Global Positioning System tesina

Istituto tecnico industriale “Galileo Galilei” Livorno

Global Positioning System

Anno scolastico 2011/2012

Scammacca Andrea

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Argomenti

• Cos’è il GPS
• Cenni storici
• Composizione
• GPS (spaziale, controllo, utente)
• Determinazione della posizione (concetto di trilaterazione)
• Calcolo della distanza tra satellite e ricevitore
• Quanto è preciso?
• Errori nel calcolo della posizione
• Elaborazione personale sugli effetti della relatività
• Applicazioni GPS in era moderna (civile, militare, sport, vela, collegamento TAN)
• Utilizzo GPS nel progetto TAN (spiegazione minima del progetto)
• Collegamento con inglese. Brano: “Channels of communication”

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Cos’è il GPS?

Il Sistema di Posizionamento Globale, in inglese: Global Positioning System, abbreviato GPS, a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System, è un sistema di posizionamento e navigazione satellitare che, attraverso una rete satellitare dedicata di satelliti artificiali in orbita, fornisce ad un terminale o ricevitore GPS informazioni sulle sue coordinate geografiche ed orario, in ogni condizione meteorologica, ovunque sulla Terra o nelle sue immediate vicinanze ove vi sia un contatto privo di ostacoli con almeno quattro satelliti del sistema, tramite la trasmissione di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l’elaborazione dei segnali ricevuti da parte del ricevitore.

La sigla GPS (Global Positioning System) è l’abbreviativo di NAVSTAR GPS (Navigation Satellite And Ranging Global Position System), ovvero un sistema relativamente recente in grado di determinare la posizione in termini di longitudine, latitudine ed eventualmente quota, di un utilizzatore, tramite la trasmissione, da almeno 4 satelliti, di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l’elaborazione dei segnali ricevuti da parte del ricevitore. Il rilevamento avviene tramite l’uso di una costellazione di 24 satelliti, ripartiti su 6 orbite intorno alla Terra ad una quota di circa 20.200 Km con un periodo di 11 h 58 m 04 s.

Il sistema GPS è gestito dal governo degli Stati Uniti d’America ed è liberamente accessibile da chiunque dotato di ricevitore GPS. Il suo grado attuale di accuratezza è [1] dell’ordine dei metri, in dipendenza dalle condizioni meteorologiche, dalla disponibilità e dalla posizione dei satelliti rispetto al ricevitore, dalla qualità e dal tipo di ricevitore, e degli effetti della relatività.

Per saperne di più: ionosfera e troposfera.

La ionosfera fa parte dello strato più esterno dell’atmosfera: la termosfera, ed è quello strato dell’atmosfera nella quale le radiazioni del Sole, e in misura molto minore i raggi cosmici provenienti dallo spazio, provocano la ionizzazione dei gas componenti.

La troposfera è la fascia dell’atmosfera a diretto contatto con la superficie terrestre. È lo strato dove avvengono i fenomeni meteorologici, causati dalla circolazione delle masse d’aria e che danno vita ai venti, alle nuvole e alle precipitazioni.

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Cenni storici: corsa agli armamenti

La cosiddetta corsa agli armamenti tra Stati Uniti e Unione Sovietica è stata preceduta dall’avvento dell’era nucleare. La prima bomba atomica venne creata in seguito ad un progetto segreto statunitense, iniziato durante la Seconda Guerra Mondiale. Si pensò ad un’arma capace di annientare il nemico Nazista, vista la crescente paura che Hitler potesse sopraffare gli Alleati. I primi ordigni nucleari mai utilizzati nella Storia furono sganciati su due città giapponesi proprio durante la fine della Seconda Guerra Mondiale. La prima bomba esplose il 6 agosto del 1945 su Hiroshima e la seconda tre giorni dopo su Nagasaki. I morti provocati nell’istante dell’esplosione furono circa 160.000. Da allora Stati Uniti e Unione Sovietica incrementarono la ricerca e lo sviluppo scientifico al servizio degli armamenti.

Nel 1949 gli Stati Uniti e la maggior parte delle nazioni dell’Europa occidentale si unirono per formare la N.A.T.O. (North Atlantic Treaty Organization), ovvero un’alleanza difensiva in modo da opporsi alla minaccia sovietica durante quella che venne definita guerra fredda, ovvero un conflitto tattico senza un vero scontro sul campo, fatto di corse agli armamenti e minacce fortunatamente mai portate a termine.

