Come funziona un GPS?

Struttura di un sistema gps

Il GPS è una rete di satelliti in orbita capaci di inviare i dettagli precisi della loro posizione dallo spazio verso terra. I segnali sono ottenuti dai ricevitori GPS, come i dispositivi di navigazione e vengono utilizzati per calcolare l’esatta posizione, la velocità e il tempo nella posizione di veicoli.
Il sistema GPS è ben noto per i suoi usi militari ed è stato sviluppato dagli Stati Uniti per aiutare nei suoi sforzi i servizi di intelligence a livello mondiale, al culmine della Guerra Fredda. Sin dai primi anni 1980, tuttavia, il GPS è liberamente disponibile a chiunque abbia un ricevitore GPS. Compagnie aeree, compagnie di navigazione, aziende di autotrasporti, e conducenti utilizzano ovunque il sistema GPS per monitorare i veicoli, seguire il percorso migliore per arrivare da A a B nel più breve tempo possibile.

Il primo sistema GPS è stato sviluppato nel 1960 per consentire alle navi della Marina degli Stati Uniti di navigare gli oceani in modo più accurato. Il primo sistema aveva cinque satelliti e ha consentito alle navi di verificare la loro posizione una volta ogni ora. Oggi, i dispositivi portatili dei dispositivi di navigazione possono dare i driver per comunicare la loro posizione esatta a pochi metri, e questa posizione è abbastanza precisa anche per navigare strade. Le applicazioni militari ottengono maggiore precisione in modo che una posizione possa essere individuata in pochi centimetri.
Il GPS NAVSTAR è l’unico pienamente operativo a libello globale di navigazione satellitare; attualmente questo sistema fornisce dati di posizionamento con copertura globale. L’Unione europea ha comunque sviluppato un sistema di GPS autonomo noto come il sistema di posizionamento Galileo,  operativo dal 2013. La Cina ha un sistema locale che in futuro si potrà espandere a livello globale, mentre la Russia sta restaurando il suo sistema GLONASS.

Struttura di un sistema GPS

Un sistema GPS è composto di tre parti: una costellazione tra 24 e 32 satelliti ad energia solare in orbita intorno alla Terra orbita ad un’altitudine di circa 20 mila chilometri, una stazione di controllo master e quattro stazioni di controllo e di monitoraggio (nelle isole Hawaii, nelle isole dell’Ascensione, Diego Garcia e Kawajale); infine ci sono i ricevitori GPS come quelli che si installano in un’automobile.

Ciascuno dei satelliti è in un’orbita che permette ad ricevitore di rilevare almeno quattro dei satelliti operativi. I satelliti inviano segnali a microonde a un ricevitore dove il computer incorporato utilizza questi segnali per calcolare la distanza esatta da ciascuno dei quattro satelliti e quindi triangola la posizione esatta sul pianeta con l’approssimazione di pochi metri basati su tali distanze.
In realtà, sono necessari solo tre segnali da satelliti per realizzare questo processo trilaterazione; il calcolo della propria posizione sulla terra basata sulla distanza da tre satelliti. Il segnale proveniente dal quarto satellite è ridondante e viene utilizzato per confermare i risultati del calcolo iniziale. Se la posizione calcolata da distanze di satelliti “ABC” non corrisponde al calcolo basato su “ABD” poi altre combinazioni vengono testate fino ad ottenere un risultato coerente.
Il processo di misurazione della distanza dal satellite al ricevitore GPS si basa su segnali temporizzati. Per esempio, a 16h45m precisamente, il satellite può iniziare a trasmettere il suo segnale. Il ricevitore GPS inizierà  la stessa sequenza casuale 16h45m ora locale, ma non trasmetterà la sequenza. Quando il ricevitore capterà il segnale dai satelliti differenti, ci sarà un ritardo, poiché le microonde hanno una frazione di secondo per viaggiare dal satellite al ricevitore. Il ritardo è facilmente convertito in distanza per ciascun satellite. La lieve differenza tra i segnali da ogni satellite viene quindi utilizzata per calcolare la posizione del ricevitore.

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