Nato per un impiego militare il Global Positioning System oggi viene comunemente usato per calcolare posizioni, raggiungibili dai segnali satellitari, in mare, terra e cielo
Settembre 2004 Il Global Positioning System (GPS) è costituito da una “rete” di satelliti (di proprietà del Dipartimento della Difesa americana) che trasmette in continuazione segnali radio di bassa potenza. I ricevitori GPS, interpretando questi segnali, sono in grado di calcolare l’esatta distanza dai satelliti e conseguentemente la propria univoca posizione sulla terra.
La costituzione e il mantenimento del sistema GPS sono costati al governo americano svariati miliardi di dollari. Originariamente aveva esclusivamente impiego militare. Poteva aiutare la navigazione delle navi, il dispiegamento delle truppe e il fuoco dell’artiglieria, tanto per citare alcuni utilizzi.
Fortunatamente un decreto esecutivo del 1980 rese disponibile il sistema GPS anche per usi civili. Oggigiorno viene comunemente usato per calcolare posizioni ovunque: terra, mare e cielo, ma sempre in luoghi “aperti”, raggiungibili dai segnali satellitari. Per questo motivo il GPS non è in grado di funzionare nel sottosuolo, nelle gallerie, all’interno di edifici o sott’acqua.
Sicuramente gli inventori del sistema GPS non avevano previsto che un giorno piccoli ricevitori satellitari non solo sarebbero stati in grado di esprimere una posizione con coordinate (latitudine/longitudine), ma anche visualizzare la posizione su una mappa elettronica insieme a città, edifici e strade.
Le tre componenti del sistema GPS
Il NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging, nome ufficialmente dato dal Dipartimento della Difesa USA al sistema GPS) è composto di tre segmenti o parti: il segmento spazio (satelliti); il segmento terra (stazioni terrestri di controllo); il segmento utilizzatore (ricevitori GPS).
Il segmento spazio
È costituito da 24 (o più) satelliti in orbita attorno alla terra. Funzionano a energia solare e sono forniti di piccoli razzi per correggere eventuali errori di rotta. Trasmettono segnali radio di bassa potenza su diverse frequenze (denominate L1, L2 e così via).
I ricevitori GPS a uso civile “ascoltano” la frequenza L1 (1574.42 MHz su banda UHF). I segnali radio viaggiano sulla linea di visuale, ciò significa che possono passare attraverso nuvole, vetro e plastica, ma non attraverso oggetti solidi quali edifici e montagne.
Il segnale radio L1 contiene tre differenti parti di informazione: il codice pseudocasuale, il codice effemeride e il codice almanacco: codice pseudocasuale: è un codice numerico che identifica il satellite; codice effemeride: è un codice costantemente trasmesso che contiene informazioni sullo “stato di salute del satellite” e la data/ora corrente; codice almanacco: l’insieme dei dati inerenti l’approssimativa posizione orbitale di tutti i satelliti della Rete GPS in ogni momento del giorno.
Il segmento terra
È composto da cinque postazioni fisse di “controllo” dislocate nel mondo. Una principale e quattro secondarie. Le quattro stazioni secondarie hanno il compito di ricevere costantemente i dati dai satelliti e di inviarli alla stazione principale. La stazione principale verifica ed eventualmente corregge i dati inerenti a orbita, velocità, altitudine, ora (con l’orologio atomico) e li ritrasmette direttamente ai satelliti.
Il segmento utilizzatore
È la parte più semplice in quanto è composta esclusivamente dai ricevitori GPS.
Il tempo è l’essenza del GPS
Per calcolare la propria posizione, un ricevitore GPS deve conoscere due dati: posizione e, ancor più importante, distanza dai satelliti. Attraverso l’ininterrotta trasmissione del codice almanacco i ricevitori GPS conoscono la posizione approssimativa di tutti i satelliti in un dato momento.
