Il sistema di navigazione globale GPS, in questi ultimi anni ha visto estendere il suo campo di applicazioni, diffondendosi fino a livelli di utenza impensabili quando il sistema fu inizialmente concepito.Lo sviluppo del sistema NAVSTAR/GPS (Navigation System using Timing and Ranging/Global Positioning System) è iniziato a partire dal 1973, diviene operativo nel 1978, con il lancio del primo satellite GPS, lo NTS-2 (Navigation Technology Satellite).
A partire dal 1978, il lancio di nuovi satelliti è stato continuo. La prima serie di satelliti fu denominata 'Block I'. Costruiti dalla Rockwell International, furono lanciati un totale di 11 tra il 1978 ed il 1985 e costituiva la serie di sviluppo per il successivo lancio dei 24 satelliti 'Block II' e 'Block IIA', che costituiscono ormai l'intera costellazione attualmente in orbita.
Il giorno 17 Luglio 1995, le Forze Aeree USA hanno dichiarato il sistema completamente operativo, ciò significa che la costellazione di satelliti prevista è completa ed i satelliti sono tutti operativi.
Principi di Funzionamento
Il principio di funzionamento del GPS, illustrato in fig.1, è sostanzialmente semplice: si tratta di determinare la distanza dai tre satelliti la cui posizione nello spazio è nota con precisione, e mediante opportuni passaggi matematici, determinare la propria posizione.
Fig.1
Infatti, la distanza d1 dal primo satellite individua la posizione del ricevitore sulla superficie di una sfera R1 centrata sul satellite stesso. La determinazione della seconda distanza, d2, ci posiziona sul cerchio intersezione delle due sfere R1 ed R2. Infine, la terza distanza d3 ci permette di determinare due posizioni nell'intersezione del cerchio con la sfera R3 centrata sul terzo satellite fig.2. Delle due soluzioni viene considerata quella vicina alla superficie terrestre (e valevole anche per oggetti posti in orbite basse).
Fig.2
La posizione così ottenuta è una posizione relativa allo spazio individuato dai tre satelliti e riferita ad un sistema di coordinate denominato ECEF (Earth Centered, Earth Fixed). Per avere un riferimento di posizione più convenzionale, altitudine sul livello del mare e coordinate geografiche relative all'elissoide di riferimento ottimale per la zona del globo in cui ci si trova, il ricevitore dovrà effettuare opportune conversioni di coordinate.
Per determinare la distanza dai satelliti, sono state utilizzate tecniche già note al tempo, ed utilizzate in campo spaziale per determinare la distanza delle sonde spaziali, la tecnica utilizzata nel GPS la distanza viene determinata misurando lo scarto temporale mediante correlazione che intercorre tra la trasmissione di una sequenza di bit inviata dal veicolo e quella identica generata a Terra dal ricevitore fig.3.
Fig.3
Nasce però un problema per via del fatto che il sistema è basato sulla comparazione del codice trasmesso a terra dal satellite con quello generato a terra dal ricevitore. Per utilizzare tale sistema in maniera corretta è necessario sapere con precisione l'istante di tempo in cui il codice viene trasmesso e misurare l'istante d'arrivo del segnale al ricevitore mediante l'uso di orologi esattamente sincronizzati. Tale metodo richiede la presenza, sia a bordo del satellite, sia nel ricevitore, di due orologi atomici sincronizzati.
Un ricevitore GPS non può avere con se un orologio atomico, ed a questo scopo viene in aiuto l'algebra: se invece di tre equazioni in tre incognite (la nostra posizione) usiamo 4 equazioni (e quindi 4 satelliti), introducendo così una quarta incognita (il tempo), dal sistema così ottenuto ricaviamo 3 pseudo distanze ('pseudo-ranges'), e un quarto valore, che indica di quanto il nostro orologio, che ora può essere un semplice oscillatore quarzato, deriva rispetto a quello di riferimento mantenuto nello spazio.
Le misure di distanza dai satelliti vengono definite pseudo-distanze poiché affette dall'errore di misura dovuto alla imprecisione dell'orologio del ricevitore. Delle 4 soluzioni, 3 definiscono la posizione desiderata, mentre la 4 fornisce un'indicazione dell'errore compiuto dal nostro orologio.
Da tutto ciò si evince la necessità di poter ricevere almeno 4 satelliti per determinare correttamente la posizione del ricevitore nello spazio. A priori, conoscendo, per esempio, la propria altitudine, è anche possibile rinunciare alla visibilità di un quarto satellite (applicazioni navali), inserendo direttamente il valore noto nelle equazioni. I vantaggi di tale tecnica sono svariati. Il più importante è il fatto che permette a 21 satelliti di trasmettere contemporaneamente sulla stessa frequenza (semplificando il calcolo dei modelli di propagazione ionosferica) evitando i problemi di mutua interferenza.
