GPS – Segmento Spaziale

Al giorno d’oggi, si sa, lo strumento che ha fatto la differenza nella moderna condotta di Navi e Imbarcazioni è il GPS – Global Positiong System e similari (vedi la Navigazione Satellitare per approfondimento).

State leggendo il primo dei tre articoli dedicati al sistema in quanto l’obiettivo sarà quello di andare a trattare ogni sua componente nello specifico senza limitarsi alle definizioni e descrizioni generali riportate su molti siti.

Essendo il primo articolo della serie partiamo da una breve introduzione.

Il sistema nasce in seguito alla sperimentazione del sistema Statunitense TRANSIT i cui test iniziarono nei primi anni 60. Tale sistema (obsoleto dal 1996) consentiva il calcolo della posizione del ricevitore attraverso l’effetto doppler.

Premettiamo che il GPS, così come il precedente TRANSIT, è stato sviluppato ed è attualmente gestito dall’ USDOD – United States Department of Defence e questo caratterizza fortemente il sistema (vedremo come in questo articolo).

A differenza del TRANSIT il concetto basilare che ha decretato il successo del GPS è associato ai fondamenti della navigazione astronomica: calcolare la posizione del ricevitore, nota quella dei satelliti che questo (il ricevitore) riceve contemporaneamente. In astronomia si calcola la posizione dell’osservatore note le coordinate degli astri osservati con il sestante.

Il sistema si suddivide in tre segmenti, ciascuno con delle peculiarità ben definite:

  • Segmento Spaziale.
  • Segmento di Controllo.
  • Segmento Utente.

Il segmento spaziale è costituito da una costellazione di satelliti artificiali che vanno a formare la così detta “Gabbia di Uccello”.

iCaptain, segmento spaziale del gps
Immagine del Segmento Spaziale del GPS, da notare la caratteristica conformazione a “Gabbia di Uccello”

Alla sua nascita il sistema prevedeva una copertura globale realizzata con l’utilizzo di 21+3 satelliti (3 satelliti dovevano essere usati esclusivamente come sistema di backup).

Ogni satellite ha una quota di circa 20.200 km dalla superficie terrestre ed è posizionato su orbite con un’inclinazione equatoriale di 55°, tale da consentire un decadimento d’orbita annuale minimo (cioè la diminuzione della distanza Terra-Satellite).

Per comporre la “Gabbia di Uccello” si distribuisco 4 satelliti per orbita, ogni satellite distanziato dal successivo di 90°, ogni orbita distante dalla successiva 60° di longitudine celeste.

Nell’arco di 24 ore ogni satellite percorre l’orbita due volte ad una velocità di circa 10.570km/h.

Dal punto di vista ingegneristico ogni satellite ha un sistema di pannelli fotovoltaici e un regolatore di carica destinati alla ricarica degli accumulatori di bordo agli ioni di litio necessari all’alimentazione dei dispositivi elettronici anche quando si trova in zone di ombra.

I componenti peculiari sono invece: un orologio atomico (orologio tra i più precisi al mondo, il calcolo del tempo è determinato dalla frequenza di risonanza di un atomo), un banco di oscillatori, antenne per la produzione e trasmissione del segnale, antenne riceventi per comunicare con il Segmento di Controllo e naturalmente una serie di elaboratori (simili ai pc ma con sistemi operativi e componenti molto “solidi”).

I satelliti sono poi ricoperti da un sistema di schermatura al fine di proteggere l’elettronica interna dalle radiazioni spaziali, in particolare dalle tempeste solari.

Come accennato all’inizio dell’articolo, il sistema è stato realizzato e gestito dal USDOD, questo ha portato sin dall’inizio ad operare in maniera duale con differenti precisioni: quella civile e quella militare.

Ogni satellite infatti, a prescindere dall’entrata in servizio, trasmette le seguenti tipologie di segnali:

  • Coarse Acquisition (C/A) code sulla frequenza L1 a 1575,42MHz per l’uso civile (questo codice è quello che è in grado di codificare i nostri ricevitori di bordo)
  • Precise P(Y) code sulle frequenze L1 a 1575,42MHz e L2 a 1227,6MHz.
  • 2nd L2 (L2C) segnale aggiuntivo per migliorare la precisione ad uso civile (solo sui satelliti del Block IIR-M lanciati dal 2005 al 2009)
  • 3rd sulla frequenza L5 per migliorare la precisione per uso civile con l’aggiunta di un’ulteriore frequenza (solo su satelliti del Block IIF lanciati dal 2010 al 2016)
  • Sul blocco III e IIIF in fase di test sarà presente un’ulteriore segnale ad uso civile sulla frequenza L1 denomino 4th, a partire da questa costellazione sulle frequenze cicili non dovrebbe più essere presente il sistema di Selective Availability utilizzato dal DOD per decretare la precisione del sistema nell’uso civile.

Tale definizione di cui sopra è quella ufficiale del DOD.

iCaptai, satellite del blocco IIR-M
Satellite del blocco IIR-M lanciati dal 2005 al 2009

Ad oggi il sistema ha la possibilità di utilizzare la Selective Availability, una perturbazione del segnale ad uso civile voluta per ragioni di sicurezza nazionale al fine di non consentire a chi utilizza il sistema la stessa precisione dell’uso militare.

La Selective Availability è stata al momento disattivata (a partire dal 2000 per volontà del presidente USA Bill Clinton), ma potrebbe essere riattivata a piacimento dall’attuale Presidente per i sopraccitati motivi di sicurezza nazionale sebbene lo sviluppo della prossima generazione di satelliti Block III/IIIF non ne preveda più la presenza a bordo.

L’attuale Segmento Spaziale conta un numero superiore di satelliti funzionanti rispetto ai 24 previsti all’inizio, questo consente una maggior precisione nel calcolo della posizione da parte dei ricevitori.

Il segmento è misto, cioè composto da satelliti di ultima generazione ma anche di vecchia generazione come quelli del block IIA o IIR che dovevano andare in disuso dal 1997 i primi e dal 2011 i secondi ma che funzionando ancora perfettamente sono rimasti operativi rallentando la messa in orbita di nuovi blocchi con conseguente risparmio di risorse economiche.

L’aspettativa di vita dei satelliti fissata a 7,5 anni è attualmente stimata in almeno 15 anni.

Attualmente esistono 31 satelliti operativi distribuiti come da immagine di seguito.

iCaptain, slant chart - posizionamento satelliti gps
Slant Chart ( Posizionamento satelliti Gps )

Per continuare l’approfondimento sul GPS passa al GPS – Segmento Utente.

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