Cos’è il GPS: scopri di più su questa tecnologia!

Il GPS, o Global Positioning System, è un sistema di navigazione satellitare globale che fornisce posizione, velocità e sincronizzazione del tempo. Pertanto, il GPS è ovunque. Puoi trovare sistemi GPS nella tua auto, nello smartphone e nell’orologio. In questo modo, il GPS ti aiuta ad arrivare dove stai andando, dal “punto A al punto B”. Ma cos’è esattamente il GPS? Leggi questo articolo per scoprire tutto su come funziona.

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Cos’è il GPS e come funziona?

Il Global Positioning System (GPS) è un sistema di navigazione che utilizza satelliti, un ricevitore e algoritmi per sincronizzare i dati di posizione, velocità e tempo per i viaggi in aereo, mare e terra. Come tale, il sistema satellitare consiste in una costellazione di 24 satelliti in sei piani orbitali centrati sulla Terra, ognuno con quattro satelliti, che orbitano a 20.000 km sopra la Terra e viaggiano ad una velocità di 14.000 km/h.Anche se abbiamo bisogno solo di tre satelliti per produrre una posizione sulla superficie terrestre, c’è un quarto satellite. Come tale, serve a convalidare le informazioni delle altre tre. Inoltre, il quarto satellite ci sposta anche nella terza dimensione e ci permette di calcolare l’altitudine di un dispositivo.

Quali sono i tre elementi del GPS?

Il GPS ha tre diversi componenti, chiamati segmenti, che lavorano insieme per fornire informazioni sulla posizione. Pertanto, i tre segmenti del GPS sono:

• Spazio (Satelliti): I satelliti che girano intorno alla Terra, trasmettendo segnali agli utenti sulla posizione geografica e l’ora del giorno;
• Controllo a terra> Il segmento di controllo dovrebbe essere composto da stazioni di monitoraggio a terra, stazioni di controllo principale e antenna a terra. Pertanto, le attività di controllo includono il tracciamento e il funzionamento dei satelliti nello spazio e il monitoraggio delle trasmissioni. Inoltre, vale la pena notare che ci sono stazioni di monitoraggio in quasi tutti i continenti del mondo, compresi Nord e Sud America, Africa, Europa, Asia e Australia.
• Apparecchiature dell’utente: ricevitori e trasmettitori GPS, inclusi oggetti come orologi, smartphone e dispositivi telematici.

Come funziona la tecnologia?

Il GPS funziona per mezzo di una tecnica chiamata trilaterazione. Utilizzata per calcolare la posizione, la velocità e l’elevazione, la trilaterazione raccoglie i segnali dai satelliti per fornire informazioni sulla posizione. Viene spesso confusa con la triangolazione, che viene utilizzata per misurare gli angoli, non le distanze. In questo modo, i satelliti che orbitano intorno alla Terra inviano segnali per essere letti e interpretati da un dispositivo GPS, situato sulla superficie terrestre o vicino ad essa. Per calcolare la posizione, un dispositivo GPS deve essere in grado di leggere il segnale di almeno quattro satelliti.Inoltre, ogni satellite della rete gira intorno alla Terra due volte al giorno, e ognuno di loro invia un segnale unico, i parametri orbitali e l’ora. In qualsiasi momento, un dispositivo GPS può leggere i segnali di sei o più satelliti.

Un singolo satellite trasmette un segnale a microonde che viene raccolto da un dispositivo GPS e utilizzato per calcolare la distanza dal dispositivo GPS al satellite. Tuttavia, poiché un dispositivo GPS fornisce solo informazioni sulla distanza da un satellite, un singolo satellite non può fornire molte informazioni sulla posizione. I satelliti non forniscono informazioni sugli angoli, quindi la posizione di un dispositivo GPS può essere ovunque sulla superficie di una sfera.

Il “percorso”

Quando un satellite invia un segnale, crea un cerchio con un raggio misurato dal dispositivo GPS al satellite.In questo modo, quando aggiungiamo un secondo satellite, questo crea un secondo cerchio e la posizione corretta diventa uno dei due punti in cui i cerchi si intersecano.Con un terzo satellite, la posizione del dispositivo può essere finalmente determinata perché il dispositivo si trova all’intersezione di tutti e tre i cerchi.Detto questo, viviamo in un mondo tridimensionale, il che significa che ogni satellite produce una sfera, non un cerchio. Pertanto, l’intersezione di tre sfere produce due punti di intersezione. Quindi, il punto più vicino alla Terra è quello “corretto”.Ecco un’illustrazione della portata del satellite:

Quando un dispositivo si muove, il raggio (distanza dal satellite) cambia.  Così, quando il raggio cambia, vengono prodotte nuove sfere, dandoci una nuova posizione. Quindi, possiamo usare questi dati, combinati con l’ora del satellite, per determinare la velocità, calcolare la distanza dalla nostra destinazione e l’ETA.

Quali sono gli usi del GPS?

