Walter Balzano » 22.Global Positioning System - parte prima

Global Positioning System

• Introduzione
• Il sistema navstar
• I segmenti del GPS
• Segmento di controllo
• Interazione dei sottosistemi GPS

Il Sistema Navstar

Navstar, (Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System) fu concepito dal Ministero della Difesa statunitense come mezzo universale per:

• determinare con precisione il punto in cui un ricevitore si trova sulla terra;
• ottenere un’indicazione oraria molto precisa.

Le applicazioni del sistema GPS non sono limitate al campo militare, ma sono disponibili a tutti anche per uso civile, seppure con qualche limitazione nella precisione ottenibile nelle misure. La disponibilità del segnale GPS 24 ore su 24 in ogni angolo del globo e la progressiva riduzione dei costi dei ricevitori hanno trasformato il sistema GPS addirittura in un fenomeno di massa.
Inizialmente, per motivi di sicurezza, il sistema era affetto da un errore indotto ma poi reso libero.

Il Sistema Navstar (segue)

Il sistema GPS si compone di tre parti:

1. il Segmento spaziale (24 satelliti);
2. il Segmento di controllo (5 centri di controllo);
3. il Segmento d’utilizzo (i ricevitori).

Il segmento spaziale

I 24 satelliti Sono disposti su 6 piani orbitali diversi ma ugualmente spaziati tra di loro, inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale (quindi non coprono le zone polari) a forma di ellissi a bassa eccentricità.

Ogni piano orbitale ha 3 o 4 satelliti, e i piani sono disposti in modo tale che ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti. La loro quota è di 20 200 km e compiono due orbite complete in un giorno siderale.

Da un punto del globo terrestre il ricevitore riesce a vedere solo la metà di essi, quindi 12. Ma non li vedrà mai tutti e 12 per via della loro inclinazione rispetto all’equatore. In più il ricevitore GPS stesso fa una discriminazione dei satelliti in base alla loro geometria e alla stima degli errori su ciascuno privilegiando quelli che forniscono maggior precisione (basandosi, per esempio, sulla loro elevazione rispetto l’orizzonte.

Gli orologi atomici

Ogni satellite è dotato di orologi atomici basati su 4 oscillatori ad altissima precisione, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio con una precisione di 3*10^-9secondi (possibilità di errore è di un secondo ogni 30000 anni).
Il Costo di ogni orologio atomico è di circa 160.000 Euro; ha dei razzi per effettuare le correzioni di orbita. Ha due pannelli solari di area pari a 7,25 m² per la produzione di energia. Ha infine batterie di emergenza per garantire l’apporto energetico nei periodi in cui il sole è eclissato. Pesa circa 845 kg ed ha una vita di progetto di 7,5 anni.

Il segmento spaziale (segue)

Tabella tipica delle elevazioni su 24 ore.

Il segmento spaziale (segue)

Schema della visibilità (4 ore) dei satelliti da un punto fisso della terra.

Compiti delle stazioni terrestri

Le stazioni terrestri hanno il compito di:

• “tracciare”, ovvero seguire in maniera continua i satelliti ed elaborare i dati ricevuti per calcolarne la posizione spazio-temporale (effemeridi);
• imporre correzioni d’orbita;
• sincronizzare gli orologi atomici a bordo dei satelliti usando un orologio maser all’idrogeno;
• scaricare i dati per la trasmissione tramite i satelliti (memorizzare nuovi dati sui satelliti: fra i più importanti ci sono le “effemeridi” previste per le successive 12 o 24 ore, che vengono trasmesse agli utenti).

Il segmento di utilizzo (segue)

Altri impieghi degli strumenti di navigazione.

Interazione dei Sottosistemi GPS

Schema dell'interazione dei sottosistemi GPS .