Informazioni sulla tecnologia GPS

GPS - Global Positioning System

Global Positioning System (abbreviato in GPS, a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System), è un sistema satellitare, basato sull' algoritmo di Dijkstra, a copertura globale e continua gestito dal dipartimento della difesa (Department of Defence, DoD) statunitense, che consente ad un utente posto a contatto o in prossimità della superficie terrestre di conoscere la propria posizione geografica ed, eventualmente, l'altitudine dal livello del mare.

Storia del GPS

Il Navy Navigation Satellite System, generalmente noto come sistema NAVSAT e oggi rinominato GPS Navstar, fu realizzato dopo un lungo periodo di sperimentazione come progetto Transit. Esso nelle intenzioni iniziali era destinato a fornire ai sommergibili USA dotati di missili Polaris un sistema di navigazione preciso e con copertura mondiale. Fu quindi adottato con successo da navi da guerra di superficie. Nel 1991 gli USA aprirono al mondo il servizio con il nome SPS (Standard Positioning System), ma differenziato da quello militare denominato PPS (Precision Positioning System). In pratica veniva introdotta la SA (Selective Availability) che introduceva nei segnali satellitari degli errori intenzionali. Il GPS è stato creato a sostituzione del precedente sistema, il Transit, quando gli USA hanno rinunciato alla Selective Availability ed hanno reso il primo sistema accurato quanto il secondo, ed è supportato da un sistema di 24 satelliti artificiali. Fino al maggio 2000, il segnale per uso civile veniva degradato per ridurre la precisione attraverso la Selective Availability (SA), consentendo precisioni nell'ordine di 100-150 m. Da quella data, invece, per decreto del Presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, è stata disabilitata la degradazione del segnale, consentendo la precisione attuale di circa 10-20 m. Nei modelli per uso civile è presente un dispositivo che inibisce il funzionamento ad altezze e velocità superiori a certi valori, per impedirne il montaggio su missili improvvisati. L'UE ha in progetto il completamento di una propria rete di satelliti (Galileo) per scopi civili, fra i quali il GPS. Questo progetto ha una valenza strategica in quanto la rete americana è proprietà dei soli USA e in gestione ad autorità militari, che potrebbero decidere di ridurre la precisione o bloccare selettivamente l'accesso al sistema; un investimento e proprietà condivisi dagli Stati utilizzatori sono una garanzia di continuità, accessibilità e interoperabilità del servizio.

Funzionamento del sistema

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti componenti:

• un complesso di 24 satelliti
• una rete di stazioni di tracciamento (tracking station)
• un centro di calcolo (computing station)
• due stazioni di soccorrimento (injection stations)
• un ricevitore GPS

Satelliti

Sono disposti su orbite inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale (quindi non coprono le zone polari) a forma di ellissi a bassa eccentricità. La loro quota è di 20 200 Km. Ciascun satellite emette sulle frequenze di 1,2 e 1,5 Ghz derivate da un unico oscillatore ad alta stabilità. Lo scopo della doppia frequenza è quello di eliminare l'errore dovuto alla rifrazione atmosferica. Su queste frequenze portanti, modulate in fase, vengono emessi i messaggi di effemeride ciascuno della durate di due minuti; essi iniziano e terminano ai minuti pari interi del T.M.G. Questi messaggi di effemeride contengono il segnale orario e i parametri orbitali del satellite. In tal modo il ricevitore GPS, mentre effettua il conteggio doppler, riceve i parametri dell'orbita da cui deriva la posizione del satellite: viene così a disporre di tutti gli elementi necessari a definire nello spazio la superfice di posizione.

