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

It's all about time

(the fourth dimension in technology, systems, projects and our everyday life)



Last year I had the opportunity and privilege to meet one exceptional man, one of those men that really make the history of technology: Dr. Truchard (the mythic Dr. “T”), co-founder and present president and CEO of National Instruments. It was during the event that National Instruments organizes every year in Austin, the so-called NI Week.

Dr. Truchard's speech focus as well as the convention leitmotiv were all about time: time synchronization and real-time systems, time for developing software, time for fast-prototyping, time for innovation and creativity.

Time, the fourth dimension, is becoming ever more important in all aspects of technology and science.
The provision of an accurate time reference is a strategic asset on which most disparate applications depend upon, from financial transactions to broadband communications, from satellite navigation systems to Big Physics.

In a world increasingly dependent on precise measurements, time is soon to become the ultimate unit of reference. In the International System of Units, the second is presently defined as the duration of 9,192,631,770 periods of a phenomenon called microwave transition in an atom of cesium-133. The meter, once the length of a platinum-iridium bar stored in the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Sèvres, is, since 1983, defined as the path traveled by light in vacuum in 1/299,792,458 of a second, so it is a unit derived from time.

The world regulates clocks and time by a time standard, the Coordinated Universal Time (UTC), which is itself based on the International Atomic Time (TAI). Few people know that an essential contributor to TAI, and so to UTC, is GPS, the American satellite-based navigation system. Soon, however, with the full deployment of Galileo, Europe will become a key contributor to UTC and will be able to broadcast its very accurate time standard to the world.

Time is more and more important also in large systems, especially network-centric systems. These systems rely upon a real-time diffusion of information on a geographically distributed architecture. But time is also the dimension through which technology evolves (as, e.g., per the Moore's law) and obsolescence spreads. Maintenance and refurbishment of obsolete parts are essential aspects in the operational life of a system, and they both deal with time.

Time is finally one of the key objectives of project management, together with cost and performance. While the market asks for new projects, bringing innovative technologies and services to users, to get timely (and successfully) concluded, in reality delays, with associated cost over-run, and failures affect a scaringly high percentage of them.

It is sometimes discouraging to perceive that politicians, managers and engineers are loosing the sense of urgency for keeping projects on schedule and for concluding them on time. More than two thousands years ago, Caesar, facing the need to build, for the first time in hystory, a bridge across the river Rhine, wrote in his “Commentaries on the Gallic War”: “Caesar thought it expedient for him to cross the Rhine (…). He devised this plan of a bridge (...). Within ten days after the timber began to be collected, the whole work was completed, and the whole army led over.”. Much closer to our times, on May 25, 1961, President John F. Kennedy stated in his historic speech to Congress: “I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth.” And on July 20 1969, less than ten years later, the promise was mantained.

And this brings us to the general questions about the importance of time in our own lives. How huge is the amount of time that we waist for trivial and non essential tasks? How could a better management of our time gain us more room for creativity, social relations and pursue of happiness? As you can see, it is not only how much time we can save by better managing our lives, but about the quality of our time and whether it is used to “be” or just to “have”.

In the last decades mankind became increasingly concerned about non-renewable resources, that is resources often existing in a fixed amount and being consumed much faster than nature can create them (e.g fossil fuels, such as coal, petroleum and natural gas). The fact of the matter is, the only truly non-renewable resource we have is time: when it is gone, it is gone forever. So, let us make our lives sustainable, let us care of our most precious asset, our most valuable resource.

“Tempus breve est”, time is short, wrote St. Paul to the Corinthians (2 Cor 5:14). But it is up to us, to our wisdom and professionalism, to have enough time for our realizations, our projects, our lives.

Benjamin Franklin wrote: "If you want to enjoy one of the greatest luxuries in life, the luxury of having enough time, time to rest, time to think things through, time to get things done and know you have done them to the best of your ability, remember, there is only one way. Take enough time to think and plan things in the order of their importance. Your life will take on a new zest, you will add years to your life, and more life to your years. Let all your things have their place."

It is really “time” we do something about it.