Il sistema GPS, acronimo di Global Positioning System, consente la localizzazione di entità sulla superficie terrestre, facendo riferimento alla posizione di satelliti in orbita intorno alla Terra. Fu introdotto inizialmente soltanto per scopi militari dall’esercito americano, che tuttora lo gestisce, ma è oggi ampiamente utilizzato anche per scopi civili. Con il termine GPS si indica propriamente si indica soltanto il sistema di posizionamento americano, ma esiste anche un sistema di posizionamento satellitare russo (GLONASS). E’ in corso di realizzazione anche un sistema europeo, denominato GALILEO, che entrato in funzione a partire dal 2013. Esiste inoltre un sistema cinese, anch’esso in corso di sviluppo (COMPASS). L’insieme dei di diversi sistemi di posizionamento satellitare prende il nome di Global Navigation Satellite System (GNSS).
Obiettivo del sistema GPS, e di tutti i sistemi GNSS, è quello di determinare in tempo reale, la posizione di un osservatore rispetto a un sistema di riferimento geocentrico (sistema WGS84, quota misurata come altezza sull'ellissoide). L’informazione sulla posizione è ottenibile istante per istante da un sistema di satelliti in orbita attorno alla terra. Appositi strumenti (ricevitori GPS) sono in grado di captare il segnale radio emesso dai satelliti e di determinare la posizione dell’osservatore.
Il funzionamento del sistema GPS, l’unico che attualmente è pienamente in funzione, si basa sull’interazione delle tre parti fondamentali in cui è articolato il sistema (segmenti):
1. Segmento spaziale (Space Segment): 24 satelliti (trasmettitori);
2. Segmento di controllo (Control Segment): 5 stazioni di controllo a terra;
3. Segmento utente (User Segment): ricevitore GPS.
Il ricevitore GPS è in grado di calcolare, per ciascuno dei satelliti visibili, il tempo intercorso dall'istante di trasmissione del segnale a quello di ricezione (tempo di volo). Dato che la velocità di propagazione del segnale è pari a quella della luce (c = 300.000 km/s), il ricevitore è in grado di risalire alla sua distanza da ciascun satellite.Ne consegue che è necessario sapere con precisione l'istante di tempo in cui il segnale viene trasmesso e misurare l'istante d'arrivo del segnale al ricevitore mediante l'uso di orologi estremamente precisi ed esattamente sincronizzati. Non potendo disporre di orologi ad altissima precisione anche a bordo dei ricevitori, per risolvere l’ambiguità nella determinazione della posizione ottenuta per trilaterazione (distanze, o meglio pseudo-distanze, da tre satelliti), si utilizza una quarta misura che che indica di quanto l’orologio del ricevitore deriva rispetto a quelli di riferimento dei satelliti nello spazio.
Il ricevitore GPS è in grado di acquisire la posizione di singoli punti nello spazio (waypoints) o di percorsi, cioè di sequenze di punti (routes). Il ricevitore registra insieme alla posizione (coordinate) dei punti una serie di informazioni associate, ad esempio un codice identificativo utile a collegare ulteriori dati. Successivamente alle operazioni in campagna, i dati acquisiti con il ricevitore possono essere scaricati tramite un PC e processati in ambiente GIS. E’ possibile inoltre effettuare operazioni di postprocessamento, per migliorare la posizione delle coordinate tramite la tecnica della correzione differenziale.
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