Stazioni di tracciamento e centro di calcolo

Il tracciamento dei satelliti comprende tutte quelle operazioni atte a determinare i parametri dell'orbita. A ciò provvedono 4 stazioni principali dette appunto di tracciamento (main tracking stations) ed ad un centro di calcolo (computing center), tutti situati in territorio USA, ed in particolare a Wahiova (Hawai), Point Mogu (California), Prospect Harbur (Maine) e Rosemount (Minnesota). Point Mogu è anche sede del centro di calcolo. Ogni volta che ciascun satellite nel suo moto orbitale sorvola il territorio americano le stazioni di tracciamento ne registrano i dati doppler che vengono avviati al centro di calcolo e qui valorizzati per la determinazione dei parametri orbitali. Per risolvere questo problema è stato necessario venire in possesso di un fedele modello matematico del campo gravitazionale terrestre. La costruzione di questo modello è stato uno dei problemi di più ardua soluzione nello sviluppo del progetto Transit da cui è derivato l'attuale Navstar. I risultati di questa indagine sul campo gravitazionale terrestre, che sono di vasta portata dal punto di vista geodetico, possono riassumersi in una immagine del globo dove vengono riportate le linee di eguale scostamento del Geoide (LMM) dall'ellissoide di riferimento APL.

Stazioni di soccorrimento

I parametri orbitali di ciascun satellite,appena determinati presso il centro di calcolo, sono riuniti in un messaggio che viene inoltrato al satellite interessato mediante una delle stazioni di soccorrimento. Il satellite registra i parametri ricevuti nella sua memoria e li reirradia agli utenti.

Ricevitore GPS

Il principio di funzionamento si basa su un metodo di posizionamento sferico, che consiste nel misurare il tempo impiegato da un segnale radio a percorrere la distanza satellite-ricevitore. Conoscendo l'esatta posizione di almeno 3 satelliti per avere una posizione 2D (bidimensionale) e 4 per avere una posizione 3D (tridimensionale) ed il tempo impiegato dal segnale per giungere al ricevitore, è possibile determinare la posizione nello spazio del ricevitore stesso. La precisione può essere ulteriormente incrementata grazie all'uso di sistemi come il WAAS (statunitense) o l'EGNOS (europeo), perfettamente compatibili tra di loro. Consistono in uno o due satelliti geostazionari che inviano dei segnali di correzione. La modalità Differential-GPS (DGPS) utilizza un collegamento radio per ricevere dati DGPS da una stazione di terra e ottenere un errore sulla posizione di un paio di metri. La modalità DGPS-IP sfrutta, anziché onde radio, la rete Internet per l'invio di informazioni di correzione. All'interno di palmari, navigatori satellitari ed altri dispositivi è implementato il software necessario a interpretare i dati del ricevitore satellitare e a localizzarlo. Nel prezzo d'acquisto dei dispositivi è inclusa una royalty per la società che gestisce la rete di satelliti. Esistono in commercio ricevitori GPS ("esterni") connettibili mediante porta USB o connessioni senza fili come il Bluetooth che consentono di realizzare navigatori GPS su vari dispositivi: palmari, PC, computer portatili, cellulari se dotati di sufficiente memoria. Per la navigazione esistono software come Microsoft Autoroute che può integrare un navigatore GPS, o programmi open source che utilizzano una cartografia pubblica. Uno dei più diffusi è GPS_Drive che utilizza la cartografia della NASA, che mette a disposizione del pubblico le immagini topografiche in scala 1:2.600.000 dell'intero globo terrestre. La cartografia, di alcuni giga, è scaricabile legalmente e soltanto dalle reti P2P. Come è tipico dei software open-source, il programma consente una forte personalizzazione, potendo scansionare ed importare stradari e proprie carte geografiche, o inserire "waypoint", punti di passaggio di interesse per il guidatore. Oltre a ciò, offre le tradizionali funzioni di navigazione interattiva delle mappe con regolazione della scala di riferimento, e la navigazione vocale, integrandosi con "Festival", software open source di sintesi vocale. Ad eccezione dei GPS satellitari, tutti gli altri sono impostati per trasmettere ad un baudrate di 4800 baud (simboli al secondo) su porta seriale. Trattandosi di una scelta dei costruttori, aumentare questa velocità non reca alcun beneficio. Del resto, la frequenza tipica con cui viene rilevata la posizione è di 1 Hz (ossia un posizionamento al secondo), e velocità trasmissive superiori sarebbero sostanzialmente inutili.