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Il GPS, quando è il satellite a dirci dove siamo.

Il GPS, dal 1994, anno della sua entrata a pieno regime è diventato un sistema tecnologico importante per molti usi civili: in questo articolo un'introduzione a come funziona e uno sguardo alla risposta europea, Galileo.

Satellite Nato degli anni Settanta e completato nel 1994 per scopi militari, il sistema GPS conta ad oggi 24 satelliti che ruotano intorno alla Terra e diversi milioni di ricevitori dislocati in giro per il mondo. Tra gli usi più noti, l'impiego nei navigatori satellitari portatili per orientarsi nel traffico.

Ma come funziona? I satelliti orbitano intorno alla Terra emettendo dei segnali sotto forma di microonde. Arrivati sulla Terra, sono captati dai ricevitori che, integrando le informazioni derivate da almeno quattro satelliti, determinando la propria posizione, velocità e l'orario sulla superficie terrestre.

L’ormai familiare navigatore satellitare delle automobili riesce a determinare la propria posizione senza trasmettere alcun segnale, ma semplicemente calcolando il ritardo tra i segnali che gli arrivano da diversi satelliti. Immaginiamo di trovarci all’interno di un corridoio buio con due persone che parlano alle sue estremità. Man mano che ci muoviamo all’interno del corridoio buio sentiremo più forte la voce della persona a cui ci stiamo avviciando e più piano quella della persona da cui ci allontaniamo, e in questo modo riusciremo a farci un’idea di quanta strada abbiamo fatto. Il sistema satellitare fa un calcolo analogo, ma ha bisogno di captare il segnale di almeno quattro satelliti per poter determinare le tre coordinate spaziali (x, y, z) e l'orario (t) (bastano tre satelliti se bisogna calcolare soltanto la latitudine e la longitudine ma non l'altezza sul livello del mare).

Valutando il ritardo di trasmissione dei segnali ricevuti dai diversi satelliti, il navigatore riesce a determinare la propria posizione e l’orario: un satellite permette di stabilire lo scarto temporale e gli altri tre le coordinate spaziali. Dato però che sia il satellite che il navigatore cambiano posizione continuamente e non hanno una distanza costante tra di loro, per poter calcolare le proprie coordinate spaziali il navigatore deve conoscere l’istante di partenza dei diversi segnali e quindi la condizione fondamentale per il funzionamento dell’intero sistema è che i vari satelliti siano perfettamente sincronizzati: per questo al loro interno sono presenti degli orologi atomici.

Il sistema di calcolo per integrare queste informazioni è definito trilaterazione.

Orbite dei satelliti Ogni satellite compie due volte al giorno l'orbita completa intorno alla Terra. I satelliti si muovono su sei piani orbitali diversi, spaziati di circa 60° uno dall'altro, in modo da ricoprire tutta la superficie terrestre, tranne le zone polari (infatti sono inclinati di 55°C rispetto all'equatore).

Al segmento spaziale, cioè quello composto dai satelliti, fa riferimento il segmento di controllo, composto dalle stazioni di tracciamento, dal centro di calcolo e dalle stazioni di soccorso: un sistema di stazioni di controllo localizzate in varie posizioni sulla Terra (la principale è in Colorado) riceve le informazioni dei satelliti, ne calcola la posizione e invia i dati ai satelliti stessi.

Alcune applicazioni del GPS

A parte la possibilità di determinare con precisione la localizzazione, il GPS ha diverse applicazioni specifiche:

- fornisce un riferimento universale per la misura del tempo, grazie alla presenza su ciascun satellite dei numerosi orologi atomici, utilizzata per la sincronizzazione di diversi sistemi e come riferimento per operazioni commerciali, per esempio per sincronizzare sui diversi computer di una banca le transazioni economiche;

- ha abbattuto i costi di alcune operazioni spaziali, grazie, per esempio, alla sostituzione di costosi sensori con economiche antenne GPS e l'utilizzo di questa tecnologia per monitorare e regolare il traffico spaziale;

- è fondamentale negli aerei e nei sistemi navali;

- è ampiamente utilizzato anche nel controllo ambientale e nei monitoraggi per l'industria agricola, grazie alla possibilitò di effettuare documentazioni rapide e precise e di potersi orientare anche in caso di mal tempo o al buio; rende possibile il monitoraggio degli animali a rischio di estinzione e delle migrazioni; infine, ha permesso l'utilizzo di sistemi automatici per la distribuzione di sostanze dedicate all'agricoltura, limitando l'esposizione dell'uomo ad agenti tossici;

- è usato anche come sistema antifurto, per esempio per localizzare gli autoveicoli.

Altri sistemi di localizzazione satellitare

Il GPS è un sistema interamente controllato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Esiste un altro sistema di posizionamento globale, quello Russo, chiamato GLONASS, gestito dall'esercito russo e composto anch'esso da 24 satelliti su tre piani orbitali ed è attivo dal 1995, anche se ha avuto vicende alterne.

L'Europa sta lavorando allo sviluppo di un nuovo sistema di posizionamento: si chiama Galileo (scritto in italiano anche negli altri Paesi, in onore del nostro grande scienziato) e dovrebbe entrare in attività nel 2013, con 30 satelliti disposti su tre orbite e una maggior precisione e copertura rispetto all'attuale.

Questo progetto è stato avviato nel 2003 dall'Unione Europea e l'Agenzia Spaziale Europea e nasce specificamente per usi civili e commerciali. In particolare, il sistema europea ha tra gli obiettivi quello di mettere a disposizione di tutti, e con una maggiore copertura, un sistema ad alta precisione. A questo progetto partecipa attivamente l'Italia, e sono coinvolti in Piemonte: Finpiemonte, IEN Galileo Ferraris, Politecnico di Torino e Istituto Mario Boella di Torino (leggi il dossier), Fondazione Torino Wireless, Thales Alenia Spazio, SEPA, SIA e Altec S.p.A per la progettazione e la realizzazione di diverse componenti chiave del sistema. Per maggiori informazioni sul progetto, leggere anche l'articolo Il progetto Galileo.

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