Ai vecchi tempi della navigazione VOR potevi trovare la tua posizione sintonizzandoti su due diversi VOR. Ogni radiale da un VOR era una "linea di posizione" da quel VOR. La tua posizione potrebbe essere ovunque su quella linea. Il punto in cui le due linee di due diversi VOR si intersecavano era la tua posizione. Per precisione dovevi tracciare i radiali su un sezionale di carta, ma ha funzionato.
Se sei stato fortunato, potresti aver avuto un DME, il che significa che dovevi solo sintonizzare un VOR per la linea di posizione e utilizzare il DME per la distanza lungo quella linea. La trama era più facile in quel modo. Ma in entrambi i casi, avevi bisogno del grafico cartaceo per vedere dove ti trovavi e la tua precisione era al massimo entro un miglio o giù di lì. Al giorno d'oggi, le mappe mobili basate su GPS sono onnipresenti, disponibili anche su alcuni orologi, e mostrano istantaneamente la tua posizione entro pochi metri. Come può essere?
Le basi
Per comprendere il posizionamento GPS dobbiamo prima renderci conto che le onde radio viaggiano alla velocità della luce. La velocità della luce è costante a circa 3,0 × 10 8 metri al secondo o 186.000 miglia terrestri al secondo. Sapere quanto tempo impiega un segnale radio per arrivare a noi consente un semplice calcolo per dirci la distanza dalla sorgente. Se ci vogliono 65 millisecondi perché un segnale ci arrivi da un satellite, significa che dobbiamo essere a circa 12.000 miglia di distanza dal satellite.
Ma non è abbastanza. Proprio come con i VOR, abbiamo bisogno di almeno una seconda fonte che ci aiuti a capire la nostra posizione. Se tutto ciò che sappiamo è quanto siamo lontani da un singolo satellite, in base al tempo impiegato dalle onde radio per raggiungerci, allora potremmo essere quella distanza in qualsiasi direzione dal satellite. Dato che l'universo è tridimensionale, ci ritroveremo con una "sfera di posizione". Potremmo essere ovunque sulla superficie di una sfera alla data distanza dal satellite.
L'aggiunta di un secondo satellite ci dà un'altra "sfera di posizione". Saremmo sulla superficie di quella sfera di posizione così come sulla superficie della sfera di posizione dal primo satellite. Immagina che due satelliti si trovino in posizioni tali che le loro sfere di posizione si tocchino appena, senza sovrapposizioni. Se ciò dovesse accadere, la nostra posizione sarebbe nel punto in cui le sfere si toccano.
Ma generalmente non siamo così fortunati e le sfere di posizione si sovrappongono. Quando due sfere si sovrappongono, l'intersezione della superficie delle sfere forma un cerchio. Questo insieme di punti in cui le due sfere si intersecano è noto come "cerchio di posizione". Sebbene questo cerchio di posizione sia molto più piccolo di una singola sfera di posizione, può comunque essere un'area vasta, il che significa che non abbiamo ancora una posizione precisa.
Se stai seguendo, probabilmente hai già indovinato che dobbiamo semplicemente aggiungere un terzo satellite. Con la sfera di posizione di quel satellite, ora abbiamo una buona stima della nostra posizione: se intersechi la sfera di posizione del terzo satellite con il cerchio di posizione dei primi due satelliti, ti ritroverai con solo due punti. Uno di quei due punti sarà fuori nello spazio, quindi la risposta viene buttata via. Il risultato è il nostro posto sulla terra.
Se aggiungiamo un quarto, quinto o più satelliti, possiamo determinare la nostra posizione con ancora più precisione. Ecco perché si dice generalmente che abbiamo bisogno di un minimo di quattro satelliti in vista per ottenere una buona posizione.
I satelliti GPS non si trovano in orbite geostazionarie, cioè a un osservatore terrestre sembrano muoversi attraverso il cielo. Ciò significa che se non ci sono abbastanza satelliti in orbita, potrebbero esserci momenti in cui ci sono solo uno o due satelliti sopra la testa. È necessario un minimo di 24 satelliti per assicurare che ci siano sempre quattro o più satelliti in vista in qualsiasi punto della superficie terrestre.
Potrebbero essere utilizzati meno satelliti se si trovassero in un'orbita fissa che li rende stazionari sopra gli Stati Uniti, un'orbita geosincrona. Ci sono tre problemi con questo. Innanzitutto, le orbite geostazionarie richiedono che i satelliti siano molto più lontani dalla terra. Ciò richiede trasmettitori di potenza molto più elevata sui satelliti, rendendoli più pesanti, più grandi e, in definitiva, molto più costosi. Quindi, gli angoli coinvolti non sempre produrrebbero una buona soluzione per le equazioni di posizione. Infine, il sistema GPS è stato sviluppato, finanziato e mantenuto dal Dipartimento della Difesa allo scopo ultimo di poter operare in qualsiasi parte del mondo, non solo negli Stati Uniti.
Tempismo preciso
Ma tutta questa matematica dipende dal sapere esattamente quanto tempo ha impiegato il segnale radio per viaggiare dal satellite al nostro ricevitore. Per ottenere quel tempismo, dobbiamo iniziare sapendo con precisione quando il satellite ha inviato il segnale, dov'era il satellite quando ha inviato il segnale e quando lo abbiamo ricevuto. È qui che entrano in gioco i dati delle "effemeridi".