Effemeridi
La precisione con cui si riesce a determinare un oggetto nello spazio in orbita terrestre è una delle tecniche che hanno permesso di realizzare con successo il sistema GPS.
L'orbita di ogni satellite della costellazione viene continuamente verificata da opportune stazioni di controllo. I parametri orbitali di tutti i satelliti vengono continuamente calcolati a Terra e inviati a bordo di ciascuno di essi in modo da poter essere trasmessi agli utenti con il messaggio di navigazione emesso con il segnale GPS.
Il ricevitore, mediante questi dati che sono presentati in una forma adatta ad una rapida soluzione, calcola la posizione stimata di ognuno dei satelliti utilizzati per calcolare la propria posizione.
Il modello matematico utilizzato è la miglior approssimazione dell'orbita reale con tutti i suoi effetti secondari, e descrive un breve segmento di essa permettendo, addirittura, una localizzazione del satellite precisa entro
Orbite
La configurazione orbitale per il sistema GPS, è stata scelta per fornire una copertura globale e continua su tutta la superficie terrestre, rendendo disponibili almeno 5 satelliti contemporaneamente visibili da qualunque parte del globo.
Il numero di satelliti che compongono la costellazione è 21, più 3 di riserva in orbita. I satelliti sono disposti su 6 piani orbitali, ciascuno contenente da
Tali scelte determinano un periodo orbitale di 12 ore: in tal modo, un satellite ripete la stessa traccia a terra una volta al giorno. Un'utente vede quindi il satellite percorrere sempre lo stesso percorso, ma lo vede sorgere con 4 minuti di anticipo ogni giorno, dovuto al fatto che il periodo orbitale è dato in tempo siderale, il quale è più corto del tempo solare di 4 minuti.
Controllo del sistema
Il sistema GPS prevede una serie di stazioni di terra con lo scopo di controllare lo stato operativo della costellazione, e di fornire, previa accurata determinazione della posizione del satellite nello spazio, le effemeridi che poi saranno utilizzate dagli utenti.
Il centro di controllo che presiede al governo del sistema (Master Control Station) è situato presso
Le stazioni secondarie controllano continuamente i satelliti in orbita, inviando poi i dati alla MCS in Colorado che provvede ad elaborare tali dati. Tra i compiti fondamentali della MCS vi sono l'aggiornamento giornaliero dell'almanacco, la correzione giornaliera del tempo GPS con quello UTC (secondo i dati forniti dall'osservatorio navale degli stati uniti) e l'elaborazione dei modelli di propagazione ionosferica. I dati così elaborati vengono ritrasmessi ai satelliti grazie alle antenne di up-link disponibili presso
Quando un nuovo satellite viene immesso in orbita, occorrono circa due settimane affinché esso diventi disponibile alla comunità di utenti GPS. Terminate le manovre di post-inserzione orbitale (circolarizzazione, dispiegamento dei pannelli solari, attivazione del sistema di stabilizzazione), viene attivato lo standard di riferimento primario, e ne viene controllata la deriva e la precisione.
RICEVITORE
Il sistema GPS nasce inizialmente con lo scopo di fornire un posizionamento entro 10 mt., mediante l'impiego di un lungo codice PRN denominato codice P (Precision).
Per facilitare la sincronizzazione del ricevitore, è stato previsto un codice secondario, utilizzante un codice PRN corto denominato C/A (Coarse/Acquisition).
Una volta agganciato tale codice e demodulato il segnale, dal messaggio di navigazione modulato nel codice si ricava la parola HOW (Hand-Over Word) che, ripetuta ogni 6 secondi, contiene le informazioni necessarie per agganciare il codice P. Tale parola è criptata, poiché l'uso del codice di precisione viene concesso solo ad utenti autorizzati dal Ministero della Difesa Statunitense.
