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GPS: Come funziona il Global Positioning System? - prima parte

GPS: Come funziona il Global Position System

GPS: Cos’è, come funziona, come si può utilizzare convenientemente il Global Positioning System (GPS) la tecnica satellitare di navigazione e di ricerca sul piano terrestre che negli anni a venire sarà praticamente alla portata di tutti. In questo primo articolo ne parleremo e vi daremo le spiegazioni del caso, presentando anche un semplice programma col quale visualizzare su PC i dati provenienti da qualsiasi ricevitore GPS.

Dal cinema, dalla televisione, dagli altri mezzi di informazione un po’ tutti ormai sappiamo di avere “sopra la testa” (anche se a qualche decina di migliaia di chilometri di distanza) una marea di satelliti che gravitano nell’orbita terrestre e che vengono usati per le telecomunicazioni, per le radiotrasmissioni e la TV intercontinentale: quanti oggi hanno la parabola ed il convertitore satellitare?

Sicuramente in molti, visti anche i prezzi bassissimi dei prodotti in commercio. Nonostante questa familiarità con quegli oggetti sospesi nel cielo, sono ben pochi a sapere che i satelliti servono anche per usi ben diversi, ed in particolare per scopi militari, essenzialmente per l’individuazione e l’identificazione di aerei e altri mezzi civili e non, ma anche per la localizzazione sulla terra ed in quota di persone e mezzi provvisti di appositi ricevitori.

gps

In particolare quest’ultima applicazione è quella che più ci interessa, perché i suoi risvolti sono arrivati praticamente a produrre prodotti oramai alla portata di un vasto pubblico, con prestazioni impensabili fino a pochi anni fa: ricevitori portatili per la navigazione in mare capaci di dare la posizione (latitudine e longitudine) e sistemi di circolazione stradale per percorrere la via più breve, evitare incidenti, e sorvegliare gli autotrasporti proteggendoli dai furti. La localizzazione da satellite si chiama GPS (sigla di Global Positioning System) e nacque come sistema Navstar dall’esigenza del Ministero della Difesa degli Stati Uniti di seguire il percorso di mezzi militari sulla terraferma ed in mare, nonché di localizzare eventuali appostamenti in modo da facilitare eventuali operazioni di supporto e di salvataggio.

A tutt’oggi la rete, completata nel 1993, conta 21 satelliti più 3 di scorta, che ruotano in 6 orbite comprendenti ciascuna 4 apparati (6x4=24 satelliti) inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale e distanti ciascuna di 60° (6x60°=360°, ovvero un cerchio completo) ad una distanza di circa 20200 Km dal livello del mare (26560 Km dal centro della Terra) compiendo un movimento di rivoluzione attorno al nostro pianeta con una circonferenza di circa 53120 Km in 12 ore.

Naturalmente i satelliti attualmente in orbita hanno una vita media, e perciò i vari enti spaziali e militari hanno già previsto dei piani di lancio che prevedono la sostituzione di quelli che viavia perderanno le proprie capacità: si prevedono nuovi lanci nel 2002 e probabilmente nel 2012, più o meno ogni 10 anni (dal completamento, nel 1993...), in modo da assicurare una perfetta funzionalità al sistema, peraltro già garantita dalla presenza di 3 satelliti di scorta. Per la loro dislocazione sul piano orbitale terrestre, è possibile ricevere i segnali di un numero variabile da 5 ad 8 satelliti contemporaneamente, ed è questo che permette di far funzionare adeguatamente il GPS: per capirlo spieghiamo sinteticamente il principio su cui si basa la localizzazione.

Come funziona il GPS (Global Positioning System)

Va detto innanzitutto che il sistema permette di conoscere da terra la propria posizione sfruttando i dati trasmessi in microonde da un numero minimo di 3 satelliti ed elaborati da un ricevitore posto nel punto da localizzare: siccome ciascuno di essi invia anche i dati riguardanti la propria posizione e distanza dal punto che si vuole identificare, nota la distanza di un punto incognito da altri 3 noti è facile ricavarne la posizione, sia pure con una certa approssimazione.

In realtà lo studio della geometria ci dice che la triangolazione ammette due punti incogniti equidistanti da 3 noti, tuttavia uno può quasi sempre essere escluso perché irreale: ad esempio se il calcolo della distanza da tre satelliti ci dice che un’imbarcazione è al suolo e l’altro a 2 Km da terra, evidentemente è vero il primo (avete mai visto le navi che volano?) e l’altro si scarta.

La precisione della localizzazione si migliora riferendosi a più di 3 punti, senza troppa fatica perché normalmente da qualsiasi punto della terra è possibile ricevere i segnali di 5÷8 apparati in orbita; inoltre la trasmissione del segnale di tempo da parte di ciascuno permette un ulteriore perfezionamento della posizione. Vedremo tra breve il meccanismo di calcolo utilizzato. Per ora vediamo cosa contengono le trasmissioni.

global position system

Ciascuno dei satelliti GPS trasmette due segnali radio a microonde che vengono chiamati L1 ed L2: il primo ha una portante di 1575,42 MHz mentre il secondo è a 1227,6 MHz; L1 trasporta il segnale per la localizzazione “grossolana” (civile) ed il segnale di tempo, mentre L2 contiene invece il segnale per la localizzazione di precisione (militare).

