COME FUNZIONA IL GPS
GPS è l'acronimo di Global Positioning System,
sistema di posizionamento globale. L’intuizione teorica del posizionamento satellitare globale è datata
1940, diciassette anni prima della messa in orbita di Sputnik 1 (il primo satellite artificiale della
storia). La progettazione del GPS parte ufficialmente nel 1963, ma già dal 1957-1958 si trovano traccie dei primi
esperimenti doppler svolti a terra. Il progetto, finanziato dal Dipartimento della Difesa USA e
classificato top secret per 15 anni, prende quindi il via durante la guerra fredda per scopi esclusivamente
militari. La sola fase di progettazione del sistema GPS ha richiesto quasi 16 anni principalmente a causa del
fatto che all’epoca i progettisti avevano individuato soluzioni tecnologiche che non erano ancora
state in realtà sviluppate o affinate. Il primo satellite GPS viene messo in orbita nel 1978. La
principale necessità che ha dato impulso iniziale ai progetti di posizionamento satellitare era quella di
elevare la precisione dei missili a medio raggio senza dover ricorrere a guide elettroniche poste sull'obiettivo
o nelle sue immediate vicinanze, ma soprattutto senza doversi affidare a calcoli balistici condizionati
da una quantità enorme di fattori. E’ proprio grazie alle tecnologie di posizionamento satellitare che nascono
i cosidetti “bombardamenti chirurgici”. Ferma restando la negatività di qualsiasi guerra, è innegabile
che i bombardamenti chirurgici hanno salvato migliaia di vite umane, così come è innegabile che lo
sviluppo tecnologico ha spesso tratto sostanziali benefici e forti accelerazioni dalle ricerche in campo
militare. Altri scopi erano quelli di coordinare i movimenti delle truppe su territorio nemico e guidare
quelle particolari testate atomiche “fantasma” che durante la guerra fredda erano alloggiate in appositi
silos in costante movimento negli oceani. E’ poco noto che ci sono stati vari sistemi precursori e/o
alternativi del GPS (es. Landmark, Omega, Satnav, Loran, ecc.). Tali sistemi, pur limitati e grossolani,
hanno contribuito a generare esperienze determinanti per lo sviluppo e l’affinamento del
GPS.
L'investimento complessivo connesso alla progettazione e
all’avvio del sistema GPS è stato stimato
nell'ordine dei 28000 miliardi di vecchie lire non
attualizzate; all’investimento iniziale vanno aggiunti
400 milioni di euro all'anno circa per la gestione ordinaria
da terra e i 7 miliardi di euro circa necessari al completo rinnovo della costellazione ogni sette anni e
mezzo.
Con il completamento della seconda versione del GPS
(denominata “Block two” 1989-1994), il governo USA decide di rendere pubblici i parametri di accesso
per sfruttare il sistema. I satelliti sono già dotati di un apposito canale radio sfruttabile
autonomamente, denominato L1 o canale civile. La guerra fredda è un ricordo lontano e anche “desert storm” è
ormai archiviata; la potenza della macchina bellica USA è ai vertici mondiali mentre quella russa è in rapido
declino e quella cinese non desta particolari preoccupazioni. Lo scacchiere arabo è relativamente
quiescente. E' uno dei pochi periodi del secolo scorso in cui il pianeta non risulta interessato da
guerre su vasta scala o rilevanti tensioni sul piano internazionale. Nonostante ciò la decisione del governo
americano risulta inattesa e un poco sorprendente. Il 1994 segna l'inizio ufficiale della
grande esperienza del GPS civile, con ogni
probabilità il più vasto, sofisticato
e complesso sistema tecnologico permanente mai creato dal
genere umano e punto di svolta epocale
nella sicurezza aerea e marittima.
Il sistema GPS è attualmente composto da 24 satelliti
operativi e tre satelliti latenti (vere e proprie "ruote di scorta") classe NAVSTAR blocco 2A-2As, oltre a 5
stazioni di controllo a terra dislocate alle Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein e Colorado
Springs. Il produttore dei satelliti blocco 2A è la Rockwell International. 21 satelliti del blocco 2A sono
stati gradualmente sostituiti nel corso del 2004-2006 da nuovi satelliti (2As) commissionati questa volta
alla Loocked Martin. Una delle caratteristichepeculiari del sistema GPS è quella di essere costantemente
al passo con l’evoluzione tecnologica grazie al periodico rinnovo della costellazione (la vita
media di un satellite GPS è di circa 7 anni e mezzo). I satelliti GPS orbitano a 20197 km. dalla terra
(poco più della metà della distanza per l'orbita geostazionaria, quindi non sono satelliti
geostazionari). Impiegano circa 12 ore per compiere un'orbita completa attorno alla terra con una velocità di
spostamento riportata al suolo terrestre di circa 3000Km/h SLM e una velocità sul piano dell'orbita di circa
13000Km/h. L’attrazione gravitazionale della Luna, le lievi irregolarità della terra (che sappiamo non essere
perfettamente sferica, bensì geoidale) e altri influssi minori possono generare lievi discrepanze fra
l’orbita pianificata e quella reale, tali da compromettere il delicato equilibrio su cui si basa il
sistema GPS. Per questo motivo i sei piani orbitali della costellazione sono costantemente monitorati da un
bureau tecnico in seno al Dipartimento della Difesa USA, che assicura la precisione centimetrica di
distanze orbitali misurabili nell’ordine di migliaia di chilometri. Gli altri centri di controllo a
terra, sopracitati, curano essenzialmente i sincronismi temporali e i parametri di navigazione detti “Almanac”,
la cui manutenzione è un fattore chiave per il buon funzionamento del sistema GPS insieme alla cura dei
piani orbitali.
