Cos'è il GPS? Perchè ne abbiamo bisogno? Qual è la differenza tra i diversi sistemi di navigazione? Parleremo di tutto in questo articolo.
Attualmente, il GPS ci sembra essere una cosa familiare e quotidiana di cui tutti hanno sentito parlare e che la maggior parte di loro usa nella vita di tutti i giorni. Questo è uno degli strumenti che utilizziamo nei nostri dispositivi. Allo stesso tempo, non pensiamo nemmeno a come funziona, da dove viene, quanto tempo, fatica e denaro hanno dovuto essere investiti per creare questo sistema. Oggi, i ricevitori di segnale GPS non hanno solo navigatori, telefoni, smartphone, tablet, automobili, ma anche bracciali fitness e orologi "intelligenti", i loro dati vengono utilizzati nell'industria, negli sport amatoriali e professionistici, nei rally e nelle corse e, naturalmente, nell'industria militare. Diamo un'occhiata più da vicino ai vari sistemi di navigazione.
Cos'è la navigazione satellitare?
La navigazione satellitare, o Global Navigation Satellite System, è un sistema di satelliti che trasmette dati sul posizionamento globale e sull'ora precisa. Le onde radio di determinate frequenze vengono utilizzate per trasmettere informazioni. Dopo aver ricevuto tali dati, il ricevitore li calcola e visualizza le coordinate della nostra posizione, ovvero longitudine, latitudine e altitudine sul livello del mare.
Oltre ai sistemi di base (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), esistono anche sistemi ausiliari nello spazio. Si tratta dei cosiddetti sistemi di correzione satellitare (SBAS), come Global Omnistar e StarFire, utilizzati in agricoltura.
Sopra di noi ci sono anche sistemi di supporto regionali come WAAS negli Stati Uniti, EGNOS nell'UE, MSAC in Giappone e GAGAN in India, che si occupano del perfezionamento dei dati in aree più piccole del globo. Il tutto è supportato da componenti di terra, di cui parleremo più avanti. Ci sono molte definizioni nel sistema, ma non entreremo nei dettagli.
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Tipi di navigazione satellitare
Il GPS non è l'unico sistema di navigazione satellitare attualmente disponibile. Sopra le nostre teste volano diversi tipi di satelliti, responsabili del geoposizionamento dei dispositivi che teniamo in tasca, che indossiamo al polso o che utilizziamo nei navigatori. Perché ci sono più sistemi e non uno? Sono sicuro che questa domanda è stata posta dalla maggior parte degli utenti medi. Il fatto è che inizialmente il sistema GPS è stato creato per esigenze militari e l'esercito ha ancora il controllo su di esso. Ciò significa che controllano il posizionamento di tutti e ovunque nel mondo. Certo, a molti questa posizione non è piaciuta, non solo gli avversari, ma anche gli amici. Pertanto, i giocatori seri del mondo hanno deciso di sviluppare i loro sistemi di navigazione in modo che il loro esercito avesse il controllo su di loro. Presto apparvero nel mondo analoghi GPS, in competizione tra loro per il titolo di migliori e più precisi sul mercato. Per noi utenti ordinari, questo è solo un vantaggio. Quindi, proviamo a trattare ogni sistema separatamente.
GPS americano
Questo è il primo sistema di navigazione che utilizziamo più spesso. Quando pensiamo alla navigazione satellitare, di solito usiamo il termine GPS. Il sistema americano era originariamente chiamato NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, o NAVSTAR-GPS in breve.
Il GPS è nelle mani dell'esercito americano, o meglio della US Space Force. Tutti i dispositivi vengono controllati per il corretto funzionamento da Space Delta 8, che ha sede presso la Shriver Air Force Base vicino a Colorado Springs e opera come parte del quartier generale GPS.