Le due portanti sono modulate in fase (PSK) utilizzando tre diversi codici che sono: il C/A per la localizzazione di massima, il P per quella precisa, ed un ultimo che porta i dati utili alla navigazione, cioè l’orbita del satellite che trasmette, le correzioni all’orologio apportate da terra, ed altre informazioni. La L1 viene modulata con un segnale a 10,23 MHz per la localizzazione precisa (P) e da un altro a 1,023 MHz usato per la localizzazione di massima (codice C/A); a ciascuno dei segnali digitali modulanti viene sommato un terzo segnale, contenente i dati per la navigazione a 50 Bps (Bit per secondo, ovvero 50 Hz) che il satellite riceve a sua volta dal centro di controllo a terra: infatti per poter lavorare adeguatamente il sistema prevede un unico centro di coordinamento che invia ed aggiorna tutti i dati significativi dei dispositivi in orbita, inviando i dati per la correzione delle deviazioni di posizione e dell’ora riferita a quella universale (UTC=Universal Time Coordinate).

Per evitare che si possa creare confusione, ovvero per consentire ai ricevitori GPS di distinguere con certezza i segnali trasmessi dai vari satelliti (che operano sulla stessa frequenza secondo un sistema a divisione di codice -CDMA- a spettro disperso) ognuno di questi emette un codice di modulazione proprio, ortogonale con quello degli altri.

Da notare che tra i segnali ricevibili dai satelliti GPS quello modulato con il codice C/A è ad accesso libero, ovvero per uso civile, mentre quello P è ad esclusivo uso militare e comunque degli enti autorizzati dal governo degli USA; il motivo di ciò è semplice ed evidente: occorre tenere almeno un canale a disposizione per le emergenze e le operazioni segrete.

Sempre a tal fine i ricevitori commerciali di libera vendita (es. quelli per l’uso marino) possono decodificare soltanto i dati del codice C/A, mentre non riconoscono in alcun modo quelli del P.

Inoltre, per garantire l’indispensabile supremazia del controllo militare, la localizzazione con il codice C/A (civile) è meno precisa (quando viene inserita la degradazione selettiva) in quanto assicura una precisione entro 150 metri in verticale e 100 m in orizzontale; quanto al clock, la precisione temporale è di 340 nsec, il che limita praticamente il rilevamento della velocità di corpi in movimento a valori per i quali il lasso di tempo considerato diviene comparabile con tale errore. E’ normale che la precisione del sistema civile sia inferiore a quella del militare, altrimenti sarebbe come scoprire una nuova arma e darla a tutti: si perderebbe il vantaggio dandolo in mano anche a chi ne farebbe un uso criminale.

Ad ogni modo la precisione è più che sufficiente per gli usi normali, per la ricerca delle coordinate di navigazione, per la sincronizzazione delle telecomunicazioni, ecc. e si può migliorare combinando più sistemi (il GPS e l’equivalente russo Glonass) nonché elaborando i dati di più di 4 satelliti. Comunque il codice C/A in futuro potrà essere “slegato” e consentire anche la localizzazione precisa (funzione Selective Availability disattivata). Per l’identificazione di un punto si utilizzano appositi ricevitori che incorporano un microcomputer al quale è affidato il compito di elaborare i dati in arrivo dai satelliti, quindi di confrontarli per poter calcolare la distanza da essi e dunque la propria posizione, fermo restando che quando il ricevitore si collega con un satellite questi gli comunica la propria posizione aggiornata insieme a tutti gli altri dati.

gps ricevitore gps25

Per misurare la distanza istantanea da un satellite, un ricevitore GPS calcola il tempo impiegato dal segnale per viaggiare da questo alla sua antenna; confronta quindi il codice temporale (clock) emesso dal satellite con quello generato localmente in base alle indicazioni di tutti gli altri con i quali è collegato. Lo scostamento temporale tra i due segnali di clock moltiplicato per la velocità della luce indica la distanza apparente (la chiamiamo così perché in pratica è tutta relativa ed il calcolo è basato su parametri in continuo aggiornamento ma non assoluti) tra l’antenna ricevente ed il satellite.

Praticamente il ricevitore GPS calcola quanto tempo impiega il segnale radio, che viaggia notoriamente alla velocità della luce (300000 Km/sec.) a percorrere il tratto satellite-antenna RX, quindi nota la velocità ed il tempo, secondo la fisica si ricava la distanza, ovvero lo spazio percorso: s = vt in tale formula “v” è la velocità e “t” il tempo.

 

 

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