La gamma di trasmissione radio del GPS civile (1,57542Ghz
L1 coarse acquisition) e la trasmissione
codificata digitale di tipo spread spectrum sono state
scelte sapientemente e si sono rivelate scelte
vincenti. 1,6Ghz è una gamma radio non particolarmente
elevata, sopra il limite entro il quale le
radiotrasmissioni dallo spazio possono essere fortemente
condizionate da fattori naturali ionosferici e
troposferici e sotto al limite oltre il quale un’onda
radio diviene eccessivamente sensibile agli ostacoli
ambientali e relative riflessioni. Questa gamma inoltre
presenta la caratteristica di risentire
marginalmente delle condizioni meteo. Ogni ricevitore GPS
è in grado di operare una sorta di verifica
algoritmica delle informazioni; ciò consente di sopperire
in maniera attiva a segnali radio particolarmente deboli e/o discontinui mediante l’autogenerazione delle
informazioni non ricevute. In termini estremamente semplificati possiamo dire che se non sono
disponibili tutti pezzi di un puzzle, mediante determinati algoritmi un ricevitore GPS individua quali
pezzi mancano e li “genera” ponendoli nella giusta posizione per ottenere il quadro di insieme. Il GPS è
infine uno "stato dell'arte" nell'efficienza delle radiocomunicazioni, il cui livello va ben oltre i comuni
principi di riferimento pratico nel campo della radiopropagazione.
Quanto sopra ha favorito il sistema GPS su due fronti: la
messa a punto e l'ingresso in commercio di
ricevitori GPS compatti dal costo ridotto e l'utilizzo di
antenne riceventi di dimensioni incredibilmente
contenute considerando che devono operare con segnali
satellitari; tali antenne, pur presentando
una contenuta direttività, ricevono correttamente segnali
radio spread spectrum deboli e instabili, la cui direzione di provenienza varia continuamente.
Il servizio che offre il GPS è basato su calcoli
geometrici aventi come punto di riferimento delle rette
virtuali la cui lunghezza è calcolata in base
alla velocità di propagazione delle onde radio (in pratica
la medesima velocità della luce, 300.000Km/s). La
precisione temporale è affidata agli orologi atomici,
unici sistemi attualmente a disposizione del genere umano
in grado di assicurare precisioni nell’ordine
dei nanosecondi. In sintesi, senza annoiare i visitatori
del sito Electronet con una sterile elencazione
teorica di dati e argomenti tecnici, possiamo dire che un
satellite GPS conosce e trasmette
principalmente:
1) Navigation Message: include l’almanac, le
posizioni di tutti i satelliti, il codice identificativo del
satellite e altre informazioni, il tutto raccolto in un
pacchetto di dati.
2) Codice digitale PRN (codice a variazione
pseudo-casuale di tipo “Coarse Acquisition” o per
brevità “pattern”). Tale codice viene ripetuto mille
volte al secondo e rappresenta nella sostanza
un punto di riferimento temporale che il satellite invia al ricevitore
GPS (vedere oltre).
Un ricevitore GPS civile invece riceve contemporaneamente
le trasmissioni radio di più satelliti,
acquisendo principalmente:
1) Navigation Message.
2) Il codice digitale PRN “Coarse Acquisition”. Parallelamente
il ricevitore genera un proprio
codice “Coarse Acquisition” autonomo che sincronizza
costantemente con quello del satellite
(l’operazione avviene sulla base delle apposite
informazioni che satellite stesso periodicamente
invia; il margine di errore della sincronizzazione è di
circa un nanosecondo). Quindi il ricevitore,
che ovviamente non è dotato di un proprio orologio
atomico, conosce così l’orario esatto di
partenza di ogni impulso radio
trasmesso dal satellite e
può compararlo con quello di
effettiva ricezione: la differenza è dovuta al lasso di
tempo che l’onda radio impiega per
percorrere la tratta satellite-ricevitore. Tale
differenza viene quantificata dal ricevitore in termini di
distanza dal satellite sulla base della nota formula
velocità=spazio/tempo.
