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Ciao da Alessandro Lucino e benvenuto nel Sito dell'Ingegneria

GPS
Global Positioning System

Navigare con i satelliti

Fino a poco tempo fa, chiunque si fosse avventurato in pieno oceano poteva calcolare la propria posizione solo osservando le stelle o utilizzando bussola e sestante; ora invece, grazie alla moderna tecnologia satellitare, è possibile effettuare questa operazione molto più facilmente. Con la semplice pressione di un pulsante su di un piccolo strumento portatile, il Global Positioning System (Sistema di Posizionamento Globale) o GPS, possiamo localizzare la nostra posizione con uno scarto di pochi metri. Questa tecnologia è in commercio per piloti, marinai, alpinisti o chiunque voglia e debba conoscere la propria posizione con estrema precisione.

L’impiego di satelliti per localizzare posizioni o per la navigazione non è una nuova pratica; infatti, già nel 1959 l’U.S. Navy (la Marina Statunitense) lanciò il suo primo satellite Transit, ad uso dei sottomarini lanciamissili Polaris e delle navi da combattimento di superficie, per mezzo del quale era possibile ottenere la posizione con una precisione di 150 metri.

Il Global Positioning System è ancora più accurato. Sviluppato e controllato dalle forze armate statunitensi, utilizza una rete di ventiquattro satelliti Navstar, comprendente ventuno apparati attivi e tre di riserva, posti su sei piani orbitali che di incrociano tra loro a una quota di 20.000 km sopra la Terra. il primo di questi satelliti venne lanciato nel 1978, ma il sistema divenne operativo solo nel 1987, dopo che furono messi in orbita dodici satelliti; nel novembre 1993 venne completata l’intera rete.

Troppo preciso

I dati provenienti dal GPS sono così accurati che i militari americani cominciarono a preoccuparsi che potessero essere utilizzati anche dagli avversari. Per precauzione ogni satellite trasmette simultaneamente due segnali di posizionamento. Uno, chiamato codice P, è un segnale crittografato utilizzato dalle forze armate USA in grado di dare la posizione con una precisione di 15 metri, ma che richiede un codice speciale che viene cambiato ogni giorno. L’altro, chiamato codice CA, fornisce la posizione per le aerolinee, la navigazione commerciale e per altri utenti civili e ha una precisione di 100 metri.

La procedura per crittografare i segnali venne introdotta durante la guerra del Golfo de 1990: in quell’occasione molti scienziati, compresi alcuni geologi giapponesi che stavano impiegando il GPS per studiare i movimenti delle placche litosferiche e i terremoti, dovettero interrompere le loro ricerche. In ogni caso, il segnale civile non venne interrotto per molto tempo; la domanda di ricevitori militari era così grande che gli alleati degli Stati Uniti dovettero comprare ricevitori commerciali in grado di leggere i segnali civili.

La triangolazione

Il sistema di Posizionamento Globale GPS si basa sul principio della triangolazione. Se sappiamo di trovarci a 5 km da un determinato posto, a 3 km da un secondo e a 7 da un terzo, possiamo facilmente stabilire la nostra posizione: è sufficiente tracciare tre cerchi, ciascuno con il raggio uguale alla distanza dal punto considerato, e segnare il punto in cui i tre cerchi si intersecano.

Lo stesso principio viene applicato al sistema che utilizza segnali provenienti da satelliti, ma in questo caso sono necessari quattro punti di riferimento anzichè tre, poichè non è possibile conoscere la distanza dei singoli satelliti. Per questo, è necessario conoscere il tempo impiegato dal segnale a raggiungere il ricevitore. Queste informazioni vengono fornite da un segnale temporizzato emesso dal quarto satellite. Ogni satellite Navstar è equipaggiato con orologi atomici accurati entro un miliardesimo di secondo. Il tempo impiegato dal segnale per arrivare all’apparecchio ricevente viene moltiplicato per la velocità della luce. Il ricevitore calcola così la distanza tra se e ogni satellite e ottiene la propria posizione esatta.

