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sabato 31 gennaio 2009

Il GPS - Global Positioning System

Il Global Positioning System (abbreviato in GPS, a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation System Time And Ranging Global Positioning System), è un sistema di posizionamento su base satellitare, a copertura globale e continua, gestito dal dipartimento della difesa statunitense.

Storia del GPS

Il GPS è stato creato in sostituzione del precedente sistema, il Transit

Nel 1991 gli USA aprirono al mondo il servizio con il nome SPS (Standard Positioning System), con specifiche differenziate da quello militare denominato PPS (Precision Positioning System). In pratica veniva introdotta la cosiddetta Selective Availability (SA) che introduceva errori intenzionali nei segnali satellitari allo scopo di ridurre l'accuratezza della rilevazione, consentendo precisioni solo nell'ordine di 100-150 m. Tale degradazione del segnale è stata disabilitata dal mese di maggio 2000, grazie a un decreto del Presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione attuale di circa 10-20 m. Nei modelli per uso civile devono essere presenti delle limitazioni: massimo 18Km per l'altitudine e 515 m/s per velocitá, per impedirne il montaggio su missili. I limiti possono essere superati non contemporaneamente.

L'UE ha in progetto il completamento di una propria rete di satelliti, il Sistema di posizionamento Galileo, per scopi civili, fra i quali il GPS. Questo progetto ha un'evidente valenza strategica in quanto la rete americana è proprietà dei soli Stati Uniti d'America ed è gestita da autorità militari, che, in particolari condizioni, potrebbero decidere discrezionalmente e unilateralmente di ridurre la precisione o bloccare selettivamente l'accesso al sistema; la condivisione dell'investimento e della proprietà da parte degli stati utilizzatori garantisce continuità, accessibilità e interoperabilità del servizio.

Funzionamento del sistema

Le spiegazioni successive sono parzialmente obsolete, ma rispecchiano la configurazione originale del sistema; attualmente (Marzo 2008) ci sono 31 satelliti attivi nella costellazione GPS. I satelliti supplementari migliorano la precisione del sistema permettendo misurazioni ridondanti. Al crescere del numero di satelliti, la costellazione è stata modificata secondo uno schema non uniforme che si è dimostrato maggiormente affidabile in caso di guasti contemporanei a più satelliti.

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti componenti:

  • un complesso di minimo 24 satelliti, divisi in gruppi di quattro su ognuno dei sei piani orbitali (distanti 60° fra loro e inclinati di 55° sul piano equatoriale)
  • 2 cicli al giorno
  • una rete di stazioni di tracciamento (tracking station)
  • un centro di calcolo (computing station)
  • due stazioni di soccorrimento (injection stations)
  • un ricevitore GPS

Satelliti

La costellazione di satelliti GPS.

Sono disposti su 6 piani orbitali inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale (quindi non coprono le zone polari) a forma di ellissi a bassa eccentricità. Ogni piano orbitale ha 3 o 4 satelliti, e i piani sono disposti in modo tale che ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti. La loro quota è di 20 200 km e compiono due orbite complete in un giorno siderale. 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, viene modulato il messaggio di navigazione contenente effemeride, almanacco e stato della costellazione, tempo GPS e parametri di correzione ionosferica. Ogni satellite trasmette l'almanacco (parametri orbitali approssimati) dell'intera costellazione, ma esclusivamente le effemeridi relative a se stesso. La parte relativa alle effemeridi dura 18 secondi e viene ripetuta ogni 30 secondi. Per scaricare completamente l'almanacco dell'intera costellazione sono necessari invece 12,5 minuti.

In tal modo il ricevitore GPS, mentre effettua il conteggio doppler, riceve i parametri dell'orbita da cui deriva la posizione del satellite (coordinate nel sistema WGS84): viene così a disporre di tutti gli elementi necessari a definire nello spazio la superficie di posizione.

In orbita vi sono un minimo 24 satelliti per la trasmissione di dati GPS, più 3 di scorta. Da questo si evince che da un punto del globo terrestre il ricevitore riesce a vedere solo la metà di essi, quindi 12. Ma non li vedrà mai tutti e 12 per via della loro inclinazione rispetto all'equatore. In più il ricevitore GPS stesso fa una discriminazione dei satelliti in base alla loro geometria e alla stima degli errori su ciascuno privilegiando quelli che forniscono maggior precisione. Ogni satellite è dotato di 4 oscillatori ad altissima precisione, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio; ha dei razzi per effettuare le correzioni di orbita. Ha due pannelli solari di area pari a 7,25 m² per la produzione di energia. Ha infine batterie di emergenza per garantire l'apporto energetico nei periodi in cui il sole è eclissato. Pesa circa 845 kg ed ha una vita di progetto di 7,5 anni.