Il ricevitore GPS quindi conosce la posizione di ogni
satellite e la distanza in linea ottica che lo
separa da ogni satellite. A questo punto la parola passa
alla geometria e alla trigonometria: noti gli
elementi geometrici di base, il ricevitore GPS effettua
gli opportuni calcoli.
Immaginiamo tre sfere che si intersecano e che hanno due
soli punti comuni di intersezione, uno basso e uno alto (quello alto viene automaticamente scartato
dal ricevitore perchè nello spazio). Il punto di intersezione basso corrisponde alla posizione
terrestre del ricevitore GPS. Per ottenere una posizione comprensiva anche dell’altitudine sul livello
del mare è necessaria l’intersezione di una quarta sfera, quindi la ricezione di un quarto satellite. Gli
esperti preferiscono parlare di “trilaterazione” e la spiegazione sarebbe in realtà più complessa e vasta, ma
per fornire un’idea generale di come funziona il GPS possiamo limitarci a quanto sopra senza discostarci
sostanzialmente dal concetto di base. Il completamento delle operazioni avviene attribuendo delle
sequenze numeriche universali univoche alla posizione ricavata (in pratica sono le famose “coordinate
longitudine/latitudine”).
Le potenzialità del sistema GPS sono enormi, in parte
ancora oggi da scoprire e affinare, dalla sicurezza personale a quella lavorativa, dalla protezione civile
alla navigazione stradale, aerea e marittima. La crescente miniaturizzazione dei circuiti elettronici ha
favorito l’avvento sul mercato di ricevitori GPS con dimensioni altamente miniaturizzate e prestazioni
impensabili appena pochi anni fa. Il margine di errore reale assoluto del sistema GPS è stimato nell'ordine di
un metro, ma fonti ufficiose parlano di circa 50 centimetri; tuttavia per sfruttare questo margine di
errore necessitano appositi ricevitori GPS militari in grado di decodificare contemporaneamente sia le
trasmissioni GPS sulla gamma L1 (1,57Ghz Coarse Acquisition) che sulla gamma L2 (1,22Ghz Precise
Acquisition). L’utilizzo della gamma L2 è formalmente precluso all’utenza civile mediante la
criptazione del relativo codice PA. Un ricevitore GPS civile si appoggia alla gamma L1, quindi l’errore
minimo è indicativamente di 15-20 metri.
Prima del mese di maggio 2000 l'errore medio era di 100-150
metri in condizioni operative ottimali, ma poteva facilmente arrivare a 250-300 metri in condizioni
normali. Successivamente un particolare
limitatore operativo sul segnale radio, in codice
"SA", è stato ritoccato per aumentare la precisione del
GPS civile dando così un impulso decisivo al suo enorme
successo commerciale. Il livello di precisione può essere ulteriormente migliorato pur senza libero
accesso alla “Precise Acquisition L2”, ma necessitano segnali ausiliari denominati W.A.A.S. (pienamente
operativi al momento solo negli USA).
Recentemente un docente dell’Università di Ferrara ci ha
segnalato che anche in Europa il W.A.A.S.
dovrebbe entrare a regime entro breve. Il GPS funziona
in ogni angolo del pianeta, anche il più
remoto e inaccessibile, 24 ore su 24,
giorno e notte, 365 giorni all’anno e con qualsiasi condizione meteo; oltre alle coordinate può rilevare
anche l'altitudine sul livello del mare: in questo caso il margine di errore del GPS civile è di circa 20-25
metri verticali ed è necessaria perlomeno la
ricezione di 4 satelliti. Un ulteriore conferma dell'affidabilità del progetto
viene dal fatto che la costellazione 2A ha superato in maniera quasi indenne la tempesta magnetica che ha
investito il nostro pianeta nel periodo 2002 – 2003, dovuta ad una straordinaria attività delle macchie
solari.
Un'ultima considerazione va spesa sulla continuità del
servizio GPS civile, che peraltro è
completamente gratuito. Non vi sono segnali che possano far
pensare a prossime limitazioni
nell'accesso al canale civile L1, tuttavia va fatto
notare che non è possibile fornire garanzie valide per
il futuro. Ogni decisione è in mano al
proprietario del sistema, il governo USA. Nel 2004-2005
l’amministrazione Bush ha posto una particolare
attenzione al sistema satellitare GPS, cercando di
individuarne possibili utilità non pacifiche: il
risultato è stata la creazione di una sorta di “interruttore” ad
accesso rapido, in grado di spegnere l’intera
costellazione nel giro di pochi secondi. La misura si è resa necessaria in quanto gli organismi di intelligence
riferivano ormai da tempo che la tecnologia GPS era utilizzata anche da gruppi terroristici internazionali
per fini logistici e poteva essere determinante anche per supportare attività offensive.
