Cos’è il GPS e come funziona

Un cellulare riporta la posizione GPS di un veicolo
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Il GPS è un sistema di posizionamento satellitare che permette di conoscere l’esatta posizione (latitudine e longitudine) di un oggetto.

I dispositivi che sfruttano il GPS sono tantissimi: cellulari, tablet, navigatori satellitari, tracker GPS.

E’ una tecnologia che è entrata stabilmente a far parte della nostra vita. Ma pochi sanno con precisione di cosa si tratta.

In questa mini guida vedremo cos’è il GPS, come funziona un localizzatore satellitare e come questi strumenti ci aiutano ad orientarci (e non solo).

Buona lettura!

GPS: cos’è, definizione, come funziona

GPS è l’acronimo di Global Positioning System. E’ un sistema di posizionamento globale che sfrutta le informazioni provenienti dai satelliti per individuare la posizione di un oggetto (latitudine e longitudine).

Il nome completo è NAVSTAR GPS, ovvero: NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System (o NAVigation Signal Timing And Ranging Global Position System).

Come funziona il GPS?

  • il segmento spaziale (i satelliti)
  • il segmento di controllo (le stazioni di controllo)
  • il segmento utente (i ricevitori GPS)

Il principio di funzionamento è quello della trilaterazione, ovvero la misura del tempo impiegato dal segnale a giungere dal satellite al ricevitore.

Per definire la posizione di un oggetto si considerano le informazioni provenienti da quattro satelliti. Perché?

Per conoscere il tempo che il segnale impiega a giungere da ogni satellite al ricevitore, è necessario che questi siano sincronizzati.

I satelliti sono equipaggiati con orologi atomici ad altissima precisione. Sono sincronizzati dalle stazioni di controllo.

I ricevitori possiedono orologi molto meno precisi. Si sincronizzano ad ogni nuova accensione tramite un quarto satellite.

Se satelliti e ricevitore fossero naturalmente sincronizzati, sarebbero sufficienti tre satelliti per determinare latitudine, longitudine e altitudine. Nella realtà è necessaria una quarta informazione (il tempo).

Una precisazione.

Il GPS è nato per scopi militari, ma è disponibile per tutti.

  • Il servizio disponibile per i civili è denominato SPS (Standard Positioning Service).
  • Per i soggetti autorizzati dal Ministero della Difesa USA, il servizio è denominato PPS (Precision Positioning Service).

In origine, il primo sistema era molto meno accurato del secondo (per es., 100 m in orizzontale contro 22 m). Questo, ovviamente, per ragioni di sicurezza nazionale.

La degradazione dei segnali GPS non è più attiva dal 2000, quando il presidente Clinton rimosse la c.d. “selective availability”. Tra i due sistemi permangono comunque delle differenze.

Il segmento satellitare

Il GPS è nato in ambito militare negli Stati Uniti nel 1973.

L’esigenza era quella di operare su tutto il pianeta in modo rapido e in qualsiasi condizione meteo.

I sistemi di localizzazione in uso in quel momento (per es. Transit) prevedevano la presenza di stazioni radio sulla superficie terrestre. Questa erano soggette alle condizioni atmosferiche e alla sovranità degli stati ospiti.

Per questo, si pensò a un sistema satellitare in grado di garantire copertura spaziale e temporale completa.

L’obiettivo era stabilire con esattezza la posizione di un punto sfruttando la quantità sufficiente di segnali radio.

Ciò è possibile grazie a una rete di almeno 24 satelliti artificiali. Il numero può variare fino a un massimo di 32.

Attualmente vi sono 31 satelliti GPS. Orbitano intorno alla terra a un raggio di circa 26.600 km su 6 distinti piani orbitali.

Ciascuno di questi piani è inclinato di 55° rispetto all’asse terreste e interseca l’equatore ogni 60° di longitudine.

Il periodo di rivoluzione è di 11 ore e 58 minuti. Il sistema satellitare è strutturato in modo tale che in ogni angolo del mondo almeno 4 satelliti siano 5° sopra l’orizzonte.

I satelliti in orbita emettono segnali radio su due canali:

  • L1, per uso civile (frequenza 1575,42 MHz)
  • L2, per uso militare (frequenza 1227,60 MHz)

(Negli ultimi anni, alcuni ricevitori possono sfruttare anche il canale L2, raggiungendo una maggiore precisione.)

Il segnale attraversa l’atmosfera terrestre, in particolare ionosfera e troposfera. Qui subisce alcune variazioni (ritardo di gruppo, avanzamento di fase sulla portante, scintillazioni).

Viene infine ricevuto sulla Terra da appositi apparati.

Il segmento di controllo

Il segmento di controllo comprende la stazione di controllo principale (Master Control Station), quattro antenne terresti dedicate, sei stazioni di controllo dedicate.

In aggiunta, una stazione di controllo principale alternativa (Alternate Master Control Station)

Le sei stazioni di controllo dedicate tracciano la posizione dei satelliti. Si trovano nelle Hawaii, su Kwajalein, Ascension Island, nell’isola di Diego Garcia, a Colorado Springs e a Cape Canaveral.

Esistono inoltre stazioni dell’NGA (National Geospatial – Intelligence Agency) in Inghilterra, Argentina, Ecuador, Bahrein, Australia, Washington DC.

Le antenne dedicate si trovano a Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Cape Canaveral.

Il segmento utente

Il segmento utente è composto dagli apparati (ricevitori) che utilizzano la tecnologia GPS per i più svariati usi.

I ricevitori estrapolano le informazioni provenienti dal satellite. Di solito sono composti da:

  • antenna
  • microprocessore
  • sorgente di tempo (per es. un oscillatore al quarzo)

Alcuni dispositivi hanno anche un display per visualizzare la posizione.

I ricevitori hanno un certo numero di canali. Questo indica la quantità di segnali provenienti da satelliti diversi che il dispositivo può elaborare in parallelo.

Tra i dispositivi che sfruttano il GPS troviamo:

  • smartphone e tablet
  • computer portatili
  • tracker GPS
  • smartwatch

GPS sono integrati in automobili di ultima generazione o aerei.

Di solito i ricevitori hanno anche una app o un software proprietario per seguire gli spostamenti dell’oggetto.

Principali utilizzi del GPS

Il principale utilizzo del GPS è monitorare la posizione di un oggetto, un veicolo, una persona.

Anche in funzione antifurto (per es. per un’auto o una moto). O di protezione (seguire gli spostamenti di un figlio o un anziano non autosufficiente).

Il Global Positioning System è alla base anche dei sistemi per visualizzare il traffico su strade e autostrade.

E’ utilizzato anche nella ricerca scientifica. Per es. in ambito geo topografico o nella tettonica. In biologia, per seguire le migrazioni di specie animali. In meteorologia, per studiare i venti atmosferici.


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