Il sistema di posizionamento globale (acronimo in inglese: Global Positioning System, a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System o di NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System) è un sistema di posizionamento e navigazione satellitare militare statunitense.
Attraverso una rete dedicata di satelliti artificiali in orbita, fornisce a un terminale mobile o ricevitore GPS informazioni sulle sue coordinate geografiche e sul suo orario in ogni condizione meteorologica, ovunque sulla Terra o nelle sue immediate vicinanze, dove vi sia un contatto privo di ostacoli con almeno quattro satelliti del sistema. La localizzazione avviene tramite la trasmissione di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l'elaborazione dei segnali ricevuti da parte del ricevitore.
È gestito dal governo degli Stati Uniti ed è liberamente accessibile da chiunque sia dotato di un ricevitore GPS. Il suo grado attuale di accuratezza è dell'ordine di pochi metri www.gps.gov - GPS Accuracy e per i dati statistici GPS Standard Positioning Service (SPS) Performance Standard - quarta edizione, settembre 2008., in dipendenza dalle condizioni meteorologiche, dalla disponibilità e dalla posizione dei satelliti rispetto al ricevitore, dalla qualità e dal tipo di ricevitore, dagli effetti di radiopropagazione del segnale radio in ionosfera e troposfera (es. rifrazione), e dagli effetti della relatività.
Storia Il GPS è stato creato in sostituzione del precedente sistema, il Transit.
Il progetto GPS è stato sviluppato nel 1973 per superare i limiti dei precedenti sistemi di navigazione, Chapter 1, p. 16 , integrando idee di diversi sistemi precedenti, tra cui una serie di studi classificati degli anni sessanta. Il GPS è stato creato e realizzato dal Dipartimento della Difesa statunitense (USDOD) e originariamente disponeva di 24 satelliti. Il sistema è diventato pienamente operativo nel 1994.
Nel 1991 gli USA aprirono al mondo il servizio per usi civili con il nome SPS (Standard Positioning System), con specifiche differenziate da quello riservato all'uso delle forze militari USA denominato PPS (Precision Positioning System). Il segnale civile era intenzionalmente degradato attraverso la Selective Availability (SA) che introduceva errori intenzionali nei segnali satellitari allo scopo di ridurre l'accuratezza della rilevazione, consentendo precisioni dell'ordine di 900–950 m. Questa degradazione del segnale è stata disabilitata nel mese di maggio 2000 grazie a un decreto del presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione attuale di circa 10–20 m, anche se tra i due sistemi permangono delle differenze descritte più avanti. Per impedirne il montaggio su missili, nei modelli per uso civile devono essere presenti alcune limitazioni: massimo 18 km per l'altitudine e 515 m/s per la velocità. Questi limiti possono essere superati, ma non contemporaneamente.
Descrizione
Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale (space segment), il segmento di controllo (control segment) e il segmento utente (user segment). L'Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce e opera il segmento spaziale e il segmento di controllo.
Il segmento spaziale comprende da 24 a 32 satelliti. Il segmento di controllo si compone di una stazione di controllo principale, una stazione di controllo alternativa, varie antenne dedicate e condivise e stazioni di monitoraggio. Il segmento utente infine è composto dai ricevitori GPS.
Attualmente sono in orbita 31 satelliti attivi nella costellazione GPS più alcuni satelliti dismessi, alcuni dei quali riattivabili in caso di necessità. I satelliti supplementari migliorano la precisione del sistema permettendo misurazioni ridondanti. Al crescere del numero di satelliti, la costellazione è stata modificata secondo uno schema non uniforme che si è dimostrato maggiormente affidabile in caso di guasti contemporanei di più satelliti.
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento si basa sul metodo di posizionamento sferico (multilaterazione), che parte dalla misura del tempo impiegato da un segnale radio a percorrere la distanza satellite-ricevitore.
Poiché il ricevitore non conosce il momento in cui è stato trasmesso il segnale dal satellite, per il calcolo della differenza dei tempi il segnale inviato dal satellite è di tipo orario, grazie all'orologio atomico presente sul satellite: il ricevitore calcola l'esatta distanza di propagazione dal satellite a partire dalla differenza tra l'orario pervenuto e quello del proprio orologio sincronizzato con quello a bordo del satellite, tenendo conto della velocità di propagazione del segnale. Questa differenza è dell'ordine dei microsecondi.
L'orologio a bordo dei ricevitori GPS è molto meno sofisticato di quello a bordo dei satelliti e deve essere corretto frequentemente, non essendo altrettanto accurato sul lungo periodo. In particolare la sincronizzazione di questo orologio avviene all'accensione del dispositivo ricevente, utilizzando l'informazione che arriva dal quarto satellite, venendo così continuamente aggiornata.Il Funzionamento del GPS . Se il ricevitore avesse anch'esso un orologio atomico al cesio perfettamente sincronizzato con quello dei satelliti, sarebbero sufficienti le informazioni fornite da 3 satelliti, ma nella realtà non è così e dunque il ricevitore deve risolvere un sistema di 4 incognite (latitudine, longitudine, altitudine e tempo) e quindi necessita di almeno 4 equazioni.
Ciascun satellite emette su due canali: L1, l'unico disponibile al servizio SPS (per uso civile), e L2 per l'uso esclusivo per il servizio PPS (uso militare). Le frequenze portanti sono di 1575,42 MHz e di 1227,6 MHz rispettivamenteGPS Standard Positioning Service (SPS) Performance Standard - quarta edizione, settembre 2008., derivate da un unico oscillatore ad alta stabilità di clock pari a 10,23 MHz che viene moltiplicato per 154 e 120 per ottenere la frequenza delle due portanti. Negli alcuni modelli di ricevitori GPS per uso civile in campo ingegneristico hanno la possibilità di usufruire del secondo canale L2, permettendo così di raggiungere un'accuratezza centimetrica.