Va infine fatto presente che, sebbene ciò rappresenti
un'ipotesi remota, qualsiasi sistema satellitare è
soggetto a malfunzionamenti e danneggiamenti dovuti
a tempeste magnetiche, pioggia di meteoriti,
radiazioni cosmiche, attentati nei centri di controllo a
terra, guasti di vario tipo, ecc. Nel caso di di simili eventi il sistema GPS verrebbe quasi certamente ripristinato,
ma i tempi potrebbero variare da poche ore a tre-quattro anni in funzione della gravità e dell’estensione
dei danni.
Anche l’ESA (Ente Spaziale Europeo) lavora da anni al
proprio sistema di posizionamento satellitare
denominato Galileo. Galileo è un corsorzio formato
da Alenia Spazio, Alcatel, Astrium Germany, Astrium UK e Galileo Systemas y Servicios. I tempi per l’effettiva
partenza di Galileo si preannunciano non brevi e slittano costantemente: stando al progetto iniziale il
sistema doveva divenire operativo a fine 2007, ma la scadenza è poi stata aggiornata ripetutamente fino a
collocarsi fra il 2010 e il 2011 (cui vanno aggiunti tempi stimabili nell’ordine di un paio di anni per la
messa a punto, il lancio e la distribuzione dei relativi ricevitori e servizi). Nel marzo 2007 il Consiglio dei
Trasporti dell’unione europea ha formalmente espresso disappunto e preoccupazione per i ritardi
accumulati dal progetto Galileo, al punto da imporre
scadenze temporali precise al consorzio pena l’adozione di “scelte
alternative” non meglio precisate.
Preso atto del disappunto della commissione europea, il
ministro dei trasporti italiano Alessandro Bianchi ha sintetizzato la situazione di Galileo con toni tutt’altro
che politici: “non ne possiamo più!”. Controversa è l’annunciata “interoperabilità” con l’attuale
sistema GPS, che ancora deve essere chiarita nelle modalità tecnico/commerciali visto che Galileo, a
differenza del GPS, nasce come sistema di localizzazione satellitare ad accesso non gratuito.
Galileo prevede una costellazione di 30 satelliti e un’investimento iniziale relativamente contenuto, pari a
circa 4 miliardi di euro finanziati al 65% da capitali privati. Proprio la presenza di capitali privati
dovrebbe rendere l’accesso a Galileo non libero (o forse parzialmente libero con ipotizzabili limitazioni
tecniche): a tale proposito i codici “PRN” per l’accesso alla rete Galileo sono stati criptati,
ma lo scienziato Mark Psiaki della statunitense Cornell University ha annunciato di aver già “craccato” l’algoritmo
di criptazione. Le motivazioni dell’attacco sono tutto sommato condivisibili: contrariamente a Galileo, il
sistema GPS è completamente gratuito ed è a disposizione dell’intera umanità. Il consorzio Galileo ha
invece ribadito che non renderà pubblici i parametri di accesso come fece il governo USA nel 1994 e
ciò ha irritato la comunità scientifica internazionale per due motivi: innanzitutto un sistema di
localizzazione satellitare è ormai universalmente concepito come un bene di pubblica utilità il cui
scopo primario è orientato alla sicurezza di persone e beni. Similarmente alla difesa, ai servizi segreti e ad
ogni altra entità preposta alla sicurezza su vasta scala, un sistema di localizzazione satellitare va
realizzato con denaro pubblico e va messo a disposizione di tutti. Inoltre le leggi mondiali tutelano
i diritti di accesso a servizi irradiati nell’etere in presenza di contenuti multimediali o di sistemi di
telecomunicazione: GPS e Galileo non offrono alcun contenuto multimediale e non consentono alcuna
telecomunicazione; in pratica sono assimilabili a fari marittimi e non è ipotizzabile che un marinaio
debba pagare per guardare la luce di un faro.
Sulla carta Galileo (imm. a sinistra satellite GIOVE-A di Galileo) dovrebbe essere più preciso dell’attuale
GPS, ma mancano dati tecnici per quantificare un passo avanti che comunque appare secondario (i 15
metri circa di margine di errore dell’attuale GPS sono già considerati più che sufficienti nella stragrande
maggioranza delle applicazioni). Per sfruttare una migliore precisione restano i possibili sviluppi nel
campo della guida automatizzata a terra di macchinari e veicoli, per controlli in ambito geologico e
vulcanologico, ecc.). Attualmente i limiti tecnici e pratici più evidenti del sistema GPS sono il consumo
di corrente relativamente elevato dei circuiti elettronici preposti alla ricezione satellitare e la
ricezione in presenza di ostacoli circostanti. Ad es. all’interno delle abitazioni il segnale GPS non giunge
facilmente, ma anche in questo campo i progressi degli ultimi anni sono stati vistosi in particolare con
il lancio dei chipset Star III. Per la prima volta nella storia del GPS, grazie a questi sensibili e potenti chip,
è stato possibile ridurre i tempi di aggancio alla rete anche in condizioni operative non facili, ma
soprattutto è stato possibile ottenere l’aggancio satellitare anche in presenza di significativi ostacoli
ambientali. La maggiore facilità e rapidità nell’aggancio satellitare ha consentito parallelamente lo
sviluppo di sistemi di risparmio energetico improponibili solo pochi anni fa. Certamente non
mancheranno ulteriori sostanziali progressi che già si delineano all’orizzonte: sono attualmente allo studio
nuovi minuscoli chipset che comporteranno una ulteriore e sostanziale riduzione dei limiti di cui
sopra.