Il GPS è uno strumento potente e affidabile per aziende e organizzazioni in molti settori diversi. Così geometri, scienziati, piloti, capitani di barche, primi soccorritori, minatori e lavoratori agricoli sono solo alcune delle persone che usano il GPS quotidianamente per lavoro. Usano le informazioni GPS per preparare rilievi e mappe accurate, fare misurazioni precise del tempo, tracciare la posizione o il luogo e per la navigazione. Inoltre, il GPS funziona sempre e in quasi tutte le condizioni atmosferiche.

Usi principali

Ci sono cinque usi principali del GPS:

Usi specifici

Alcuni esempi specifici di casi d’uso del GPS includono:

• Risposta alle emergenze: Durante un’emergenza o un disastro naturale, i primi soccorritori usano il GPS per mappare, tracciare e prevedere il tempo e tenere traccia del personale di emergenza. Tuttavia, nell’UE e in Russia, il regolamento eCall si basa sulla tecnologia GLONASS (un’alternativa al GPS) e sulla telematica per inviare dati ai servizi di emergenza in caso di incidente stradale, riducendo i tempi di risposta;
• Intrattenimento: il GPS può essere incorporato in giochi e attività come Pokémon Go e Geocaching;
• Salute e fitness: Gli smartwatch e la tecnologia indossabile possono tracciare l’attività fisica e confrontarla con un gruppo demografico simile;
• Costruzioni, miniere e trasporto fuoristrada: dal tracciamento delle attrezzature alla misurazione e al miglioramento dell’allocazione delle risorse, il GPS permette alle aziende di aumentare il rendimento dei loro beni;
• Trasporti: le aziende di logistica implementano sistemi telematici per migliorare la produttività e la sicurezza del conducente. In questo modo un tracker per camion può essere utilizzato per supportare l’ottimizzazione del percorso, l’efficienza del carburante, la sicurezza del conducente e la conformità.

Altre industrie dove possiamo vedere l’uso del GPS: agricoltura, veicoli autonomi, vendite e servizi, militari, comunicazioni mobili, sicurezza e pesca.

Quanto è accurato?

La precisione del dispositivo GPS dipende da molte variabili, come il numero di satelliti disponibili, la ionosfera, l’ambiente urbano e altro ancora:

• Ostruzioni fisiche: le misurazioni del tempo di arrivo possono essere distorte da grandi masse come montagne, edifici, alberi e altro.
• Effetti atmosferici: ritardi ionosferici, forte copertura temporalesca e tempeste solari possono influenzare i dispositivi GPS;
• Effemeridi: il modello orbitale all’interno di un satellite può essere errato o non aggiornato, anche se questo sta diventando sempre più raro;
• Errori di calcolo numerico: questo accade quando un particolare hardware del dispositivo non soddisfa le specifiche;
• Interferenze artificiali: questo include dispositivi di disturbo GPS o spoofs.

In graduale miglioramento

La precisione tende ad essere maggiore in aree aperte senza edifici alti adiacenti che possono bloccare i segnali. Conosciamo questo effetto come canyon urbano. Quando un dispositivo è circondato da grandi edifici, come nel centro di Manhattan o di Toronto, il segnale satellitare viene prima bloccato e poi rimbalzato da un edificio, dove viene finalmente letto dal dispositivo. In questo modo, può risultare in calcoli errati della distanza dal satellite.Fortunatamente, molti dei problemi critici della tecnologia GPS sono vicini ad una soluzione. Inoltre, i ricevitori di alta qualità forniscono una precisione orizzontale di più di 2,2 metri nel 95% dei casi e una precisione di più di 3 metri nel 99% dei casi.

Una breve storia del GPS

Gli esseri umani hanno praticato la navigazione per migliaia di anni usando il sole, la luna, le stelle e più tardi il sestante. Tuttavia, il GPS è progredito solo nel 20° secolo, reso possibile dalla tecnologia dell’era spaziale, quindi la tecnologia GPS è stata utilizzata globalmente nel corso della storia. Il lancio del satellite russo Sputnik I nel 1957 inaugurò la possibilità di capacità di geolocalizzazione e, poco dopo, il Dipartimento della Difesa statunitense iniziò ad usarlo per la navigazione subacquea.Nel 1983, il governo statunitense rese il GPS pubblicamente disponibile, ma mantenne ancora il controllo dei dati disponibili. Tuttavia, non è stato fino al 2000 che le aziende e il pubblico in generale hanno avuto pieno accesso all’uso del GPS, aprendo la strada a ulteriori progressi del GPS.

Sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS)

Il GPS è considerato un sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) – il che significa che è un sistema di navigazione satellitare con copertura globale. A partire dal 2023, c’erano due sistemi satellitari di navigazione globale completamente operativi: il GPS americano a tempo e segnale di navigazione (NAVSTAR) e il sistema globale di navigazione satellitare russo (GLONASS). Così, NAVSTAR GPS è composto da 32 satelliti di proprietà degli Stati Uniti ed è il sistema satellitare più conosciuto e più utilizzato. D’altra parte, il GLONASS russo consiste di 24 satelliti operativi con tre rimanenti come pezzi di ricambio o in fase di test.

