Come funziona il GPS

Come funziona il GPS

Il Global Positioning System (GPS) è il sistema che oggi ci permette di conoscere la posizione sulla Terra con pochi metri di precisione. Dietro la semplicità delle mappe sullo smartphone c’è un processo tecnico basato su segnali radio, orologi atomici e calcoli geometrici chiamati trilaterazione. Qui spiego i principi di funzionamento, come si migliora la precisione e cosa serve per usare il GPS in aviazione.

Principi di base: misurare la distanza con il tempo

Onde radio e velocità della luce

I satelliti GPS inviano segnali radio che viaggiano alla velocità della luce, circa 3,0 × 10⁸ metri al secondo (circa 300.000 km/s). Conoscendo il tempo impiegato dal segnale a percorrere la distanza tra satellite e ricevitore, è possibile calcolare la distanza: distanza = tempo × velocità della luce.

Esempio pratico: se un segnale impiega 0,065 secondi a raggiungerti, la distanza approssimativa dal satellite è 0,065 × 300.000 km ≈ 19.500 km.

Da una distanza a una posizione: la trilaterazione

Con la distanza da un singolo satellite sappiamo solo che ci troviamo su una superficie sferica attorno a quel satellite. Aggiungendo la distanza da un secondo satellite l’intersezione delle due sfere è un circolo; con un terzo satellite l’intersezione di quel cerchio con la terza sfera dà tipicamente due punti, uno dei quali è irrealistico (ad esempio nello spazio). Così otteniamo la posizione sulla Terra.

Perché il ricevitore possa risolvere le equazioni senza disporre di un orologio atomico sincronizzato con i satelliti, serve almeno un quarto satellite: il quarto valore consente di correggere l’errore di sincronizzazione dell’orologio del ricevitore e fornire una posizione precisa in tre dimensioni.

La costellazione di satelliti e la copertura globale

Orbita e numero di satelliti

I satelliti GPS orbitano in orbite medie (MEO) e appaiono muoversi nel cielo rispetto a un osservatore a terra. Per garantire che in qualsiasi punto della Terra siano visibili almeno quattro satelliti contemporaneamente, la costellazione nominale è di almeno 24 satelliti operativi distribuiti su più piani orbitali. Oggi il sistema dispone di più satelliti per aumentare affidabilità e precisione.

Perché non orbite geostazionarie?

Un’alternativa sarebbe mettere i satelliti in orbite geostazionarie (stazionari rispetto alla Terra), ma questo comporterebbe svantaggi: altitudini molto maggiori (maggiore potenza di trasmissione e costi), geometria meno favorevole per la soluzione di posizione in certe latitudini e un sistema pensato per uso globale, non limitato a un singolo Paese.

Sincronizzazione e precisione: orologi atomici ed effemeridi

Orologi e dati di effemeride

Ogni satellite è dotato di un orologio atomico e trasmette costantemente le sue coordinate orbitali (effemeridi) e l’orario esatto di emissione del segnale. Il ricevitore raccoglie questi dati da più satelliti, calcola le distanze (dal tempo di viaggio del segnale) e risolve la posizione sfruttando le effemeridi per sapere dove si trovava ciascun satellite al momento dell’emissione.

Correzioni relativistiche

Le correzioni per gli effetti relativistici sono necessarie: l’orologio a bordo del satellite scorre leggermente più velocemente rispetto a quello a terra a causa della combinazione degli effetti della relatività generale e ristretta. Senza queste correzioni la precisione degraderebbe rapidamente. La rete GPS e i ricevitori moderni integrano tali correzioni nei calcoli automatici.

Migliorare la precisione: SBAS e WAAS

Cosa sono SBAS e WAAS

I sistemi SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems) forniscono correzioni per aumentare l’accuratezza e l’affidabilità del GPS. WAAS è il sistema SBAS gestito negli Stati Uniti dalla FAA. Sistemi analoghi operano in altre aree geografiche (EGNOS in Europa, MSAS in Giappone, ecc.).

