1.1.2. Le componenti del sistema GPS

Le componenti del sistema GPS

Il sistema richiede il contributo di diverse componenti o segmenti (fig. 1.1.1):

1. il segmento spaziale: costituito da una costellazione di satelliti che trasmette dei segnali radio a terra;

2. il segmento di controllo: costituito da una struttura di stazioni fisse a terra in grado di gestire l’intero sistema;

3. il segmento di utilizzo: costituito da apparecchiature in grado di ricevere e interpretare i segnali per ottenere il posizionamento.

Descriviamo ora sinteticamente i 3 segmenti:

1. Il segmento spaziale è costituito da una costellazione nominale di 24 satelliti, più 3 satelliti di scorta, disposti su 6 piani orbitali, distanziati di 60° in ascensione retta ed inclinati di 55° rispetto all’equatore celeste (fig. 1.1.2); l’orbita ha un raggio di circa 26.500 km (corrispondente da un'altezza di circa 20.000 km rispetto alla superficie terrestre), con un periodo di rivoluzione di circa 12 ore siderali.
   La particolare geometria della costellazione garantisce la visibilità di almeno 4 satelliti da ogni punto della terra.
   Ai nostri fini, le principali funzioni del segmento spaziale sono quelle di:

   • fornire varie informazioni agli utilizzatori attraverso l’invio di segnali radio complessi, da parte dei satelliti;

   • mantenere un segnale di tempo molto accurato, utilizzando 4 oscillatori atomici (2 al cesio e 2 al rubidio) collocati a bordo di ciascun satellite.

2. Il segmento di controllo è costituito da 5 stazioni a terra, quasi equidistanti lungo la linea equatoriale, la cui posizione è nota con grande precisione. Le cinque stazioni sono così dislocate: Hawaii (USA), Colorado Springs (USA), Ascension (Oceano Atlantico meridionale), Diego Garcia (Oceano Indiano), Kwajalein (Oceano Pacifico Settentrionale).
   La funzione principale delle stazioni di controllo è il continuo tracciamento dei satelliti, al fine di calcolarne le effemeridi e la correzione degli orologi di bordo.

3. Il segmento utente è costituito da tutti gli utenti, civili e militari, dotati essenzialmente di un ricevitore in grado di captare, decodificare ed elaborare il segnale trasmesso dai satelliti.
   In generale, uno strumento GPS è costituito dai seguenti componenti:

   1. antenna ricevente con preamplificatore (può essere separata o inglobata nel ricevitore);

   2. ricevitore (dotato di display e tastiera per il controllo dell’apparato; ha all’interno, tra l’altro, un oscillatore –orologio- di precisione al quarzo);

   3. batteria di alimentazione (di norma esterna all’apparato principale);

   4. cavi (per il collegamento dei componenti o di questi ad altre unità);

   5. software (presente sulla memoria ROM di cui lo strumento è dotato, gestisce i processi di acquisizione e di memorizzazione).

Oggi esistono svariati tipi di ricevitori GPS che si differenziano, sostanzialmente, per l’uso della singola o doppia frequenza, per la strategia adottata nella decodifica del segnale, per la precisione fornita nel posizionamento, per la capacità di memorizzare i dati, ecc..

Gli strumenti, attualmente prodotti, possono essere suddivisi in due categorie principali, alle quali corrispondono 2 diverse metodologie operative:

1. • strumenti in grado di determinare esclusivamente la posizione assoluta del punto rilevato (metodo del point positioning); la determinazione della posizione viene ottenuta attraverso la misura di pseudorange sul segnale GPS (ossia della distanza tra ricevitore e ciascun satellite visibile del segmento spaziale). Questi strumenti sono prevalentemente utilizzati per le applicazioni connesse alla navigazione.

   • strumenti in grado di determinare anche la posizione relativa del punto rilevato, rispetto ad altri strumenti che hanno acquisito in contemporanea i segnali trasmessi dai satelliti (metodo del differential positioning); si tratta di apparati che eseguono misure di fase sulle onde portanti del segnale GPS. Tali apparecchiature sono impiegate per le applicazioni geotopocartografiche.