SISTEMI DI NAVIGAZIONE SATELLITARE E AGRICOLTURA DI PRECISIONE

di NICOLA PERFETTI

Un mezzo agricolo a guida assistita durante la lavorazione di un campo

Premessa

L’impiego delle più evolute tecnologie elettroniche ed informatiche in ambito agricolo viene denominato Agricoltura di Precisione (frequente è anche l’uso dell’equivalente in lingua inglese di Precision Farming), e si concretizza in sensori installati sulle macchine operatrici e programmi per la gestione delle attività agricole: pianificazione, lavorazione del terreno e prevenzioni sono gli ambiti principalmente interessati. 

Più in dettaglio, i software permettono all’agricoltore di tenere sotto controllo la gestione dei fattori produttivi e della produzione agevolando l’analisi costi/benefici; i sensori quali appunto i sistemi per la navigazione satellitare (GPS, GNSS) intervengono agevolando le operazioni condotte con macchine, ed infine l’uso ancora sperimentale di droni agevola l’individuazione di stati di sofferenza nelle colture prodotti da diversi fattori quali parassiti, malattie ecc. 

Questo contributo è dedicato all’uso dei sistemi di navigazione satellitare, argomento di notevole vastità sia in termini teorici che di applicazioni tecnologiche, ed è suddiviso in una introduzione ai sistemi di navigazione satellitare, un accenno alle metodologie di posizionamento, una descrizione dell’equipaggiamento satellitare delle macchine agricole, ed un tentativo di fornire una valutazione obiettiva dei vantaggi di questa tecnologia.

I Sistemi di Navigazione Satellitare

Benché la diffusione di smartphone e navigatori abbia fatto diventare di dominio comune il concetto di geolocalizzazione, meno familiare è il concetto di precisione della posizione offerta da queste tecnologie.

I sistemi di navigazione satellitari si sviluppano verso gli anni settanta ed il più noto di tutti e tuttora utilizzato, il Global Positioning System (meglio noto come GPS), del Dipartimento della difesa degli Stati Uniti d’America (DoD), inizia la sua attività il 6 gennaio 1980. Dopo pochi anni inizia la sua attività anche il sistema sovietico, oggi russo, Glonass (il cui acronimo è l’equivalente di GPS in Russo). A breve saranno pienamente operativi altri due sistemi: Galileo per l’Unione Europea e Beidou (o Compass) per la Cina.

I satelliti di queste costellazioni inviano deboli segnali radio (nello spettro UHF) contenenti informazioni che un ricevitore a terra è in grado di elaborare rapidamente per ottenere la propria posizione in maniera “universalmente” riconoscibile.

La tecnologia che permette tutto ciò è estremamente sofisticata e multidisciplinare (a titolo di esempio si sottolinea che per un corretto posizionamento è necessario applicare correzioni dovute agli effetti gravitazionali e determinate ricorrendo all’applicazione della teoria della relatività generale).

I satelliti, i ricevitori ed un complesso sistema di controllo che monitora la correttezza delle informazioni trasmesse dai primi, costituiscono un singolo sistema di navigazione satellitare.

Metodologie di posizionamento

La precisione ottenuta dall’elaborazione dei segnali da parte di un semplice ricevitore varia dai 5 ai 10 m, sufficiente per posizionarsi sulla Terra e per la navigazione (auto, imbarcazioni ecc), ma del tutto inutile quando si ha a che fare con problemi di posizionamento in cui la presenza di vincoli od ostacoli (artificiali e/o naturali) che limitano il movimento del ricevitore: in questi casi è necessaria una precisione superiore.

Precisioni centimetriche sono raggiunte facendo in modo che il ricevitore (che, essendo mobile, d’ora in avanti verrà denominato ROVER) possa ottenere informazioni anche da un altro, detto BASE, che si trova in funzione stabilmente su un punto di posizione nota. In questo caso si parla di posizionamento differenziale e le informazioni trasmesse dalla BASE al ROVER prendono il nome di correzioni differenziali.

