GPS

Global Positioning System

Sistema di posizionamento globale

L’acronimo deriva dall’abbreviazione di NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) che identifica il sistema di posizionamento e navigazione satellitare militare statunitense.

L’infrastruttura si fonda su una rete dedicata di satelliti artificiali in orbita che fornisce ai terminale mobili o ricevitore GPS, ad esso associati, una serie di informazioni che vengono rilevate come ad esempio le coordinate geografiche dei dispositivi collegati e la condizione meteorologica nelle immediate vicinanze.

Il sistema funziona con un minimo di 4 satelliti che trasmettono un segnale radio al dispositivo ricevente, successivamente elaborano i segnali ricevuti per ritrasmettere la posizione del dispositivo ricevente.

Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti:

• space segment (segmento spaziale): gestito dal USAF (United States Air Force) e comprende dai 24 ai 32 satelliti (muniti di orologi atomici al cesio o al rubidio, di razzi a idrazina per il controllo orbitale e un sistema fotovoltaico) disposti su sei piani orbitali (ogni piano ha almeno 4 satelliti e sono disposti in modo tale che ogni dispositivo connesso possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti) con un’inclinazione di 55° sul piano equatoriale e seguono un’orbita praticamente circolare con eccentricità massima tollerata di 0,03 e un raggio di circa 26.560 km che percorrono in metà giorno siderale in (11 ore 58 minuti 2 secondi), il percorso viene ripetuto dopo un giorno sidereo (giorno siderale);
• control segment (segmento di controllo): gestito dal USAF (United States Air Force) e comprende di una "master control station" (stazione di controllo principale), una "alternate master control station" (stazione di controllo alternativa), 4 antenne dedicate e condivise e sei stazioni di monitoraggio;
• user segment (segmento utente): appartenente al dispositivo connesso ed è composto dai ricevitori militari "PPS" (Precision Positioning System) e civili "SPS" (Standard Positioning System) che si compongono di un’antenna, un microprocessore e una sorgente di tempo (ad esempio un oscillatore al quarzo o un TCXO - Temperature Compensated Crystal Oscillator) ed eventualmente un display per fornire le informazioni all’utente.

Il principio di funzionamento si basa sulla multilaterazione (metodo di posizionamento sferico) che parte dalla misura del tempo impiegato (il ricevitore deve risolvere le incognite sulla latitudine, longitudine, altitudine e tempo); il ricevitore calcola l’esatta distanza di propagazione dal satellite a partire dalla differenza tra l’orario pervenuto e quello del proprio orologio sincronizzato con quello a bordo del satellite (la sincronizzazione avviene all’accensione del dispositivo ricevente utilizzando l’informazione che arriva dal quarto satellite), tenendo conto della velocità di propagazione del segnale (ordine dei microsecondi).

Ogni satellite emette su due canali:

• L1 (1575,42 MHz) per l’unico disponibile per i ripetitori civili "SPS" (Standard Positioning System);
• L2 (1227,6 MHz) per l’uso esclusivo per i ricevitori militari "PPS" (Precision Positioning System).

Le frequenze dei due canali derivano da un unico oscillatore ad alta stabilità di clock (10,23 MHz) che viene moltiplicato per 154 (L1) e 120 (L2) per ottenere le due frequenze portanti con l’obbiettivo di ridurre, se non eliminare del tutto, la rifrazione atmosferica.

L’utilizzo delle due frequenze portanti (modulate in fase) consente di modulare il messaggio di navigazione (velocità di trasmissione pari a 50 bit per secondo) con una modulazione numerica di tipo binario (0;1) contenente:

• satellite time-of-transmission (tempo della trasmissione del satellite);
• satellite ephemeris (effemeridi satellitari);
• SIS health (grado di funzionalità del satellite);
• satellite clock correction (correzione relativistica dell’orologio satellitare);
• ionospheric delay effects (effetti di ritardo del segnale dovuti alla ionosfera);
• UTC (Universal Time Coordinated);
• constellation status (stato della costellazione).

Ogni satellite trasmette l’almanacco con i parametri orbitali approssimati dell’intera costellazione e le effemeridi (tabelle che contengono valori calcolati, nel corso di un particolare intervallo di tempo, di diverse grandezze astronomiche come magnitudo, parametri orbitali, coordinate, distanza dei pianeti, comete, asteroidi, satelliti artificiali e magnitudo delle stelle variabili) relative a sé stesso (dura 18 secondi e si ripete ogni 30 secondi, per scaricare tutto l’almanacco servono 12,5 minuti).

In questo modo il ricevitore GPS, mentre effettua il conteggio Doppler (fenomeno fisico che consiste nel cambiamento apparente, rispetto al valore originario, della frequenza o della lunghezza d’onda percepita), riceve i parametri dell’orbita da cui deriva la posizione del satellite: viene così a disporre di tutti gli elementi necessari a definire la superficie di posizione nello spazio.

Gli orologi dei satelliti vengono corretti per gli effetti osservati sull’anticipo del tempo causato dalla teoria della relatività Einstein che corrisponde a quello atteso in teoria, nei limiti di accuratezza della misura.

L’anticipo è l’effetto combinato tra la velocità relativa di spostamento (l’orologio sul satellite misura 7 microsecondi al giorno meno dell’orologio sulla terra) e il potenziale gravitazionale (minore sull’orbita del satellite, l’orologio sul satellite misura 45 microsecondi in più).

Pertanto l’orologio sul satellite misura 38 microsecondi al giorno più degli orologi a terra e per risolvere questo differenza gli orologi sul satellite sono corretti per via elettronica mentre risulta più complessa è la compensazione atmosferica e elettronica che influiscono sulla propagazione del segnale.

Questa tecnologia rientra nel GNSS (Global Navigation Satellite System).