ESCURSIONI

 

Premessa

Questo articolo si pone come obiettivo quello di fornire una indicazione di massima sull'argomento GPS.

Le informazioni dettagliate sono state volutamente omesse al fine di consentire una migliore comprensione dell'argomento.

 

Introduzione

GPS è l'acronimo di Global Positioning System: una tecnologia principalmente utilizzata per la geolocalizzazione , cioe' per determinare la propria posizione sulla superficie terrestre.

Il sistema di GPS più noto ed utilizzato è quello americano che si chiama NAVSTAR (quello che comunemente chiamiamo GPS); ne esistono comunque altri più o meno funzionanti come il GLONASS russo, il BEIDOU cinese ed il GALILEO europeo (quest'ultimo è ancora in fase di realizzazione e chi vi scrive è uno dei progettisti/sviluppatori di uno dei segmenti del sistema).

 

Principio di funzionamento

Dal punto di vista dell'utente, il sistema è costituito da due elementi: la costellazione dei satelliti ed il ricevitore GPS.

I satelliti GPS sono collocati in orbita intorno al nostro pianeta, ad un'altezza di circa 20000 Km rispetto alla superficie terrestre, quindi su un orbita NON geostazionaria. Questo vuole dire che se da terra potessimo osservare ad occhio nudo un qualunque satellite lo vedremmo "muovere" lungo la sua orbita ed effettuare ogni giorno due interi giri intorno alla terra.

Al contrario, un satellite geostazionario ha come caratteristica quella di apparire "fermo" rispetto alla superficie terrestre: questo spiega perche' per vedere la televisione satellitare (che utilizza satelliti geostazionari) possiamo utilizzare parabole che "puntano" sempre la stessa zona di cielo e che quindi non vanno continuamente orientate.

La costellazione è formata da numerosi satelliti collocati in modo tale da garantire in qualunque ora della giornata ed in qualunque luogo della terra la "visione" (o ricezione) di almeno 4 satelliti.

L'orbita di ciascun satellite (e quindi la sua posizione nello spazio) è nota e calcolabile utilizzando alcuni parametri caratteristici chiamati effemeridi. Sapendo esattamente dove si trovano i satelliti possiamo determinare con esattezza la nostra posizione, a patto di conoscere a che distanza ci troviamo da ogni satellite ricevuto.

Questo processo si chiama trilaterazione.

 

Per meglio comprendere come funziona la trilaterazione, partiamo da un esempio piu' semplice ed intuitivo.

Immaginiamo un binario ferroviario sul quale e' collocata una stazione ed immaginiamo di essere su un treno fermo in una posizione qualunque del binario.

Se conosciamo dove si trova la stazione e a che distanza ci troviamo dalla stazione stessa, NON siamo in grado di sapere con esattezza la posizione del nostro treno. Questo perche' protremmo trovarci 1 km prima o 1 km dopo la stazione.

 

 

 

 

Se pero' aumentiamo il numero di stazioni, con lo stesso tipo di informazioni e' possibile determinare esattamente la nostra posizione. Infatti, nell'esempio del disegno sottostante, sapendo dove si trovano le stazioni e la nostra distanza da ciascuna stazione, (ad esempio 1 km dalla Stazione2 e 3 km dalla Stazione1) riusciamo a conoscere la posizione del nostro treno,come dimostra questo disegno.

 

 

 

 

Fin qui spero che l'esempio vi sia chiaro.

Complichiamo la situazione descritta in precedenza ed abbandoniamo il treno (che e' limitato al binario) per muoverci a piedi in un punto qualunque intorno alle due stazioni.

Sapere dove si trovano le due stazioni e a che distanza i troviamo da ciascuna di esse non e' piu' sufficiente per determinare in modo univoco la nostra posizione. Infatti, come dimostrato dal disegno sottostante, esistono due diversi punti che distano 2 Km dalla Stazione1 e 4 km dalla Stazione2 ).

 

 

 

 

Per sapere dove siamo abbiamo bisogno di una terza stazione; in questo modo conoscendo la distanza da tutte le stazioni riusciamo di nuovo a sapere esattamente dove ci troviamo. Questo metodo di localizzazione che utilizza tre "stazioni" si chiama triangolazione.

 

 

 

 

Spero che sia piu' o meno chiaro anche questo passaggio.

 

In modo analogo se fossimo su un aereo, la triangolazione funzionerebbe ancora;

 

 

 

 

ma se volessimo conoscere oltre alla posizione anche l'altezza dell'aereo allora ci servirebbe una quarta stazione collocata ad un altitudine differente rispetto alle precedenti stazioni (Nel disegno precedente si può vedere che utilizzando solo tre stazioni otteniamo due altezze differenti).

Questo procedimento si chiama trilaterazione, ed è proprio quello utilizzato dal nostro GPS.

Da questo esempio possiamo capire come mai sia necessario "vedere" sempre almeno quattro satelliti e come mai se per qualche motivo ne riceviamo solo tre, continuiamo a sapere dove ci troviamo ma perdiamo l'informazione relativa all'altezza.

 

Spiegata la trilaterazione dobbiamo ancora parlare di come sia possibile conoscere la nostra distanza da ogni satellite.

Il sistema usato è abbastanza semplice. A bordo di ogni satellite è installato un orologio molto preciso (solitamente si tratta di un orologio atomico al rubidio, che rappresenta un buon compromesso tra precisione/volume/peso) ed una volta al secondo, ogni satellite trasmette via radio... l'ora esatta

 

Per un principio fisico, le onde radio non si trasmettono istantaneamente, quindi il segnale orario arriverà al nostro ricevitore GPS con un certo ritardo (ricordatevi che il segnale orario deve percorrere circa 20000 km prima di raggiungerci).

Misurando con un orologio questo ritardo e sapendo a che velocità viaggia un segnale radio possiamo calcolare quanta strada ha percorso, e quindi la nostra distanza da ogni singolo satellite.

 

Ed il nostro ricevitore GPS?

Beh, tralasciando le varie funzionalità aggiuntive come cartografia o la possibilità di effettuare registrazioni e rielaborazione dei vari dati raccolti, il ricevitore GPS è semplicemente l'insieme di tre componenti:

- una radio ricevente per ricevere i segnali orari generati dai vari satelliti

- un orologio/cronometro per misurare con quanto ritardo ci arrivano i segnali orari ricevuti

- una complessa calcolatrice in grado, una volta al secondo, di effettuare l'insieme dei calcoli necessari a ricavare la nostra posizione corrente.

 

Il ricevitore GPS è quindi un elemento passivo poiché sfrutta le informazioni generate dai satelliti senza trasmettere o scambiare informazioni con il sistema stesso. Questo è anche il motivo per cui non esiste un limite al numero di utilizzatori del GPS, in quanto ogni nuovo ricevitore non consuma risorse, proprio come avviene per le radio FM, dove il numero di radioline sintonizzate su una stazione radio non interagisce con il funzionamento della stazione stessa.

 

 

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