IL SISTEMA GPS
INTRODUZIONE
Il G.P.S. (acronimo di Global Positioning Sistem) è un sistema di posizionamento terrestre assolutamente preciso sviluppato dal ministero della difesa americano per scopi militari, ma poi adottato anche dal mondo civile.
Il suo scopo quello di individuare nel modo più dettagliato in assoluto la posizione di un oggetto, una persona ecc. in un punto preciso del globo terrestre, ovunque esso sia ( terra o mare). Quando si parla di GPS si parla ovviamente di geolocalizzazione, un settore molto vasto che nel corso degli anni, merito allo sviluppo continuo della tecnologia, ha sicuramente allargato i suoi orizzonti ed è un settore veramente ampio. Nel nostro settore di protezione civile però, ci occuperemo esclusivamente del sistema di posizionamento globale.
Per una completa comprensione di questo settore, è importante distinguere nelle prossime righe e pagine il termine GPS inteso come sistema, meccanismo e GPS inteso come apparecchio vero e proprio (manuale se vogliamo) per la rilevazione della posizione sul pianeta Terra.
LA STRUTTURA DEL SISTEMA
Il funzionamento del sistema è garantito dalla presenza di 31 satelliti (inizialmente erano 24 + 3 di riserva) sistemati in 6 piani orbitali inclinati di 55° rispetto all'equatore (la linea immaginaria che divide orizzontalmente il globo in due emisferi, quello boreale e quello australe). in questo modo ogni singolo punto della Terra sarà sempre "coperto" da almeno quattro satelliti.
I satelliti sono distanti dalla Terra 20 km e compiono due rotazioni del pianeta al giorno. Il lancio dei satelliti è avvenuto per mezzo di lancio con razzi a perdere, era previsto anche il lancio con lo Shuttle ma il progetto è stato sospeso dopo un incidente.
Oltre ai satelliti, per il funzionamento del GPS è stato creato un punto di controllo a terra e sono per la precisione ce ne sono 4 con funzioni ben precise:
- CONTROLLO DELLO STATO DI FUNZIONAMENTO;
- CORREZIONE DEI LORO OROLOGI ATOMICI;
- CORREZIONE DELLA LORO POSIZIONE ORBITALE.
I quattro punti di controllo sono di fondamentale importanza dato che in loro assenza il GPS sarebbe praticamente inutilizzabile. Anche la manutenzione è di vitale importanza infatti se il sistema venisse lasciato in stato di decadenza è calcolato che dopo due settimane il GPS andrebbe in disuso.
Nell' elenco precedente abbiamo visto le funzioni delle stazioni riceventi, meglio definite come punti di controllo, ora vediamo le funzione del GPS inteso come apparato ricevente (quello che usiamo per esempio alla mano durante attività outdoor):
- LOCALIZZAZIONE DI ALMENO 4 SATELLITI;
- CALCOLO DELLA SUA DISTANZA RISPETTO AI SATELLITI;
- USA I DATI RICEVUTI PER IL CALCOLO DELLA POSIZIONE CON IL PROCESSO DI TRILATERAZIONE.
LA TRILATERAZIONE
Il processo di trilaterazione è un passaggio fondamentale perchè è in esso che si svolge il calcolo della posizione di un oggetto sulla Terra, l'applicazione della cartografia è solo una cosa aggiuntiva. E' un processo articolato che per essere meglio compreso viene spiegato con esempi molto pratici.
Per il calcolo della posizione il GPS comunica con i satelliti analizzando determinate frequenze (1575.42 e 1227.60) sulle quali i satelliti trasmettono le informazioni. Per capire la distanza tra ricevitore e satellite viene misurato il tempo in cui il segnale impiega ad arrivare sulla Terra una volta partito dal satellite. Sembra un passaggio banale ma non lo è. Un errore di misurazione di anche un solo secondo altera la posizione di circa 300 km. Per capire meglio come funziona la misurazione facciamo un esempio semplice:
Ad una precisa ora (supponiamo le ore 12:00) il satellite emette un segnale sulla frequenza precedentemente indicata, allo stesso tempo anche il ricevitore gps emetterà un segnale dello stesso tipo. Per cui quando il segnale arriva a terra, verrà identificato dal GPS e questo è in grado di riconoscere quanto tempo ha impiegato ad arrivare sul pianeta. Moltiplicando il tempo per la velocità della luce (300.000 km/s) otteniamo la distanza tra GPS e satellite.
Nulla di complicato fin qua ma, bisogna sapere con estrema ed assoluta precisione a che ora è partito il segnale o come detto prima, il calcolo della posizione sarà completamente falsato. Per rispondere a questo problema ogni satellite imbarca con se un orologio atomico che sfrutta le oscillazioni degli atomi di celsio per la misurazione precisa all'ordine dell'infinitesimo di secondo. Gli orologi atomici sono apparati costosissimi e che hanno una possibilità di errore pari a 1 ogni 30.000 anni)
Per motivi di costo i GPS in commercio non possono avere al loro interno orologi atomici, avremmo in commercio apparati da 160.000 euro, ma per ovviare a ciò vengono installati orologi che mantengono l'estrema precisione per un certo periodo di tempo per poi essere aggiornati.
Una volta che il GPS ha calcolato i suoi dati numerici può passare al calcolo della latitudine, longitudine e altezza per essere poi applicata su una mappa identificando l'esatta posizione del punto sulla cartografia.Ecco perchè prima è stato detto che la cartografia è solo una cosa aggiuntiva, prima,c'è tutto questo passaggio ma attenzione tutto ciò avviene con la stessa durata di un battito di ciglia.
IN CONCLUSIONE
Il sistema GPS è disponibile in due versioni: PPS ( Precision Postioning Sistem) e quella SPS (Standard Positioning Sistem). La prima versione è quella ufficiale con un margine di errore veramente insignificante, la seconda e quella soggetta all'errore selettivo. Questo errore è stato creato intenzionalmente dal ministero della difesa americano con una vaga spiegazione in termini di sicurezza. L'errore di posizione si aggira intorno ai 30 m. Si dice che l'esercito americano ha giustificato questo errore selettivo come motivo di sicurezza...
Tutto questo processo e questo "mondo" è il funzionamento del GPS ma non è tutto!
Oltre al sistema americano (GPS) c'è anche quello russo, il GLONASS (GLOal NAvigation Satellite Sistem) che ha caratteristiche tecniche differenti rispetto al GPS.
Dispone di 24 satelliti ad altezza maggiore rispetto al sistema americano, disposti in tre orbite distanti 120° fra loro.
Il GPS abilitato alla ricezione di dati da tutti e due i sistemi può ottenere una misurazione con margine di errore che si aggira attorno ai 50cm. a discapito di un maggior consumo energetico.