Le applicazioni civili sono solo un'aggiunta minore alle applicazioni militari, per le quali il layout e la massima precisione di posizionamento sono una priorità. Gli utenti civili ottengono una versione un po' troncata, ma è comunque abbastanza buona. Non serve una precisione di poche decine di centimetri per guidare un'auto o correre, ma è necessaria una precisione sempre maggiore, ad esempio, nella navigazione, nella cartografia, in agricoltura per monitorare i campi, nelle aziende di trasporto per tracciare i veicoli e in molte altre aree. Pertanto, non sorprende che il sistema GPS sia in continua evoluzione, sia in corso l'ottimizzazione dei satelliti.
Durante il suo utilizzo, il sistema ha subito modifiche ed è ancora in fase di ammodernamento, di tanto in tanto vengono introdotti nella rete satelliti con maggiori capacità e quelli vecchi che erano utilizzati in precedenza vengono distrutti nel tempo. La maggior parte di loro brucia nell'atmosfera e talvolta i detriti affondano nell'Oceano Pacifico.
La piena prontezza del sistema GPS è stata raggiunta nel 1993, quando il numero richiesto di satelliti è stato messo in orbita. Ma già nel 1983, l'amministrazione di Ronald Reagan approvò un permesso per l'uso civile del sistema. Ciò è accaduto dopo che l'URSS ha abbattuto un aereo civile coreano che ha violato erroneamente lo spazio aereo sovietico. Tuttavia, inizialmente la precisione del sistema per la popolazione civile era limitata a 100 metri. Ma anche questo bastava in quel momento per evitare ulteriori disastri.
Il funzionamento del sistema GPS dallo spazio è inoltre supportato dai satelliti WAAS (Wide Area Augmentation System), che forniscono la correzione dei dati necessaria per aumentare la precisione del sistema. Si trovano in Nord America (e in parte in Sud America) e sono sotto la cura della FAA (Federal Aviation Administration). WAAS è destinato a supportare applicazioni civili di navigazione satellitare.
GLONASS russo
GLONASS è l'abbreviazione di Global Navigation Satellite System, che funziona in modo simile al GPS americano. GLONASS è composto da 24 satelliti attivi situati a circa 19 chilometri sopra la terra e l'orbita del satellite dura 100 ore e 11 minuti. I test del sistema sono iniziati nel 15, cioè in URSS. In realtà è stato creato come risposta agli sviluppi americani, meglio conosciuto nel nostro paese come "Star Wars". L'Unione Sovietica non voleva cedere in nulla agli USA, ma "Perestrojka, glasnost, accelerazione" ha fatto il suo lavoro. I lavori sono stati per lo più ridotti per mancanza di fondi. Anche se, come si è scoperto in seguito, non tutto era chiuso. Fu davvero una sorpresa per gli americani quando nel 1982 fu ufficialmente annunciato che il sistema GLONASS era pronto per il funzionamento. Nel 1993 i russi riuscirono a mettere in orbita un'intera costellazione di 1995 satelliti.
Ma non tutto è andato così bene dall'inizio. L'era Eltsin degli anni Novanta ha influenzato anche i programmi spaziali. Non c'erano finanziamenti, nessuno era interessato allo spazio e alla navigazione satellitare. Di conseguenza, nel 2002 solo 7 satelliti erano ancora operativi. Tuttavia, i russi si sono messi al lavoro e, nell'ambito del programma di recupero 2002-2011, hanno messo in funzione i satelliti GLONASS-K migliorati, nonché i moderni sistemi di controllo a terra di accompagnamento.
Nella fase successiva di ammodernamento, nel 2012-2020, l'attenzione principale è stata rivolta al miglioramento delle proprietà del PNT (posizionamento, navigazione e sincronizzazione) al fine di aumentare la sicurezza dello stato e le capacità dei suoi sistemi di difesa e civili. Sono attualmente in corso i lavori sulla prossima generazione di satelliti, nota come GLONASS-K2.
