Il 4 Ottobre 1957, dal cosmodromo di Baikamur in Kazakhstan viene lanciato il primo satellite artificiale: lo Sputnik. Con quel lancio si apre una nuova epoca per la navigazione, la cartografia e lo studio della Terra. Quaranta anni dopo, con un apparecchio non più grande di un telefono cellulare e che costa leggermente meno, chiunque può ottenere la propria posizione, con un errore massimo di 100 metri ed il tempo, con un errore massimo inferiore al milionesimo di secondo. Con qualche accorgimento tecnico si può fare anche di meglio: nelle zone urbane si raggiunge la precisione di un metro!! Un'accuratezza neanche immaginabile all'inizio del nostro secolo e che apre, di giorno in giorno, nuove prospettive di utilizzo.
Tutto questo si chiama GPS (Global Position System) e GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), due sigle che significano la stessa cosa: Sistema globale di navigazione satellitare. Il primo sistema è stato realizzato dagli americani a partire dagli anni 70, il secondo è in corso di realizzazione da parte dei russi a partire dagli anni 90.

Un recente modello di ricevitore GPS che fornisce direttamente
la posizione dell'utilizzatore rispetto ad una carta topografica della
zona. Questo modello viene installato nei cruscotti delle auto.

Nati come progetti militari, il loro uso viene rapidamente trasferito alla vita civile di tutti i paesi del mondo che, attorno ad essi, riorganizzano nuovi e vecchi servizi, collettivi ed individuali. Si pensi, per esempio, al catasto dei terreni e dei fabbricati che, in Europa fu espressione del nascente stato liberale e seguì immediatamente la nascita della cartografia moderna, anch'essa concepita inizialmente in ambito militare; nei paesi in via di sviluppo, grazie a questi sistemi, il catasto potrebbe essere realizzato saltando la fase cartacea e di rilevazione basata sul teodolite. Il GPS come il GSM (Global system for movable comunication) ed Internet stanno cambiando la vita di tutti i cittadini del mondo e fanno nascere una domanda: chi controlla e, soprattutto, chi controllerà questi sistemi? Si tratta infatti di sistemi complessi, costosi e a dimensione planetaria. Le stelle sono state sostituite da satelliti, ma mentre le stelle sono di tutti, i satelliti devono essere progettati, lanciati e mantenuti in efficienza.

Per meglio comprendere il funzionamento di questi sistemi, si possono distinguere tre livelli di organizzazione:

• i veicoli spaziali
• il sistema di controllo
• i ricevitori usati dagli utenti

GPS è basato su 24 satelliti che compiono una rotazione completa attorno alla Terra in 11 ore e 58 minuti e quindi ripassano sopra lo stesso luogo, riassumendo la stessa configurazione complessiva, ogni 23 ore e 56 minuti, una rotazione terrestre. I satelliti sono distribuiti su sei piani orbitali, con quattro veicoli per piano. Le orbite sono inclinate di circa 55° sul piano dell'equatore. Da qualunque punto della Terra ne sono visibili almeno cinque, fino ad un massimo di otto.

Il sistema di controllo è costituito da una rete di antenne distribuite su tutta la Terra per conoscere la posizione di ciascun satellite, in qualunque momento, e le più piccole variazioni della sua orbita. In Colorado si trova il centro di controllo che invia a ciascun veicolo i segnali necessari a correggere gli orologi atomici di bordo, e calcola le loro posizioni orbitali nel tempo. Queste posizioni vengono poi inviate a ciascun satellite che, in questo modo, può comunicare ai ricevitori la sua posizione.

I ricevitori sono dei piccoli calcolatori che, automaticamente, si sintonizzano con 4 satelliti. Da ogni satellite viene ricevuto un segnale che contiene la sua identificazione, la sua posizione ed il tempo d'invio del segnale medesimo. Il ricevitore calcola la distanza percorsa dal segnale facendo la differenza tra il tempo d'invio ed il tempo di ricezione. Si conosce infatti la velocità del segnale che è quella della luce: 300.000 Km/s.
Per ogni satellite il ricevitore individua così una sfera di posizione. Tre sfere si incontrano in due punti e, poichè uno di essi cade nello spazio o all'interno della Terra, in linea di principio sarebbero sufficienti a calcolare la posizione del ricevitore. In realtà l'orologio del ricevitore ha sempre un piccolo errore che non può essere eliminato, pena il costo proibitivo dell'apparecchio; è allora necessario ricorrere ad un quarto satellite. Quattro sfere di posizione devono passare per un punto: si tratta di rifare i calcoli facendo variare leggermente in avanti o indietro l'orologio del ricevitore fino a che le quattro sfere si incontrano davvero in un punto. Esiste un solo valore del tempo e delle coordinate dell'utente che soddisfano a queste condizione ed il problema è risolto senza alcuna ambiguità.

Per approfondire gli argomenti trattati consultate in rete i seguenti siti:

• History of Space Exploration (in inglese)
• Here Comes Sputnik! Un'interessante rievocazione del lancio dello Sputnik (in inglese)
• Space Geodesy I programmi della NASA per la geodesia, la navigazione, la cartografia ecc. (in inglese)
• GLONASS Le caratteristiche del sistema russo di navigazione satellitare (in inglese)
• Global Positioning System Overview (in inglese)
• Navigation with GPS (in inglese)
• GPS for Geodynamics (in inglese)
• International GPS Service

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