LA RISPOSTA BREVE

I satelliti GPS trasmettono continuamente la propria posizione e l’ora esatta di invio del segnale. Il telefono confronta i tempi di arrivo, stima la distanza da più satelliti e cerca il punto compatibile con tutte le misure. In pratica usa il tempo per misurare distanze enormi.

Partiamo dalle basi

Il telefono ascolta segnali che arrivano dallo spazio

Quando apri una mappa e compare il punto blu, il telefono non sta chiedendo ai satelliti dove ti trovi. I satelliti inviano segnali radio in una sola direzione: verso la Terra. Il ricevitore del telefono li ascolta e svolge i calcoli localmente.

Ogni segnale contiene due informazioni essenziali: dove si trovava il satellite quando lo ha trasmesso e a quale istante lo ha fatto. La rete comprende satelliti in orbita, stazioni di controllo a terra e miliardi di ricevitori. Le stazioni seguono le orbite e aggiornano i dati necessari alla navigazione.

Fonti: [1][2]

Il tempo diventa una distanza

Un segnale radio viaggia quasi alla velocità della luce. Se il ricevitore conosce l’istante di partenza e quello di arrivo, può stimare per quanto tempo il segnale ha viaggiato. Moltiplicando quel tempo per la velocità della luce ricava la distanza dal satellite.

Qui la precisione è decisiva. La luce percorre quasi 300.000 chilometri in un secondo: un errore di appena un milionesimo di secondo corrisponde a circa 300 metri. Per questo i satelliti portano orologi atomici estremamente precisi e il sistema controlla regolarmente il loro tempo.

Fonti: [2][3]

Perché servono almeno quattro satelliti

Conoscere la distanza da un satellite non basta: potresti trovarti in qualunque punto di una grande superficie sferica intorno a esso. Una seconda distanza restringe le possibilità; una terza le riduce ancora. Questo procedimento è chiamato trilaterazione, perché parte dalle distanze e non dagli angoli.

Nella pratica il ricevitore usa almeno quattro satelliti. La quarta misura permette anche di correggere lo scarto dell’orologio interno del telefono, molto meno preciso di quelli atomici nello spazio. Il calcolo restituisce latitudine, longitudine, quota e una stima del tempo.

Fonti: [2][4]

GPS e mappa non sono la stessa cosa

Il GPS calcola coordinate, non nomi di strade né percorsi. È l’applicazione cartografica a collocare quelle coordinate su una mappa e a proporre un itinerario. Per scaricare mappe, traffico e indicazioni aggiornate può servire una connessione a Internet; per ricevere i segnali GPS di base, invece, non serve inviare dati ai satelliti.

Questa distinzione spiega perché una strada disegnata male non sia necessariamente un errore del GPS. Il punto calcolato può essere corretto mentre la mappa contiene una strada mancante, un indirizzo impreciso o un’attività collocata nel posto sbagliato.

Fonti: [2][5]

PER APPROFONDIRE

Un passo più in là

Perché il punto blu a volte salta

Il ricevitore lavora meglio quando vede una porzione ampia di cielo. Edifici, ponti e alberi possono bloccare i segnali. In città, inoltre, le onde radio possono rimbalzare sulle pareti e arrivare dopo aver percorso una strada più lunga: è il fenomeno chiamato multipath.

Anche la disposizione dei satelliti conta. Se appaiono tutti nella stessa zona del cielo, le distanze delimitano la posizione peggio di quando sono distribuiti in direzioni diverse. Atmosfera, qualità del ricevitore e numero di segnali disponibili aggiungono altri margini di errore. In cielo aperto uno smartphone GPS è tipicamente accurato entro circa 4,9 metri, ma vicino agli ostacoli può fare peggio.

Fonti: [5]

Perfino Einstein entra nel navigatore

Gli orologi dei satelliti non scorrono esattamente come quelli sulla Terra. La loro velocità e la minore gravità dell’orbita producono due effetti relativistici opposti. Secondo il NIST, il risultato netto farebbe avanzare gli orologi GPS di circa 38 milionesimi di secondo al giorno rispetto a quelli terrestri.

Sembra pochissimo, ma per un sistema che trasforma il tempo in distanza è troppo. Le correzioni relativistiche fanno quindi parte del funzionamento del GPS: non sono un’aggiunta teorica, ma una condizione necessaria per mantenere accurata la posizione.

Fonti: [6]

Tre cose da portare con sé

  • Il GPS misura il tempo di viaggio dei segnali radio per stimare la distanza dai satelliti.
  • Servono almeno quattro satelliti per ricavare la posizione e correggere l’orologio del ricevitore.
  • Il GPS fornisce coordinate; mappe, percorsi e traffico dipendono da servizi separati.

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Le fonti, a portata di clic

Materiali consultati per questo articolo. Le fonti possono essere in inglese.

  1. 1
    GPS.gov — Governo degli Stati UnitiGPS

    Descrive i segmenti spaziale, di controllo e utente del sistema GPS.

  2. 2
    National Institute of Standards and TechnologyHow Do You Measure Your Location Using GPS?

    Spiega segnali, orologi atomici, calcolo delle distanze e distinzione tra posizione e mappa.

  3. 3
    GPS.gov — Governo degli Stati UnitiGPS and Telling Time

    Approfondisce il ruolo degli orologi atomici e della sincronizzazione temporale.

  4. 4
    GPS.gov — materiale didattico NOAATrilateration

    Illustra la trilaterazione e il legame fra tempo di viaggio, velocità e distanza.

  5. 5
    GPS.gov — Governo degli Stati UnitiGPS Accuracy

    Elenca precisione tipica, ostacoli, riflessioni, geometria satellitare ed errori cartografici.

  6. 6
    National Institute of Standards and TechnologyPutting Einstein to the Test

    Quantifica gli effetti relativistici sugli orologi dei satelliti GPS e la necessità delle correzioni.

Testo realizzato con assistenza dell’intelligenza artificiale. Come lavoriamo