BeiDou cinese
La Cina ha iniziato a sviluppare un sistema di navigazione satellitare alla fine del 2000° secolo. Nel 1 sono riusciti a chiudere la prima fase di sviluppo del BDS-1, meglio conosciuto come il sistema satellitare di navigazione BeiDou-2. Nell'ambito di questo progetto, la Cina e i paesi esteri più vicini sono stati dotati di sistemi di posizionamento. Il passo successivo è stato BDS-2020 con una rete satellitare che fornisce copertura nella regione Asia-Pacifico. Nel 3, nell'ambito del progetto BDS-XNUMX, il sistema BeiDou è diventato operativo in tutto il mondo.
Attualmente ci sono 35 satelliti in orbita e, in totale, il programma ha già effettuato 59 lanci con carichi utili che mettono in orbita le prossime generazioni del sistema BeiDou. Secondo le autorità cinesi, più di 400 agenzie e 300 scienziati e tecnici hanno partecipato alla creazione del programma BDS-000. Per supportare l'ultima costellazione di satelliti, sono state create più di 3 stazioni di terra per monitorare il corretto funzionamento del sistema. La disponibilità globale del sistema è stimata al 40% e per la regione chiave dell'Asia-Pacifico è ancora più alta, ovvero lì funziona quasi perfettamente. Inoltre, i cinesi hanno fatto molti sforzi per migliorare la precisione del sistema.
BeiDou consente anche brevi messaggi di testo fino a 14 bit (000 caratteri cinesi). Questo valore può includere anche fotografie o registrazioni audio.
Come per altri sviluppi nei sistemi di navigazione satellitare, gli utenti locali pagano per il servizio, ma i risultati sono davvero impressionanti.
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Galileo europeo
Qual è il più grande vantaggio del sistema Galileo? A differenza di GPS e GLONASS, rimane in mano ai civili e non appartiene a nessun governo in particolare, come nel caso della Cina comunista. Il sistema è stato costruito pensando solo al mercato civile, e quindi i bisogni della popolazione alla fine influenzano il suo sviluppo. Certo, Galileo è una boccata d'aria fresca tra i sistemi di posizionamento militarizzati. Finora, il programma Galileo ha completato 28 lanci e messo in orbita 30 satelliti. Attualmente il sistema utilizza un'intera costellazione di satelliti, ma non tutti i dispositivi sono sempre disponibili e alcuni di essi stanno ancora aspettando il loro turno nei magazzini.
Il segmento dell'assistenza a terra si trova in due centri: Oberpfaffenhofen in Germania e Fucino in Italia. Inoltre, il sistema include una rete mondiale di sensori di monitoraggio, stazioni di misurazione e trasmissione dati.
A causa del fatto che le orbite di tutti questi sistemi stanno diventando sempre più saturate, i satelliti Galileo si trovano un po' più in alto, a quota 23 chilometri (il più basso è GLONASS, poi GPS, il cinese BeiDou e in cima alla piramide di Galileo ). Occorrono circa 222 ore per ogni satellite per orbitare completamente intorno alla terra. Per la maggior parte dei luoghi della terra, sono sempre disponibili da 14 a 6 satelliti Galileo, il che significa una precisione molto elevata, che nella maggior parte delle situazioni viene misurata in centimetri anziché in metri.
Galileo è compatibile con il sistema GPS, che migliora ulteriormente la precisione delle misurazioni, e il suo funzionamento è supportato anche dal sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Service), costituito da componenti di terra e satelliti incaricati di migliorare il funzionamento e la precisione dei sistemi di navigazione satellitare .
MICHIBIKI giapponese (Michibiki)
Per garantire la precisione della navigazione sul proprio territorio, il Giappone ha creato una piccola costellazione di satelliti chiamata Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) o Michibiki. Nelle zone montuose o fortemente urbanizzate, il GPS da solo è spesso insufficiente a causa di troppi ostacoli. 4 satelliti in funzione da novembre 2018 eliminano questo problema. Tre di loro si trovano ancora nella regione dell'Asia e dell'Oceania. Nel 2024 si prevede di raggiungere una costellazione di satelliti composta da 7 unità. Ciò migliorerà ulteriormente l'efficienza complessiva del sistema e lo renderà indipendente dal GPS. Pertanto, il Giappone garantirà la piena autonomia sul proprio territorio.