Oltre alla conquista per il nucleare questo periodo viene caratterizzato dalla corsa allo spazio. Il primo satellite artificiale messo in orbita risale al 4 ottobre 1957, quando l’Unione Sovietica ha lanciato lo Sputnik I, seguito un mese dopo dallo Sputnik II, il quale trasportava addirittura un essere vivente, la famosa cagnolina Laika.

Colti alla sprovvista, gli Americani accelerarono notevolmente il programma spaziale e riuscirono a lanciare il primo satellite statunitense il 31 gennaio 1958, l’Explorer I. In questo modo ebbe inizio la conquista dello spazio che segnò l’inizio di una nuova era anche per i sistemi di radionavigazione. L’idea di poter determinare la propria posizione tramite l’uso dei satelliti e quindi la successiva creazione del GPS ebbe inizio quasi per caso quando al laboratorio di fisica della John Hopkins University scoprirono che i segnali ricevuti dall’emissione dei satelliti subivano una variazione di frequenza a causa dell’effetto Doppler, determinato dalla velocità relativa tra il satellite e la Terra, riuscendo così a determinare l’effettiva posizione del satellite; fu proprio grazie a questa scoperta che Frank T. McClure, dello stesso laboratorio, pensò alla possibilità di determinare la posizione di un utilizzatore a terra avendo come nota la posizione del satellite.

Il primo sistema di radionavigazione statunitense con satelliti artificiali fu il TRANSIT, operativo dal 1964 ma riservato a scopi militari sino al 1967, quando venne liberalizzato ad uso commerciale, anche se con l’imposizione di un errore riducendone quindi la precisione.

Mentre gli Stati Uniti lavoravano per perfezionare il TRANSIT, nell’Unione Sovietica veniva utilizzato il TSIKADA, sistema analogo anche se lievemente inferiore a livello di prestazioni.

Questi sistemi di radionavigazione inizialmente venivano utilizzati per la localizzazione di sottomarini ed imbarcazioni dato che richiedevano solo l’identificazione della posizione e non della quota.

Nel 1991 gli USA giunsero al completamento del sistema GPS con il nome SPS (Standard Positioning System), con specifiche diverse da quello militare denominato PPS (Precision Positioning System). In pratica la differenza sostanziale riguardava il concetto di Selective Availability (SA) che introduceva errori intenzionali nei segnali satellitari a scopo civile, per ridurre l’accuratezza della rilevazione, consentendo precisioni solo nell’ordine di 100–150 m. Questa degradazione del segnale è stata disabilitata dal maggio del 2000, grazie a un decreto del presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione di circa 10–20 m.

Per quanto riguarda invece la situazione europea solo nel 2002 ha avuto inizio la progettazione e creazione del sistema Galileo, simile al GPS ma con una maggior precisione e miglior copertura. Inoltre il sistema europeo evita il rischio che in tempi di guerra o pericolo gli Stati Uniti lo possano spegnere, così come è successo per il GPS l’11 settembre 2001, in seguito agli attentati terroristici su suolo americano.

Da cosa è composto il GPS?

(space segment), (control segment) (user segment).

Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale, il segmento di controllo ed il segmento utente. L’Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il segmento spaziale ed il segmento di controllo.

Il segmento spaziale comprende un numero da 24 a 32 satelliti, mentre il segmento di controllo è composto da stazioni di controllo a terra dei satelliti. Il segmento utente infine è composto dai ricevitori GPS.

Attualmente sono in orbita 31 satelliti nella costellazione GPS, più alcuni satelliti dismessi, ma che possono essere riattivati in caso di necessità. I satelliti supplementari migliorano la precisione del sistema permettendo misurazioni ridondanti. Al crescere del numero di satelliti, la costellazione di satelliti è stata modificata secondo uno schema non uniforme che si è dimostrato maggiormente affidabile in caso di guasti contemporanei di più satelliti.

Componenti del sistema di navigazione

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti componenti:

• Un complesso o costellazione di minimo 24 satelliti, divisi in gruppi di quattro, su ognuno dei sei piani orbitali, distanti 60° fra loro ed inclinati di 55° sul piano equatoriale, in orbita terrestre media.
• 2 cicli al giorno.