Il GPS è un sistema di posizionamento terrestre in grado di rilevare la posizione esatta di un punto nello spazio, questo sistema di rilevamento è stato progettato dal Ministero della Difesa Americano (DOD). Il GPS funziona attraverso 32 satellitii orbitanti, oltre ad alcuni di riserva. Tali orbite sono circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale, sono distanti circa 20 Km dalla terra. I satelliti compiono due rotazioni del pianeta al giorno.
Il sistema GPS è stato studiato cosicché, in ogni condizione meteorologica, da ogni punto della terra siano osservabili almeno 4 satelliti, necessari e sufficienti all’utilizzo del sistema.
Il GPS è operativo dal 1994 ma, ancora oggi vengono lanciati satelliti in orbita per mantenere sempre alto il numero di satelliti operativi.
Gran parte dei satelliti sono stati posizionati in orbita mediante il lancio di razzi (a perdere). Oltre ai satelliti, esistono anche 4 stazioni di controllo a terra fondamentali per il sistema, che altrimenti non funzionerebbe, perché tale sistema necessita di una costante verifica dello stato dei satelliti, e della correzione dei loro orologi atomici e della loro posizione orbitale. La manutenzione del sistema dunque è essenziale, infatti un’eventuale sospensione della stessa provocherebbe un decadimento del sistema nel giro di pochi giorni e la sua completa inutilità dopo circa 2 settimane.
Ciascun ricevitore GPS effettua queste operazioni:
- Localizza 4 o più satelliti disponibili;
- Calcola la distanza da ognuno dei satelliti (presumendo la velocità di propagazione delle onde radio costante);
- Usa i dati ricevuti per calcolare la propria posizione mediante il processo di trilateriazione: essendo note le posizioni dei satelliti nello spazio e la distanza del ricevitore da ogni satellite, si ottiene una intersezione di 4 sfere che degenera in un punto a meno di un’accuratezza accettabile.
Ecco come avviene il processo di misurazione: ad un’ora prestabilita (supponiamo le 14:00) il satellite genera un codice (detto pseudo random code) e lo invia sulla terra. Sempre alle 14:00 anche il ricevitore GPS genera lo stesso identico codice per cui, quando il segnale dal satellite arriva a terra e viene letto dal ricevitore, che conosce l’orario di partenza del segnale e quindi è in grado di misurare quanto tempo ha impiegato il segnale per arrivare.
La distanza tra il satellite ed il ricevitore GPS viene ottenuta da quest’ultimo moltiplicando tale tempo per la velocità della luce (299.792 km/s) che è pari alla velocità di propagazione delle onde radio utilizzate per l’invio del segnale. Una volta ottenuta la distanza, il ricevitore sa di trovarsi su un punto della sfera che ha per raggio tale distanza e per centro la posizione del satellite. Ripetuta tale operazione per almeno quattro satelliti si ottiene una sfera per ciascun satellite. L’intersezione di tali sfere degenera in un punto a meno di un’accuratezza accettabile.
I ricevitori GPS di precisione hanno un preciso cronometro interno: un errore sul cronometro pari a 0,0000000001 secondi corrisponderebbe ad un errore di ben 3 centimetri sulla misurazione della sfera.
Gli orologi interni dei satelliti devono essere ancora più precisi in quanto una dissincronia influenzerebbe tutte le misurazioni nel mondo. Pertanto generalmente i satelliti ospitano ben quattro costosissimi orologi atomici del costo di circa 160.000 Euro, che sfruttano le oscillazioni degli atomi di cesio e rubidio e che garantiscono uno standard di precisione assoluto. Infatti la possibilità di errore è di un secondo ogni 30.000 anni.
Una curiosità di rilievo è la seguente: secondo la teoria della relatività, a causa della velocità relativa, i satelliti viaggiano nel futuro e quindi i loro orologi devono subire una correzione per essere sincronizzati con gli orologi di terra! Gli ingegneri progettisti, che non credevano nei viaggi nel tempo, inserirono sui primi satelliti due meccanismi di calcolo: uno che tenesse conto del fatto che i satelliti viaggiano nel futuro ed uno che ignorasse tale aspetto. Il risultato fu che, senza la correzione relativistica, il sistema GPS presentava calcoli errati. Quindi la teoria della relatività di Albert Einstein è stata confermata, tra le altre cose, anche dall’attuale funzionamento dei satelliti GPS.
Ma cosa succederebbe se il segnale arrivasse al ricevitore rimbalzando prima su altre superfici? La linea immaginaria che congiunge il satellite ed il ricevitore non sarebbe più rettilinea, presenterebbe dei punti di passaggio e pertanto il calcolo della distanza tra satellite e ricevitore verrebbe falsato, si tratta del fenomeno del Multipath al quale abbiamo dedicato un articolo.