Riassumendo per ottenere precisioni migliori il ROVER deve ricevere dati sia dai satelliti sia, via terra, dalla BASE: combinando opportunamente questi due contributi si raggiungono precisioni centimetriche.

Un dettaglio importante è il sistema di trasmissione delle correzioni da BASE a ROVER, che può consistere in un collegamento radio (una radio può servire un numero illimitato di ROVER entro un raggio di pochi km), o via GSM (il collegamento è 1-1, una BASE è collegato ad un solo ROVER, entro distanze che possono superare i 10 km). Dal 2005 circa in Italia sono in funzione servizi di posizionamento a scala regionale o nazionale: essendo costituiti da diverse stazioni BASE funzionanti in contemporanea, coordinate da un centro di controllo che distribuisce le correzioni in modalità NTRIP (acronimo di Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), uniscono i vantaggi della comunicazione via internet su linea mobile dati a quelli della radio servendo un numero di ROVER virtualmente illimitato senza problemi di distanza.

I collegamenti via radio e GSM prevedono che l’utente disponga del ricevitore BASE, del ROVER e del sistema di trasmissione (radio o telefonia); nel caso di collegamento ad un servizio di posizionamento l’utente dovrà disporre del solo ROVER e della tecnologia (un modem) per ricevere le correzioni dalla linea dati della telefonia mobile.

Per aziende di elevata estensione e dotate di numerosi mezzi operativi è ragionevole prendere in considerazione entrambe le soluzioni: comunicazione via RADIO o via NTRIP. Per aziende di modesta estensione e per operatori conto-terzi la soluzione NTRIP è preferibile.

Infine, occorre sottolineare che un livello di precisione intermedia, rispetto a quelli descritti, è fornito dalle correzioni distribuite tramite il sistema EGNOS, consistente in una costellazione di pochi satelliti (2/3) geostazionari. Un problema di questa tecnologia non trascurabile è legato al basso numero di satelliti disponibili ed al conseguente rischio del loro occultamento da parte di ostacoli naturali e/o artificiali con conseguente perdita delle correzioni e della precisione. Quest’ultima è comunque di poco inferiore al metro.

Schema relativo al posizionamento di un mezzo agricolo mediante l’uso delle misure satellitari e delle correzioni ricevute da un servizio di posizionamento via linea dati mobile

Equipaggiamento per l’agricoltura: sistemi per la guida assistita

In ambito agricolo un ROVER consiste in una macchina per lavorazioni agricole equipaggiata con un sistema ricevitore-antenna GNSS e di un dispositivo per la ricezione delle correzioni (radio/modem). L’antenna viene in genere posta in cima al tettuccio della cabina di guida, all’interno sono invece alloggiati ricevitore e radio/modem). La console di guida è dotata di un schermo attivo con cui l’operatore può programmare e seguire le operazioni di lavorazione. Le soluzioni più avanzate possono prevedere anche un volante a controllo automatico (sterzatura automatica).

Utilizzo della guida assistita nelle lavorazioni agricole

La diffusione dei sistemi di posizionamento satellitare e guida assistita è principalmente legata ad un concetto di ottimizzazione delle risorse e del tempo impiegato per le lavorazioni agricole: posizionare con precisione la macchina operatrice sul campo significa ridurre le zone di sovrapposizione per una stessa lavorazione, con risparmi di materie prime, carburante e tempo.

Le tecniche di posizionamento che hanno interesse nelle lavorazioni agricole sono quelle che fanno uso delle correzioni differenziali da BASE o da servizio di posizionamento. Le lavorazioni che traggono vantaggi dal posizionamento di precisione sono: aratura, discatura, irrorazione, spandimento, erpicatura, assolcatura, impianto, coltivazione, rincalzatura, raccolta, preparazione del campo, modellamento e/o il livellamento del terreno; meno evidenti sembrano i vantaggi nella semina.

Nelle soluzioni più diffuse i sistemi a guida assistita si limitano a fornire informazioni all’operatore tramite il monitor posto nella cabina di guida, lasciando comunque l’onere della conduzione del mezzo all’operatore stesso.

