Come funziona
24 satelliti (più alcune riserve) sono la struttura portante del sistema.
Viaggiano ad un’altezza dal suolo terrestre di circa 22.000 chilometri, un’
orbita che consente ad ogni satellite una rivoluzione intorno alla terra
relativamente lenta - un’orbita completa viene percorsa in 12 ore - e
garantisce una buona stabilità. Per coprire adeguatamente ogni punto del globo
terrestre i satelliti sono stati disposti su sei piani orbitali differenti
(quattro satelliti per ogni piano orbitale) inclinati tra loro di 60° e di
circa 55° rispetto al piano equatoriale della Terra.
Questa configurazione, una sorta di rete a maglie larghe, è stata adottata
poiché garantisce la disponibilità del segnale, in ogni momento e in ogni punto
del globo, da un minimo di cinque a un massimo di otto satelliti. Visto che
orbitano i satelliti si alterneranno nella visibilità e per un satellite che
tramonta sul nostro orizzonte e diventa invisibile al nostro strumento, ce ne
sarà un altro o degli altri che sorgono. Per la determinazione della posizione
in tre dimensioni lat/lon e altitudine sono necessari almeno quattro satelliti,
mentre per gli utilizzi nautici è sufficiente disporre del segnale di tre.
Frequenze
I satelliti trasmettono, per gli usi civili, sulla frequenza di 1575,42 MHz,
mentre il servizio denominato PPS (precise positioning system) in uso ai
sistemi militari usa anche la frequenza di 1227,60 MHz e garantisce una
precisione ancora maggiore.
Visto che è cruciale, per ottenere calcoli esatti sulla posizione, la variabile
tempo, tutti i satelliti hanno a bordo quattro orologi atomici, due al cesio e
due al rubidio che vengono occasionalmente corretti da terra per mantenerne la
sincronizzazione e una precisione nell’ordine del millisecondo.
È proprio tramite la trasmissione degli orari esatti che il ricevitore Gps con
semplici calcoli trigonometrici e grazie alla conoscenza di velocità della
propagazione delle onde elettromagnetiche (la velocità della luce) deduce la
posizione e, in movimento, la direzione e la velocità. In pratica si misura il
tempo intercorrente tra la trasmissione di un dato “pacchetto” di bit emesso ad
orario prestabilito dal satellite e il momento della ricezione da parte del
Gps. Si ottiene quindi con un semplice calcolo la distanza di quel satellite.
Ripetendo l’operazione per svariati satelliti si ha la definizione esatta della
posizione.
Se il nostro ricevitore Gps avesse integrato un orologio atomico che gli
fornisce l’ora esatta, sincronizzata con quella degli orologi presenti sui
satelliti, sarebbero sufficienti 3 satelliti per determinare le coordinate
esatte in tre dimensioni. Visto che questo non è ovviamente possibile, il
ricevitore deve dedurre questo dato sulla base del segnale ricevuto da un
quarto satellite. Con quattro satelliti si può calcolare con discreta
approssimazione lo scarto dell’orologio interno al Gps rispetto a quelli
presenti sui satelliti e quindi ottenere un valore preciso sulla posizione. Per
gli utilizzi nautici, nei quali l’altezza dal suolo non è rilevante, è
sufficiente ricevere il segnale di 3 satelliti.
Il messaggio
Il pacchetto informativo trasmesso dai satelliti detto “Navigation Message”
(Messaggio di Navigazione) contiene essenzialmente un’indicazione temporale sul
momento dell’inizio della trasmissione e i dati sui parametri orbitali
aggiornati con esattezza e validi per almeno un ora. Un messaggio completo
viene irradiato ogni 12 minuti e mezzo, ma alcuni parametri vengono
continuamente ripetuti ogni 30 secondi in modo da consentire un’aggiornamento
puntuale sui dati più critici.
Gli scostamenti dall’orbita ideale del satellite, tenuto conto anche della non
perfetta sfericità del globo terrestre sono continuamente monitorati e
eventualmente corretti. Quando si accende per la prima volta un Gps oppure dopo
un lungo tempo di non utilizzo (cold start) il tempo di acquisizione è
piuttosto lungo proprio perché richiede la ricezione di tutto il messaggio,
mentre dopo il primo utilizzo i dati dell’almanacco aggiornato con le posizioni
precise dei satelliti viene tenuto in memoria e consente all’apparecchio di
“riorientarsi” rapidamente, in una quindicina di secondi, quando viene riacceso
(warm start) in quanto identifica con precisione la provenienza del segnale.
Se ci si sposta con il Gps spento per qualche centinaio di chilometri può
essere necessario alla riaccensione reinserire manualmente una grossolana
posizione, questo perché i dati registrati prima dell’ultimo spegnimento non
corrispondono alla configurazione precedente. Se non conoscete neanche
approssimativamente la posizione c’è la funzione di autolocalizzazione che
richiede circa una quindicina di minuti prima di fornire il dato di
localizzazione. Gli scostamenti dall’orbita ideale del satellite, tenuto conto
anche della non perfetta sfericità del globo terrestre sono continuamente
monitorati e eventualmente corretti.
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