Le informazioni seguenti sono state ottenute dalle seguenti fonti:
- Sito ufficiale del Dipartimento Navale della Difesa Statunitense (USNO, U.S. Naval Observatory), aggiornato al 1994 dal Piano di Federale per la Radionavigazione (Federal Radionavigation Plan - FRP), preparato congiuntamente dal Dipartimento della Difesa (DoD) e dal Dipartimento dei Trasporti (DoT).
- "Il Global Positioning System" di Thomas A.Herring - Le Scienze, n.332, aprile 1996
- Sito ufficiale dell'Università di Austin (Texas) - Peter H.Dana, The Geographer's Craft Project, Department of Geography.
Il GPS (Global Positioning System), è un sistema progettato, sviluppato e controllato dal Dipartimento della Difesa Statunitense (U.S. Department of Defence, DoD), operativo sull'intero pianeta e considerato il sistema di radionavigazione del prossimo secolo.
Il DoD iniziò la progettazione di un sistema di localizzazione satellitare verso la metà degli anni settanta, allo scopo di consentire a navi, aerei, e veicoli terrestri delle forze armate di determinare la propria posizione in qualsiasi punto della superficie terrestre si trovassero.
I progettisti avevano in mente qualcosa che fosse principalmente utile per le operazioni militari, ma sapevano che anche utilizzatori civili avrebbero dovuto essere in grado di impiegare il sistema. La soluzione fu quella di degradare il livello delle informazioni a disposizione di questi ultimi (cioè di diminuire la precisione del sistema); la ragione era ovvia: se tutti avessero potuto utilizzare il GPS, esso non avrebbe dato agli Stati Uniti alcun vantaggio tattico.
La degradazione del segnale GPS per utenti non autorizzati avviene con il metodo detto Disponibilità selettiva.
(Curiosità: scienziati ed ingegneri non militari hanno da allora escogitato vari metodi per ovviare alla voluta degradazione dei segnali GPS, e i comuni cittadini possono ora conseguire risultati molto migliori di quanto il DoD avesse previsto).
Il GPS era stato progettato per garantire un'incertezza di 100 metri nella determinazione della posizione, ma con il tempo, ingegnosi ritocchi alla progettazione hanno dato risultati a dir poco sorprendenti. Fino a qualche anno prima della messa in opera del sistema ben pochi avrebbero osato immaginare che il GPS sarebbe stato in grado di condurre un aereo fino a terra; e le applicazioni del sistema si spingono ben oltre: a Singapore il GPS viene utilizzato per controllare gli spostamenti dei container e gli studi di geologia lo impiegano perfino nella misura delle impercettibili deformazioni della crosta terrestre (si parla di millimetri) allo scopo di determinare lo spostamento delle zolle continentali.
E' dal lancio dello Sputnik nel 1957 che ci si è accorti che impiegando le trasmissioni radio di un satellite su un'orbita ben definita si è in grado di determinare la posizione di un ricevitore sulla Terra. Negli anni settanta la US Navy realizzò così il Sistema Transit (Transit Satellite Positioning System), che utilizzava lo spostamento Doppler del segnale radio al passaggio del satellite. Il sistema era alquanto macchinoso: richiedeva infatti strumenti costosi, ma soprattutto esigeva due passaggi distinti del satellite, che comportava un'attesa superiore ai 100 minuti. Infine, la precisione del sistema spinto al limite delle possibilità non scendeva mai al di sotto di 1 metro.
Il Dipartimento della Difesa però aveva già in mente grandi cose, ad esempio quella di effettuare il completo controllo di un caccia in fase di attacco radente, e sapeva quindi che il Sistema Transit era destinato ad avere vita breve.
La misurazione dello spostamento Doppler venne sostituita dalla misurazione della distanza, in quanto molto più semplice, sia concettualmente che dal punto di vista realizzativo.
Supponiamo di essere in grado di determinare che un particolare satellite si trova, ad esempio, a 20.000 Km di distanza da noi; la nostra posizione sarà quindi sulla superficie dell'enorme sfera di raggio 20.000 Km che circonda il satellite. Se in orbita intorno alla Terra si trovano più satelliti, potremo determinare le diverse distanze da ciascuno di loro, determinando le rispettive sfere che li circondano. Se la misurazione delle distanze avviene nello stesso istante, ci dovremo trovare contemporaneamente sulle varie sfere che abbiamo determinato. Se prendiamo in esame due sfere (due satelliti), ci troveremo sulla circonferenza determinata dalla loro intersezione; se prendiamo tre sfere (tre satelliti), ci potremo trovare solo in due punti, cioè quelli in cui passano le tre sfere. Con quattro sfere (quattro satelliti) l'indecisione viene risolta ed il punto viene determinato univocamente. Di solito però tre sfere sono sufficienti, in quanto dei due punti determinati (con tre satelliti) uno è quasi sempre da scartare in quanto cade all'interno della Terra oppure nello spazio.