Curiosità sul GPS
1) Quelli dell’attuale costellazione sono satelliti relativamente
piccoli (con i due pannelli solari
completamente distesi misurano meno di 7 metri).
2) Attualmente ogni satellite GPS integra anche un
particolare “occhio” elettronico in grado di
rilevare e segnalare un’esplosione nucleare in
superficie.
3) Esiste un sistema similare al GPS denominato Glonass
e messo in funzione dalla Russia. Ad
una prima analisi Glonass (immagine a sinistra di un satellite del sistema Glonass) sembra strutturalmente e
tecnicamente un poco più limitato del GPS,
ma per qualche anno ha retto bene il confronto. Dal 1995
anche la Russia consente l’accesso
civile gratuito al proprio sistema di localizzazione
satellitare, al punto che esistono appositi
ricevitori combinati GPS/Glonass in grado di fornire
maggiore affidabilità, tempi di aggancio e di
rilevazione della posizione più ridotti e maggiore
precisione. Miracoli della distensione, si diceva
qualche tempo fa. I ricevitori interoperabili e combinati
GPS/GLONASS tuttavia sono difficilmente
reperibili e i loro costi sono “stellari” (per restare in
tema). Va detto comunque che un ostacolo
importante allo sviluppo civile di Glonass è
stato determinato dalla crisi economica che ha investito la Russia negli ultimi anni del secolo scorso e
dai tempi biblici del completamento della costellazione: i primi satelliti furono lanciati nel
1982. Dopo sette anni 16 satelliti su 24 erano già fuori uso, solo 8 risultavano operativi. Attualmente 9 satelliti
su 24 sono operativi e ciò rende Glonass inservibile come sistema di localizzazione
autonomo, ma sempre utile se integrato con GPS. Reliquia della guerra fredda lo ha definito
qualcuno, ma la Russia sembra comunque intenzionata a ripristinare Glonass. E’
ovvio che un’azienda eventualmente interessata a investire tempo e risorse su ricevitori
Glonass dovrà prima verificare se il ripristino sarà duraturo e affidabile; ne conseguono tempi incerti e
non brevi per un’eventuale diffusione commerciale.
4) Anche la Cina, a partire dall’anno 2000, ha messo in
orbita un proprio sistema di localizzazione
satellitare denominato Beidou 1 (satellite a sinistra). Beidou 1 opera
con principi tecnici molto diversi rispetto a GPS, Glonass e Galileo: innanzitutto i satelliti sono
appena quattro e sono geostazionari, quindi la copertura non è globale bensì limitata a 70-140
gradi est e 5-55 gradi nord. Poi, a differenza di un ricevitore GPS che non trasmette nulla, un
ricevitore Beidou 1 deve anche trasmettere un potente segnale radio da terra verso i satelliti. Ne
conseguono limiti tecnici, pratici ed operativi tali da escludere impieghi civili di massa anche nelle aree
coperte dal servizio. Nel 2003 la Cina ha annunciato ulteriori “mosse” che gli analisti
internazionali a tutt’oggi faticano a decifrare: da un lato la partecipazione al progetto europeo Galileo con un
investimento modesto (circa 230 milioni di euro); dall’altro lato il lancio futuro della
costellazione Beidou 2, che ricalcherà i principi tecnico/operativi di GPS, Glonass e Galileo grazie a 35
satelliti.
5) E' importante segnalare che esistono forti
differenze qualitative fra marche e modelli diversi di
ricevitori GPS. Tali differenze possono manifestarsi a
livello di tempi per l'aggancio satellitare,
accuratezza della rilevazione ma soprattutto mantenimento
dell’aggancio fra ostacoli ambientali.
6) Il margine di errore “dell’orologio” di un satellite
GPS è inferiore ad un secondo ogni centomila
anni e la sua definizione è al milionesimo di secondo. L'ora
trasmessa dai satelliti GPS si
riferisce al meridiano di Greenwich ed è definita G.M.T. (Greenwich
Meridian Time).