Nonostante le sue ridotte dimensioni rispetto ad altri sistemi, QZSS soddisfa tutte le aspettative della popolazione giapponese, e supporta inoltre le spedizioni in tutti quei paesi situati sui meridiani che attraversano il territorio del Giappone.
Inoltre, il Giappone ha anche un sistema di supporto di precisione GPS/Michibiki chiamato MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). È composto da 2 satelliti che, tra le altre cose, forniscono dati meteorologici.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) è l'analogo indiano del GPS, chiamato anche Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS). Il sistema, dopo aver raggiunto tutte le sue capacità, sarà simile nel suo funzionamento a quello giapponese. Attualmente, ci sono 7 satelliti in orbita che forniscono il posizionamento in India ea una distanza fino a 1500 chilometri dai confini del Paese. Il sistema non dipende dal GPS.
NavIC è supportato da GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), che consiste in tre satelliti aggiuntivi e un'infrastruttura di terra. Con l'entrata in servizio, il divario tra i sistemi EGNOS e MSAS è stato colmato, migliorando ulteriormente il livello di sicurezza dell'aviazione civile.
Sistemi di aiuto globali
Nella descrizione dei singoli sistemi, abbiamo anche menzionato i sistemi di supporto regionali. Tuttavia, il funzionamento della navigazione satellitare oltre i confini regionali può anche supportare i sistemi di assistenza globale. Attualmente se ne possono distinguere due. Questi sono Omnistar e StarFire. Entrambi hanno il supporto per la navigazione satellitare, che viene utilizzata principalmente per le esigenze della moderna agricoltura di precisione. Il loro uso richiede ricevitori speciali, grazie ai quali l'agricoltore, muovendosi attraverso i suoi campi, può lavorare con una precisione fino a 5-10 centimetri (i sistemi di supporto del record danno una precisione di 1-2 centimetri). Tale posizionamento preciso è fornito come servizio e richiede costi aggiuntivi pagati direttamente per la consegna dei dati di sistema.
Il servizio si basa sul Differential Global Positioning System (DGPS) e si riduce all'uso di un ricevitore base che si trova in una posizione specifica. Il ricevitore dell'auto, oltre al segnale satellitare, riceve anche le correzioni dal ricevitore di base fisso.
Omnistar è un'azienda indipendente e i suoi trasmettitori possono essere acquistati per una varietà di macchine, mentre il sistema StarFire è del produttore di macchine agricole John Deere, che offre sistemi integrati o esterni con una precisione di ±3 cm e funziona con GPS e GLONASS.
Come funziona il GPS?
In questa sezione descriveremo il funzionamento del GPS utilizzando la versione originale, ovvero la versione americana, perché attualmente disponiamo della maggior parte dei dati disponibili su di esso. Altri funzionano in modo simile.
Costellazione di satelliti GPS
Una rete abbastanza fitta di satelliti è necessaria per il corretto funzionamento in tutto il mondo. Nel caso di una costellazione di 24 satelliti, possiamo essere certi che in qualsiasi momento e in qualsiasi punto della Terra siamo nel raggio di quattro di essi. Gli americani generalmente promettevano che almeno 24 sarebbero stati disponibili il 95% delle volte. Attualmente, il sistema è supportato da 31 satelliti. La terra è divisa in 6 zone uguali attraverso le quali si muovono i satelliti, e ognuna di esse ha 4 campi da coprire.
Nel giugno 2011 è stata lanciata una modifica denominata Expendable 24. Tre dei 24 satelliti, e quindi i campi che controllano, sono stati potenziati da un satellite aggiuntivo al fine di ottenere un'acquisizione più rapida del segnale e una migliore precisione in condizioni di terreno difficili. Ci sono state anche alcune modifiche per rendere l'intera rete di 27 satelliti il più efficiente possibile.