Le determinazione della posizione con la misurazione della distanza può avvenire quindi con tre satelliti.
Come effettuare le esatte misurazioni della distanza ? E' questa l'anima del sistema, ed è stata la prima questione che i progettisti del GPS hanno dovuto affrontare.
All'epoca della progettazione c'erano diverse alternative tra cui scegliere; tra le principali vi era l'impiego di un dispositivo radar (in grado di trasmettere un impulso e di misurare il tempo trascorso fino alla ricezione dell'eco riflessa dal satellite) fu però scartato, in quanto avrebbe costretto gli utenti ad emettere impulsi radio, cosa da non fare in caso di operazioni militari perchè facilitava la scoperta da parte del nemico.
Una seconda alternativa prevedeva che i satelliti trasmettessero impulsi radio in momenti prefissati, cosicchè, determinando l'esatto istante di arrivo degli impulsi, il dispositivo ricevente sarebbe stato in grado di risalire alla distanza dal satellite trasmittente. Tale procedimento prevedeva che l'orologio del ricevitore fosse perfettamente sincronizzato con quello del satellite.
Per dare un'idea del livello di sincronizzazione, dal momento che un errore di tempo si traduceva in un errore in distanza, si pensi che un'imprecisione di un milionesimo di secondo si sarebbe tradotta in un errore del sistema di 300 metri (lo spazio che la luce percorre in questa frazione di tempo). Questo comportava in apparenza la necessità di dotare sia satelliti che ricevitori di orologi atomici, gli unici orologi in grado di mantenersi al di sotto degli standard richiesti ed era una prospettiva che avrebbe reso proibitivo il costo del progetto. Per tale motivo si pensò di dotare i ricevitori di orologi al quarzo, e di rifasarli ogni volta che lo scarto superava un determinato valore limite.
E' stata la seconda questione che i progettisti hanno dovuto risolvere, ossia in che modo trasmettere i segnali dai satelliti GPS per consentire al ricevitore di poter distinguere i vari satelliti.
In alternativa all'impiego di una frequenza specifica per ogni satellite, si è deciso di adottare una tecnica adottata in radioastronomia fin dagli anni cinquanta; all'epoca venivano inviati verso i pianeti degli impulsi radar in momenti che seguivano un codice accurato, denominato pseudocasuale (pseudo-random). In questo modo si era in grado di determinare la distanza esatta dal pianeta in esame semplicemente cercando le fasi uguali del segnale e confrontando il tempo trascorso tra l'impulso in arrivo e quello trasmesso. In pratica, i radioastronomi ricavavano il tempo di percorrenza riferendosi all'istante in cui i due segnali sembravano maggiormente correlati.
In questo modo ad ogni satellite poteva essere assegnato un codice specifico per essere riconosciuto, così da consentire a tutti i satelliti di trasmettere sulla stessa frequenza.
Venne stabilito così che i satelliti trasmettessero in continuazione e che le emissioni radio venissero codificate con l'uso di sequenze pseudo-casuali.
L'adozione di questo sistema ha due vantaggi:
- riduce all'essenziale l'impiego di radiofrequenze;
- consente la costruzione di ricevitori a basso costo.
L'ultima questione rilevante è stata dove mettere i satelliti; le orbite possibili erano sostanzialmente di due tipi: orbita geostazionaria e quella bassa.
- l'orbita geostazionaria è quella situata a 36.000 Km dalla Terra su un piano equatoriale; essa prevede un periodo di rivoluzione intorno al nostro pianeta di 24 ore, per cui un satellite su quest'orbita rimane sempre immobile nello stesso punto del cielo; questa opzione richiedeva un numero ridotto di satelliti, ma dei trasmettitori molto potenti e costosi; inoltre i segnali avrebbero raggiunto con grande difficoltà le regioni polari.
- l'orbita bassa è quella situata al di sotto dell'orbita geostazionaria, e quindi ha un periodo di rivoluzione minore di 24 ore; ha il vantaggio di non dover essere necessariamente disposta su un piano equatoriale; questa opzione aveva come vantaggi i bassi costi di lancio e messa in orbita, nonchè un notevole risparmio nella costruzione di trasmettitori di potenza ridotta, in quanto i segnali avrebbero dovuto percorrere distanze minime; richiedeva però un numero maggiore di satelliti.