Più sofisticati sono i sistemi che fanno ricorso alla guida totalmente automatizzata e all’uso di software per la pianificazione e la gestione delle lavorazioni. In prima battuta è evidente quanto la guida automatica sia conveniente quando la superficie da lavorare è di considerevole estensione (non a caso queste tecnologie provengono dai mercati USA e Australia dove l’azienda media ha estensioni ragguardevoli): uno dei vantaggi evidenti è il minor carico di lavoro richiesto all’operatore. I software di pianificazione e gestione evidenziano la loro utilità nell’ambito de:

• modellamento del terreno: oltre al caso di appezzamenti di grande estensione, vanno considerati anche quelli in cui la pendenza media ha valori non trascurabili, in essi una corretta modellazioni indirizza lo scolo delle acque nelle direzioni migliori;
• gestione delle risorse e della produttività: la possibilità di graficizzare determinati parametri in funzione della posizione sul terreno facilita l’analisi ed il corretto impiego dei fattori produttivi;
• riduzione degli errori nei trattamenti: l’automazione arriva al punto che il trattamento viene impedito se la macchina operatrice non si trova nel punto esatto per il quale l’operazione è stata pianificata.

Alcune riflessione per l’analisi costi/benefici

Detto che l’investimento in queste tecnologie va ponderato valutando attentamente il beneficio che si presume di trarre in funzione di parametri quali estensione dell’azienda, valore unitario della produzione, costo delle materie prime ecc, è immediato individuare nell'ottimizzazione delle risorse il beneficio principale prodotto reintroduzione delle tecnologie di posizionamento da satellite nel mondo dell’agricoltura.

In prima approssimazione e con alcuni facili calcoli si evidenzia che un valore minimo, cautelativo e ragionevole per il risparmio di carburante e materie prime si aggira attorno al 10%, valore che sembra in linea con i dati raccolti nelle aziende che adottano questa tecnologia. A ciò va aggiunto il risparmio in termini di tempo.

Soffermandosi invece sulla della tecnologia vi sono alcuni aspetti che vale la pena segnalare. In caso di correzioni da singola BASE la soluzione più versatile è quella che prevede la trasmissione via radio, al netto della portata (qualche km nel rispetto delle norme vigenti, ma con la possibilità di utilizzare ripetitori), questa soluzione è interessante quando si devono gestire più mezzi contemporaneamente, ed offre la possibilità di svincolarsi completamente dalla copertura del campo dati della telefonia mobile.

L’uso dei sistemi di correzioni via servizio di posizionamento è attualmente la soluzione più diffusa. Una criticità è costituita appunto dalla copertura del campo dati (GPRS, UMTS) in alcune zone: ad esempio in Italia nell’Appennino non sempre è ottimale. In questi casi è possibile ovviare a ciò mediante soluzioni che prevedono l’utilizzo di modem dual-SIM, gestendo la connettività con due operatori di telefonia contemporaneamente; oppure ricorrendo a ponti radio-modem (o RTK-BRIDGE). Questi ultimi sono costituiti da un modem collegato ad una radio: ponendo la strumentazione in un punto al limite del campo di telefonia è possibile inviare le correzioni ivi ricevute nelle zone non coperte mediante un ponte radio.

Conclusioni

Laddove risulti ragionevole, l’investimento nei sistemi di guida assistita porta a rispari indubbiamente interessanti sul costo del carburante e delle materie prime. Inoltre, con buona probabilità, la commercializzazione dei sistemi di navigazione in ogni settore della tecnologia porterà questi dispositivi ad avere in futuro prossimo prezzi sempre più bassi; questo sarà un fattore determinante per la loro diffusione anche nel settore agricolo.

Nicola Perfetti

Dottore di ricerca in scienze geodetiche e topografiche,  ha lavorato per una decina di anni nell'ambito della ricerca universitaria relativa alle applicazione dei sistemi di navigazione satellitare e dei servizi di posizionamento. 

Attualmente lavora per Topcon Positioning Italy in qualità di tecnico del servizio di posizionamento Italiano