In questo articolo del blog, esploreremo il funzionamento del GPS, come calcola la nostra posizione e come i satelliti GPS forniscono informazioni sulla posizione in qualsiasi punto della Terra.
Il GPS è una tecnologia che conosciamo bene nella vita di tutti i giorni, che si tratti della polizia che rintraccia la posizione di un sospetto o della navigazione tramite smartphone. Ecco una scena tratta dal romanzo "Il Codice Da Vinci" di Dan Brown. Sophie e Langdon si nascondono in un bagno. Sophie decide di aiutare Langdon a fuggire: prende il dispositivo di localizzazione dalla tasca sinistra del suo cappotto, lo infila in una saponetta e lo lancia verso un rimorchio di passaggio. La polizia crede erroneamente che Langdon sia salito a bordo del rimorchio e lo insegue invano, permettendo a Langdon e Sophie di fuggire sani e salvi dal Museo del Louvre. Come ha fatto la polizia a rintracciare la posizione di Langdon usando il dispositivo di localizzazione? Il principio alla base di tutto risiede nel GPS.
Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione satellitare che calcola la posizione di un utente utilizzando i segnali trasmessi dai satelliti.
È possibile determinare una posizione utilizzando un solo satellite? Purtroppo no. Questo perché le informazioni sulla distanza fornite da un singolo satellite corrispondono a innumerevoli posizioni possibili a quella precisa distanza. Man mano che aumenta il numero di satelliti, le posizioni sovrapposte si riducono da un'area a una linea, e infine a un singolo punto.
Per comprendere il numero ottimale di satelliti, dobbiamo innanzitutto comprendere il concetto di dimensioni. Le dimensioni sono definite dal numero di direzioni in cui un oggetto può muoversi indipendentemente. Questo perché conoscere la distanza e la direzione in cui un oggetto si è spostato da un punto di riferimento ci permette di determinarne la posizione.
In una dimensione, la posizione di un oggetto può essere determinata semplicemente conoscendo di quanto si è spostato in avanti o indietro. In due dimensioni, sono necessarie informazioni in due direzioni: avanti/indietro e sinistra/destra. E nello spazio tridimensionale? Tutte e tre le direzioni – avanti/indietro, sinistra/destra e su/giù – sono necessarie. Poiché lo spazio in cui viviamo è tridimensionale, per calcolare una posizione sono necessarie informazioni relative a tutte e tre queste direzioni.
Pertanto, sono necessari quattro satelliti per calcolare una posizione esatta nello spazio tridimensionale, poiché servono informazioni sul punto di riferimento, nonché sulle direzioni avanti-indietro, sinistra-destra e alto-basso. Tuttavia, sfruttando il fatto che l'utente si trova sulla superficie terrestre, la Terra stessa può fungere da piano di riferimento, il che significa che, in teoria, una posizione può essere calcolata utilizzando solo tre satelliti. Tuttavia, i sistemi GPS reali utilizzano un totale di quattro segnali satellitari. Il satellite aggiuntivo viene utilizzato per correggere gli errori temporali che si verificano durante la trasmissione e la ricezione dei segnali; contribuisce a determinare una posizione più precisa calcolando il tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza.
Ora vediamo come vengono calcolate le informazioni sulla distanza ricevute dai satelliti. In questa sezione, capirete perché il teorema di Pitagora e le funzioni trigonometriche, che avete studiato alle scuole medie, sono importanti.
La triangolazione è un metodo per calcolare le coordinate e la distanza di un punto dato utilizzando le proprietà dei triangoli. Dati due punti di riferimento, misurando gli angoli formati dalla base e dagli altri due lati del triangolo formato dal punto incognito e dai due punti di riferimento, e conoscendo le lunghezze dei lati, è possibile calcolare le coordinate e la distanza utilizzando il teorema dei seni e altre formule.
Ad esempio, supponiamo di dover misurare la distanza tra la spiaggia e una nave in mare aperto. Un osservatore misura gli angoli α e β da due punti fissi, A e B, rispettivamente. Se è nota la distanza l tra A e B, o se sono note le coordinate dei due punti, è possibile calcolare le coordinate della nave nel punto C utilizzando le proprietà dei triangoli simili e il teorema dei seni, e di conseguenza si può determinare anche la distanza d dalla spiaggia alla nave. Il GPS funziona secondo lo stesso principio.
Calcola la posizione di un oggetto sulla Terra combinando le posizioni dei satelliti con le informazioni sulla distanza misurate da essi.
Attualmente, il sistema GPS è costituito da circa 31 satelliti operativi; di questi, generalmente 24 o più costituiscono il nucleo operativo, mentre i restanti fungono da backup o forniscono miglioramenti delle prestazioni. Questi satelliti orbitano attorno alla Terra lungo diversi piani orbitali e sono progettati in modo che più satelliti GPS possano essere osservati simultaneamente da qualsiasi punto del mondo. Ciò garantisce un segnale stabile da almeno quattro satelliti, fornendo informazioni di localizzazione più precise. I satelliti GPS sono alimentati da pannelli solari.
Prenditi un momento per guardare il cielo notturno. Se vedi un punto particolarmente luminoso e in movimento, potrebbe trattarsi di un satellite GPS che sta calcolando la tua posizione.
