il sistema operativo richiesto (Windows) andrà normalmente bene.

Passiamo invece a considerare l’applicativo software. Sono scaricabili da Internet almeno tre differenti programmi, tutti gratuiti e senza limiti di tempo (“freeware”):

1.     VisualGPSView, prodotto che permette la visualizzazione grafica dei dati di navigazione, in grado di accettare lo standard NMEA 0183 sia per GPS che per GLONASS (scaricabile da http://www.visualgps.net/VisualGPSView/default.htm);

2.     VisualGPS, programma simile al precedente, ma in grado di riconoscere solo dati in formato GPS (scaricabile da http://www.visualgps.net/VisualGPS/default.htm);

3.     U-Center, programma dimostrativo sviluppato dalla compagnia svizzera U-Blox, con caratteristiche simili ai due precedenti (scaricabile da http://www.u-blox.com/en/evaluation-tools-a-software/u-center/u-center.html).

In questo articolo si darà una descrizione dettagliata del primo dei tre programmi, VisualGPSView, che mi sembra essere allo stesso tempo il più semplice da usare ed il più aggiornato, anche tenendo conto della possibilità di ricevere i segnali GLONASS.

La schermata principale (“Front panel Status”) di VisualGPSView è mostrata in figura 4.

Figura 4: schermata principale di VisualGPSView

In alto ed in orizzontale, il grafico a barre mostra i satelliti GPS in vista (nel caso specifico: nove). Ad ogni barra verticale è associato un numero in basso che identifica il satellite della costellazione sulla base del codice che sta trasmettendo (“satellite ID” o “Pseudo Random Number”, PRN”). I numeri all’interno delle singole barre sono invece i rapporti segnale/rumore, in dB, con i quali i segnali sono ricevuti. Il colore delle barre indica se il satellite è (blu) o no (grigio) usato per determinare la posizione. Nel nostro caso, dei nove satelliti in vista, solo cinque sono utilizzati per il “positioning”.

Il grafico in basso a destra mostra la posizione dei satelliti nel piano azimutale. La loro elevazione è tanto più alta quanto più essi sono vicini allo zenit dell’osservatore, corrispondente con il centro del grafico.

La tabella in basso a sinistra riassume infine i risultati del posizionamento, in termini di latitudine (convenzionalmente, i valori sono in gradi da 0 a 90, positivi se a nord dell’equatore), longitudine (valori da 0 a 180 gradi, positivi se ad est del meridiano di Greenwich) ed altezza sul livello del mare, in metri.

Le grandezze PDOP (“Position Diluition of Precision”), HDOP (“Horizontal Diluition of Precision”) e VDOP (“Vertical Diluition of Precision”), sono rappresentative della bontà della configurazione geometrica dei satelliti, dalla quale dipende l’accuratezza del posizionamento. Senza entrare in maggiori dettagli, ci basterà sapere che un PDOP di 1 è ideale, fra 1 e 2 è eccellente, fra 2 e 5 è buono.

Una piccola sfida per gli amici lettori: visto che conoscete adesso le coordinate geografiche del mio ufficio, vi sfido a scoprire dove lavoro (un suggerimento: se usate Google Earth potete quasi vedermi).

La seconda schermata, “Scatter Plot”, mostra l’evoluzione nel tempo dell’errore di posizionamento orizzontale, sul piano azimutale (figura 5).

Figura 5: grafico dell’errore orizzontale sul piano di azimuth

La terza schermata, “Position Plot”, mostra l’evoluzione nel tempo, misurato in termini di campioni del segnale processati dal ricevitore, di latitudine, longitudine ed altezza.

Le tre curve colorate indicano rispettivamente in verde i dati grezzi (“raw”), cioè non elaborati statisticamente; in bianco il valore medio ed in rosso il valore ottenuto con l’approssimazione ai minimi quadrati. Noterete che, mentre i valori grezzi possono variare anche di molto, ad esempio a causa di fluttuazioni del livello del segnale, i valori medi variano molto più dolcemente (figura 6).

Figura  6: evoluzione delle coordinate in funzione del tempo

L’ultima schermata è infine quella che ci mostra in tempo reale i famosi dati NMEA forniti dall’antenna/ricevitore (figura 7).

Figura 7: schermata dei dati NMEA scaricati in tempo reale

E’ importante che i dati NMEA ricevuti possono essere salvati in memoria ed essere utilizzati in un secondo momento, per esempio allo scopo di fare una presentazione o per analizzare in dettaglio una particolare situazione.

La stazioncina di ricezione dei segnali GNSS dovrebbe ovviamente essere solo lo spunto per approfondire il tema e per tentare nuove sperimentazioni, ad esempio utilizzando un’antenna esterna per aumentare il campo di visibilità (“Field Of View, FOV).

Ai lettori interessati consiglio di leggere i numerosi articoli già pubblicati su questa rivista (alcuni anche a mio nome) sul tema della navigazione satellitare e di fare qualche ricerca (la documentazione disponibile, anche in italiano, è immensa) su Internet. Qualcosa di utile potrete anche trovarla sul mio blog amatoriale (in italiano) “Space, radio and more” (http://spaceradioandmore.blogspot.com).

Da ultimo, ritengo importante segnalare l’interesse da parte di un istituto tecnico industriale ad un’attività didattica basata sulla semplice stazione descritta, con la speranza che le nuove giovani leve tecniche italiane siano in grado di sfruttare al meglio le opportunità professionali offerte dalle tecnologie della navigazione satellitare, in particolare dall’importante programma di sviluppo del GNSS europeo, Galileo.