Lo scopo della doppia frequenza è quello di eliminare l'errore dovuto alla rifrazione atmosferica. Su queste frequenze portanti, modulate in fase, viene modulato il messaggio di navigazione che ha una velocità di trasmissione pari a 50 bit per secondo con una modulazione numerica di tipo binario (0;1), contenente:
tempo della trasmissione del satellite (satellite time-of-transmission); effemeridi satellite (satellite ephemeris); grado di funzionalità del satellite (satellite (SIS) health); correzione relativistica dell'orologio satellitare (satellite clock correction); effetti di ritardo del segnale dovuti alla ionosfera (ionospheric delay effects); correlazione con il tempo coordinato universale (UTC) come specificato dallo United States Naval Observatory (USNO); stato della costellazione (constellation status).
La funzione del ricevitore di bordo è prima di tutto quella di identificare il satellite attraverso la banca dati di codici che quest'ultimo ha in suo possesso; infatti ogni satellite ha un codice grazie a cui il ricevitore lo identifica. L'altra funzione importante del ricevitore è quella di calcolare il delta t, ovvero il tempo impiegato dal segnale per arrivare dal satellite al ricevitore. Esso viene ricavato dalla misura dello slittamento necessario ad adattare la sequenza dei bit ricevuta dal satellite a quella identica replicata dal ricevitore di bordo.
Ogni satellite trasmette l'almanacco (parametri orbitali approssimati) dell'intera costellazione ed esclusivamente le effemeridi relative a sé stesso. La parte relativa alle effemeridi dura 18 secondi e viene ripetuta ogni 30 secondi. Per scaricare completamente l'almanacco dell'intera costellazione sono necessari invece 12,5 minuti.
In questo modo il ricevitore GPS, mentre effettua il conteggio Doppler, riceve i parametri dell'orbita da cui deriva la posizione del satellite: viene così a disporre di tutti gli elementi necessari a definire la superficie di posizione nello spazio.
Il segmento spaziale
+ Indice dei satellitiGPS Wing Reaches GPS III IBR Milestone su InsideGNSS, 10 novembre 2008 Serie Periododilancio Lanciatore Attualmentein orbita efunzionante Suc-cesso Insuc-cesso In prepa-razione Piani-ficato I 1978–1985 10 1 0 0 0 II 1989–1990 9 0 0 0 0 IIA 1990–1997 19 0 0 0 6 IIR 1997–2004 12 1 0 0 12 IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7 IIF 2010–201612 0 0 0 12 IIIA2018- ? 0 0 110 0 IIIB Teorico 0 0 0 8 0 IIIC Teorico 0 0 0 16 0 Totale 64 2 6 36 37 (Ultimo aggiornamento: 9 luglio 2014) PRN 01 della Serie IIR-M non è in servizio PRN 25 della Serie IIA non è in servizio PRN 32 della Serie IIA non è in servizio
Dal 2010 il sistema è costituito da una costellazione di 31 satelliti NAVSTAR (navigation satellite timing and ranging), disposti su sei piani orbitali con un'inclinazione di 55° sul piano equatoriale. Seguono un'orbita praticamente circolare con eccentricità massima tollerata di 0,03 e raggio di circa 26 560 km che percorrono in 11 h 58 min 2 s, o metà giorno siderale. I satelliti, osservati da terra, ripetono lo stesso percorso nel cielo dopo un giorno sidereo.
Ciascun piano orbitale ha almeno 4 satelliti e i piani sono disposti in modo tale che ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti. Ogni satellite, a seconda della versione, possiede un certo numero di orologi atomici al cesio o al rubidio.
In orbita vi sono almeno 24 satelliti per la trasmissione di dati GPS, più 3 di scorta per garantire copertura globale del servizio. Ciascun satellite dispone di razzi a idrazina per effettuare le correzioni di orbita e di pannelli solari fotovoltaici per la produzione di energia elettrica uniti a una batteria per garantire l'energia anche quando il sole è eclissato.
Le generazioni che si sono susseguite sono denominate: Block I: i primi 11 satelliti del sistema, in orbita tra il 1978 e il 1985, prodotti da Rockwell International, erano in programma per una missione media di 4,5 anni e una durata di vita di 5 anni, ma la loro vita media è salita a 8,76 anni, il più longevo restò in attività per 10 anni. Il loro compito principale era quello di convalidare il concetto di GPS. Oggi nessun satellite di questa generazione è ancora in uso; Block II: i satelliti di questa generazione sono i primi satelliti operativi GPS. Recepiscono molti miglioramenti rispetto alla versione precedente, soprattutto per quanto riguarda l'autonomia. Essi sono in grado di rimanere 14 giorni senza contatto con il segmento di terra, mantenendo una precisione sufficiente. Nove satelliti sono stati lanciati nel 1989 e nel 1990. Sebbene si fosse preventivata una vita operativa di 7,5 anni, la maggior parte di loro rimase in funzione per oltre 10 anni. Dal 2010 non è più attivo alcun satellite Block II; Block IIA: rappresentano un ulteriore sviluppo dei satelliti Block II e ne vennero lanciati 19 tra il 1990 e il 1997. Essi sono stati in grado di operare in modalità degradata per il comparto civile. Sono dotati di due orologi atomici al cesio e due orologi al rubidio. Nel 1993 hanno segnato l'inizio della fase operativa del GPS. Nel 2014 sono ancora attivi 6 satelliti della generazione IIA;