Il sistema GPS, noto anche con il nome di NAVSTAR-GPS (NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System), risale al 1973.
Questo sistema di posizionamento satellitare nasce per scopi esclusivamente militari e diventa operativo per la prima volta nel 1994.
Come funziona
Nonostante sia nato come sistema militare, dopo poco tempo, viene reso disponibile anche per uso civile.
Per ragioni di sicurezza nazionale, inoltre, la precisione per utilizzo civile è stata volutamente degradata, aggiungendo appositi disturbi al segnale.
Solo nel Maggio del 2000 il DoD (Department of Defense) ha deciso di rimuovere il disturbo rendendolo più preciso e affidabile.
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La disponibilità del segnale GPS 24 ore su 24 in ogni angolo del globo permette di conoscere i seguenti 4 parametri fondamentali:
- Latitudine
- Longitudine
- altitudine
- Tempo
La conoscenza di tali parametri permette la determinazione della posizione esatta di un oggetto e, quindi, la possibilità di realizzare sistemi d’allarme e di navigazione.
Tipologie di posizionamento
Il posizionamento è ottenibile attraverso due distinte tecniche operative, diverse sia concettualmente sia per il grado di precisione:
- Point Positioning (posizionamento assoluto di un punto singolo nel sistema di riferimento assegnato). Le informazioni ricevute dai vari satelliti sono elaborate in modo indipendente per determinare, anche in tempo reale, la posizione, la velocità e la traiettoria del ricevitore stesso. La precisione dell’ordine della decina di metri dipende dalla qualità del ricevitore usato.
- Differential Positioning (posizionamento differenziale). In questo caso sono utilizzati almeno due ricevitori. Le informazioni acquisite vengono elaborate congiuntamente per determinare il “baseline”, cioè il vettore che collega i centri delle antenne e, quindi, la posizione reciproca dei ricevitori stessi. Tale metodo permette di raggiungere una precisione superiore a quella ottenibile mediante la tecnica precedente, ma è attuabile solo se si conosce la posizione di un ricevitore di riferimento; solo così è possibile stimare le coordinate degli altri ricevitori. E’ possibile effettuare il posizionamento relativo in tempo reale solo se i ricevitori possono comunicare fra loro, altrimenti i dati raccolti vengono memorizzati ed elaborati a posteriori per ricostruire le posizioni reciproche occupate durante il rilievo.
Un sistema di posizionamento satellitare è in grado di fornire con estrema precisione le coordinate geografiche (longitudine, latitudine, quota) nonché la velocità di qualsiasi mezzo fisso o mobile in ogni punto della Terra e per l’intero arco delle ventiquattro ore.
Tipologie di segmenti
In un sistema satellitare è possibile individuare tre segmenti:
- Spaziale: i satelliti.
- Di controllo a terra: prevede il controllo e il monitoraggio dei satelliti in orbita e dei loro orologi.
- Utente: ricevitori dei segnali satellitari.
Il segmento spaziale è composto da una costellazione di 28 satelliti artificiali.
Di questi, 24 operativi, distribuiti su 6 piani orbitali, distanziati fra loro di un angolo di 60° e formanti un angolo di 55° rispetto al piano equatoriale.
Tale scelta è stata dettata dall’esigenza di poter coprire tutta la superficie del globo terrestre con il vincolo che da ogni punto siano visibili contemporaneamente almeno 4 satelliti.
In ogni punto della terra è sempre possibile “vedere” tra cinque e otto satelliti per ovviare ad eventuali problemi dovuti al mancato funzionamento di uno di questi.
Le orbite dei satelliti sono quasi circolari con un raggio orbitale di circa 26600 Km e si trovano a circa 20200 km di altezza sul livello del mare.
Tipologie di stazioni
Il segmento di controllo, indicato anche con l’acronimo OCS (Operational Control System), è costituito dall’insieme di stazioni, equispaziate lungo l’equatore, coinvolte nel monitoraggio e nel controllo del sistema GPS:
- una stazione di comando MCS (Master Control Station) situata nella Falcon Air Force Base nei pressi di Colorado Spring;
- 6 stazioni di monitoraggio MS (Monitor Station);
- 4 stazioni trasmittenti GA (Ground Antenna).
Le stazioni di monitoraggio ricevono continuamente i segnali emessi da tutti i satelliti.
I dati raccolti da ciascuna stazione comprendono il segnale di clock del satellite, la sue correzioni rispetto al tempo universale UTC (Universal Time Coordinate).
Contengono inoltre le effemeridi dei satelliti, cioè la previsione delle orbite satellitari nelle future 12 o 24 ore e vari segnali di stato.
Le effemeridi informano il ricevitore sull’esatta posizione del satellite nello spazio, così che il ricevitore possa conoscere perfettamente dove si trova l’origine del segnale che ha ricevuto.
