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GPS: come funziona?

Matteo Cardamone

 Studente facoltà Ingegneria Civile Università di Genova

 

Come già detto nel precedente articolo  , il GPS oramai fa parte della nostra quotidianità, e una volta capito che cos’è bisogna capire anche come funziona.

Ricapitolando: il GPS è composto da un sistema di oltre 30 satelliti, 5 stazioni radio e da una ricevente che invia le informazioni ad un computer. Come fa tutto ciò a fornirci le informazioni di cui abbiamo bisogno?

Partiamo dall’alto: i satelliti.

Satelliti in orbitaCome possiamo osservare nella figura i satelliti orbitano intorno alla terra su 6 orbite differenti per ognuna di esse ci devono essere un minimo di 3 satelliti operativi più uno di riserva per un totale di 24 satelliti.

In realtà questo minimo viene superato perché, come già detto, i satelliti che compongono il sistema sono una trentina. Questi satelliti si trovano a 20.000 km circa dalla superficie terrestre e completano 1 rotazione intorno alla terra in circa 12 ore, questo intervallo è denominato “giorno sidereo” , quindi in un giorno solare percorrono 2 rotazioni.

Le attività dei satelliti sono regolate e monitorate da 5 stazioni radio dette stazioni di controllo che si occupano di:

  • Tenere sincronizzati tra loro gli orologi atomici dei satelliti.
  • Tenere sotto controllo le orbite dei satelliti.
  • Controllare lo “stato di salute” (guasti, malfunzionamenti) dei satelliti

paraobleQuattro di queste stazioni sono collocate sulla linea dell’equatore in modo da poter controllare tutti satelliti in qualunque punto essi si trovino;  la quinta, detta “Master Station” poiché è la principale ed anche la prima ad essere stata costruita, è situata nella base militare di Colorado Springs.

Sino ad ora abbiamo visto che i satelliti controllati dalle stazioni radio orbitano intorno alla terra, vediamo ora come e con quali informazioni ci permettono di avere la nostra esatta posizione.

Tutto avviene per mezzo di un costante scambio di informazioni tra la nostra ricevente e i satelliti che incessantemente inviano informazioni verso terra; tra queste le fondamentali sono: la posizione del satellite stesso e l’orario di invio.

La ricevente, per poter funzionare, deve ricevere queste informazioni da almeno 3/4 satelliti diversi. Con questi dati essa calcola il punto di intersezione delle 4 sfere che hanno come raggio la distanza tra i satelliti e il ricevitore e questo è il punto dove sei tu!

Più in dettaglio per conoscere la distanza dal satellite è necessario che la ricevente sincronizzi il suo orologio al quarzo con quello atomico del satellite, la differenza tra i due orari, nata grazie al tempo che il segnale impiega ad arrivare alla ricevente, ci consentirà di determinare la distanza con la seguente regola:

– tempo impiegato dal  segnale a raggiungere la ricevente*velocità del segnale = Distanza

Poiché il segnala si propaga praticamente alla velocità della luce (299.792.458 m/s) e le orbite dei satelliti sono a circa 20.000 km di altezza la velocità del messaggio per arrivare è di circa 7 centesimi di secondo.

28251La posizione così determinata potrebbe avere un approssimazione di centinaia di km, è per questo motivo che si utilizzano i dati ottenuti da più satelliti con il metodo della triangolazione delle aree descritte dai dati ricevuti da almeno 3 satelliti e la loro intersezione individua la nostra posizione. Tutto ciò graficamente in realtà il nostro strumento utilizza un algoritmo al quale basta conoscere i tempi rilevati e il nome del satellite (informazione inviata durante la sincronizzazione degli orologi) per fornirci l’esatta posizione con errori di pochi metri.

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