GPS, cos’è e come funziona

Il sistema GPS, Global Positioning System, è un sistema di posizionamento satellitare a livello globale sviluppato dagli Stati Uniti. La copertura del segnale GPS è attiva 24 ore su 24 e permette di determinare con esattezza la posizione di un oggetto fornendone longitudine, latitudine e altitudine.

Nel mondo esistono diversi sistemi satellitari per il rilevamento di posizione, il primo sviluppato è stato il NAVSTAR che corrisponde a quello che noi conosciamo come GPS. La controparte del GPS dei russi è il GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) che ha 24 satelliti attivi, 4 satelliti di riserva da utilizzare in caso di guasti e altri 3 in stato di riparazione o fuori uso. L’Europa ha deciso di dotarsi di un proprio sistema satellitare che prenderà il nome di GALILEO e sarà attivo alla fine del 2014 con 30 satelliti. Anche la Cina e l’India hanno un proprio sistema satellitare e si chiamano rispettivamente BEIDOU per la Cina e IRNSS per l’India. Il sistema cinese, nato inizialmente per una copertura regionale lo si sta convertendo in un sistema satellitare globale con l’utilizzo di 27 satelliti in orbita MEO, 5 geostazionari e 3 in orbita IGSO. Il sistema satellitare indiano IRNSS dovrebbe essere completato per il 2015 anche se di recente lo stato indiano ha stretto accordi con il governo russo per restaurare il sistema GLONASS.

GPS, sistema globale di posizionamento satellitare: Segmento spaziale, di controllo e di utilizzo

Il sistema americano NAVSTAR, acronimo di Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System (meglio conosciuto come GPS), è stato realizzato in ambito militare dal Ministero della Difesa statunitense per conoscere con precisione la posizione di un ricevitore GPS sulla Terra. Con il suo sviluppo, il sistema GPS è stato utilizzato anche un ambito civile anche se inizialmente, per motivi di sicurezza, la posizione rilevata con i satelliti veniva leggermente modificata.

Il sistema GPS è costituito da tre parti:

  • Segmento spaziale (24 satelliti)
  • Segmento di controllo (5 centri di controllo)
  • Segmento d’utilizzo (i ricevitori)

    Il segmento spaziale

    Il sistema GPS è stato completato nel 1993 ed utilizza 24 satelliti, 21 di questi sono operativi mentre altri 3 sono di scorta in caso di guasti. Ogni satellite compie una rivoluzione in 12 ore, ripassa quindi nello stesso punto circa ogni 24 ore. Per poter ricevere il segnale di almeno 5 satelliti da ogni punto della terra (esclusi i poli), i satelliti sono inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale e sono dispositivi su 6 piani orbitali diversi e ugualmente distanti tra di loro.

    Costellazione Satelliti GPS

    Di seguito è mostrata un’animazione della costellazione dei satelliti GPS durante il movimento di un ricevitore sulla Terra:

    Costellazione GPS

    Il segmento di controllo

    Il segmento di controllo è costituito da cinque centri di controllo che hanno il compito di gestire il funzionamento dei satelliti e di gestire le informazioni inviate dai satelliti GPS. Le stazioni del segmento di controllo sono tutte disposte vicino all’equatore: a Colorado Springs negli USA, Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia e Kwajalein. La sede di Colorado Springs raccoglie i dati delle altre stazioni e si occupa della compensazione dei dati, in particolare degli errori degli orologi nei satelliti utilizzati per calcolare la posizione. Le stazioni di controllo devono anche imporre eventuali correzione d’orbita calcolando la corretta posizione dei satelliti monitorando i loro spostamenti (effemeridi).

    Mappa delle Stazioni di Controllo GPS

    Il segmento d’utilizzo

    Il segmento d’utilizzo rappresenta l’insieme dei dispositivi dotati di GPS che fungono da ricevitori sulla Terra, possono essere dei navigatori, cellulari, auto dotate di antifurto GPS o delle scatole nere degli aerei. Questi dispositivi ricevono il segnale dai satelliti, lo elaborano e ne ricavano informazioni in base alla velocità, posizione e tempo del dispositivo.

      
    Funzionamento del GPS e sincronizzazione degli orologi

    Un ricevitore per poter conoscere la propria posizione interagisce con i satelliti tramite le stazioni di controllo. Inizialmente il segnale viene inviato alla stazione di controllo più vicina, questa comunica la richiesta del dispositivo ai satelliti i quali calcoleranno la posizione del dispositivo e si metteranno in comunicazione direttamente con esso.

    Sistema di funzionamento GPS

    Per poter calcolare la posizione di un dispositivo, ogni satellite è dotato di alcuni orologi atomici con 4 oscillatori ad altissima precisione, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio con possibilità di errore di un secondo ogni 30000 anni. Questi orologi vengono utilizzati per poter calcolare la distanza tra un dispositivo GPS e un satellite. In determinate orari, sia satelliti che i dispositivi GPS sulla Terra generano uno stesso codice. I satelliti inviano questo codice sula Terra e quando i dispositivi GPS leggeranno il codice saranno in grado di calcolare quanto tempo il segnale ha impiegato per arrivare sulla Terra. Moltiplicando il tempo per la velocità della luce (300.000 km/s) si ottiene la distanza tra il satellite ed il ricevitore GPS.
    Il corretto funzionamento di un sistema GPS è fortemente influenzato dall’accuratezza degli orologi, un solo millesimo di secondo di differenza potrebbe portare ad un errore di 300km! Dato che un orologio atomico dei satelliti costa 160.000 euro, per i dispositivi più economici presenti sulla Terra, si è scelto di puntare su orologi capaci di mantenere un estrema precisione per brevi periodi ma che devono essere spesso corretti (sfruttando direttamente i segnali dei satelliti). Un sistema che diminuisce i tempi di localizzazione è l’AGPS.

    Maggiori informazioni sul calcolo della posizione di un dispositivo dotato di GPS e degli errori che il sistema GPS deve affrontare si trovano in questo articolo:
    Individuazione di un dispositivo GPS sulla Terra e fonti di errore.

    Photo Credit: Wiki Commons

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