Tesina sul GPS

Global positioning system (GPS)

Il GPS è noto in tutto il mondo per fornire, istante per istante, la posizione di una persona dotata di un ricevitore GPS usando una rete di satelliti adottati esclusivamente al posizionamento globale. Esso non fornisce velocità e direzione anche se, la maggior parte dei GPS le derivano tra due o più posizioni misurate.

Segmenti del sistema di posizionamento

Il sistema di posizionamento è composto da tre segmenti: il segmento spaziale, il segmento di controllo e il segmento utente. L’aeronautica degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il segmento spaziale, comprendente da 24 a 32 satelliti, e quello di controllo, composto da una stazione di controllo principale, una alternativa, stazioni di monitoraggio e varie antenne dedicate. Infine, il segmento utente è composto dai ricevitori GPS.

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento si basa su una trilaterazione: il ricevitore calcola la propria posizione conoscendo l’ubicazione e la distanza di almeno 3 satelliti. Si misura il tempo che impiega un segnale radio a percorrere la distanza tra il satellite e il ricevitore. Il ricevitore non può conoscere quando è stato trasmesso il segnale proveniente dal satellite ma solo quando lo riceve. Per ovviare a questo problema, si è dotato il satellite di un orologio atomico cosicché il segnale trasmesso sia di tipo orario, ovvero comunichi l’ora esatta di partenza del segnale.

Si può inoltre sfruttare la variazione di lunghezza d’onda di un suono emesso verso un corpo in movimento, altresì detto effetto Doppler, per conoscere la velocità di spostamento del corpo in maniera molto precisa. Conoscendo la velocità di propagazione del segnale e la differenza tra l’orario comunicato dal segnale e l’orario del ricevitore al momento della ricezione, si riesce a calcolare la distanza accuratamente.

Errori di sincronizzazione

Naturamente, anche se la differenza d’orario calcolata è di qualche microsecondo, avranno luogo degli errori di sincronizzazione (complessivamente 38 microsecondi circa) che, se non corretti, portano ad un errore nel calcolo della posizione assolutamente non trascurabile, per l’esattezza nell’ordine dei 12 km ogni giorno di volo del satellite.

Questi 38 microsecondi di errore sono dovuti alla somma algebrica di più errori, ovvero: redshift gravitazionale (dalla relatività generale di Einstein) che porta ad un errore di circa 45 microsecondi al giorno; la dilatazione temporale (dalla relatività ristretta) che porta ad un errore di -7 microsecondi al giorno. Se vogliamo accuratezze dell’ordine del centimetro nelle trasmissioni di segnale a radiofrequenza, abbiamo bisogno di precisioni di sincronizzazione di 0.03 nanosecondi.