Inoltre, anche altri paesi stanno “correndo” per mettersi al passo. L’UE, per esempio, ha lavorato su Galileo, che dovrebbe raggiungere la sua piena capacità operativa entro la fine del 2023. D’altra parte, la Cina sta anche costruendo il sistema di navigazione satellitare BeiDou, con 35 satelliti che dovrebbero essere in orbita entro maggio 2023. Infine, anche il Giappone e l’India stanno andando avanti con i loro sistemi regionali, rispettivamente il Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) e l’Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS).

GPS vs dispositivi GNSS

Anche se il GPS è un sottoinsieme del GNSS, i ricevitori sono differenziati come GPS o GNSS. Quindi, un ricevitore GPS è in grado di leggere solo le informazioni dai satelliti della rete satellitare GPS, mentre il tipico dispositivo GNSS può ricevere informazioni GPS e GLONASS allo stesso tempo.Un ricevitore GNSS ha 60 satelliti disponibili per la visualizzazione. Anche se un dispositivo ha bisogno solo di tre satelliti per determinare la sua posizione, la precisione migliora con un numero maggiore di satelliti. Pertanto, il seguente grafico mostra un esempio del numero di satelliti disponibili (mostrati in verde), insieme alla loro forza del segnale (altezza della colonna), per un ricevitore GPS. In questo caso, sono disponibili 12 satelliti.

Un dispositivo GNSS può vedere più satelliti, il che aiuta a migliorare la precisione del dispositivo. Nel grafico qui sotto, ci sono 17 satelliti disponibili. Così, le barre verdi fanno parte di GPS e le barre blu fanno parte di GLONASS.

Un numero maggiore di satelliti che forniscono informazioni ad un ricevitore permette al dispositivo GPS di calcolare la posizione in modo più accurato. Quindi più satelliti danno a un dispositivo una migliore possibilità di ottenere un fix quando il ricevitore calcola la posizione dell’utente.

Svantaggi del GNSS

Detto questo, i ricevitori GNSS hanno alcuni svantaggi:

• I costi dei chip GNSS sono superiori a quelli dei dispositivi GPS;
• GNSS utilizza una larghezza di banda più ampia (1559-1610 MHz) rispetto al GPS (1559-1591 MHz). Questo significa che i componenti standard della radiofrequenza GPS, come le antenne, i filtri e gli amplificatori, non possono essere utilizzati per i ricevitori GNSS, con un conseguente maggiore impatto sui costi;
• Il consumo di energia sarebbe leggermente superiore rispetto ai ricevitori GPS poiché si connette a più satelliti ed esegue i calcoli per determinare la posizione.

Il futuro del GPS

I paesi continuano a costruire e migliorare i loro sistemi GPS. In tutto il mondo si stanno facendo sforzi per aumentare la precisione e migliorare l’affidabilità e le caratteristiche del GPS.Per esempio:

• I ricevitori GNSS dovrebbero diventare più piccoli, più accurati e più efficienti. Inoltre, la tecnologia GNSS è destinata a penetrare anche nelle applicazioni GPS più sensibili ai costi;
• Gli scienziati e le squadre di soccorso stanno trovando nuovi modi per utilizzare la tecnologia GPS nella prevenzione dei disastri naturali e nell’analisi in caso di terremoto, eruzione vulcanica, scolo o valanga. Per la pandemia COVID-19, i ricercatori stanno studiando l’uso dei dati di localizzazione dei telefoni cellulari per aiutare a rintracciare i contatti e rallentare la diffusione del virus;
• Il lancio dei nuovi satelliti GPS III perfezionerà la precisione del GPS a 1-3 metri, capacità di navigazione migliorate e componenti più resistenti già nel 2023;
• La prossima generazione di satelliti GPS includerà una migliore protezione del segnale, una minore suscettibilità alle interferenze del segnale e una maggiore manovrabilità per coprire le zone morte.
• L’orologio atomico della NASA per lo spazio profondo è configurato per utilizzare un potente satellite GPS a bordo per aiutare a fornire una migliore coerenza temporale ai futuri astronauti che si imbarcano in viaggi nello spazio profondo.

Il futuro della localizzazione GPS sarà probabilmente molto più accurato ed efficace per uso personale e commerciale.

FAQ

È un sistema di navigazione satellitare globale che fornisce posizione, velocità e sincronizzazione del tempo.

Il GPS è un sistema di navigazione che utilizza satelliti, un ricevitore e algoritmi per sincronizzare i dati di posizione, velocità e tempo per i viaggi aerei, marittimi e terrestri. Il sistema satellitare consiste in una costellazione di 24 satelliti in sei piani orbitali centrati sulla Terra, ognuno con quattro satelliti, che orbitano a 20.000 km dalla Terra e viaggiano a una velocità di 14.000 km/h.

GPS sta per Global Positioning System. È un sistema di navigazione che utilizza satelliti, un ricevitore e algoritmi per sincronizzare i dati di posizione, velocità e tempo per i viaggi in aria, mare e terra. Come tale, il sistema satellitare consiste in una costellazione di 24 satelliti in sei piani orbitali centrati sulla Terra, ognuno con quattro satelliti, che orbitano a 20.000 km sopra la Terra e viaggiano ad una velocità di 14.000 km/h.

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