La rete GPS:
ORIGINE
Il sistema di localizzazione GPS, di portata mondiale, si basa su una costellazione di 24 satelliti in orbita circolare. Il sistema è operativo dal 1994.
Il Navstar/G.P.S. (navigation System with Time and Ranging/global Positionning System) è creato nel 1973 dagli Stati Uniti(aviazione militare). Oggi presta a tutti gli utenti un servizio omogeneo e continuo in tre dimensioni.
NB: La codifica è suscettibile di dare alle forze americane una precisione superiore a quella di un utente civile. Inoltre l'esercito US si riserva il diritto di deteriorare l'informazione, in caso di conflitto dove gli USA siano destinatari.
LA RETE
Il GPS utilizza una costellazione di 24 satelliti di 500 kg circa, regolarmente distribuiti su sei orbite circolari, sfasate di 60°, inclinate a 55 gradi sul piano equatoriale, ad un'altitudine dal suolo di 20.184 km, che dà un periodo di 43082 s, metà del periodo siderale terrestre, quasi 12 ore. Questa ripartizione spaziale garantisce la visibilità in modo permanente di almeno di sei satelliti in ogni punto della sfera.
La durata di vita minima del sistema è di 7 anni
AL SUOLO
Il controllo al suolo del sistema è garantito da stazioni di sorveglianza, che dipendono esclusivamente dagli USA. La stazione di controllo principale (M.C.S., Master control station), stabilita a Colorado Springs, calcola in modo permanente i tempi di propagazione ionosferica, gli effetti meccanici relativistici, la deriva degli orologi, e stabilisce le efemeridi dei satelliti, queste informazioni sono in seguito ritrasmesse ai satelliti della costellazione.
IL SEGNALE GPS
Ogni satellite possiede un orologio atomico mantenuto a 7ms dal tempo UTC ed emette 2 frequenze elevate in banda di L1=1575.42 MHz e L2=1227.6 MHz con una stabilità di 10.23 MHz. Questa frequenza non attraversa né il calcestruzzo né un fogliame denso. È dunque necessario che il ricevitore sia in una zona libera.
Vengono emessi tre tipi di segnali:
Un messaggio di navigazione con i dati del sistema (stato, identificazione, posizioni, tempo) su L1.
Messaggio di 1500 pezzi, a 50 Hz che dura dunque 30 s.
Un codice detto C/A. al ritmo del millisecondo, che permette la misura della distanza, su L1.
Il codice di 1023 pezzi è emesso a 1.023 Mbits/s, dura dunque 1 secondo. È questo segnale che può essere deteriorato da un errore volontario chiamato SUO.
Un codice P (Precision) ad intervalli lunghi e riservato soltanto agli utenti privilegiati del GPS. Questo codice è emesso su L1 e L2 ad una frequenza 10 volte più grande di 10.23 Mbits/s. la sua durata è di 7 giorni. I clienti utilizzano chiavi di comprensione.
PRINCIPIO DI LOCALIZZAZIONE GPS
1°) POSIZIONAMENTO SEMPLICE SULLA SFERA :
Il principio di localizzazione è in sé stesso molto semplice. Infatti, se si immagina di volere situare un punto M, della superficie della sfera terrestre, basta entrare in contatto con 3 satelliti.
Ogni satellite invia il suo numero d'identificazione, la sua posizione precisa rispetto alla terra, l'ora esatta d'emissione del segnale. Il ricevitore GPS, grazie al suo orologio sincronizzato su quella dei satelliti, calcola dunque il tempo di propagazione alla velocità della luce e ne deduce la distanza al satellite.
Il ricevitore GPS, che possiede il privato, procede con la misure delle distanze; da questo punto di vista, il G.P.S. lavora in regime sferico.
Il punto M è dunque su una sfera di raggio D1 e di centro satellite S1, l'intersezione con la sfera da un primo cerchio C1.
Il punto M è anche su una sfera di raggio D2 e di centro satellite S2, l'intersezione con la sfera da un secondo cerchio C2.
I cerchi C1 e C2 si tagliano dunque in 2 punti.
