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In Breve (TL;DR)
- Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione satellitare sviluppato dagli Stati Uniti negli anni ’70 e operativo dal 1993, inizialmente per scopi militari.
- Funziona grazie all’interazione tra satelliti, stazioni di controllo e ricevitori, calcolando la posizione tramite la misurazione del tempo impiegato dai segnali radio.
- Le sue applicazioni principali includono la navigazione, la cartografia e la sincronizzazione oraria, con utilizzi in ambito civile, militare e scientifico.
In questo momento storico tantissimi utenti ricorrono quotidianamente alla navigazione satellitare tramite GPS, senza conoscere nel dettaglio cosa sia o come funzioni il Global Positioning System.
Nato per rendere sempre più preciso il calcolo della posizione geografica di navi e sommergibili, oggi il GPS si articola in tre segmenti: spaziale, di controllo e utente.
Nel primo operano i satelliti, nel secondo le stazioni di controllo, mentre nell’ultimo i ricevitori GPS terrestri. Il principio del funzionamento del GPS dipende fondamentalmente dall’interazione tra satelliti, stazioni e ricevitori.
Quando è stato inventato il GPS
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Il Global Positioning System, o GPS, è diventato pienamente operativo per la prima volta nel 1993, ma la sua progettazione risale a circa 20 anni prima. Già negli anni ’70 infatti gli Stati Uniti iniziano a interrogarsi su un nuovo sistema di navigazione.
In questo senso il GPS aveva il compito di sostituire e migliorareTransit: il primo sistema di satelliti americani, lanciati nello spazio per consentire alle navi e ai sommergibili di determinare la loro posizione geografica sulla Terra.
Lo United States Department of Defense, ovvero il Dipartimento della Difesa statunitense, sviluppò e lanciò nello spazio 24 satelliti, che successivamente sarebbero diventati 32.
Il GPS inizia a venire sviluppato nel 1973 in sostituzione del sistema Transit, per diventare pienamente operativo nel 1993.
Nel 1991, il servizio GPS viene aperto anche a uso civile con il nome SPS, ovvero Standard Positioning System: un particolare sistema di nome Selective Availability (o SA) con un margine di errore aggiunto intenzionalmente, per impedire rilevazioni troppo accurate.
Per circa 10 anni, i civili che provavano a sfruttare l’SPS incappavano in errori di valutazione dell’ordine di circa un chilometro. Poi, nel 2000, un decreto del Presidente degli Stati Uniti Bill Clinton avrebbe disabilitato la SA, riducendo il margine di errore a 10-20 metri.
Ciononostante esistono comunque differenze tecnologiche e di performance tra l’SPS e il cosiddetto PPS, ovvero il Precision Positioning System riservato all’utilizzo militare.
Ad esempio la navigazione satellitare dell’SPS civile non può andare oltre un limite di 18 chilometri di altitudine e di 515 metri al secondo di velocità. Una scelta pensata per impedire il montaggio su missili.
Come funziona il GPS
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Il GPS permette di risalire alla propria posizione geografica attraverso un sistema di misurazione del tempo che intercorre tra l’invio di un segnale radio dal satellite al suo arrivo al ricevitore.
Questo principio di funzionamento è noto come multilaterazione e prevede che il ricevitore risalga alla distanza di propagazione dell’ondaradio calcolando la differenza tra diversi orari: quello pervenuto, quello del suo orologio e quello dell’orologio a bordo del satellite.
La navigazione satellitare è dunque resa possibile da un aggiornamento costante della multilaterazione, che permette al GPS installato sul dispositivo del singolo utente di posizionarsi correttamente all’interno di una mappa.
La navigazione GPS è resa possibile dalla multilaterazione: il calcolo del tempo che passa tra l’invio e la ricezione di un segnale radio.
Attraverso l’utilizzo di due canali dedicati, di nome L1 ed L2, i 32 satelliti del GPS lavorano contemporaneamente al servizio civile, Standard Positioning System, e a quello militare, Precision Positioning System, già descritti nei capoversi precedenti.