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) e un centro di calcolo (computing center), tutti situati in territorio USA, ed in particolare a Wahiova (Hawaii), 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 nella quale 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

Intersecando tre circonferenze il cui raggio è la distanza dal satellite (che conosciamo) con la superficie terrestre si può individuare un punto su di essa

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 il tempo impiegato dal segnale per giungere al ricevitore e l'esatta posizione di almeno 3 satelliti per avere una posizione 2D (bidimensionale), e 4 per avere una posizione 3D (tridimensionale), è possibile determinare la posizione nello spazio del ricevitore stesso. Tale procedimento, chiamato trilaterazione, utilizza solo informazioni di distanza ed è simile alla triangolazione, dal quale tuttavia si differenzia per il fatto di fare a meno di informazioni riguardanti gli angoli.

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.

Esistono in commercio ricevitori GPS ("esterni"), interfacciabili mediante porta USB o connessioni senza fili come il Bluetooth, che consentono di realizzare navigatori GPS su vari dispositivi: palmari, PC, computer portatili, e, se dotati di sufficiente memoria, anche telefoni cellulari. Per la navigazione esistono software appositi, proprietari o open source che utilizzano una cartografia, anch'essa pubblica o proprietaria.

GPS e Teoria della Relatività

Gli orologi satellitari sono affetti dalle conseguenze della Teoria della Relatività. Infatti, a causa degli effetti combinati della velocità relativa, che rallenta il tempo sul satellite di circa 7 microsecondi al giorno, e della minore curvatura dello spaziotempo a livello dell'orbita del satellite, che lo accelera di 45 microsecondi, il tempo sul satellite scorre ad un ritmo leggermente più veloce che a terra, causando un anticipo di circa 38 microsecondi al giorno, e rendendo necessaria una correzione automatica da parte dell'elettronica di bordo. Questa osservazione fornisce un'ulteriore prova dell'esattezza della teoria in un'applicazione del mondo reale. L'effetto relativistico rilevato è infatti esattamente corrispondente a quello calcolabile teoricamente, almeno nei limiti di accuratezza forniti dagli strumenti di misura attualmente disponibili. Possono inoltre esistere altri tipi di errori del GPS che sono appunto di tipo atmosferico e di tipo elettronico

Il GPS nell'utilizzo quotidiano

Scheda GPS per palmare

I moderni ricevitori GPS hanno raggiunto dei costi molto contenuti. Dopo il telefono cellulare stiamo assistendo alla diffusione di un nuovo cult: quello del navigatore satellitare personale. Il mercato offre ormai soluzioni a basso costo per tutti gli impieghi e per tutte le tasche che si rivelano efficaci non soltanto per la navigazione satellitare in sé e per sé, ma anche per usi civili, per il monitoraggio dei servizi mobili e per il controllo del territorio. Esistono varie soluzioni:

  • Integrate: sono dispositivi portatili All-in-One che incorporano un ricevitore GPS, un display LCD, un altoparlante, il processore che esegue le istruzioni, date solitamente da un sistema operativo proprietario, uno slot per schede di memoria ove memorizzare la cartografia.
  • Ibride: sono dispositivi portatili (PC, Palmari, SmartPhone) che, nati per scopi diversi, sono resi adatti alla navigazione satellitare attraverso il collegamento di un ricevitore GPS esterno (Bluetooth o via cavo) e l'adozione di un software dedicato, in grado di gestire la cartografia.

Con la diffusione capillare dei sistemi GPS, e il conseguente abbattimento dei costi dei ricevitori, molti produttori di telefoni cellulari hanno cercato di inserire un modulo GPS all'interno dei loro prodotti, aprendosi quindi al nuovo mercato dei servizi LBS (Location Base Services, servizi basati sul posizionamento). Tali servizi vengono sempre più sfruttati per offrire anche sul web dei servizi molto utili. Tuttavia, la relativa lentezza con cui un terminale GPS acquisisce la propria posizione al momento dell'accensione (in media, tra i 45 e i 90 secondi), dovuta alla necessità di cercare i satelliti in vista, ed il conseguente notevole impegno di risorse hardware ed energetiche, ha frenato in un primo momento questo tipo di abbinamento. Negli ultimi anni, però, è stato introdotto in questo tipo di telefoni il sistema Assisted GPS, detto anche "A-GPS", con cui è possibile ovviare a tali problemi: si fanno pervenire al terminale GPS, attraverso la rete di telefonia mobile, le informazioni sui satelliti visibili dalla cella a cui l'utente è agganciato. In questo modo un telefono A-GPS può in pochi secondi ricavare la propria posizione iniziale, in quanto si assume che i satelliti in vista dalla cella siano gli stessi visibili dai terminali sotto la sua copertura radio. Tale sistema è molto utile anche come servizio d'emergenza, ad esempio per localizzare mezzi o persone ferite in seguito ad un incidente.

Stazioni permanenti GPS

Con il termine di stazioni permanenti GPS si intendono dei ricevitori GPS fissi, sempre attivi, che registrano in continuo il segnale GPS.

Voci correlate

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