7) La precisione di un ricevitore GPS aumenta in funzione
del numero di satelliti ricevuti. Il numero
di satelliti ricevibili non implica particolari
potenzialità a livello della sezione a radiofrequenza, ma
si riferisce principalmente alle capacità di calcolo: ne
consegue che, essendo in pratica non più
di una decina i satelliti che possono essere “visti”
in un determinato momento, un buon ricevitore
a 16 canali rappresenta l’ottimale.
8) Quali sono i limiti del GPS? Innazitutto gli ostacoli
ambientali circostanti, sia nelle immediate
vicinanze che relativamente più distanti. Plastica,
gomma, vetro, stoffa, legno ecc. non schermano in maniera importante il flusso delle onde
radio GPS, mentre metallo, cemento, roccia e terreno costituiscono un ostacolo
insormontabile. Una via di mezzo è rappresentata dalla vegetazione, che solitamente non costituisce un ostacolo
rilevante purchè non sia troppo fitta e purchè non sia presente un forte tasso di umidità sul
fogliame. Una strada di città stretta e circondata da abitazioni può costituire un ostacolo per
il GPS (questa ipotesi è frequente nei centri storici di molte città italiane). Analogamente la
ricezione potrebbe risultare difficile in una zona montana dove il punto di ricezione risulti
attorniato da elevate pareti rocciose. Un'altra limitazione è dovuta alle onde radio satellitari riflesse
contro gli ostacoli, anche se va detto che l'errore dovuto alla ricezione riflessa di uno o due
satelliti viene in buona parte compensato qualora l'aggancio complessivo sia di almeno 6 o 7 unità.
Il GPS civile può operare ad una altitudine massima di 18000 metri slm e su mezzi che non
superino i 1999Km/h.
9) Cosa significa NMEA? Lo standard NMEA (National
Marine Electronics Association) definisce il
protocollo di comunicazione universale per apparecchi
destinati alla navigazione marittima. Con
questo standard (suddiviso in versioni, es. 0180 0182
0183, ecc.) è possibile far dialogare
apparecchiature di diversa natura. E' grazie a questa
standardizzazione che, ad esempio, una
cartografia GPS per PC può acquisire dati da un
ricevitore GPS (“NMEA data-flow”).
10) Perchè il punto del GPS su mappa si muove anche se
il GPS è completamente fermo?
Solitamente sono movimenti virtuali contenuti, mediamente
non superiori ad una ventina di metri
con vari satelliti ricevibili e circa 25-30 metri nel
caso di soli 4 satelliti ricevibili. Ciò nasce
dall’attività di calcolo del
ricevitore GPS, che
va vista come qualcosa di molto dinamico e in
continuo aggiornamento anche in assenza di un movimento
fisico al suolo. La contenuta
variazione dei risultati dei calcoli anche a ricevitore
fermo è quindi principalmente in funzione del
dinamismo stesso dei satelliti (che non sono geostazionari) e in
funzione del numero di satelliti
ricevibili in un determinato momento rispetto ad un
momento successivo. In piccola parte
possono rientrare anche fenomeni di riflessione dell’onda
radio contro ostacoli circostanti il
ricevitore.
11) Perchè i tempi di calcolo della posizione dopo l’accensione
sono diversi anche con lo
stesso ricevitore GPS? Principalmente dipende dalle
condizioni operative all’atto dell’accensione (ostacoli ambientali circostanti e
satelliti ricevibili in quel momento e in quel punto). Ricordiamo che un ricevitore GPS deve “vedere”
almeno 4 satelliti per calcolare la posizione. Ma altri fattori entrano in gioco: ad esempio
molti ricevitori GPS quando vengono spenti mantengono in memoria l'ultima posizione
rilevata per velocizzare il calcolo alla riaccensione. Se il GPS viene spento e trasportato
lontano dalla zona dove ha calcolato la posizione memorizzata, ciò può prolungare la fase di
aggiornamento. Questo avviene perchè l’apparato inizia ad elaborare i dati partendo dagli
ultimi elementi noti, che scopre poi essere diversi. Altri motivi possono essere connessi al
movimento del ricevitore: il calcolo della posizione si prolunga notevolmente qualora il GPS venga
acceso su un veicolo in movimento, o pochi istanti prima della partenza. Si possono superare i 10 -
15 minuti anche nel caso di apparecchi qualitativamente ottimi. Vi è infine una casistica che,
sia pur rara, occorre citare: si tratta della crescente congestione dell’etere, ormai saturo di
radiotrasmissioni. Una fonte di radiofrequenza vicina e potente può in alcuni casi disturbare la
sezione radioricevente di un GPS sia a livello di saturazione dello spettro radio che a livello di
interferenze elettromagnetiche in capo alla
componentistica elettronica.