Per l’SPS i satelliti inviano frequenze portanti di 1575,42 MHz, per il PPS inviano frequenze portanti di 1227,6 MHz. La doppia frequenza permette di eliminare eventuali errori dovuti alla rifrazione atmosferica e, in entrambi i casi, le frequenze sono derivate da un oscillatore ad alta stabilità di clock pari a 10,23 MHz.
Il compito del ricevitore GPS è di riconoscere il satellite da cui provengono le onde radio risalendo al suo codice identificativo. Dopodiché inizia il calcolo del sopracitato delta t, ovvero del tempo che è trascorso tra l’invio del segnale dal satellite alla sua ricezione.
Quali sono le applicazioni principali del GPS
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In questo momento storico l’applicazione più nota e comune del GPS è sicuramente la navigazione satellitare, intesa come la possibilità di visualizzare la propria posizione mentre ci si muove nello spazio.
Applicazioni per la mobilità come Google Maps, Mappedi Apple e Waze sfruttano il GPS integrato nei diversi dispositivi mobile non solo per disegnare itinerari, ma anche per raccogliere informazioni in tempo reale sul traffico.
Detto ciò, gli smartphone, i PC o i palmari non sono gli unici dispositivi dotati del Global Positioning System: fanno piuttosto riferimento a una delle principali categorie di dispositivo GPS, quella ibrida.
I dispositivi ibridi sono nati per scopi non direttamente legati al calcolo della propria posizione geografica, ma permettono la navigazione satellitare tramite un ricevitore GPS integrato, o, in alternativa, il collegamento a un ricevitore GPS esterno.
Il GPS viene utilizzato quotidianamente per la navigazione satellitare, ma anche per operazioni di topografia, cartografia e sincronizzazione oraria.
A questi si aggiungono i dispositivi integrati, o all-in-one, che sono generalmente dotato di un ricevitore GPS, un sistema operativo proprietario e altri elementi variabili come ad esempio uno schermo, un altoparlante e magari uno slot per la lettura di schede di memoria in cui memorizzare mappe più o meno estese.
Inoltre la stessa navigazione satellitare non è l’unica applicazione possibile del GPS. Si pensi in tal senso alle applicazioni topografiche, ma anche alla possibilità di sincronizzare gli orologi terrestri.
L’applicazione del Global Positioning System nella topografia e la cartografia permette di determinare posizioni con una un margine di errore infinitesimale: si pensi in tal senso alla IGM95, la rete di punti determinati dall’Istituto Grafico Militare italiano, che vanta una precisione planimetrica di 2 centimetri e una precisione altimetrica di 4 centimetri.
Infine la presenza di orologi atomici sui satelliti che trasmettono il segnale orario sulla Terra, permette la sincronizzazione automatica di tutti quegli orologi accoppiati a un ricevitore GPS.
Per saperne di più: Cosa sono e come funzionano le telecomunicazioni
Domande frequenti (FAQ)
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Come funziona il GPS?Il GPS permette di risalire alla propria posizione geografica attraverso un sistema di misurazione del tempo che intercorre tra l’invio di un segnale radio dal satellite al suo arrivo al ricevitore.
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Quali sono le applicazioni principali del GPS?Le principali applicazioni del GPS includono la navigazione satellitare, l'utilizzo in applicazioni per la mobilità come Google Maps e Waze, operazioni di topografia, cartografia e la sincronizzazione oraria.
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Quali sono le differenze tra l'SPS e il PPS del GPS?Esistono differenze tecnologiche e di performance tra l'SPS (Standard Positioning System) civile e il PPS (Precision Positioning System) militare, come limiti di altitudine e velocità.
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Quali sono le frequenze utilizzate dai satelliti GPS?I satelliti GPS inviano frequenze portanti di 1575,42 MHz per l'SPS e di 1227,6 MHz per il PPS, utilizzando due canali dedicati di nome L1 ed L2.