Il sistema GPS venne realizzato per il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti allo scopo di fornire dati per la navigazione delle forze armate USA. Oggi costituisce un indispensabile strumento per numerosissimi utenti civili sparsi per tutto il mondo, in particolare per chi opera a vario titolo nei trasporti e per gli scienziati. Tra gli altri impieghi, è stato utilizzato per allineare il Tunnel della Manica e per aggiornare carte geografiche di tutto il mondo.

In conflitto con le aerolinee
Presto scaturì una disputa anche tra i Dipartimento della Difesa e le autorità dell’aviazione civile. Queste volevano un sistema di posizionamento più accurato per l’impiego da parte degli aerei di linea, poichè il normale segnale civile non è sufficiente per gli atterraggi di precisione.

L’International Civil Aviation Organisation (Organizzazione Internazionale dell’Aviazione Civile) ha dichiarato nel 1991 che nel XXI secolo i satelliti saranno indispensabili per la navigazione degli aerei di linea e il governo degli Stati Uniti si è impegnato a soddisfare la richiesta, annunciando che il GPS sarebbe stato disponibile per gli utenti di tutto il mondo per dieci anni almeno.

Alla fine del 1993, inoltre, il Dipartimento della Difesa Statunitense ha accettato la gestione congiunta del sistema con i Dipartimento dei Trasporti. Nonostante ciò, ancora oggi il GPS è gestito principalmente dai militari, che hanno tuttora la capacità di crittografare i segnali. Le stazioni di terra, la cui posizione è conosciuta esattamente, possono però aggirare l’ostacolo trasmettendo a certi ricevitori le correzioni relative alle posizioni indagate, aumentando la precisione fino a tre metri !

Ultimamente è stata proposta l’istallazione di un sistema satellitare di navigazione globale, o GNSS (Global Navigation Satellite System), controllato da un’autorità dell’Aviazione Civile e basato su alcuni differenti sistemi satellitari. Esso dovrebbe includere il GPS americano, il Sistema Satellitare di Navigazione Globale russo (GLONASS), 66 satelliti Iridium, e il sistema Inmarsat, dell’International Maritime Organisation (Organizzazione Marittima Internazionale).

Salvataggio Internazionale

Il programma Cospas-Sarsat è un sistema internazionale di ricerca e salvataggio gestito da Stati Uniti, Francia, Canada e Russia. Esso utilizza quattro satelliti posti in orbite quasi polari a un’altezza compresa tra gli 800 e i 1000 km. Ogni satellite porta un’apparecchiatura appositamente concepita per ritrasmettere i segnali emessi dai radiofari di emergenza.

Navi e aerei in difficoltà che si trovano in località sperdute possono impiegare questo sistema per facilitare il compito di ricerca dei soccorritori. A 121,5 Mhz i segnali continui di richiesta di soccorso vengono trasmessi via satellite a una stazione a terra. Grazie ad essi è possibile calcolare la posizione di chi è in pericolo con un’accuratezza di 5-10 km. A 406 Mhz, il segnale invia un codice che identifica il mezzo in difficoltà. Le radioboe che emettono a questa frequenza possono essere localizzate con una precisione di 3 km.

DATI GPS NAVSTAR

Peso al lancio: Block 1 (prima versione) 773 kg; Block 2 (seconda versione) 1715 kg

Larghezza (compresi i pannelli solari): 5,33 metri

Orbita: orbite circolari su sei piani. Quattro satelliti in ogni piano. I satelliti sono posizionati in modo che se siano sempre visibili almeno quattro da qualunque punto della Terra

Inclinazione: 55 gradi

Periodo orbitale: 12 ore

Altezza: 20.000 km

Data primo lancio: 22 febbraio 1978

Stato attuale: ventiquattro satelliti in orbita, compresi tre di riserva

Vettore di lancio dei Navstat: Atlas-F per il Block 1 e Delta 2 per il Block 2

By
Dr Coco



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