Acronimo di Global Positioning System, noto anche con il nome di Navstar (Navigational
Satellite Timing and Ranging) il GPS è ormai di uso comune e rappresenta uno dei sistemi
preferenziali per la navigazione. Tale sistema permette di determinare su copertura
globale e continua la posizione del ricevitore in tre dimensioni, vale a dire latitudine,
longitudine e quota.
Tali informazioni sono ottenibili mediante il calcolo che il nostro apparato esegue sui dati
di misurazione della distanza, ossia del tempo, fra se stesso e almeno tre satelliti.
Naturalmente per poter fare tutto questo è necessario un sistema per la misurazione del
tempo particolarmente accurato, infatti, sui satelliti, tutti sincronizzati tra loro da stazioni
a terra, sono presenti degli orologi atomici il cui scarto e talmente minimo che permette
di non avere errori di calcolo evidenti.
Le frequenze di lavoro dei satelli in orbita, che a regime saranno 21 più 3 di riserva su 6
orbite circolari inclinate di 55° sul piano dell’equatore e sfalsate tra loro di 60°, sono di
1.575,42 MHz per L1 e 1227,6 MHz per L2. I segnali trasmessi dalle piattaforme spaziali
sono codificati in modo che ogni satellite sia identificabile e perfettamente sincronizzato.
Essendo nota la velocità di trasmissione delle onde elettromagnetiche, che abbiamo visto
essere quella della luce che abbiamo indicato con C, ossia 300.000 Km/sec, la misura del
tempo ci darà immediatamente la distanza. Il principio si basa dunque sul tempo necessario
al segnale trasmesso dal satellite per raggiungere il ricevitore che abbiamo in mano
o sulla plancia della nostra barca.
Per poter fare questo calcolo naturalmente il nostro ricevitore dovrà utilizzare lo stesso
tempo campione del satellite, sincronizzazione che avviene quando l’apparato si aggancia
al sistema.
Tanto per offrire un dato circa la precisione degli orologi utilizzati per il sistema GPS, il
loro scarto si aggira su 10-13 sec./giorno. I ricevitori, siano essi fissi o portatili, sono dotati
di un software molto sofisticato che è in grado di selezionare i dati relativi al satellite che
stanno ricevendo, ma essendo gli orologi dei ricevitori inferiori in termini di precisione a
quelli atomici dei satelliti, devono necessariamente essere rifasati in modo continuo.
Con tre informazioni contemporanee provenienti da tre differenti satelliti si può determinare
senza ambiguità la propria posizione.
Il sistema GPS è gestito dagli Stati Uniti, i quali mettono a disposizione due differenti protocolli
di precisione del sistema denominati C/A per gli utenti commerciali e P per utenti
limitati, tra cui i miitari.
Mediamente lo scarto previsto dal sistema non supera i 3 metri di raggio, ma bisogna dire
che in momenti di particolare tensione internazionale determinate aree possono essere
interessate dall’introduzione di un errore intenzionale, da parte dell’amministrazione statunitense
che gestisce il sistema.
Per tale ragione è stato introdotto il sistema DGPS, ossia il GPS differenziale grazie al quale
il problema della SA, ossia la degradazione intenzionale, è annullato.
I ricevitori GPS svolgono anche altre funzioni oltre alla ricezione dei segnali dei satelliti,
quali l’elaborazione dei dati fornendo direttamente le coordinate della posizione, la velocità
del mezzo sul quale si trova il ricevitore, la quota e la rotta.
Tutto questo è possibile grazie alla possibilità di conoscere sempre con assoluta precisione
le effemeridi di tutti i satelliti in quota, ossia, il loro dato di posizione relativa.
Storia del GPS
Il GPS è stato creato in sostituzione del precedente sistema, il Transit. Il progetto GPS è stato sviluppato nel 1973 per superare i limiti dei precedenti sistemi di navigazione, integrando idee di diversi sistemi precedenti, tra cui una serie di studi classificati degli anni '60. Il GPS è stato creato e realizzato dal Dipartimento della Difesa statunitense (USDOD) ed originariamente disponeva di 24 satelliti. Il sistema è diventato pienamente operativo nel 1994. 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 (anche se tra i due sistemi permangono delle differenze, si veda più avanti). Nei modelli per uso civile devono essere presenti alcune limitazioni: massimo 18 km per l'altitudine e 515 m/s per la velocità, per impedirne il montaggio su missili. Questi limiti possono essere superati ma non contemporaneamente.
Nel maggio del 2010 è stato lanciato il primo satellite della generazione GPS-IIF.
Il sistema
Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale (space segment), il segmento di controllo (control segment) ed il segmento utente (user segment). L'Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il segmento spaziale ed il segmento di controllo.
