GPS – Che cos’è

Il GPS (Global Positioning System) è una complessa tecnologia che unitamente ad un ricevitore dedicato consente di ricevere e calcolare posizione, velocità di un oggetto; esso è controllato dal Dipartimento della difesa USA (DoD).

Il sistema fu progettato inizialmente per scopi militari e consiste in 24 satelliti che orbitano intorno alla terra in 12 ore; in realtà ce ne sono di più, in quanto ne vengono lanciati dei nuovi per rimpiazzare i più vecchi, per un totale di 32.

Dato che la durata del giorno siderale non corrisponde esattamente alla durata del giorno UTC, in una giornata i satelliti compiono due orbite non completamente intere: di conseguenza questo significa che, ogni giorno ed fissato un punto, non saranno visibili sempre gli stessi satelliti.

Il sistema è diventato completamente operativo nel 1994 ed è costituito da 6 piani orbitali ognuno occupato da 4 satelliti (3+1) equamente spaziati e inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale; questa costellazione fornisce all’utente una visibilità compresa fra 5 e 8 satelliti in ogni punto della terra.

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.
  • Un sistema di controllo di assetto.

Dato che il GPS è un sistema che basa il suo funzionamento sulla misura del tempo, ogni ricevitore deve avere:

  • Un’antenna di piccole dimensioni.
  • Un orologio al quarzo.
  • Un software di elaborazione numerica del segnale (ENS)
  • Un ricevitore radio.

L’intero sistema è controllato da una serie di stazioni dislocate in diverse parti del mondo, (principalmente sull’equatore) ma la stazione terrestre con ruolo di “Master” si trova in Colorado, alla Schriever Air Force Base le quali monitorano i segnali generati dalle apparecchiature satellitari.

Il compito principale di ogni ricevitore GPS è di convertire il segnale satellitare in termini di posizione, velocità e stima temporale: per fare ciò sono necessari i dati di 4 satelliti dai quali si ricavano le 4 coordinate spaziali e di velocità (x, y, z, v).

Un secondo uso del GPS consiste nella distribuzione di un segnale temporale preciso usato ad esempio nelle reti di telecomunicazione, nella formulazione degli standard di laboratorio e nelle osservazioni astronomiche quali la misura dei parametri atmosferici del nostro pianeta.

Ci sono due tipi d’identificazione satellitare:

  • SPS: Standard Positioning Service
  • PPS: Precise Positioning Service

Il primo tipo d’identificazione (SPS) è usato per uso civile e non ha senza restrizioni. Possiede un’accuratezza di circa 100 m in orizzontale e 150 m in verticale: l’accuratezza del segnale di temporizzazione è di 340 ns (UTC). Il secondo tipo d’identificazione (PPS) è utilizzato dalle forze militari e dalle agenzie governative con speciali ricevitori; possiede un’accuratezza di 22 m in orizzontale e 27,7 m in verticale: l’accuratezza del segnale di temporizzazione è di 220 ns (UTC).

Ogni satellite trasmette su due frequenze la cui portante è superiore al GHz (per oltrepassare l’atmosfera):

  • L1 (1575.42 MHz) usata da SPS.
  • L2 (1227.60 MHz) usata da PPS.

Ci sono poi due diversi codici che modulano la portante L1 o L2:

  • il codice C/A (Coarse Acquisition) che modula la portante L1. (Uso civile)
  • Il  codice P-Code (Precise)  (Uso militare)

Il codice C/A è un numero pseudo casuale generato ad una frequenza 1 MHz: c’è un codice diverso per ogni satellite che serve per identificarlo. Il codice “spalma” la banda in un intervallo di 1 MHz (protocollo CDMA). Il codice C/A modula anche il messaggio di navigazione: è un segnale a 50 Hz che contiene le effemeridi dei satelliti.

Il P-Code (Precise) modula invece entrambe le frequenze ed è molto più lungo; dato che il codice è anche criptato, ogni ricevitore deve essere equipaggiato con un modulo apposta per la decodifica.

Il messaggio di navigazione (GPS Navigation Message – NM) comincia con una serie di bit che identificano l’inizio di ogni frame. In generale frame consiste in 1500 bit diviso in 5 parti. Un insieme di 25 frame (25 x 5 sub frame) costituiscono il Navigation Message che viene spedito ogni 12.5 minuti.

Formato del pacchetto GPS

Il significato dei campi del frame è il seguente:

  • Clock: segnale di temporizzazione a bordo del satellite (orologio).
  • Effemeridi satellitari: descrivono le orbite satellitari per piccole sezioni celesti. Di solito il ricevitore raccoglie i dati ogni ora anche se può usarli anche per 4 ore. Le effemeridi sono usate nell’algoritmo che calcola la posizione entro il periodo dell’orbita descritta nei parametri orbitali.

L’insieme delle effemeridi di ogni satellite si chiama almanacco ed una decina di almanacchi possono descrivere le orbite di ogni satellite per mesi.

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “Introduzione ai sistemi di comunicazione” Guido Tartara – Etaslibri