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.

Antenna a quadro per onde medie supereconomica

Durante un fine settimana (queste cose succedono sempre durante i fine settimana), Guglielmo, secondogenito dei miei quattro (sic!) figli, mi chiede di aiutarlo a costruire per la scuola un telaio di legno, del tipo di quelli utilizzati dai popoli antichi per produrre i loro rudimentali tessuti. (Guglielmo ha ora 21 anni e studia ingegneria; l'articolo risale evidentemente a qualche anno fa. NdA)

Mi armo di pazienza, oltre che di seghetto alternativo e trapano elettrico, e in una mezz’oretta ottengo una sorta di cornice di legno quadrata, di circa 40 centimetri di lato, composta di quattro tavolette di spesso compensato, unite fra loro con tasselli di legno e colla.
Dopo il primo sincero entusiasmo, la “cosa” mi rimane in bella vista su un mobile del soggiorno, monumento all’inutilità e, ad un tempo, all’amore paterno.
Un giorno la osservo con occhio furbo e malizioso: le dimensioni sono più o meno giuste, ho qualche metro di filo elettrico avanzato ed un condensatore variabile dovrei riuscire a trovarlo.
Mi viene quindi l’idea di costruire un’antenna a quadro per le onde medie e di sperimentare con essa. Una volta tanto decido di non fare complicati calcoli basati su altrettanto complicate formule e di farmi piuttosto guidare dall'intuito e dall’improvvisazione.
Lo schema elettrico dell’antenna è veramente elementare (figura 1):

Figura 1

In una prima implementazione dell’antenna (figura 2), L è costituita da dieci spire affiancate di comune filo elettrico per impianti domestici, Cv è invece un condensatore variabile ad aria saccheggiato da una vecchia radiolina onde medie degli anni ’60 (capacità massima probabilmente intorno ai 300 pF).

Figura 2

Giunge a questo punto il momento della verità: inserisco una radio onde medie economica (questa funzionante) nell’antenna a quadro, in modo tale che le spire dell’antenna siano parallele alle spire dell’antenna a ferroxube all’interno della radio (nella maggior parte dei casi, questo consisterà nel porre il lato lungo della radio perpendicolare al piano dell’antenna a quadro). Sintonizzo la radio su una frequenza della banda onde medie e ruoto il condensatore variabile dell’antenna a quadro: il primo effetto che si nota è un aumento del rumore di fondo, al quale si associa la comparsa o il notevole aumento d’intensità di segnali altrimenti appena udibili. Sfortunatamente mi rendo conto del fatto che l’escursione del condensatore variabile non mi permette di coprire completamente la banda delle onde medie: di fatto è la parte inferiore della banda a non essere coperta, come se la capacità massima del variabile non fosse sufficientemente alta. Ci vorrebbe forse un condensatore fisso in parallelo (capacità in parallelo si sommano). Detto e fatto: “pesco” dallo scatolone dei componenti alla rinfusa un bel condensatore a mica da 500 pF e lo saldo in parallelo a Cv. Ora però è la parte superiore della banda a non essere completamente coperta. Una seconda rovistata nel già menzionato scatolone e con l’aggiunta di un interruttore a levetta il circuito dell’antenna a quadro raggiunge la sua versione definitiva (figure 3 e 4):

Figura 3

Figura 4

Le prestazioni di questa antenna, che ho definito nel titolo super-economica, sono veramente sorprendenti. Esse sono soprattutto evidenti nelle ore diurne ed in associazione a ricevitori di medie o scarse prestazioni: in questi casi non sarà infrequente ricevere stazioni lontane in porzioni della banda altrimenti completamente mute.
Possiamo anche dire che con poche migliaia di lire (o meglio, pochi euro) di spesa, si possono ottenere i risultati normalmente ottenibili con ricevitori di classe e costo alquanto elevati.
A questo proposito, e visto che abbiamo finora parlato di prestazioni “super”, colgo l’occasione per parlare di un ricevitore molto famoso negli Stati Uniti fra gli appassionati del DX in Onde Medie: la GE Superadio III (per gli amici SR3) (figura 5).

Figura 5

A prima vista la GE Superadio III si presenta come un’elegante radio portatile per AM/FM (530-1705 KHz e 88-108 MHz), dotata di doppio altoparlante (un ampio woofer da 17 centimetri ed un tweeter), di antenna telescopica per la FM, di prese per antenna esterna e di un ricca dotazione di controlli (bassi, acuti, larghezza di banda, AFC).
Ma le caratteristiche che la rendono tanto famosa fra gli appassionati del DX d’oltreoceano derivano soprattutto dall’antenna a ferrite per le onde medie, lunga ben 20 centimetri, e per l’insolito numero di stadi IF (ben quattro stadi sintonizzati in AM, contro i due normalmente utilizzati). Non mi risulta che la GE Superadio III sia venduta in Italia; negli stessi Stati Uniti non è facile da trovare (anche perché continuamente richiesta dagli appassionati). Io l’ho trovata qualche anno fa in un oscuro “drugstore” californiano, pagandola circa quaranta dollari (cioè sessantacinque mila lire di allora). Un avvertimento è doveroso: al ritorno in Italia, tra dogana, IVA e dichiarazione obbligatoria d’importazione all’Ufficio Postale, ho dovuto spendere quasi quanto l’avevo originariamente pagata (alla faccia della globalizzazione !).