Per la distanza invece ricorrono a una semplice formula: velocità del segnale (velocità della luce) x il tempo di arrivo = distanza. La formula viene anche corretta calcolando un leggero ritardo dovuto all’attraversamento dell’atmosfera terrestre da parte dei segnali radio.
Ma perché il tempo è fondamentale per calcolare le distanze? Sappiamo che l’orario dei satelliti e del ricevitore GPS sono esattamente sincronizzati. In un determinato istante il satellite trasmette un codice e il ricevitore ne crea uno identico.
Quando il codice trasmesso arriva al ricevitore, viene comparato al gemello e misurato il tempo intercorso tra la creazione e la ricezione. Questo lasso di tempo (tempo di arrivo) è quantificabile in pochi centesimi di secondo, ma chiaramente la precisione del calcolo va ben oltre i centesimi o i millesimi di secondo.
Per determinare la propria posizione (latitudine/longitudine) un ricevitore GPS deve ricevere dati contemporaneamente da tre satelliti. Per conoscere anche l’altitudine ne occorrono almeno quattro.
Anche il GPS sbaglia (ma di poco)
Agli inizi dell’impiego in ambito civile il margine di errore sul calcolo delle posizioni fu volutamente mantenuto, per ragioni di sicurezza, attorno ai 100 metri. Oggigiorno i comuni ricevitori GPS hanno un margine di errore di 10-20 metri, mentre quelli più recenti e accurati hanno un margine ancora più basso.
Ma perché un sistema così sofisticato e preciso può sbagliare? I motivi sono molteplici e possono anche sommarsi tra loro:
ritardo atmosferico: il segnale dei satelliti rallenta attraversando l’atmosfera. Il sistema viene corretto con un calcolo di ritardo medio, che quindi non è preciso;
percorsi multipli: i segnali GPS possono venire riflessi da alti edifici o da montagne prima di raggiungere il ricevitore. Questo incrementa leggermente il tempo di arrivo;
orologio del ricevitore: l’orario del ricevitore GPS potrebbe non essere perfettamente sincronizzato con l’orologio atomico;
errori orbitali: i satelliti potrebbero essere leggermente fuori rotta;
geometria satellitare: più i satelliti cui si è collegati sono distanti tra loro, maggiore è l’accuratezza delle misurazioni. Viceversa, più sono raggruppati, minore potrebbe risultare la precisione;
numero dei satelliti visibili: più sono i satelliti “in vista” del ricevitore GPS, maggiore sarà la precisione di posizionamento. Edifici, montagne, interferenze elettromagnetiche e anche il denso fogliame degli alberi possono bloccare la ricezione del segnale provocando un errore di posizionamento o addirittura il mancato posizionamento.
I numeri in gioco
• 24 satelliti (21 operativi e 3 di riserva) il cuore del sistema GPS
• 19.300 km (circa) la distanza dei satelliti dalla terra
• 11.250 km/h (circa) la velocità dei satelliti in orbita
• 12 ore (circa) per compiere un’orbita completa attorno alla terra
• 10 anni la vita media di un satellite
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• 1978 l’anno in cui è stata costituita la prima rete GPS
• 1994 l’anno in cui è stato raggiunto l’impiego dei 24 satelliti necessari a una completa copertura
• 3 satelliti sono necessari a un ricevitore GPS per calcolare le coordinate (latitudine/longitudine) della propria posizione
• 4 satelliti sono necessari a un ricevitore GPS per calcolare anche l’altitudine
• 50 watt la potenza (molto bassa) dei segnali trasmessi dai satelliti.
In un recente viaggio fatto in Norvegia ho notato che in quasi tutte le gallerie esiste un segnale che sostituisce i satelliti e mi da inficazioni sul tunnel. Nome, lunghezza, quanto manca alla uscita e, in caso di svinvoli sotterranei, la direzione da prendere, il tutto con buona precisione. Quando si esce riprende la normalità. Sapete come funziona ? Graxie