Ogni satellite trasmette le proprie effemeridi.
Inoltre, ogni satellite trasmette un almanacco, che è un’informazione più generale, rispetto a quella contenuta nelle effemeridi, sulla posizione di tutti i satelliti della costellazione GPS.
Questo fa sì che il ricevitore sappia sempre dove e quando ricercare i satelliti, nel momento dell’individuazione della posizione.
Il segmento utente non è altro che l’insieme degli utilizzatori finali, siano essi civili o militari.
Ogni utente è dotato di un ricevitore, più o meno sofisticato, capace di acquisire i segnali emessi dai satelliti GPS per stimare il posizionamento tridimensionale in tempo reale.
Tali ricevitori sono di tipo passivo, per questo motivo il numero degli utenti che può essere servito è illimitato.
Come si determina la posizione
Esistono due tipi di misure GPS (osservabili): le misure di pseudorange e le misure di fase.
Le prime sono usate soprattutto nella navigazione, mentre le seconde in tutte le applicazioni in cui è richiesta una maggiore accuratezza.
Un esempio pratico è per scopi topografici o per il controllo delle deformazioni terrestri.
La determinazione della posizione richiede la risoluzione di un sistema non lineare di 4 equazioni indipendenti in 4 incognite.
Tali incognite sono:
- Latitudine.
- Longitudine.
- Altitudine.
- Tempo.
Occorre quindi disporre di 4 segnali, trasmessi da altrettanti satelliti.
Bisogna sottolineare che per determinare la posizione non è possibile utilizzare segnali riflessi, ma solo quelli diretti LOS (Light Of Sight).
Conoscendo l’istante di partenza e di arrivo del segnale possiamo calcolare la distanza ricevitore-satellite assegnando al segnale la velocità della luce (300.000 Km/s).
La misura della distanza è affetta da diversi errori.
Soprattutto dovuti agli effetti atmosferici sulla velocità di propagazione del segnale e alle imprecisioni dei segnali di clock dei satelliti e ad altri effetti secondari.
Per tale ragione, la distanza misurata viene chiamata nel gergo GPS pseudodistanza o pseudorange.
La triangolazione satellitare
Il sistema di funzionamento è relativamente semplice.
Si basa, di fatto, sul metodo della Triangolazione (o Trilaterazione), un sistema utilizzato per secoli dai navigatori.
Il sistema ricevente dell’utente riceve impulsi dai satelliti della costellazione Gps e, attraverso un sistema di equazioni, desume la propria posizione triangolando i segnali automaticamente, utilizzando essenzialmente un metodo adottato nell’antichità dai naviganti e tutt’oggi dai cartografi.
Utilizzando la rilevazione della posizione di almeno tre punti fissi (con coordinate note) si calcola la propria posizione, data dall’incontro delle rette passanti per detti punti.
Questa prima considerazione ci fa dedurre, quindi, che non è il dispositivo di navigazione al suolo (in mare o nel cielo) che comunica la propria posizione ai satelliti, come si potrebbe immaginare, ma in realtà avviene il contrario.
Il ricevitore
Il ricevitore è atto a ricevere segnali univoci e continui dal satellite che li invia in maniera unidirezionale.
La ricezione dei segnali di tre distinti satelliti fornisce un’indicazione abbastanza precisa della posizione, ma non assolutamente precisa.
Per questo motivo occorre ricevere l’impulso da un quarto satellite per ottenere la maggiore precisione possibile.
Ogni satellite della costellazione genera un segnale contenente tre informazioni.
Iil proprio identificativo, la posizione sull’orbita in cui si trova e un segnale temporale la cui precisione è garantita dall’orologio atomico montato a bordo.
Attraverso queste informazioni il dispositivo ricevente è in grado di conoscere la distanza esatta dal satellite.
Applicando una delle leggi di Newton (distanza = velocità x tempo) e quindi moltiplicando il tempo di percorrenza del segnale per la velocità della luce (circa 300.000 km al secondo).
Chiaramente, però, il ricevitore può trovarsi in un qualsiasi punto di un’ipotetica sfera il cui raggio è rappresentato dalla distanza ricevitore/satellite (Figura a).
La ricezione di un secondo segnale, analogo al primo, da un secondo satellite genererà una seconda sfera che s’intersecherà con la prima in due punti generando un’ellisse entro la quale si troverà il punto ricercato (Figura b).
Basterà quindi ricevere il segnale da un terzo satellite per limitare le possibilità a due punti molto vicini (uno dei quali potrà essere automaticamente eliminato poiché verrà a trovarsi ad una quota assurda) e quindi ottenere la corretta posizione dell’apparato ricevente (ultima figura).
Tutto ciò in attesa del completamento del nuovo sistema di navigazione satellitare Galileo, tutto europeo e con una migliore affidabilità e precisione.
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