Global Positioning System

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Satellite GPS

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

[modifica] Storia del GPS

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.

[modifica] 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

[modifica] 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 superficie di posizione.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] 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 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. Tale procedimento è chiamato trilaterazione, che utilizza solo informazioni di distanza, simile alla triangolazione, nella quale però vengono usate anche 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.

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.

[modifica] GPS e Teoria della Relatività

Scheda GPS per palmare

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 è 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.

[modifica] Il GPS nell'utilizzo quotidiano

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 rilevano efficaci non soltanto per la navigazione satellitare in se e per se, 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 nati per scopi diversi dalla Navigazione Satellitare (PC, Palmari, SmartPhone) trasformati come tali 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 di conseguenza l'abbattimento dei costi per i 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). 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 accoppiata. Negli ultimi anni, però, è stato introdotto in questo tipo di telefoni il sistema Assisted GPS, detto anche "A-GPS", tramite il quale è possibile ovviare a tale problema: 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.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni

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