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COME FUNZIONA IL GPS?

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Quando parliamo di GPS, di solito intendiamo un “‎‎ricevitore GPS” (quello del nostro smartphone, ad esempio)‎‎. Il ‎‎Global Positioning System‎‎ (‎‎GPS‎‎) è in realtà una ‎‎costellazione‎‎ di 27 ‎‎satelliti‎‎ in orbita attorno alla Terra (24 in funzione e tre extra nel caso in cui uno fallisca). L’esercito americano ha sviluppato e implementato questa rete satellitare come sistema di navigazione militare, ma presto l’ha aperta a tutti gli altri.‎ ‎Ognuno di questi satelliti ad energia solare da 1,5 tonnellate circa gira intorno al globo a circa 19.300 km, facendo due rotazioni complete ogni giorno. Le orbite sono disposte in modo che in qualsiasi momento, ovunque sulla Terra, ci siano almeno quattro satelliti visibili nel cielo.‎ ‎Il compito di un ricevitore GPS è quello di localizzare quattro o più di questi satelliti, “capire” la distanza da ciascuno e utilizzare queste informazioni per calcolare la propria posizione. ‎Per fare questo calcolo (noto come trilaterazione), il ricevitore GPS deve sapere due cose:‎ la posizione di almeno tre satelliti sopra su di sé e la distanza tra sé e ciascuno di questi satelliti‎. ‎Il ricevitore calcola entrambe queste cose analizzando i ‎‎segnali radio‎‎ ad alta frequenza e bassa potenza provenienti dai satelliti. Le unità migliori hanno più ricevitori, in modo che possano raccogliere segnali da più satelliti contemporaneamente.‎ La distanza da un satellite viene calcolata misurando il tempo impiegato dal segnale per arrivare e conoscendo che la sua velocità è uguale a quella della luce (300000 km a secondo nel vuoto). ‎Per effettuare questa misurazione, ricevitore e satellite hanno entrambi bisogno di orologi sincronizzati fino al nanosecondo. Ogni satellite contiene un costosissimo orologio atomico, ma il ricevitore stesso utilizza un normale ‎‎orologio al quarzo‎‎, che corregge costantemente esaminando i segnali in arrivo dai satelliti e determinando la propria imprecisione, nonché la correzione da effettuare. ‎Ovviamente, affinché le informazioni sulla distanza siano utili, il ricevitore deve anche sapere dove si trovano effettivamente i satelliti. Questo non è particolarmente difficile perché i satelliti viaggiano in orbite molto alte e prevedibili. Il ricevitore GPS memorizza semplicemente un ‎‎almanacco‎‎ che gli dice dove dovrebbe essere ogni satellite in un dato momento. Cose come l’attrazione della luna e del ‎‎sole‎‎ cambiano leggermente le orbite dei satelliti, ma il Dipartimento della Difesa USA monitora costantemente le loro posizioni esatte e trasmette eventuali regolazioni a tutti i ricevitori GPS come parte dei segnali dei satelliti.‎

*Antonio Costantini, Docente di Elettronica ed Elettrotecnica presso l’Istituto Tecnico Industriale G. Caso di Piedimonte Matese.

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