Questo accesso può essere anche consentito ad utenti civili: infatti, in caso di emergenza nazionale, il codice P viene sostituito da un altro codice criptato (modalità Anti-Spoofing, o AS), detto codice Y il cui accesso è esclusivamente riservato ai militari. La tecnica AS serve anche per evitare che repliche del codice P create dal nemico possano alterare la precisione di eventuali dispositivi di navigazione. L'accesso al codice Y è possibile solo in un ricevitore opportunamente predisposto che deve essere abilitato con una apposita chiave AS 'software' trasportata da un ufficiale addetto su una cartuccia Eprom. Come ulteriore mezzo per rendere il sistema più impreciso al "nemico" che utilizzi solo il codice C/A, fu introdotta a partire dalla serie di satelliti 'Block II' una tecnica denominata SA (Selective Availability) e resa attiva a partire dal 1990 rimossa poi nel 2000, tecnica che rendeva il sistema ad un utilizzatore civile impreciso in un range di circa 100m.
Elaborazione
Appena il ricevitore viene acceso, la prima operazione che compie è l'impostazione dei satelliti necessari alla navigazione. Almeno 4 satelliti devono essere disponibili per poter determinare con precisione la propria posizione. A tale scopo, il processore deve essere informato sulla posizione dei satelliti in funzione del tempo. Questa informazione è contenuta nell'almanacco dei satelliti.
L'almanacco è l'insieme di parametri orbitali dell'intera costellazione di satelliti, corredata di tutti i dati relativi allo "stato di salute" di ciascuno di essi. Ogni satellite trasmette continuamente l'almanacco relativo all'intera costellazione.
In genere, non è necessario che l'almanacco sia preciso, poiché ha una validità di alcuni mesi. Un ricevitore che quindi venga costantemente utilizzato può trattenere tali informazioni in una memoria non volatile, e sapere quindi in qualunque istante i satelliti in visibilità. Se invece il ricevitore non possiede un almanacco valido, o non lo possiede affatto, esso deve provvedere ad eseguire una "ricerca nel cielo" per agganciare un qualunque satellite. Il calcolo della posizione viene effettuato dalla misura dei 4 pseudo range dai satelliti corretti dai ritardi di propagazione ionosferica, effettuando il calcolo in base alla posizione nota dei satelliti nello spazio grazie alle effemeridi da essi trasmessi. Successivamente, il ricevitore converte queste coordinate in latitudine, longitudine, ed altitudine, usando un modello prestabilito per l'ellissoide terrestre. Allo stato attuale, il modello utilizzato è il WGS-84 (World Geodetic Survey 1984), ma i ricevitori attualmente in commercio sono in grado di utilizzare svariati riferimenti geodetici, in modo da utilizzare le normali carte geografiche in uso.
CONCLUSIONI
Notevole è l'unione delle diverse tecnologie utilizzate nell'ambito del sistema GPS, finalizzate ad un preciso obiettivo: dalle tecniche aerospaziali all'integrazione su vasta scala nei ricevitori. Ed è notevole, appunto, la derivazione di alcune di queste tecnologie da quelle sviluppate sin dai primi anni dell'astronautica, culminate con le prestigiose missioni interplanetarie a grande distanza e con il successo del programma Apollo.
Il GPS è diventato nei settori professionali quello che il telefono cellulare è diventato nel mondo civile. Estesosi in tutti i settori, ha permesso il fiorire di un'intera economia che non potrà non rafforzarsi con l'analogo sistema europeo denominato GALILEO.
Il numero delle aziende impegnate nel settore dei ricevitori e delle applicazioni del GPS è in continua crescita: la disponibilità di ricevitori a basso costo ha completamente rivoluzionato la navigazione, fino ad estendersi in settori non tradizionali, quali la geodesia, la cartografia, fino al tempo libero. Grazie al GPS, è possibile ora dotare di propri sistemi di navigazione non solo veicoli su strada, ma addirittura pedoni, con una risoluzione sufficiente a districarsi nei meandri di una grande città.
Munito di apposito ricevitore un qualsiasi utente, sia esso un individuo, veicolo terrestre, aereo o marittimo, oppure anche un veicolo spaziale in orbita bassa, ha sempre in visibilità un numero sufficiente di satelliti per il calcolo della propria posizione. Il ricevitore è completamente automatico e, una volta inizializzato, fornirà su 'display' o su porta seriale sia i dati grezzi di posizione che informazioni riferite ad un determinato sistema geodetico, l'altitudine ed anche velocità e direzione dell'utente. Praticamente tutti i ricevitori mettono in pratica funzioni di navigazione da punto a punto e consentono di memorizzare piani di rotta. Essi sono in grado di mostrare lo scostamento dell'utente dal percorso previsto, e così via. Persino i ricevitori più piccoli possono contenere un 'database' di informazioni geografiche come nel caso della vasta serie di ricevitori GPS realizzati per l'aviazione generale ed aggiornati con tutti i radiofari, aeroporti, aerovie, settori di intere regioni aeree.
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