Come funziona WAAS

Reti di stazioni di riferimento a terra, con posizione nota, misurano gli errori tra la posizione reale e quella calcolata dai satelliti. Queste correzioni vengono aggregate in centri master e quindi trasmesse ai satelliti geostazionari WAAS che, a loro volta, inoltrano le correzioni ai ricevitori abilitati. Il risultato è una riduzione significativa degli errori orizzontali e verticali, sufficiente per approcci LPV in aviazione quando supportato dall’apparecchiatura.

Precisione tipica e limiti pratici

Valori di precisione

Un ricevitore GPS standard moderno può fornire precisioni dell’ordine di pochi metri nella condizione tipica; alcuni satelliti e tecnologie (come GNSS multibanda o correzioni RTK) portano la precisione a livello sub-metrico o centimetrico. Le dichiarazioni di precisione variano in base alla qualità del segnale, alla visibilità dei satelliti, alle correzioni disponibili e al tipo di ricevitore.

Fattori che degradano il segnale

• Ostacoli: edifici, alberi, rilievi che mascherano i satelliti.
• Multipath: i segnali riflessi creano errori aggiuntivi.
• Ionizzazione atmosferica e condizioni meteorologiche.
• Qualità dell’antenna e del ricevitore.

Uso del GPS in aviazione: aspetti normativi e pratici

Quando il GPS è fonte primaria in IFR

Per adoperare il GPS come fonte primaria di navigazione in condizioni IFR (Regolamento Parte 91 negli USA e normative analoghe altrove), il sistema deve essere certificato e conforme ai requisiti dell’aviazione. In genere questo significa che l’unità installata deve essere omologata secondo specifiche tecniche (TSO) e correttamente integrata nell’aeromobile.

Requisiti pratici da verificare

• L’unità deve essere installata permanentemente sull’aeromobile e certificata (es. TSO C129 per GPS non-WAAS, C145/C146 per GPS WAAS negli USA).
• Database aeronautici aggiornati: gli approcci strumentali non possono essere effettuati con database scaduti.
• Manualistica di volo richiesta a bordo: la guida di riferimento della cabina (non solo il manuale utente) deve essere disponibile al pilota.
• Test funzionali e registrazione: dopo l’installazione occorre eseguire test in volo e inserire i risultati nei registri di manutenzione prima dell’uso IFR.

Limitazioni operative

La FAA e altre autorità definiscono quando il GPS può sostituire gli aiuti terrestri. Regola pratica: il GPS può sostituire la maggior parte degli ausili a terra, con due eccezioni importanti: non può sostituire il navigatore durante il segmento finale di un avvicinamento (dal FAF al MAP) e non può essere usato in sostituzione su avvicinamenti basati sul localizzatore. WAAS e altre tecnologie migliorano le possibilità operative, ma bisogna sempre verificare i requisiti del tipo di approccio e le autorizzazioni locali.

Consigli pratici e controllo pre-volo

Checklist rapida per l’uso GPS in volo

• Verifica che l’unità sia certificata per l’uso IFR e installata correttamente.
• Assicurati che il database degli aerodromi/approcci sia aggiornato.
• Controlla lo stato WAAS/SBAS e la bontà del segnale prima dell’approccio.
• Se possibile usa ridondanza: avere una o più fonti di navigazione alternative (VOR/DME, NDB) è prudente.
• Conosci i limiti di sostituzione GPS previsti dalla normativa e dal manuale operativo.

Diagnosi rapida dei problemi GPS

Se noti errori di posizione o perdita di segnale:

• Controlla visibilità satelliti e presenza di ostacoli.
• Verifica che WAAS/ND corrections siano attive se richieste.
• Riavvia il ricevitore per resettare eventuali errori di software temporanei.
• Confronta la posizione GPS con riferimenti terrestri disponibili (radioassistenze, carte).

Conclusione: conoscere il GPS migliora la navigazione

Capire come funziona il GPS — dalla misura del tempo di volo dei segnali alla trilaterazione, dagli orologi atomici alle correzioni WAAS — aiuta a usare il sistema in modo più sicuro ed efficace. In aviazione, la conformità normativa, la manutenzione dei database e la consapevolezza dei limiti operativi sono fondamentali. Studiare il proprio strumento e seguirne le procedure rende la navigazione più affidabile e il pilotaggio più sicuro.