I satelliti GPS si muovono in un'orbita prevedibile MEO (Mean Earth Orbit) a un'altitudine di circa 20 km, quindi sai sempre dove si trovano. Inoltre, la loro posizione viene verificata mediante radiotelescopi. La rete di controllo a terra è composta da un centro di controllo principale, un centro di controllo di riserva, 200 antenne di comando e controllo e 11 stazioni di osservazione, quindi la posizione dei satelliti è sempre nota. Una rotazione di ciascun satellite attorno alla Terra richiede 16 ore.
Come funziona tutto in pratica?
Un satellite in orbita trasmette costantemente segnali radio che vengono captati dalle nostre apparecchiature dotate di ricevitori appropriati. Ogni satellite riporta la sua posizione e il tempo di trasmissione. Sapendo inoltre quanto velocemente viaggiano le onde radio, possiamo calcolare la distanza da questo satellite. Se riceviamo dati aggiuntivi da altri tre satelliti e scarichiamo dati da quattro contemporaneamente, il dispositivo calcolerà la nostra posizione all'intersezione dei dati provenienti da tutti i satelliti.
Per fare in modo che le cose funzionino in modo fluido e preciso, abbiamo ancora bisogno di misurazioni accurate del tempo in cui viene inviato il segnale. Come è stato raggiunto? Ciascuno dei satelliti trasporta un orologio atomico, il cronometro più preciso mai inventato dall'uomo. Qual è la precisione di un tale orologio? Il tempo è misurato al milionesimo di secondo più vicino!
Il dispositivo ricevente utilizza tutti questi dati per calcolare in modo efficiente la nostra posizione. Ma l'intero sistema deve anche tenere conto di questioni come la teoria della relatività speciale, che è stata scritta da un gentiluomo ampiamente conosciuto come Albert Einstein. Più l'oggetto è lontano dalla fonte di gravità, più il tempo passa su di esso, quindi è necessario ricalcolare su ciascun satellite. In breve, è tutto piuttosto complicato, ma fortunatamente utilizziamo questo sistema da anni ormai e abbiamo scoperto che funziona, e funziona abbastanza bene.
Naturalmente, il normale funzionamento del sistema richiede la partecipazione di personale altamente qualificato, il cui livello di addestramento può essere paragonato a quello dei Centri di Controllo Volo Spaziale.
GPS: miliardi di costi del programma
Dopo essere stato lanciato in orbita, il satellite non funzionerà lì per sempre. Le versioni precedenti hanno un ciclo di vita di 7,5 anni, le versioni più recenti di 12 anni e l'ultimo sistema GPS III/IIIF dovrebbe rimanere in orbita per 15 anni (dati per la versione statunitense del sistema). Trascorso questo tempo, l'apparato deve essere sostituito, quindi un nuovo campione deve essere costruito in condizioni sterili e solo allora questa opera d'arte può entrare in orbita.
Oltre alle apparecchiature nello spazio, ci sono anche apparecchiature di monitoraggio a terra e personale altamente qualificato responsabile del controllo del sistema. Sono in corso anche i lavori per migliorare la componente di terra, con un focus importante ora sul nuovo sistema di controllo operativo (OCX) di prossima generazione e sui relativi sottosistemi. Le modifiche vengono introdotte gradualmente, in modo da non interrompere il funzionamento dell'intero sistema GPS.
Circa 1,7 miliardi di dollari (anno fiscale 2020) vengono spesi per supportare l'intero sistema. Per l'anno fiscale 2021, gli sviluppatori hanno chiesto al Congresso degli Stati Uniti 1,8 miliardi di dollari per i costi di manutenzione del sistema GPS. Pertanto, date tali somme, solo i paesi più grandi possono permettersi di mantenere un sistema autonomo, e il resto deve utilizzare quelli esistenti. Per mostrare come il costo del programma stia crescendo, possiamo solo dire che nel 2012 era di 750 milioni di dollari (non teniamo nemmeno conto dell'inflazione, della metodologia di calcolo e del suo livello qui).