Il punto M è infine su una sfera di raggio D3 e di centro satellite S3, l'intersezione con la sfera da un terzo cerchio C3.
È il terzo satellite che precisa in modo unico il punto M cercato.
POSIZIONAMENTO IN ALTITUDINE
Quando si vuole oltre alla latitudine e longitudine, l'altitudine, si utilizza un quarto satellite. Più quest'ultimo sarà vicino alla verticale di M, più l'altitudine sarà affidabile. In pratica succede che M possa "vedere" 12 satelliti. Un algoritmo di calcolo raffina dunque la posizione 3D utilizzando un massimo di satelliti. Del resto il ricevitore GPS indica da sé, il numero di satelliti in vista, cioè utilizzabili.
Ad esempio un satellite visibile sulla linea dell'orizzonte sarà inefficace per calcolare l'altitudine. Reciprocamente un satellite sulla verticale di M darà un cattivo posizionamento orizzontale. Per apparecchi evoluti, il ricevitore pubblica il posizionamento dei satelliti utilizzati, cosa che permette di apprezzare la qualità dell'informazione calcolata. Alcuni apparecchi indicano anche la precisione della localizzazione.
LA REALTA'
L'orologio del ricevitore è meno preciso di quello del satellite e non è mai perfettamente sincronizzato. Il calcolo consiste dunque nel risolvere equazioni le cui incognite sono le tre coordinate X Y Z di M, ed un errore di tempo Dt sconosciuto ma identico per tutte le misure delle distanze D1, D2, D3... dato che tutti i satelliti sono perfettamente sincronizzati tra loro. Così il ricevitore utilizza i dati di quattro satelliti per risolvere il suo problema, sia con misure successive con una sola via di ricezione, sia con misure simultanee con un ricevitore a più binari. Quest'ultimo metodo è naturalmente imperativo per macchine che si muovono ad alta velocità.
Il G.P.S. garantisce in qualsiasi punto della sfera un posizionamento ed una navigazione in tre dimensioni, con una precisione di 100 metri per gli utenti classici (sottoposti ad un eventuale deterioramento aleatorio dei segnali), ed avvicinandosi a 10 metri nel piano orizzontale e 15 metri in altitudine per gli utenti privilegiati o l'esercito americano.
PRECISIONE ATTESA
Le prestazioni del GPS "civile" sono in gran parte sufficienti per l'escursione o il piacere, ma non per applicazioni che richiedono una precisione del metro, o del centimetro, un GPS detto "differenziale", molto più costoso, deve allora essere utilizzato. Dopo il 2008 con Galileo e il GPS le 2 prestazioni si avvicineranno all'eccellenza.
È così certo come GPS e Galileo saranno fortemente associati alla telefonia mobile. E' quindi possibile inserire un trasmettitore GPS già integrato ad alcuni telefoni mobili e quando un numero di emergenza viene composto, l'utente è immediatamente localizzato.
IL FUTURO
I futuri sistemi dovranno rispondere a nuove esigenze. L'esempio è dato dalla navigazione aeronautica: un sistema di navigazione può essere utilizzato nelle condizioni di decollo e d'atterraggio più difficili soltanto se è completamente affidabile. Numerosi studi sono in corso, in particolare sulla messa in atto di geostazionari incaricati della sorveglianza dei sistemi, e sulla ridondanza delle attrezzature d'emissione e ricevitori.
Quanto agli utenti (professionisti o dilettanti), beneficeranno sempre più della potenza degli elaboratori che metteranno a loro disposizione ricevitori "intelligenti" capaci di presentare in modo semplice le informazioni derivate da uno o da più sistemi, spaziali o terrestri.
PROGETTO EUROPEO GALILEO
La costellazione Galileo comprenderà 30 satelliti (27 operativi e 3 di riserva), in tre piani di orbite circolari medie (MEO) di 23616 km d'altitudine, inclinate a 56° rispetto all'Equatore. Ciò permetterà una copertura eccellente del pianeta, fino ad una latitudine di 75°. Grazie al numero importante di satelliti ed alla presenza di 3 satelliti di riserva, il guasto eventuale su uno dei satelliti passerà inosservato.
