Negli ultimi anni, il GPS è diventato un vero e proprio punto di riferimento per tantissime persone.
La possibilità di tracciare la tua posizione in tempo reale ha aperto un enorme ventaglio di possibilità, dall’attività fisica alle funzioni da navigatore.
Ma cosa c’è dietro questo sistema apparentemente semplice ma che coinvolge satelliti in orbita sulla terra, relatività e orologi atomici? Insomma: come funziona il GPS?
Vediamolo insieme! 😉
Contenuti dell'articolo
Cos’è il GPS
GPS è una sigla che sta per Global Positioning System e identifica un sistema di posizionamento satellitare.
Ciò vuol dire che mediante dei satelliti in orbita intorno alla Terra, ma non solo, è possibile conoscere la posizione precisa di un oggetto sulla superficie della Terra.
Il numero dei satelliti varia, ma al momento ce ne sono 31 in orbita più altri inattivi propri per subentrare nel caso ci siano malfunzionamenti.
Prima ho scritto che il GPS è un sistema di posizionamento satellitare, ma non è l’unico. Certo, negli anni ha indicato tutta la categoria, ma ad oggi ne esistono diversi.
Questi altri sistemi fanno più o meno la stessa cosa e funzionano più o meno allo stesso modo. Ecco quali sono:
- GLONASS. Acronimo per GLObal NAvigation Satellite System, è il sistema di posizionamento utilizzato dalla Russia ed è diffuso quasi quanto il GPS. Anch’esso usa 31 satelliti.
- GALILEO. Si tratta del sistema GPS sviluppato e utilizzato in ambito europeo, con 30 satelliti.
- BEIDOU. È il sistema di posizionamento satellitare cinese.
- IRNSS. È il sistema di posizionamento satellitare indiano.
Come avrai potuto immaginare, il GPS è invece un sistema sviluppato dagli Stati Uniti nonché il più impiegato a livello globale.
Oggi, i dispositivi che integrano un ricevitore GPS sono tantissimi. Ovviamente ci sono gli smartphone, che permettono di tracciare il tuo movimento e la tua attività, ma anche alcuni dei migliori smartwatch. Inoltre, sono dotati di GPS anche i droni.
Spesso, insieme al GPS è presente anche GLONASS e più raramente GALILEO. I tre sistemi sono infatti i più utilizzati in Paesi come l’Italia.
Da cosa è composto il GPS?
Benché abbiano molte differenze, i diversi sistemi di posizionamento satellitare che abbiamo visto funzionano tutti in modo simile.
Da questo punto di vista, dire che il GPS funziona grazie ai satelliti in orbita intorno alla Terra sarebbe estremamente riduttivo.
In realtà, qualsiasi sistema di posizionamento satellitare è composto da tre diverse parti, o segmenti:
- un segmento spaziale;
- un segmento di controllo;
- il segmento di utilizzo.
Vediamoli più da vicino. 😉
Segmento spaziale del GPS
Si tratta proprio dei satelliti che permettono al GPS di posizionare qualsiasi ricevitore in modo preciso sulla superficie terrestre.
Il sistema GPS è composto da 31 satelliti NAVSTAR disposti su sei piani orbitali con inclinazione di 55°, e con almeno 4 satelliti su ciascun piano orbitale.
In questo modo, si cerca di permettere la ricezione di almeno 5 satelliti per ogni ricevitore sulla Terra.
I satelliti sono una componente fondamentale del GPS, e sono stati progettati per questo compito. Seguono orbite quasi circolari, la loro eccentricità è di 0,03, e ne completano una ogni 11 ore, 58 minuti e 2 secondi.
Ciascun satellite è inoltre equipaggiato con orologi atomici al cesio o al rubidio. Capiremo fra poco la loro importanza. 😉
Come ti dicevo prima, il GPS ha 31 satelliti in orbita, ma almeno 24 devono essere utilizzati per la trasmissione del segnale.
Segmento di controllo del GPS
Il segmento di controllo del GPS è formato da tutte quelle apparecchiature terrestri che permettono di controllare il funzionamento dei satelliti.
Ci sono stazioni di controllo e antenne terrestri in grado di monitorare le traiettorie dei satelliti. L’obiettivo è quello di permettere il funzionamento sincrono degli orologi ed effettuare correzioni che tengano conto della relatività.
Segmento di utilizzo del GPS
Il segmento di utilizzo è anche chiamato segmento utente e, come puoi immaginare, è composto da tutti i ricevitori GPS.
Questi ultimi però si dividono in:
- ricevitori militari, che usano un sistema chiamato Precise Positioning Service o PPS;
- ricevitori civili, commerciali e scientifici, che usano un sistema chiamato Standard Positioning Service o SPS.
