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GPS, sapere dove sei per sapere dove sarai....
ACCENNI SUL FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA GPS
Come funziona il sistema GPS
La diffusione dei navigatori GPS nel settore consumer è stata molto
repentina, e per certi aspetti, anche sorprendente; da periferiche
inarrivabili che equipaggiavano le automobili di fascia superiore
(mi ricordo un mio conoscente che 5 anni fa con il navigatore in
macchina si atteggiava a James Bond), adesso hanno invaso
praticamente tutto: automobili, telefonini, palm, biciclette...
Quello che sembra una tecnologia spaziale e complicatissima,
all'atto pratico è più semplice di quello che sembra; in questo
articolo spiegheremo come funziona.
La "mappatura" della terra è ottenuta grazie ad una costellazione di
satelliti in orbita circolare intorno alla Terra a circa 20.200 km
di altezza; questa costellazione è costituita da 27 satelliti di cui
24 effettivi e 3 di riserva, disposti su 6 differenti piani orbitali
con un piano di inclinazione di 55°; questo sistema di orbite ed
inclinazioni consente di visualizzare la superficie terrestre da
perlomeno 4 satelliti contemporaneamente. Questi satelliti hanno un
periodo di rotazione di 12 ore, o meglio "quasi" 12 ore; infatti
ogni giorno anticipano di circa 4 minuti; questo scarto, unito ad
altre considerazioni, rendono indispensabile un controllo a terra,
rappresentato da 4 postazioni disposte in prossimità dell'equatore:
Isola di Ascensione, Diego Garcia, Hawaii e sull'atollo di
Kwajalein; queste postazioni supportano i satelliti, correggendone
gli orologi atomici.
I dati raccolti vengono inviati alla stazione master di Colorado
Springs, dove i dati vengono elaborati per valutare possibili
errori. Il dato aggiornato viene ritrasmesso al satellite che, a sua
volta, lo ritrasmette ai vari ricevitori degli utenti, consentendo
agli stessi la precisa individuazione della costellazione.
L'opera delle basi a terra è fondamentale per la funzionalità del
sistema satellitare; senza di esso i satelliti diverrebbero presto
inutilizzabili.
La costellazione di satelliti sono il risultato di invii successivi;
il primo gruppo di satelliti (Blocco 1) fu lanciato dalla California
tra il 1978 e il 1985 e non sono attualmente più operativi.
Nel 1998, infatti, è iniziata la messa in orbita dei satelliti del
Blocco 2 delle serie II, HA e IIR. Di dimensioni estremamente
contenute (meno di 6 metri di larghezza con i pannelli solari
completamente estesi e un peso di circa 1.500 kg), funzionanti a
energia solare e dotati di piccoli propulsori autonomi per la
correzione degli errori di rotta, sono stati lanciati per mezzo di
cosiddetti "razzi a perdere" del tipo Delta.
In realtà era previsto che alcuni fossero posizionati direttamente
dagli Shuttle, ma il programma venne sospeso dopo il rovinoso
incidente del Challenger. Gli orologi atomici montati a bordo sono
quattro, due al cesio e due al rubidio, per garantire la massima
precisione e l'adeguata ridondanza.
La flotta del futuro
La permanenza in orbita della costellazione è prevista in circa otto
anni e tra quest'anno e il prossimo è previsto l'invio in orbita di
un secondo blocco di satelliti (serie IIF), non solo sostitutivi
degli attuali ma con caratteristiche tecniche migliorate (per
esempio l'implementazione di una seconda frequenza per usi civili e
l'utilizzo di orologi all'idrogeno invece di quelli al
cesio/rubidio). Tutti i satelliti della serie II, oltre che delle
funzioni Gps, sono dotati di sensori per rilevare eventuali
esplosioni atomiche al suolo. La velocità di spostamento rispetto
alla superficie terrestre è di circa 3.000 km/h, mentre quella
relativa rispetto all'orbita raggiunge 11.000 km/h.