12) E' vero che i GPS verranno sostituiti dalla
localizzazione terrestre GSM-UMTS? E’ poco
realistico ipotizzare che le soluzioni di localizzazione
radiogoniometrica tramite BTS per telefonia
mobile possano sostituire il GPS. Il margine di errore
della localizzazione terrestre dei telefonini è
molto variabile in funzione dell'orografia del
territorio e della dislocazione delle celle BTS. L'Italia
è oltretutto una nazione dall'orografia vivace ed è molto
soggetta a vincoli paesaggistici e architettonici: questo spinge gli operatori ad estendere
il più possibile l’area di copertura di una
singola BTS, che mediamente è più elevata rispetto ad
altre nazioni. In condizioni ottimali (es.
qualora il telefonino possa "vedere"
contemporaneamente varie BTS tutte relativamente vicine) il
margine di errore reale è di circa 100-150mt. E'
sufficiente però che il telefonino si trovi in una
zona periferica, montana, di frontiera, collinare,
rurale, costiera ecc. per avere margini di errore
che possono raggiungere anche i 2-3 chilometri (alcuni
chilometri quadrati!). Visto il margine di
errore di 15 metri del GPS (e l’ipotizzato margine di
errore di 1-2 metri del futuro Galileo) è facile
intuire che la localizzazione terrestre GSM-UMTS non avrà
vita facile. TIM ad esempio, dopo
l’iniziale clamore suscitato dai nuovi servizi
location-based via celle BTS, ha fatto parzialmente
“marcia indietro” già a fine 2005 annunciando una
partnership con FleetNet (leader mondiale
nella localizzazione satellitare GPS per flotte
aziendali) e relegando la localizzazione terrestre a
soli servizi per privati (es. conoscere l’indirizzo di un
ristorante vicino, sapere se un’amico si trova
nelle vicinanze, ecc.). Per curiosità segnaliamo che
anche FleetNet opera quasi esclusivamente
via SMS.
13) Perchè vengono accoppiati “GPS e GSM? Un
ricevitore GPS non trasmette alcunchè. Ben
presto è sorta la necessità di trasmettere le posizioni
ad altre periferiche. Sono state affinate
essenzialmente due soluzioni:
a) Trasmissione a brevi distanze (es. ad una
cartografia nel PC) via cavo seriale, USB,
bluetooth, ecc. comunque entro pochi metri. Grazie al flusso
dati continuo generato dal
protocollo di comunicazione NMEA tale possibilità è
semplice e diffusa. Possiamo far
rientrare in questa categoria anche la trasmissione di
posizioni mediante interfacciamento
con trasmettitori radio VHF/UHF dotati di radiomodem:
questa soluzione presenta una portata utile di un centinaio di km. con ponte ripetitore
e 5–15 km. senza. I dati posizione vengono trasmessi a bassa velocità (600-1200bps) ma
comunque in tempo reale e a costi operativi quasi nulli.
b) Trasmissione a distanze elevate. La trasmissione
di posizioni avviene mediante le reti di
telefonia mobile, quindi senza particolari vincoli di
portata. Le modalità sono essenzialmente
cinque:
b1) Via connessione dati 9600bps. La rete GSM e le
SIM card impiegate devono supportare la trasmissione dati modem-to-modem.
Viene trasmesso un flusso dati continuo pressochè identico a quello ottenibile
con la trasmissione a brevi distanze come al punto a), ma in realtà con portata
virtualmente illimitata. Inutilizzabile in mare aperto o in altre zone prive di copertura
GSM.
b2) Via SMS: molto razionale. I dati vengono
trasmessi tramite SMS (i noti “messaggini”). L’SMS viene spedito anche in condizioni di
copertura GSM carente e discontinua, risulta più economico di una connessione
dati (a patto di non richiedere un aggiornamento ogni 20 secondi!) ed è più
efficiente perchè pone il sistema in trasmissione solo per pochi istanti. Il flusso
dati non è ovviamente
continuo come nei casi visti sopra bensì a “salti” in
funzione della frequenza degli SMS. Inutilizzabile in mare aperto o in altre zone prive
di copertura GSM.
b3) Combinati SMS/Dati: l’utente può scegliere se
ricevere le posizioni via SMS o via connessione dati modem-to-modem.
b4) Via connessione GPRS (internet): soluzione che
sfrutta le caratteristiche favorevoli di questa tipologia di connessione
(principalmente l’economicità) ma presuppone la presenza di software appositi, IP statici e
buona copertura di rete GSM. Adatta prevalentemente al controllo di flotte
aziendali. Nonostante che tale tecnologia consenta potenzialmente anche il flusso dati
continuo, solitamente le posizioni vengono trasmesse in modo similare agli SMS
(con aggiornamenti a “salti” o comunque previa apposita interrogazione).