La soluzione è stata quella di posizionare i satelliti su un'orbita intermedia, in particolare a circa 20.000 chilometri: in questo modo sarebbero bastati 17 satelliti per garantire che almeno quattro di essi (il minimo indispensabile per un posizionamento) fossero sempre visibili da un qualunque punto della superficie terrestre.
La configurazione finale prevede 21 satelliti operativi e 3 di riserva.
E' un sistema satellitare la cui costellazione consiste di 24 satelliti operativi. Il Comando Aerospaziale Statunitense (USAFSC - U.S. Air Force Space Command) ha dichiarato formalmente che il sistema ha raggiunto la completa capacità operativa (FOC, Full Operational Capability) il 25 Aprile 1995; essa prevedeva 24 satelliti operativi appartenenti al blocco II e IIA.
Il sistema garantisce due livelli di servizi:
1) SPS: Standard Positioning System (Sistema di posizionamento standard), disponibile in continuazione da tutti gli utenti GPS sull'intera superficie del globo terrestre. Tale servizio viene garantito dalla ricezione della frequenza L1, che contiene un codice di acquisizione grossolano (Coarse Acquisition, C/A) ed un messaggio di dati (Y). L'SPS garantisce (al 95%) una precisione di 100 metri sul piano orizzontale e di 156 metri su quello verticale, nonchè una precisione temporale che non si discosta dall' UTC Tempo Universale Coordinato) più di 340 nanosecondi.
2) PPS: Precise Positioning System (Sistema di Posizionamento Sicuro), disponibile in continuazione sull'intera superficie del globo terrestre, ma esclusivamente da utenti militari od autorizzati dal Dipartimento della Difesa Statunitense. Tale servizio viene garantito dalla ricezione contemporanea della frequenza L1 e della frequenza L2, che contengono un codice di acquisizione precisa (Precision, P). Il PPS garantisce (al 95%) una precisione di 22 metri sul piano orizzontale e di 27,5 metri sul piano verticale, con una precisione temporale che non si discosta dall'UTC più di 200 nanosecondi. Il PPS è stato studiato principalmente per utenti militari; ne è vietato l'impiego ad utenti non autorizzati con l'impiego di una cifratura del messaggio trasmesso sulla frequenza L2. L'accesso al sistema PPS per usi civili, sia in ambito nazionale che internazionale, può essere concesso su richiesta e dopo attenta valutazione caso per caso.
La filosofia di impiego del GPS viene stabilita dal Dipartimento della Difesa Statunitense e resa nota agli utenti con l'FRP.
Prima della FOC è stata raggiunta la capacità operativa iniziale (IOC, Initial Operational Capability), l' 8 Dicembre 1993, quando 24 satelliti del blocco I, II e IIA operavano sulle orbite assegnate e garantivano lo un sistema di posizionamento standard (Standard Positioning System - SPS).
L'attuale costellazione di satelliti del GPS è costituita da 28 satelliti (ve ne sono di più per il naturale reintegro dei satelliti), appartenenti ai blocchi II, IIA e IIR.
La costellazione e lo stato di ogni singolo satellite viene aggiornato ogni giorno ed è disponibile nel sito dell'osservatorio della Marina Militare statunitense (USNO - http://tycho.usno.navy.mil/gps).
Nel 1980, cioè pochi anni dopo il lancio del primo satellite, vennero trovati diversi modi per aggirare le limitazioni introdotte con la disponibilità selettiva (e, come si scoprirà successivamente, a superare perfino le prestazioni garantite dal codice P). In particolare, Charles C. Counselman III ed i colleghi del Massachussetts Institute of Technology inventarono il metodo che successivamente darà la vita al cosiddetto GPS Differenziale.
Attualmente si è in grado di spingere la precisione del sistema fino ad alcuni millimetri !
Lo sviluppo del sistema è avvenuto, come si vede, in maniera del tutto imprevedibile e soprattutto contraria a quella pianificata all'origine, al punto che, nel corso della Guerra del Golfo e l'occupazione di Haiti, il Dod ha completamente disattivato le protezioni del GPS, rendendo accessibile a tutti anche il codice P.
Perchè ?
Perchè i militari non disponevano un numero sufficiente di dispositivi per la ricezione del segnale GPS codificato, mentre i modelli per uso civile erano facilmente reperibili (molti militari, pensate, per dotarsi di equipaggiamento dovettero semplicemente telefonare a casa e pagare il ricevitore con carta di credito).
Inoltre perchè le probabilità che il nemico (gli iracheni !) fosse dotato di missili con testata in guerra equipaggiato con guida GPS tendevano praticamente a zero.
Per ultimo, un recente studio dalla National Academy of Sciences ha appurato che la Disponibilità selettiva è inefficace ed andrebbe abolita.
GPS APPROFONDIMENTI :