Ogni ricevitore GPS è composto da un’antenna, da un microprocessore e da una sorgente di tempo. Questa richiede però correzioni maggiori dal momento che non ha la stessa precisione degli orologi atomici.
Come funziona il GPS?
Per conoscere la posizione precisa di un qualsiasi oggetto sulla superficie della Terra, è necessario che tutti e tre i segmenti del GPS funzionino in perfetto accordo.
Ma di preciso come funziona il GPS?
Il principio alla base del Global Positioning System è molto semplice. Immagina di attivare il ricevitore GPS sul tuo smartphone o sul tuo smartwatch: in pratica, stai dicendo al tuo dispositivo che può ricevere le informazioni dai satelliti in orbita.
Per ottenere un dato preciso sulla posizione, il ricevitore GPS deve ricevere informazioni da almeno quattro satelliti. Queste informazioni sono:
- la posizione del satellite;
- l’orario di invio del segnale.
Grazie a questi dati ricevuti da almeno quattro satelliti, il ricevitore GPS può calcolare quanto tempo il segnale ha impiegato per arrivare. Di conseguenza, triangolando i dati ricevuti calcola qual è la sua posizione.
Per riuscire nell’impresa, ogni ricevitore non ha soltanto bisogno che i dati provengano da almeno quattro satelliti, ma anche che queste informazioni siano precise. Serve a questo l’orologio atomico presente sui satelliti GPS. 😉
In genere i ricevitori sono in grado di usare più sistemi satellitari, per esempio GALILEO o GLONASS, così da ottenere un risultato ancora più preciso.
I dati del segnale GPS
Tecnicamente, quando arriva sulla superficie terrestre il segnale GPS è estremamente debole. Per esempio, non può passare attraverso edifici e montagne, come avrai potuto notare quando il navigatore non funziona in galleria.
Negli ultimi anni, i ricevitori GPS sono diventati molto più sensibili, e quindi riescono a restituire una posizione anche all’interno degli edifici. Non è sempre è precisa, non quanto all’esterno, almeno.
Il segnale GPS contiene tre tipi di informazioni diverse:
- il codice pseudo-casuale, che indica qual è il satellite GPS che sta trasmettendo le informazioni;
- dati sulle effemeridi, ossia sulla posizione di un satellite, sul suo stato, sulla data e sull’ora corrente;
- dati astronomici, che indicano al ricevitore dove ciascun satellite del GPS si troverà in qualsiasi momento nei mesi successivi.
Il GPS può commettere errori?
Sì, ma soltanto in alcune situazioni. Di norma, infatti, il GPS è molto preciso tanto da rilevare la posizione con un margine di errore inferiore a pochi metri.
Talvolta però alcuni errori vengono commessi, soprattutto quando si verificano alcune condizioni, per lo più:
- percorso multiplo del segnale, per cui il segnale GPS rimbalza su altri oggetti e causa errori di interpretazione da parte del ricevitore;
- errori da parte dell’orologio integrato nel ricevitore GPS, vista la minore precisione rispetto agli orologi atomici presenti sui satelliti;
- ritardi del segnale a causa del passaggio nella ionosfera e nella troposfera;
- errori nei dati inviati al ricevitore che riguardano la posizione dei satelliti GPS;
- numero insufficiente di satelliti visibili dal ricevitore GPS.
Possono influire sul segnale GPS anche il meteo e gli errori da parte del ricevitore, come bug di sistema e malfunzionamenti locali.
Il GPS funziona anche se non c’è Internet?
In teoria la risposta è affermativa. Il GPS permette di rilevare la posizione anche quando non c’è Internet attivo, dal momento che la triangolazione avviene a partire le coordinate ottenute dal segnale satellitare.
Se hai uno smartwatch con il GPS ma senza possibilità di collegarsi a Internet, potrai tracciare comunque la tua posizione.
Ovviamente, la connessione al web ti servirà se intendi sfruttare tutte le funzionalità di un software come Maps. 😉
Conclusioni
Come hai visto, in linea di principio il funzionamento del GPS è molto semplice. Eppure, si tratta di uno dei risultati più grandi degli ultimi decenni.
La sintonia fra segmento spaziale, segmento di controllo e segmento di utilizzo permette ai miliardi di dispositivi sulla Terra di posizionarsi in modo preciso. E non è poco. 😉
A questo proposito, puoi trovare il GPS in device diversi fra loro, come per esempio:
- i migliori smartwatch economici e cinesi;
- i migliori smartwatch con SIM;
- le migliori smartband;
- i migliori droni.
Per qualsiasi dubbio o se stai cercando un consiglio, scrivi pure un commento qui sotto! 😉