Come funziona il GPS
Il sistema di funzionamento del Gps è relativamente semplice. Si
basa, di fatto, sul metodo della triangolazione, un sistema
utilizzato per secoli dai navigatori; il sistema ricevente
dell'utente riceve impulsi dai satelliti della costellazione Gps e,
attraverso un sistema di equazioni, desume la propria posizione
triangolando i segnali automaticamente, utilizzando essenzialmente
un metodo adottato nell'antichità dai naviganti e a tutt'oggi dai
cartografi: utilizzando la rilevazione della posizione di almeno tre
punti fissi (con coordinate note) si calcola la propria posizione,
data dall'incontro delle rette passanti per detti punti. Questa
prima considerazione di fa dedurre, quindi, che non è il dispositivo
di navigazione al suolo (in mare o nel cielo) che comunica la
propria posizione ai satelliti, come si potrebbe immaginare, in
realtà avviene il contrario. Il dispositivo è atto a ricevere
segnali univoci e continui dal satellite che li invia in maniera
unidirezionale. La ricezione dei segnali di tre distinti satelliti
fornisce un'indicazione abbastanza precisa della posizione, ma non
assolutamente precisa; per questo motivo occorre ricevere l'impulso
da un quarto satellite per ottenere la maggiore precisione
possibile, vedremo tra poco il perché.
Ogni satellite della costellazione genera un segnale contenente tre
informazioni: il proprio identificativo, la posizione sull'orbita in
cui si trova e un segnale temporale la cui precisione è garantita
dall'orologio atomico montato a bordo.
Attraverso queste informazioni il dispositivo ricevente è in grado
di conoscere la distanza esatta dal satellite, applicando una delle
leggi di Newton (distanza = velocità x tempo) e quindi moltiplicando
il tempo di percorrenza del segnale per la velocità della luce
(circa 300.000 km al secondo). Chiaramente, però, il ricevitore può
trovarsi in un qualsiasi punto di un'ipotetica sfera il cui raggio è
rappresentato dalla distanza ricevitore/satellite. La ricezione di
un secondo segnale, analogo al primo, da un secondo satellite
genererà una seconda sfera che s'intersecherà con la prima in due
punti generando un'ellisse entro la quale si troverà il punto
ricercato. Basterà quindi ricevere il segnale da un terzo satellite
per limitare le possibilità a due punti molto vicini (uno dei quali
potrà essere automaticamente eliminato per via di considerazioni
matematiche e cinematiche) e quindi ottenere la corretta posizione
dell'apparato ricevente.
I problemi essenziali a questo punto sono due: calcolare con massima
precisione il tempo di percorrenza del segnale e potere garantire la
massima sincronizzazione degli orologi (quello sul satellite e
quello dell'apparato di ricezione). Il sistema di codici utilizzato
per ottenere la massima precisione del tempo di percorrenza è di
tipo "pseudocasuale". S'intende con questo termine un sistema di
codici estremamente complesso, tale da apparire pressoché casuale.
In realtà si tratta di un codice ripetuto mille volte al secondo. La
lettura del codice generato dal satellite e di quello generato
localmente dal dispositivo ricevente (teoricamente nello stesso
istante) e il loro confronto causano una discrepanza e quindi una
grandezza misurabile che fornisce il valore della distanza. Il
satellite emette il proprio segnale, e invia il proprio codice, su
due portanti: L1 (1.575,42 MHz) e L2 (1.227,60 MHz). Sulla prima
portante viaggia un codice, detto C/A (Coarse Acquisition o
acquisizione grossolana), ripetuto ogni 1.023 bit, e occupa una
banda da 1 MHz.
Il C/A definisce un'acquisizione grossolana in quanto lo sfasamento
di un microsecondo (pari a poco meno di un ciclo), moltiplicato per
l'enorme distanza, può generare errori fino a 300 metri. Il secondo
codice P (Precise) è modulato invece a 10 MHz, quindi con una
frequenza al secondo dieci volte maggiore.
Questo è il codice che, combinato con il primo, garantisce la
precisione richiesta. Il codice P è anche quello che
l'Amministrazione americana si è riservata di potere degradare in
caso di assoluta necessità e di minaccia alla sicurezza nazionale
(come è avvenuto nelle ore successive agli attacchi alle Twin Towers
dell' 11 settembre 2001). Risolto il problema dei codici la
questione è riconducibile a un problema di precisione degli orologi.
