Cos’è il GPS (il Global Positioning System)?

L’acronimo GPS sta per Global Positioning System. Si tratta quindi di un Sistema di Posizionamento Globale, la cui funzione essenziale consiste nel determinare con precisione la posizione sul pianeta Terra di un ricevitore (come il vostro smartphone o un apparecchio dedicato).

Ma come funziona? Non si tratta di magia, bensì di tecnologia, ma il fascino esercitato è lo stesso. Pensate che il vostro piccolo ricevitore GPS riceve continuamente segnali da lontani satelliti in orbita attorno alla Terra. Ma andiamo con ordine.

I satelliti del sistema GPS
Attorno al pianeta Terra, a circa 20’200 km di altitudine, orbitano 31 satelliti dedicati al sistema GPS. Ogni satellite ha al suo interno un precisissimo orologio atomico. Ogni satellite invia continuamente un segnale radio contenente la sua posizione, e l’orario di trasmissione del segnale. Il ricevitore GPS confronta questi segnali, e tramite alcune equazioni riesce a stabilire la sua posizione.
Facciamo un esempio molto semplice per capire meglio.
Il pallino verde è il nostro ricevitore GPS. Alle ore 13:00 tutti i satelliti GPS inviano un segnale che dice “io mi trovo nella posizione X, e sono le 13:00”. Poiché i satelliti hanno distanze diverse dal ricevitore, il segnale “sono le 13:00” arriva al ricevitore in momenti diversi: quello del satellite 3 arriva per primo; poi quello del satellite 2; poi 4; e poi 1. Sapendo quanto ci ha messo il segnale ad arrivare, e quindi la distanza fra il ricevitore e i vari satelliti, il ricevitore GPS, con una relativamente semplice triangolazione, riesce a stimare la propria posizione sul pianeta Terra.

Comprendere l’errore del GPS
Nonostante l’enorme accuratezza degli orologi atomici presenti sui satelliti, il sistema GPS ha una precisione ottima ma non assoluta, pari in condizioni ottimali a 5 metri o anche meno. Questo dipende da alcuni limiti nella precisione della ricezione del segnale,

come in particolare il ritardo del segnale quando attraversa la ionosfera (ritardo che è tanto maggiore quanto più il satellite è inclinato verso l’orizzonte). Anche diversi valori di umidità o di pressione dell’aria possono introdurre un errore e quindi una perdita di precisione nel posizionamento. Infine, è molto rilevante il problema del “rimbalzo” del segnale fra edifici, pareti rocciose, canali, boschi eccetera.
I ricevitori GPS solitamente effettuano una stima dell’errore. Ad esempio in Google Maps potete vedere un’area circolare blu più o meno grande attorno al pallino blu che indica la posizione. In una app dedicata come GPS Test è indicata chiaramente la “accuracy” in metri. Negli screenshot più sotto potete notare come, appena aperta la app, l’errore stimato era di ben 32 metri; dopo aver fatto passare qualche secondo, l’errore è sceso a un più accettabile +- 13 metri. Questo vuol dire che ci potremmo trovare in qualsiasi punto all’interno di un’area circolare con raggio di 13 metri e centro nelle coordinate fornite dal ricevitore.

È importante essere consapevoli dell’errore GPS, soprattutto in situazioni in cui si cerca la massima precisione. Abbiamo visto più volte dei cercatori di geocache spostarsi magari di un solo passo in avanti o indietro per cercare di far coincidere le coordinate del ricevitore con quelle della cache cercata, senza comprendere come questo non abbia senso nel momento in cui il ricevitore stima un errore di ad esempio 8 metri.

Vantaggi
Oltre agli ovvi vantaggi derivanti dal suo uso (come la navigazione), vorremmo sottolineare due aspetti forse non immediati:

• Come la radio, e a differenza invece delle comunicazioni via internet, il sistema GPS può essere utilizzato da un alto numero di persone senza intaccare la qualità del servizio. Se anche avessimo migliaia di ricevitori GPS in uno spazio relativamente piccolo, funzionerebbero tutti. Se invece pensiamo a migliaia di smartphone connessi a Youtube in uno spazio piccolo, la rete rallenta per tutti, e nessuno è soddisfatto.

• Il sistema GPS è indipendente dalla ricezione telefonica o di internet. Questo vuol dire che possiamo ad esempio disattivare la connessione dati sul nostro smartphone (per risparmiare batteria durante un viaggio in bici), ma continuare a ricevere il segnale GPS.

Svantaggi

• Attivare il ricevitore GPS in uno smartphone fa consumare molta batteria; per questo è consigliabile procurarsi una batteria esterna per ricaricare il telefono in caso di necessità.

• Altro svantaggio è che il sistema è totalmente in mano agli Stati Uniti, che hanno deciso di renderlo disponibile in tutto il mondo, ma potrebbero facilmente criptare i segnali, come accadeva fino al 1 maggio 2000. Per questo l’Unione Europea ha deciso di dotarsi di un sistema molto simile chiamato Galileo, che dovrebbe essere pienamente operativo entro il 2020; ricordiamo che esiste anche un sistema sovietico/russo chiamato GLONASS, e un sistema cinese chiamato BeiDou. I moderni ricevitori GPS sono in grado di ricevere segnali da tutti questi sistemi.

Un po’ di storia
II governo degli Stati Uniti è il proprietario del sistema satellitare attualmente in uso, manteneva nel sistema GPS (fino al 01 maggio del 2000) un “errore indotto” chiamato SA (selective availability). Questo errore riduceva la possibilità di precisione del sistema a circa 100 metri di approssimazione ed in maniera casuale, rendendo molto difficili le letture precise della posizione. Soprattutto la ricerca di una posizione era difficoltosa in quanto all’errore generato dal sistema poteva aggiungersi la scarsità del numero di satelliti eventualmente ricevuti.
Questa condizione ha favorito negli anni successivi lo sviluppo del sistema DGPS (Differential GPS) da connettere al GPS per aumentarne la precisione. Ad oggi questo sistema, che si basava anche su radiofari terrestri indice di fattori di correzione, non ha quasi più ragione di esistere, la precisione di un qualsiasi apparecchio arriva alla decina di metri (anche meno in alcuni casi) più che sufficienti per un utente comune.


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