Il segmento spaziale comprende un numero da 24 a 32 satelliti, mentre il segmento di controllo è composto da stazioni di controllo a terra. Il segmento utente infine è composto dai ricevitori GPS.
Attualmente sono in orbita 31 satelliti nella costellazione GPS (più alcuni satelliti dismessi, ma che possono essere riattivati in caso di necessità). 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 di 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) ed inclinati di 55° sul piano equatoriale, in orbita terrestre media;
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.
Due parole su GALILEO
Galileo è un sistema di posizionamento alternativo al Global Positioning System o GPS
che dir si voglia, le cui peculiarità sono quelle di essere un sistema globale di navigazione
civile sviluppato interamente in Europa e dunque, a differenza del GPS non sottoposto
al controllo del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. La sua effettiva operatività è
attesa per il 2013 e sarà basata su una rete di 30 satelliti orbitantii su tre piani inclinati
sull’equatore, a una distanza di circa di 24.000 dalla superficie terrestre.
Gli obiettivi degli enti che lo hanno sviluppato sono quelli di garantire una maggior precisione
rispetto alla rete attualmente disponibile, una migliore copertura dei segnali soprattutto
alle latitudini più alte, un sistema di posizionamento globale in grado di funzionare
senza limitazioni anche in condizioni di tensioni internazionali o in presenza di conflitti. Il
programma Galileo fu ufficialmente avviato il 26 maggio del 2003 con un accordo siglato
tra la Comunità Europea e l’Agenzia spaziale europea (ESA).
In seguito alla crisi internazionale alcuni paesi europei si sono detti favorevoli a utilizzare
gratuitamente il sistema attualmente in uso anziché finanziare lo sviluppo di Galileo, ma
in particolare Italia e Francia continuano a mantenere la loro posizione a favore della nascita
del nuovo sistema. Il costo complessivo del progetto si aggira sui 3 miliardi di Euro,
i quali comprendono la realizzazione delle stazioni terrestri e il lancio dei 30 satelliti da
posizionare in orbita. Da notare che dal 2003 anche la Cina ha aderito all’inziativa con un
investimento di circa 230 milioni di Euro e in seguito anche lo stato di Israele è entrato a
far parte del progetto come partner nel luglio del 2004. Sono molte le voci che parlano
del coinvolgimento di numerosi altri paesi quali Cile, Giappone, Brasile, India, Corea del
Sud, Australia, Marocco e Canada, mentre la Russia sta pensando di intergare Galileo con
il suo sistema GLONASS. I lanci dei satelliti sono già cominciati, il primo è stato posto in
orbita nel dicembre del 2005 ed era denominato GIOVE, dal nome del programma Galileo
In Orbit Validation Element.
Altri due satelliti saranno presto in orbita per poter cominciare ad effettuare prove tecniche
sulle frequenze radio e sulla stabilità orbitale degli orologi, successivamente altri
due satelliti che completeranno il programma di verifica e convalida in orbita di Galileo
saranno lanciati e posizionati.
Da notare che la precisione degli orologi a bordo delle unità satellitari è di fondamentale
importanza per la precisione del posizionamento, per tale ragione anche in questo caso
saranno impiegati strumenti atomici accoppiati ad amplificatori di potenza del segnale.
Una delle caratteristiche di Galileo è quella di poter contare su una costellazione di satelliti
capaci di fornire dati di posizione geografica terrestre di altissimo livello qualitativo,
oltre a piattaforme capaci di essere impiegate anche per le comunicazioni. In pratica il
sistema Galileo è stato concepito come nucleo di un sistema implementabile nel tempo
per l’offerta di servizi integrati che spaziano dalla sorveglianza al controllo del territorio,
supporto alle attività legali, assicurative, turistiche e agricole.
Tutto questo è possibile grazie alle molteplici applicazioni che si possono sviluppare sulla
piattaforma, le quali già oggi prevedono un efficace controllo di posizione anche per i
vettori aeronautici, assicurando atterraggi e decolli in sicurezza anche in condizioni di
visibilità particolarmente critiche. In campo marittimo contribuirà allo sviluppo dell’AIS,
ossia Automated Identification System.
Indubbiamente Galileo è uno strumento molto utile ai fini della sicurezza in mare, in cielo
e in terra, grazie all’elevata l’affidabilità che è in grado di assicurare.
Altra importante caratteristica di Galileo è che permetterà la creazione di un numero unico
europeo per la richiesta di soccorso, l’E-112, grazie al quale gli organi di soccorso
avranno la possibilità di tracciare in tempo reale la posizione di chi richiede assistenza
con estrema precisione.