Inutilizzabile in mare aperto o in altre zone prive di copertura GSM.
b5) Via rete telefonica satellitare: i dati
posizione vengono trasmessi non tramite la rete terrestre GSM ma tramite servizi di telefonia
mobile satellitare (es. Inmarsat, Iridium, ecc.). Destinato ad utenza aziendale
professionale o istituzionale causa alti costi di apparecchiature e
collegamenti. Utilizzabile
ovunque. In uso ad es. per localizzazione in
mare aperto o per localizzazione terrestre in aree del terzo mondo. Anche in questo caso
vengono quasi sempre utilizzati gli SMS.
14) Perchè nasce la necessità di sapere dov’è un
ricevitore GPS in un determinato momento? Le ragioni sono varie, dalla gestione logistica aziendale
(es. imprese di autotrasporto, corrieri, spedizionieri), fino a necessità investigative o connesse
alla sicurezza di persone e beni. Negli USA stanno avendo successo particolari orologi GPS per bimbi
in grado di fornire alle mamme l’esatta posizione del pargolo in libera uscita, mentre nella
nostra nazione abbiamo registrato richieste di genitori che vogliono attenuare l’ansia dei sabato-sera
verificando dove sono i figli e a quale velocità guidano. C’è senz’altro una componente psicologica, perchè un
incidente stradale può verificarsi in un istante e il GPS non può far nulla per evitarlo, ma bisogna essere
genitori per capire. C’è chi controlla gli spostamenti di animali domestici e non, per rintracciare
Fido nel quartiere, nel parco o nelle campagne circostanti ma anche per studiare scientificamente le abitudini
di animali allo stato brado. C’è chi monitorizza lo spostamento di pacchi o beni di vario tipo
(segnalatore civetta) e c’è chi usa i sistemi di localizzazione per rintracciare parzialmente disabili,
minori e anziani affetti da malattie degenerative della memoria. Varie tipologie di sport, praticabili
anche a livello individuale (es. trekking, bicicletta, escursionismo, pesca, ecc.), vedono una presenza sempre
più diffusa del localizzatore satellitare per fini di sicurezza personale e rintracciabilità in caso di
incidenti. In netto calo sono le richieste connesse all’investigazione istituzionale (che, come sappiamo, fa
largo uso di altri strumenti es. le intercettazioni telefoniche) al punto che questo è divenuto un mercato
estremamente marginale. Una fetta consistente del mercato è orientata alla piccola investigazione
personale svolta direttamente da privati in ambito familiare.
15) Gli antifurto satellitari GPS/GSM sono efficaci? Per
anni sono stati l’unica certezza contro i furti delle auto, in grado di dare filo da torcere anche al
ladro più provetto: ora non lo sono più. Ormai è di pubblico dominio che qualsiasi antifurto satellitare
GPS/GSM può essere bloccato con facilità ricorrendo ad un banale jammer GSM (inibitore di rete cellulare,
acquistabile su Internet anche all’estero con poche decine di euro). Non è richiesta alcuna preparazione
tecnica, solo la capacità di schiacciare il pulsante di accensione del jammer! In pratica il ladro si avvicina all’auto
con il jammer disconnettendo l’antifurto dalla rete GSM, quindi rendendolo totalmente inutile
fatta salva la tradizionale sirena. Sono inoltre apparsi sul mercato altri tipi di jammer, meno invasivi e
più mirati, in grado di disturare solamente la sezione GPS mediante emissione di rumore radioelettrico
sulla gamma 1,57Ghz. Il florido mercato dell’antifurto satellitare è stato quindi prematuramente
messo in ginocchio dall’avvento dei jammer, ma soprattutto dalla diffusione della notizia sulla loro
infallibilità nei confronti degli antifurto satellitari. Le compagnie assicurative, in una prima fase le vere
promotrici degli antifurto satellitari, pongono ora clausole particolarmente restrittive: in pratica
applicano una consistente franchigia qualora, a seguito di un furto, il sistema satellitare sia risultato inattivo.
La conferma che i jammer sono ormai noti per i loro effetti viene da una curiosa notizia del 2007: alcuni
dipendenti di una grossa azienda accendevano il jammer sui furgoni aziendali semplicemente per confondere
eventuali controlli sulla produttività e dedicarsi ai fatti loro durante l’orario di lavoro.
Vedere un punto che si muove su una mappa e che
corrisponde alla posizione attuale di un veicolo
distante 100 o 1000 km. da noi comporta sinergie
tecnologiche non certo basilari: basti citare
l’informatica, le reti globali di telecomunicazione GSM e
la rete satellitare GPS. Ciò può essere utile ma anche sorprendente e spettacolare, tuttavia va
sfruttato dopo aver dedicato un po' di tempo alla conoscenza questi strumenti, alle inevitabili limitazioni, ai
principi fondamentali della tecnologia GPS e
alle modalità di impiego.
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