I quattro montati sul satellite, sono precisi al milionesimo di
secondo, ma non altrettanto precisi possono essere quelli montati
sull'apparecchiatura ricevente (il costo e le dimensioni sarebbero
proibitivi).
Entra in gioco allora il segnale ricevuto dal quarto satellite.
Supponendo che tutti i dispositivi (spazio-terra) siano
perfettamente sincronizzati, la triangolazione di quattro segnali
che s'intersecano dovrebbe fornire l'indicazione accurata di un
punto. Poiché questo nella realtà non accade, si deve assumere come
unica fonte di errore il dispositivo ricevente. Ragionando al
contrario è possibile calcolare quali aggiustamenti possano
riportare l'intersezione dei segnali a un punto singolo e in base a
tali valori ricalcolare le coordinate e la posizione. Ma i problemi
non sono finiti, e occorre calcolare ancora alcune variabili.A causa
dell'attrazione gravitazionale terrestre e lunare, nonché delle
radiazioni solari, le orbite dei satelliti subiscono scostamenti che
vanno corretti con il supporto delle postazioni terrestre indicate
prima; inoltre, durante l'attraversamento della ionosfera e della
troposfera i segnali, a causa delle particelle caricate
elettricamente che interferiscono con le onde elettromagnetiche,
subiscono rallentamenti che vanno compensati. Per risolvere questo
problema viene utilizzato il metodo di confronto tra le due portanti
(LI e L2), che vengono rallentate in maniera differente dalle
particelle: confrontando i ritardi, è possibile calcolare gli
effetti dell'atmosfera sul segnale. Ultimo, ma non per importanza, è
il cosiddetto "multipath", ovvero la riflessione dei segnali causata
dalla presenza di ostacoli a terra, nonché l'effetto Dop-pler
causato dal movimento del ricevitore. Queste potenziali fonti di
errore sono corrette attraverso elaborazioni numeriche dei segnali
operate direttamente dai dispositivi di ricezione. Come funziona il
ricevitore? Nel momento in cui si accende il ricevitore,
quest'ultimo si pone in ascolto del segnale proveniente dai
satelliti "visibili" da quella determinata posizione. Se il
ricevitore viene acceso dopo lungo tempo dall'ultimo utilizzo, si
parla di "cold start" (avvio a freddo). In questo caso il ricevitore
deve creare un "almanacco" della posizione presunta di almeno un
satellite e ricevere un segnale orario sufficientemente preciso da
cui desumere la posizione degli altri satelliti della costellazione.
A questo punto, se le condizioni di ricezione sono favorevoli, il
satellite è in grado di creare le "effemeridi", ovvero il
posizionamento preciso degli altri tre satelliti che gli sono
necessari per calcolare il posizionamento (fix), e può cominciare la
navigazione.
Il tempo per compiere questi calcoli ed effettuare il fix è definito
con l'acronimo Ttff (Time To First Fix) e si aggira normalmente
attorno a un minuto, sempre che non siano presenti troppi ostacoli e
il ricevitore non sia in movimento. Nel caso di una riaccensione del
dispositivo dopo poco tempo dall'ultimo spegnimento, si parla
invece di "warm start" (avvio a caldo). In questo caso il Ttff
scende in maniera drastica a tempi che vanno da dieci a venti
secondi, questo perché le effemeridi e l'almanacco registrato nella
precedente sessione di lavoro possono essere ancora ritenuti validi
e molte operazioni non devono così essere ripetute.
Il numero e la posizione dei satelliti visibili dal dispositivo
influiscono naturalmente sulle operazioni sopradescritte. Una
disposizione che veda troppi satelliti allineati o raggruppati è
meno efficace di una che veda un numero inferiore di satelliti ma
ben distanziati tra loro. I dispositivi in commercio sono in grado
di "ascoltare" un numero variabile di canali tra 12 e 16
(praticamente nessun dispositivo è in grado di visualizzarne 24);
per la determinazione efficace della posizione il dispositivo dovrà
essere in grado di operare scelte selettive tra i vari segnali
selezionando i migliori e i meglio distribuiti.
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