È facile bloccare il GPS?
I giorni d'oro del sistema GPS nelle forze armate vengono lentamente dimenticati. L'attenuazione e il disturbo dei segnali satellitari stanno diventando sempre più comuni e, di conseguenza, le armi di precisione basate esclusivamente sui dati spaziali non sono più efficaci come una volta. Il problema riguarda non solo le armi stesse, ma anche aerei, navi, veicoli terrestri e qualsiasi altro dispositivo dotato di ricevitore GPS.
Abbiamo visto più di una volta esempi di blocco del segnale GPS in punti "caldi" sulla Terra. È successo che enormi navi nel porto o in navigazione, ad esempio, nel Mar Nero, sono improvvisamente scomparse dalle mappe e sono apparse su di esse a 30 chilometri di distanza, e questo è collegato alle azioni dei russi in questa regione. Continuando su questo argomento, va detto che misure simili si tengono spesso in Siria per garantire il funzionamento delle basi russe nella regione. Anche Israele soffre di questo tipo di interferenza, dove il GPS a volte funziona peggio, e questo è un problema serio, ad esempio per il traffico aereo civile.
Interferire con un segnale GPS non è particolarmente difficile. Un trasmettitore radio di potenza e frequenza adeguate posizionato vicino a un bersaglio protetto impedisce ai ricevitori GPS di ricevere i dati corretti. I produttori di satelliti stanno cercando di combattere questo problema sviluppando segnali sempre più resistenti alle interferenze, che sono dotati delle ultime versioni dell'apparecchiatura. Tuttavia, questo è un gioco del gatto e del topo e il vantaggio è dalla parte dei cacciatorpediniere. Possono rispondere al cambiamento più velocemente con costi inferiori e maggiori capacità. Dopotutto, i satelliti non cambiano in una settimana.
Oltre a scopi insidiosi, i metodi di blocco del GPS vengono utilizzati anche per proteggere i capi di stato. Non sorprende che i russi siano particolarmente affezionati a tali strumenti. Ciò è particolarmente vero per i movimenti di Putin, che si sforzano così tanto di nascondere che nella regione in cui si trova, tutti i sistemi di navigazione potrebbero non funzionare affatto per un certo tempo. I russi proteggono il più possibile il percorso di viaggio del loro presidente, quindi bloccando i sistemi di navigazione stanno cercando, almeno in parte, di escludere un attacco di droni.
Nonostante i problemi e le carenze sopra menzionati, non dovremmo aspettarci che i militari abbandonino il sistema GPS. Al contrario, la lotta contro i sistemi di disturbo sarà intensificata e verranno aggiunti sistemi aggiuntivi alle apparecchiature e alle armi che impediranno il disturbo del segnale GPS.
La navigazione inerziale continuerà a migliorare e le armi di precisione avranno sempre in riserva un altro metodo di mira altrettanto efficace. Attualmente, è in corso un intenso lavoro su tali soluzioni. Si parla di navigazione per immagini, astronavigazione (tornare indietro nel tempo?) e navigazione per anomalie magnetiche. Alta tecnologia! Pertanto, abbiamo ancora molte cose interessanti che ci aspettano.
Navigazione satellitare per scopi civili
Ma l'utente medio non è molto interessato a ciò che i militari hanno lì. Vogliamo che il GPS ci aiuti a individuare la nostra posizione in modo che navigatore correttamente tracciato il percorso di un'escursione in montagna o di una corsa mattutina o durante un viaggio in auto. Ora è difficile immaginare la vita di una persona moderna senza questi servizi.
In linea di principio, possiamo dire che anche se non utilizziamo direttamente il GPS, cioè non accendiamo noi stessi il ricevitore, possiamo comunque usarlo. Il sistema funziona in modo indipendente, è diventato una parte familiare, conveniente e necessaria della nostra vita.
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