L’ultima volta che hai usato il tuo telefono per avere Google Maps per individuare la tua posizione esatta su una mappa, ti sei mai fermato a chiederti come fa il GPS a funzionare così accuratamente?
Il sistema Global Positioning System (GPS) è stato effettivamente lanciato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 1973 (noto come NAVSTAR). Nel 1993, c’erano 24 satelliti GPS che orbitavano intorno alla Terra e trasmettevano dati orbitali e di posizione che i militari potevano usare per la navigazione e altri scopi militari. Oggi, nel momento in cui scriviamo, ce ne sono 28.
Negli anni ’80, i dati trasmessi dai satelliti GPS furono aperti al pubblico, il che aprì un intero mercato per il vasto assortimento di dispositivi di navigazione GPS che abbiamo oggi.
Al momento della stesura di questo articolo, Russia, Cina, Europa e India hanno i loro sistemi GPS attivi. Il Giappone sta sviluppando un proprio sistema GPS che dovrebbe essere operativo nel 2023.
Come funziona il GPS?
Mentre la tecnologia satellitare su cui si basa il GPS è molto avanzata, il modo in cui il sistema funziona è incredibilmente semplice.
Ci sono tre componenti per ogni singolo sistema di navigazione GPS.
- Satelliti: I satelliti GPS orbitano intorno alla Terra e trasmettono il loro tempo attuale e la loro posizione orbitale a tutti i ricevitori GPS sul loro lato del pianeta.
- Centro di comando: Il centro di comando trasmette i dati orbitali, le correzioni di tempo e la posizione orbitale di altri satelliti fino ai satelliti in orbita.
- Ricevitori GPS: Un ricevitore GPS sulla Terra riceve i tempi orbitali da altrettanti satelliti nel raggio d’azione, e calcola la propria posizione sulla Terra in base alle posizioni di almeno quattro satelliti GPS.
I ricevitori GPS utilizzano un principio matematico noto come triangolazione per calcolare la propria posizione.
Come funziona la triangolazione GPS
Da qualsiasi punto del pianeta, se hai in mano un ricevitore GPS (come quello nel tuo telefono), un ricevitore GPS riceve i timestamp dagli orologi sincronizzati su ciascuno dei satelliti GPS sopra la testa.
Utilizzando le differenze nei timestamp, e la velocità costante della luce a cui viaggiano le onde radio, il ricevitore GPS può determinare la distanza tra la tua posizione e ciascun satellite.
Questo fornisce al ricevitore GPS il raggio delle sfere con i satelliti al centro, e la tua posizione al bordo della sfera.
Siccome ogni satellite viaggia in un’orbita prevedibile sulla terra, il ricevitore può usare un almanacco memorizzato della posizione attuale nota di tutti i satelliti GPS per determinare dove, approssimativamente, quei satelliti sono attualmente situati sulla terra.
Con la posizione nota di ogni satellite e la distanza misurata tra questi satelliti e la vostra posizione, il vostro ricevitore GPS è in grado di calcolare la vostra posizione approssimativa determinando dove l’intersezione di queste tre sfere si incontrano sulla superficie della Terra.
Il ricevitore visualizza quindi questa posizione su una mappa.
Tre satelliti forniscono una posizione approssimativa, e i ricevitori GPS richiedono un quarto segnale da un altro satellite GPS per determinare la tua attuale altitudine sulla superficie terrestre utilizzando un altro principio matematico noto come trilaterazione.
Come funziona il sensore GPS del tuo telefono
La maggior parte dei moderni smartphone oggi sono dotati di un chip ricevitore GPS. Questo chip può ricevere i segnali radio dai satelliti GPS.
L’orologio del tuo telefono non è un orologio atomico, quindi il suo tempo non è sincronizzato con gli orologi atomici dei satelliti in orbita. Tuttavia, questo non ha importanza quando si tratta di calcolare la posizione usando i segnali di quei satelliti.
Questo perché il ricevitore GPS del telefono si concentra sui dati che riceve dai satelliti e su un database di posizioni satellitari note sulla Terra. Poiché tutti i satelliti hanno un orologio atomico, l’ora corrente su ogni satellite è esattamente la stessa in qualsiasi momento.
Tuttavia, a causa della distanza dal satellite e del fatto che i segnali radio viaggiano alla velocità della luce, le differenze tra ogni timestamp ricevuto rivelano la distanza tra il tuo telefono e ciascuno dei satelliti.
Ecco come funziona questo processo GPS:
- Tutti e quattro i satelliti trasmettono lo stesso esatto timestamp al tuo telefono alle 17:12:14.
- Il tuo telefono riceve quel timestamp alle 5:12:15 dal satellite 1.
- Riceve il timestamp alle 5:12:16 dal satellite 2.
- Infine, alle 5:12:17, riceve il timestamp dal satellite 3.
Questo dice al vostro ricevitore GPS che il segnale radio ha impiegato 1 secondo per raggiungerlo dal satellite 1, 2 secondi dal satellite 2 e 3 secondi dal satellite 3.
La velocità della luce è una costante nota di 299.792.458 metri al secondo.
Utilizzando una semplice matematica, il ricevitore può calcolare che la sua distanza è di circa 300 mila metri dal satellite 1, 600 mila metri dal satellite 2, e 900 mila metri dal satellite 3.
Utilizzando una tabella di ricerca da un database satellitare GPS, il ricevitore GPS del telefono conosce la posizione corrente approssimativa sulla terra di tutti e tre i satelliti, che fornisce coordinate di longitudine e latitudine di tutti e tre.
Con queste informazioni, il tuo telefono è in grado di calcolare le tue coordinate di longitudine e latitudine sulla Terra.
Utilizzando le tue coordinate note, il ricevitore GPS può quindi utilizzare la distanza misurata tra se stesso e un quarto satellite per determinare l’altitudine sopra la Terra in cui ti trovi.
Cos’è un sistema di posizionamento globale assistito?
Prima che gli smartphone iniziassero a integrare circuiti GPS, le persone in genere usavano ricevitori GPS portatili che funzionavano con batterie AA. Oppure si installavano unità GPS in auto, che funzionavano collegate alla batteria del telefono.
Questo perché la comunicazione radio richiede più potenza. La limitazione di questo è che spesso bisognava aspettare diversi minuti perché il ricevitore GPS “agganciasse” abbastanza satelliti GPS per calcolare la propria posizione.
I produttori di smartphone hanno aggirato questa limitazione della batteria combinando la tecnologia esistente di triangolazione cellulare. Molto prima che i telefoni fossero abilitati al GPS, potevano usare i segnali provenienti dalle torri dei cellulari per triangolare la tua posizione, usando lo stesso tipo di tecnologia di triangolazione del timestamp e della distanza dei satelliti GPS.
Purtroppo, poiché i ripetitori dei cellulari sono a livello del suolo, questo calcolo di navigazione è molto meno preciso. Quindi il software GPS del tuo smartphone userà prima la triangolazione del segnale cellulare per determinare la tua posizione approssimativa, e poi aggiornerà quella posizione una volta che i dati GPS satellitari saranno pronti.
Questo permette agli smartphone moderni di riservare la batteria usando i dati GPS solo quando questi aggiornamenti della posizione sono richiesti. Questo è il motivo per cui si può spesso vedere la propria posizione su Google Maps saltare occasionalmente a una nuova posizione quando sono disponibili dati più accurati.
Si tratta di un sistema che consente di risparmiare energia.