[GEEK-LAB] Cos'è e come funziona il GPS

HI HONOR, oggi sono qui a parlarvi di una tecnologia che utilizziamo ogni giorno: il GPS.

Il GPS è l’acronimo di Global Positioning System. É un sistema di posizionamento e navigazione satellitare che, attraverso una rete dedicata di satelliti artificiali in orbita, fornisce ad un terminale mobile o ricevitore GPS informazioni sulle sue coordinate geografiche, in ogni condizione meteorologica.

La localizzazione avviene tramite la trasmissione di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l’elaborazione dei segnali ricevuti da parte del ricevitore. Il suo grado attuale di accuratezza è in metri, dipendentemente dalle condizioni meteorologiche, dalla disponibilità e dalla posizione dei satelliti rispetto al ricevitore, dalla qualità e dal tipo di ricevitore.

La vera particolarità di questo sistema è la completa autonomia: non richiede all’utente di trasmettere alcun dato e opera indipendentemente da qualsiasi ricezione telefonica o internet.

Esistono anche altri sistemi satellitari di broadcast oltre al sistema creato dagli Stati Uniti. Il più famoso è il GLONASS, acronimo di GLObal NAvigation Satellite System ed è il sistema di posizionamento utilizzato dai russi. Altri sistemi utilizzati, anche se meno frequentemente sono, in Europa, il sistema di posizionamento GALILEO, attivo dal 2016 e formato da 30 satelliti, il BEIDOU, creato dalla Cina e l’IRNSS, il sistema indiano.

L'origine del sistema è militare, dagli anni 70 gli Stati Uniti lavorano sull'utilizzo dei satelliti per la localizzazione spaziale; il servizio fu aperto al mondo intero solo nel 1991 con due standard differenti uno militare (PPS: Precision Positioning System) e l'altro civile (SPS: Standard Positioning System).

Naturalmente il sistema militare è molto più preciso in quanto introduce sistemi di correzione evoluti; inoltre fino al 2000 esisteva la "Selective Availability" per la versione civile che inseriva degli errori nel sistema SPS per ridurne l'accuratezza a 100-150 metri. Fortunatamente Bill Clinton rimosse tale vincolo ed oggi in condizioni buone un ricevitore GPS riesce a fornirci la posizione con un'accuratezza di circa 10 metri.

L'obiettivo del sistema GPS è in sintesi quello di fornire le coordinate della nostra posizione in termini di latitudine, longitudine e altitudine.

Esempio la latitudine e longitudine del Colosseo secondo il formato: gradi, minuti e secondi:

+41° 53' 24.96", +12° 29' 29.38"

Tipicamente i ricevitori agganciano tali informazioni alle mappe per fornire il servizio di navigazione e visualizzare strade e vie, le mappe sono caricate in memoria (come nel caso dei navigatori per auto) oppure vengono dalla rete. Il gps però è anche ampiamente utilizzato per tutte le forme di tracciamento (es. nel controllo del trasporto) e nel campo industriale.

Come funziona il GPS:

Il sistema GPS tecnicamente si compone di 3 livelli chiamati segmenti:

• Segmento spaziale: si tratta della costellazione di satelliti disposta nell’orbita terrestre. In totale, intorno alla terra, orbitano 31 satelliti artificiali (24 sono attivi, altri invece lo diventano in caso di necessità) disposti su 6 piani distinti, che emettono continuamente segnale su due canali differenti: L1 per l’uso civile (SPS), e L2 (PPS) per l’uso militare.
  


• Segmento di controllo: si tratta della combinazione delle 8 stazioni di controllo dei satelliti (7 operative e una “di riserva”), sparse in punti strategici della Terra, insieme alle 4 antenne terrestri in grado ad inviare a ciascun satellite gli aggiornamenti necessari nel tempo. Il personale all’interno delle stazioni di controllo si occupa della gestione completa dei satelliti, dei segnali e dei servizi.


• Segmento utente: questo segmento altro non è che l’insieme dei ricevitori GPS presenti sul nostro pianeta, sia militari che civili. In genere, un ricevitore si compone di un piccolo processore per elaborare le operazioni, di un’antenna GPS e di una sorgente di tempo, utile ad effettuare l’operazione di sincronizzazione.
  

Come vengono usati i satelliti per trovare la nostra posizione?

Il GPS riesce a trovare la nostra posizione sulla terra conoscendo:

• La distanza da almeno 3 satelliti.
  

• La posizione dei satelliti.

Il nostro ricevitore GPS riceve il segnale radio proveniente dal satellite (con frequenze portanti pari a 1575.42 MHz e 1227.6 MHz) che orbita nelle sue vicinanze e grazie a questo segnale riesce a calcolarne la distanza utilizzando la semplice formula:

Distanza = Velocità x tempo

Velocità: il segnale dal satellite viaggia alla velocità della luce (299.792 km/secondo)

Tempo: per trovare il valore del tempo, il satellite ed il ricevitore partono da un segnale base comune (segnale Pseudo Random Noise), come se cantassero una stessa canzone contemporaneamente, quanto il ricevitore deve calcolare la posizione riceve dal satellite il segnale (come se ascoltasse la canzone del satellite) ma dovendo percorrere decine di migliaia di chilometri il segnale arriverà con un certo ritardo rispetto al ricevitore, questo ritardo è il tempo di percorrenza (il ritardo è stimato di qualche centesimi di secondo).

Moltiplicando velocità per il tempo di percorrenza il nostro ricevitore avrà le distanze dei satelliti, ma non basta in quanto i satelliti sono in movimento e a noi occorre avere la posizione precisa nel momento del calcolo della distanza. A tal fine il satellite invia il tracciato della sua posizione nel tempo (che vengono memorizzate nel nostro dispositivo), tecnicamente si tratta di un'almanacco con le sue effemeridi che sarebbero tutte le informazioni sull'orbita con diverse grandezze astronomiche.

Triangolazione

Una volta che abbiamo le distanze precise dal satellite e la sua posizione vediamo come trovare la nostra sulla superficie della terra, a tal fine si usa la tecnica della triangolazione con la quale tramite le info dai 3 satelliti risolviamo un sistema di 3 equazioni con 3 incognite: latitudine, longitudine e altitudine.

In generale la tecnica della triangolazione ci consente di trovare esattamente la nostra posizione come intersezione di tre cerchi aventi raggio pari alla distanza del nostro punto dal punto di riferimento.

Come attivare il servizio di localizzazione su smartphone:

Per attivarlo basta recarsi nelle impostazioni--sicurezza e privacy--servizi di localizzazione--attivare la spunta accedi la mia posizione

Altrimenti il metodo più rapido è abbassare la tendina delle notifiche e attivare il toggle rapido della posizione.

Spero vi sia piaciuto l’articolo e per qualsiasi domanda o curiosità sarò lieto di rispondervi. Grazie per l’attenzione e ci vediamo al prossimo articolo!!