GPS

In questo caso quando parliamo di GPS intendiamo fare riferimento al ricevitore del sistema GPS, mentre il sistema GPS è l'acronimo di Global Positioning System, Sistema Globale di Posizionamento, progettato dagli U.S.A. per scopi militari e civili
Il ricevitore GPS elabora i segnali ricevuti dai satelliti su cui si basa il sistema ed effettua i calcoli necessari per desumerne la propria posizione
L’informazione della posizione viene resa disponibile al software applicativo che rappresenta il punto su una mappa
Gli impieghi maggiori conosciuti del sistema GPS sono, a titolo di esempio, il navigatore satellitare della macchina, il ricevitore GPS per la navigazione in mare e quello per la montagna, i sistemi di lavorazione in agricoltura

I satelliti non sanno dove ci troviamo
non siamo di fronte ad un sistema come quello di telefonia cellulare, dove la cella di riferimento sà esattamente dove si trova il telefono

I satelliti non comunicano al ricevitore GPS la sua posizione
i satelliti non possono comunicare al ricevitore GPS la sua posizione, perché non la conoscono
i satelliti non conoscono il numero di ricevitori GPS attivi in un determinato momento

Ogni satellite trasmette continuamente un unico segnale identico per tutti i ricevitori GPS che sono in ascolto, che contiene le seguenti informazioni:

la propria identità
la propria posizione
l’ora esatta rilevata con la massima precisione nel momento in cui il segnale viene emesso dal satellite

I ricevitori GPS, collocati in luoghi diversi, ricostruiscono le proprie rispettive posizioni sulla base dei segnali ricevuti dai satelliti, attraverso il procedimento della triangolazione

Il ricevitore GPS calcola la distanza tra lui e il satellite
Il ricevitore GPS confronta l’ora di emissione del segnale e l’ora di ricezione e calcola il tempo che il segnale ha impiegato ad arrivare a lui
Conoscendo la velocità di propagazione delle onde radio (300.000 Km al secondo) il ricevitore GPS calcola la distanza tra lui e il satellite
questa la formula matematica: Orario di arrivo del segnale - Orario di partenza x Velocità del segnale = distanza

Il ricevitore GPS calcola la distanza tra lui e gli altri satelliti e stabilisce la sua posizione (triangolazione)
Ripetendo questo calcolo per ognuno dei satelliti di cui sta captando i segnali, il ricevitore GPS calcola tutte le distanze che ci sono tra lui e i satelliti che sente
Il principio è semplice: se un luogo X si trova sulla superficie terrestre, conoscendo la sua distanza da tre punti A, B e C le cui coordinate sono note, è possibile calcolare la posizione di X

Occorrono almeno 4 satelliti per determinare l'esatta posizione
Quindi per un calcolo esatto è sufficiente ascoltare 3 satelliti, tuttavia, per una localizzazione più accurata e comprensiva dell’altitudine, sono in realtà richiesti almeno 4 satelliti. Questo per vari motivi fra cui, fondamentale, il problema della precisione dell’orologio del ricevitore, che deve essere accurato quanto quello dei satelliti, se si vuole poter fare un confronto preciso dei tempi per ottenere stime precise delle distanze

Il satellite deve essere in vista
In considerazione della frequenza su cui i satelliti emettono i propri segnali, e della bassa intensità con la quale questi arrivano a terra, per poter ricevere bene il segnale da un satellite è quasi necessario che questo sia direttamente “in vista”, senza ostacoli che possano interferire (costruzioni, montagne, perfino alberi fitti)

I satelliti non sono geostazionari ma ruotano attorno alla terra in orbite ellittiche
I satelliti GPS non sono geostazionari (per poterlo essere dovrebbero orbitare a una distanza media di 36.000 km).
Si tratta invece di satelliti “a bassa quota”, in continuo movimento rispetto alla Terra
Per dare una ragionevole garanzia che si possano sempre vedere almeno 4 satelliti da qualunque luogo, ne è stato posto in orbita un numero sufficientemente alto avendo cura di distribuirne le posizioni in modo uniforme.

La posizione dei satelliti rispetto a noi cambia continuamente
La loro posizione rispetto a un osservatore fisso cambia continuamente, ed è questo il motivo per cui ogni satellite, nei segnali che manda, deve innanzitutto includere informazioni sulla propria posizione istantanea. In caso contrario, analizzando i segnali captati, il ricevitore potrebbe sì stabilire
la propria distanza dai satelliti, ma non conoscendo la loro posizione non potrebbe effettuare la triangolazione per desumere la propria
Occorre anche tenere presente che i satelliti girano attorno al pianeta Terra, nello stesso tempo la Terra gira su se stessa e attorno al Sole

La costellazione dei satelliti GPS
Comprende 21 satelliti in servizio regolare più 3 satelliti di riserva.
Sono distribuiti su 6 orbite ellittiche spaziate fra loro di 60° e inclinate di 55° sul piano equatoriale
Vi sono almeno tre satelliti (equidistanti) su ogni orbita
Una rivoluzione completa di ogni satellite richiede 12 ore, e la distanza media dalla Terra è di circa 20.000 km.
Questa disposizione dei satelliti fornisce la garanzia geometrica che almeno 4 satelliti risultino sempre visibili ad almeno 15° sopra l’orizzonte
Di fatto, risultano spesso visibili fra i 5 e gli 8 satelliti

La costellazione dei satelliti GLONASS
Molto simile anche le costellazione utilizzate dal sistema concorrente Russo, il sistema GLONASS che è composto da 24 satelliti, probabilmente non tutti operativi, a una quota di 19.100 km.

La costellazione dei satelliti GALILEO
Il sistema Europeo si chiama GALILEO, con circa 30 satelliti orbitanti a una quota di 24.000 km.

L'esatta misurazione del tempo
Tutto il sistema si basa sull'estrema accuratezza della misurazione del tempo, sia a bordo dei satelliti che sul ricevitore GPS
Se ad esempio un orologio di un satellite avesse un errore di un millesimo di secondo, a causa della velocità di propagazione delle onde radio questo basterebbe a provocare un errore di localizzazione di circa 297 km.
Per evitare questo a bordo di ogni satellite in orbita sono stati infatti installati ben quattro orologi atomici (due al rubidio e due al cesio), la cui sincronizzazione reciproca è periodicamente verificata dal centro di controllo a terra
E il ricevitore GPS calcola diverse volte la sua distanza dal satellite, sino a trovare un solo punto di riferimento; se dopo avere eseguito il calcolo trova più punti, calcola nuovamente correggendo il suo errore mediante la calibrazione del suo orologio, non potendo disporre ovviamente di un orologio atomico

Il ricevitore GPS ha queste funzioni:

rilevare la posizione esatta di un determinato punto, con le sue coordinate geografiche
registrare una traccia di un percorso
seguire una traccia registrata precedentemente
consentire la navigazione in mare e sulla terra ferma

Immagine della costellazione dei satelliti