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Come si collegano i ricevitori GPS ai satelliti e come trovano la posizione

Pubblicato il: 6 maggio 2013 Aggiornato il:
Come funziona il GPS e come fanno i cellulari a sapere sempre dove siamo collegandosi ai satelliti.
come funziona il GPS Un tempo, per sapere dove ci si trovava, non si poteva che andare in un incrocio stradale e trovarsi sulla cartina altrimenti sarebbe stato impossibile in assenza di altri punti di riferimento.
Oggi invece c'è il GPS e basta accendere un cellulare o uno smartphone che abbia il ricevitore per sapere immediatamente dove ci si trova, con le coordinate esatte.
Per non dare nulla per scontato, vediamo, in questo articolo puramente teorico, cosa significa GPS e come funziona questa tecnologia.

Come accaduto per internet, la tecnologia GPS è nata per motivi militari, per rendere più semplice l'orientamento dell'esercito in campo straniero.
GPS è acronimo di Global Positioning System e rappresenta una rete di 27 satelliti artificiali che orbitano intorno alla Terra.
Di questi 27 satelliti, 24 sono attualmente in uso mentre i tre rimanenti sono di riserva entrando in funzione nel caso uno dei 24 si guasti.
In base alla disposizione di questi satelliti, almeno quattro di questi sono visibili nel cielo contemporaneamente, in un dato momento, in qualsiasi parte del mondo.

Insieme ai satelliti in orbita, ci sono anche cinque stazioni di monitoraggio sulla Terra: la stazione master (in Colorado) ed altre quattro stazioni collocate in posti più lontani che sono vicine all'equatore.
Queste stazioni raccolgono i dati dai satelliti e li trasmettono alla stazione madre che li interpreta, li aggiusta e li trasmettere indietro ai satelliti GPS.
Anche se questo sistema era originariamente inteso per uso militare, gli Stati Uniti hanno aperto il sistema nel 1983 per uso civile ed è grazie a questa concessione che possiamo usare quei satelliti oggi per trovare la strada giusta e viaggiare tranquilli in tutto il mondo.

Come fanno allora i dispositivi mobili, i navigatori satellitari come il TomTom o il Garmin, le antenne GPS ed i cellulari a sfruttare il sistema GPS per riconoscere esattamente dove ci troviamo?
E perché il segnale GPS certe volte non prende?
Un dispositivo che è ricevitore GPS riceve i dati dai satelliti.
Ogni satellite dice al navigatore satellitare o al dispositivo quale distanza c'è tra questo ed il satellite stesso.
Utilizzando questa distanza il dispositivo GPS, tramite una tecnica di elaborazione geometrica chiamata trilaterazione.
In parole povere il funzionamento del GPS è il seguente: immaginando di perdersi in una strada deserta, si può chiamare un amico a Roma e scoprire quanto si è distante da lui, mettiamo 300 Chilometri e si disegna un cerchio.
Quindi si chiama un secondo amico a Milano che dice di essere lontano da noi 200 chilometri e disegniamo il secondo cerchio.
I due cerchi si intersecano in due punti che, in base ai dati misurati, identificano le possibili posizioni in cui ci troviamo.
Se quindi si chiama un terzo amico e lui ti dice che siamo a 100 chilometri da lui, abbiamo il terzo cerchio che si interseca in un solo punto con gli altri due e identifica dove ci troviamo.

Questa tecnica è usata dal ricevitore GPS ed ogni satellite può essere visto come uno degli amici dell'esempio a cui si chiede la distanza.
Dal momento che i satelliti girano in uno spazio 3D, che ci si deve immaginare l'intersezione di sfere invece che cerchi.
Le formule sono un po' più complesse (vedi wikipedia in inglese) ma, grosso modo, questo è il ragionamento.
Per avere dati GPS precisi, la maggior parte dei dispositivi GPS tenta di collegarsi ad almeno quattro satelliti.
Questo è il motivo principale per cui, a volte, ci vuole molto tempo per rilevare la nostra posizione sulla mappa o sul navigatore.
I numerosi calcoli per compensare il ritardo del segnale tra satelliti e ricevitori è causa di un consumo di energia elevato che provoca, nei cellulari e negli smartphone, un rapido scaricamento della batteria.

Le aziende che hanno disegnato le mappe e le cartine mondiali e che producono i navigatori GPS, tramite dei database, combinano la rilevazione delle coordinate del GPS con la posizione delle strade, delle case, dei negozi e dei luoghi di interesse permettendo a noi di cercare un punto geografico scrivendo la via o la località e non le coordinate come longitudine e latitudine.
Il GPS prende sempre, ogni volta che si ha visibilità sul cielo, non quindi nelle gallerie.
Se anche andasse via l'elettricità in tutto il mondo, il GPS continuerebbe comunque a funzionare, almeno fino a che quei satelliti saranno attivi li sopra, girando in orbita.

Per migliorare la ricezione da satelliti GPS è possibile, sugli smartphone Android, abilitare l'eGPS ossia un sistema di rilevazione basato sulla connessione a internet che scarica dati dai satelliti anche in luoghi chiusi.
Inoltre si può scaricare un programma come GPS Fix per migliorare la ricezione GPS sugli Smartphone Android.

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