Come funziona il GPS ?

Ogni giorno milioni di persone nel mondo affidano i loro percorsi stradali e i loro post geolocalizzati su Facebook, Twitter, e Social Network vari al sistema GPS.

Dietro queste tre lettere, acronimo di Global Positioning System, si nasconde però un mondo fatto di studi scientifici che abbracciano varie materie: fisica, astrofisica, matematica, telecomunicazioni ecc.

Tutto nasce negli anni 70 per mano del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti: inizialmente per uso esclusivamente militare, solo negli anni 90 venne reso disponibile all'uso civile.

All'inizio c'erano differenze di precisione tra i due sistemi, quello militare era denominato PPS, (con P che sta per Precision) ed era approssimato nell'ordine di 10-15 metri; quello civile, detto SPS (con la S che sta per Standard) era invece approssimato ai 100-150 metri. Solo nel 2000 vennero equiparati in termine di precisione, anche se restano alcune differenze fra i due sistemi.

Il sistema GPS che conosciamo è l'unione di SPS e PPS ed è formato da tre segmenti, i primi due sono:

• segmento spaziale: composto da 31 satelliti di cui almeno 24 sono sempre operativi mentre gli altri vengono tenuti di scorta. Sono disposti in orbita attorno alla terra in modo tale che ogni ricevitore possa agganciare il segnale da almeno 5 satelliti distinti. Ogni satellite opera su due frequenza, una per il sistema SPS ed una per il sistema PPS.  
• segmento di controllo: formato da una stazione di controllo principale, una stazione di controllo alternativa, quattro antenne terrestri dedicate e sei stazioni di controllo dedicate. Le stazioni di controllo hanno il compito di gestire l'intero sistema tramite i dati ricevuti da apposite stazioni di rilevamento che tengono traccia della posizione dei satelliti. Se per un qualsiasi motivo è necessario cambiare l'orbita di un satellite questo viene momentamente disattivato in modo da non inviare sulla terra dati non corretti: sarà riattivato al termine dell'operazione. 

Questi due segmenti sono gestiti esclusivamente dall'aeronautica Militare degli Stati Uniti, tramite le varie basi distribuite sul globo terrestre. il terzo segmento, il segmento di ricezione GPS è quello che più interessa noi comuni mortali ed è alla base dell'uso dei nostri normali strumenti di navigazione e/o geolocalizzazione.

Un normale ricevitore GPS calcola la posizione in base ai dati ricevuti da almeno 4 satelliti; questo perchè ha bisogno di ricavare 4 incognite: latitudine, longitudine, altitudine e tempo e per farlo occorre risolvere un sistema di 4 equazioni in 4 incognite (mi fermo qua per non addentrarmi nel campo avverso dei sistemi di equazioni).

La velocità con cui un ricevitore si allinea con il numero di satelliti minimo dipende da vari fattori: uno fra tutti la posizione (in campo aperto si avrà un risultato valido in un tempo molto minore rispetto a un luogo chiuso). Non sono però da tralasciare la qualità del ricevitore, l'area geografica in cui ci si trova (per via delle orbite dei satelliti infatti può capitare che ci voglia più o meno tempo affinchè il ricevitore agganci un segnale valido) e le condizioni meteo.

Chiaramente, più saranno i satelliti agganciati e più sarà precisa la posizione indicata dal ricevitore, fermo restando che gli stessi fattori descritti in precedenza influiscono anche sull'approssimazione dei dati ottenuti.   

Nell'utilizzo quotidiano troviamo ricevitori GPS in quasi tutti gli strumenti elettronici, sia appositamente progettati per la navigazione assistita (come il mitico TomTom), che integrati in tablet, notebook, smartphones ecc. ecc. In quest'ultimo caso si parla di A-GPS (la A è per Assisted) in quanto per velocizzare la fase di cattura del segnale oltre che alle informazioni ricevute dai satelliti del segmento spaziale si utilizzano anche i dati relativi alla cella telefonica in cui si trova il telefono. In questo modo la posizione viene calcolata molto più rapidamente, risparmiando risorse e batteria. 

C'è da dire infine che il GPS non è l'unico sistema di posizionamento utilizzato nel mondo. Infatti per contrastare l'egemonia Americana per quanto riguarda questa tecnologia, molte altre superpotenze (in primis Russia, Cina, Giappone e India) stanno realizzando la propria rete di satelliti, anche se la ricerca per alcuni di questi Stati è focalizzata più sull'uso militare che non sull'uso civile.

Anche l'Unione Europea non è da meno, e col progetto GALILEO, in versione sia civile che militare, sta intraprendendo la strada del posizionamento globale. Tutti questi progetti però sono ancora in fase di sviluppo, quindi per almeno qualche altro anno dovremo fare affidamento solo sulla generosità degli USA se quando saliamo in macchina il nostro bel navigatore ci dice "svoltare a destra fra 100 metri" e se su Facebook possiamo taggarci nel nostro bar preferito.