IL GPS (Global Positioning System) a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation System Time And Ranging Global Positioning System, è un sistema di posizionamento su base satellitare, a copertura globale e continua, attualmente gestito dal dipartimento della difesa statunitense. Il suo funzionamento è essenzialmente legato alla attività di tre principali segmenti così articolati:
• Space segment: i satelliti in orbita attorno alla Terra, • Control segment: le stazioni di monitoraggio sulla Terra, • User segment: le riceventi GPS sulla Terra.
4.2.1 SPACE SEGMENT: I SATELLITI
Il segmento riguardante lo spazio è composto da una costellazione di 31 satelliti orbitanti posti su 6 orbite circolari e parallele inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale (Fig. 4.9) (http://tycho.usno.navy.mil). I satelliti orbitano ad un’altezza operativa che varia da 18000 a 22000 Km e compiono due rotazioni del pianeta al giorno con un periodo di rivoluzione è di 11 ore e 58 minuti ad una velocità di 11.250 km/h circa. Ciò significa che, ogni giorno, ad una determinata ora, in un determinato punto della Terra, non saranno visibili sempre gli stessi satelliti, con la stessa disposizione nello spazio. Le orbite dei satelliti sono state comunque studiate in modo che in ogni momento ogni punto della terra venga visto da almeno 4 satelliti contemporaneamente per la durata di 5 ore consecutive (Fig. 4.10).
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Fig. 4.9 - Costellazione Navstar Fig. 4.10 - Immagine tratta da Google Earth © di una possible distribuzione dei satelliti in orbita rispetto ad una stazione a terra.
Il sistema GPS è diventato completamente operativo nel 1994, quando sono diventati funzionanti i 24 satelliti previsti dalle specifiche di sistema che prevede tre strumenti sempre attivi e uno di riserva su ogni piano orbitale. Esso viene mantenuto in massima efficienza con il lancio di nuovi satelliti che sostituiscono i vecchi, guasti od obsoleti. I satelliti, almeno quelli delle prime generazioni, sono stati concepiti per avere una vita operativa di 7 anni, ma a oltre 20 anni dai primi lanci sono ancora operativi alcuni vecchi satelliti, spiegando il così alto numero di apparecchi utilizzabili. Considerando tutti i satelliti che sono stati finora in orbita, possiamo distinguere cinque tipi di satelliti: Block I, Block II, Block IIA, Block IIR e Block IIR-M. Attualmente siamo arrivati alla terza generazione di strumentazione (Block III).
Ogni satellite porta a bordo:
• Un orologio atomico di estrema precisione (che è alla base del sistema).
• Un computer di controllo.
• Un sistema di trasmissione radio ad onde ultracorte.
• Un sistema di controllo di assetto.
4.2.2 CONTROL SEGMENT: STAZIONI DI MONITORAGGIO
Il segmento di controllo è formato da cinque stazioni di monitoraggio a terra gestite dalla U.S. Army. La stazione di controllo/monitoraggio principale si trova alla Schriever Air Force Base (AFB), Colorado Springs, USA, mentre le altre si trovano sulle Hawaii, sulle isole Ascension, su Diego Gracia e su Kwajalein e di esse si conosce con grande precisione la loro posizione. L’isole di Ascension, Diego Garcia e Kwajalein sono inoltre dotate di tre antenne terrestri, mentre a Colorado Springs si trova una stazione master. A partire dal mese di settembre del 2005 sono entrate in funzione altre sei stazioni di monitoraggio, gestite dalla NGA (National Geospatial-Intelligence Agency - Agenzia Nazionale di Intelligenza Geospaziale). Le posizioni di queste undici stazioni di monitoraggio sono raffigurate nella figura 4.11.
Fig. 4.11 – Dislocazione del segmento di controllo a terra
Attualmente, ogni satellite può essere visto contemporaneamente da almeno due stazioni di monitoraggio, permettendo di verificare lo stato dei satelliti (guasti o malfunzionamenti), controllare la sincronizzazione dei loro orologi atomici e calcolare la loro posizione orbitale con estrema precisione. In un prossimo futuro si vogliono aggiungere cinque nuove stazioni, in modo che ogni satellite possa essere visto contemporaneamente da almeno tre stazioni, permettendo un monitoraggio ancor più accurato.
Tutte le stazioni di monitoraggio eccetto quella principale a Colorado Springs sono passive, e consistono semplicemente in riceventi statiche che ascoltano il segnale L1 dei satelliti visibili. I dati raccolti vengono poi mandati alla MCS (Master Control Station) di Schriever AFB per essere analizzati e processati. Le stazioni sulle isole Ascension, Diego Garcia e Kwajalein, oltre a ricevere dati, sono pure in grado di trasmettere dati di correzione ai satelliti via il segnale TT&C (Telemetry, Tracking and Commanding).
La Stazione di controllo/monitoraggio principale processa continuamente i dati ricevuti dalle stazioni di monitoraggio per ottenere tutte le informazioni riguardanti la traiettoria e il funzionamento dei satelliti. Per i satelliti precedenti a quelli Block IIR, essa aveva pure il compito di generare i dati di navigazione, mentre al giorno d’oggi, grazie al sistema AUTONAV, `e sufficiente sorvegliare ed eventualmente correggere i parametri. Inoltre, se un satellite `e fuori orbita oppure malfunzionante, è possibile disattivarlo temporaneamente finché il problema è stato risolto. I parametri di correzione vengono solitamente inviati giornalmente ai satelliti tramite il link TT&C dalle stazioni di monitoraggio delle isole Ascension, Diego Garcia o Kwajalein (Dana, 1997). Una lista di tutti i compiti svolti dalla Master Control Station sono elencati nella figura 4.12
Fig. 4.12: Compiti svolti dalla MCS
Senza queste stazioni terrestri che operano costantemente il sistema non sarebbe in grado di funzionare.
4.2.3 USER SEGMENT: RICEVENTI GPS
Le riceventi GPS consistono semplicemente in un’antenna e di un circuito elettronico, in grado di ricevere e interpretare i segnali mandati dai satelliti, e di un comune orologio a quarzo, che viene costantemente sincronizzato con gli orologi atomici dei satelliti. Oggigiorno, perfino le riceventi più semplici sono in grado di ricevere e processare i segnali di 12 satelliti parallelamente.
L’aspetto centrale delle riceventi consiste determinare la posizione planimetrica ed altimetrica di un qualunque punto sulla superficie del pianeta sia immobile che in movimento attraverso l’uso di sofisticati algoritmi. Infatti, di tutte le correzioni che è necessario apportare ai parametri necessari per calcolare la posizione, la maggior parte non sono costanti, e dunque devono essere calcolate dalle riceventi.
I sintesi tale strumento esegue le seguenti operazioni:
x Localizza 4 o più satelliti
x Calcola la distanza da ognuno dei satelliti
x Usa i dati ricevuti per calcolare la propria posizione.