Ogni satellite conosce la propria posizione. Ha anche un orologio atomico a bordo. Ogni satellite trasmette continuamente queste informazioni. Ogni ricevitore GPS, dal navigatore montato sul pannello del tuo aereo allo smartwatch sportivo al polso, raccoglie questi dati da tutti i satelliti in vista. Quindi calcola la media degli orologi di tutti i satelliti per ottenere un'ora del giorno estremamente precisa. Poiché i dati sulle effemeridi includono la posizione, il percorso orbitale del satellite e l'ora in cui il segnale è stato trasmesso, il ricevitore GPS può utilizzare i dati per calcolare la sua sfera di posizione dal satellite.
La matematica richiesta per tutto questo diventa piuttosto complessa e per la massima precisione coinvolge la Teoria della Relatività di Einstein. Quarant'anni fa, i calcoli erano così complessi che un ricevitore portatile non sarebbe stato in grado di tenere il passo. Ma con l'avanzare dell'industria dei semiconduttori, è aumentata anche la potenza di calcolo e di questi tempi saremmo sconvolti se anche i nostri dispositivi più piccoli non fossero in grado di determinare con precisione la nostra posizione GPS.
Tuttavia, se stai riprendendo un approccio LPV al minimo, la precisione del tuo telefono potrebbe non essere sufficiente. I satelliti GPS originali avevano una precisione di circa 15 piedi. I satelliti più recenti possono essere precisi quanto un piede. Ma queste precisioni sono tipiche, non il caso peggiore. Inoltre, ovviamente ci sono ancora vecchi satelliti in uso. Per questi e altri motivi abbiamo bisogno di un modo per aumentare la precisione per gli avvicinamenti in cui potremmo essere ancora tra le nuvole a soli 200 piedi dal suolo. Ricorda che qualsiasi imprecisione del tuo ricevitore GPS si aggiunge all'imprecisione delle tue capacità, altimetro, strumentazione, ecc. Tutto si somma, quindi è importante ridurre al minimo l'imprecisione di qualsiasi componente, come il segnale GPS. È qui che entra in gioco WAAS.
WAAS per una maggiore precisione
WAAS (Wide Area Augmentation System) è il modo della FAA per migliorare la precisione del GPS. WAAS funziona disponendo di stazioni di terra (Wide Area Reference Stations—WRS) che ricevono i segnali dai satelliti. Ogni WRS viene accuratamente rilevato in modo che conosca la propria posizione prima di essere messo in funzione. Confronta la sua posizione nota con la posizione calcolata dai satelliti. Quindi calcola la differenza tra le due posizioni.
La stazione di terra invia quindi queste informazioni a un computer di raccolta centrale (Wide Area Master Station—WMS) che assembla i dati da tutte le altre stazioni di terra WAAS. Tali informazioni vengono quindi trasmesse ai satelliti che si trovano in un'orbita geostazionaria sopra gli Stati Uniti. (Sì, WAAS è disponibile solo negli Stati Uniti) Questi satelliti WAAS inviano quindi le informazioni di correzione degli errori al ricevitore.
Il tuo ricevitore applica queste informazioni di correzione degli errori ai calcoli per darti una soluzione di posizione molto più accurata. Le informazioni aggiuntive aumentano anche l'affidabilità della soluzione.
Puoi usarlo?
Anche se il tuo ricevitore è in grado di determinare la tua posizione, devi determinare se il tuo ricevitore è legale da usare per il volo IFR. Per il volo VFR qualsiasi cosa è legale da usare per la navigazione ai sensi della Parte 91, sia che tu scelga una carta nautica cartacea, un iPad o persino un panino al prosciutto! Ma ci sono molte regole sulla legalità dell'uso del GPS per il volo IFR ai sensi della Parte 91.
La prima e più basilare regola è che il ricevitore deve essere installato permanentemente sull'aereo. iPad e telefoni cellulari possono essere utilizzati per informazioni supplementari o in caso di emergenza, ma non possono essere utilizzati come fonte primaria di navigazione IFR.
Per essere legale come fonte primaria di navigazione in IFR, il GPS deve essere certificato come ricevitore TSO C129 (non WAAS) o TSO C145/146 (WAAS). Inoltre, il database deve essere aggiornato. Ci sono alcune eccezioni specifiche del produttore (Controlla il tuo supplemento al manuale di volo.) per l'utilizzo di un database scaduto per le operazioni in rotta e al terminale, ma gli avvicinamenti strumentali non sono consentiti con un database scaduto. C'era un requisito per la registrazione degli aggiornamenti del database, ma questo requisito è stato eliminato anni fa.
Inoltre è necessario avere la Guida di riferimento della cabina di pilotaggio (non il Manuale dell'utente) nella cabina di pilotaggio e raggiungibile dal pilota affinché l'unità sia legale da utilizzare. Molti aerei non hanno la Guida sull'aereo, quindi è qualcosa da controllare. Infine, quando l'unità è installata sull'aereo, deve essere testata funzionalmente in volo ei risultati del test devono essere inviati alla FAA e inseriti nei registri di manutenzione dell'aeromobile prima che sia legale l'uso in IFR. Ho pilotato alcuni aerei in cui questa voce mancava dai registri. Se manca, quel GPS non è legale per IFR.
Una volta che l'unità è stata correttamente installata sull'aereo e un database aggiornato è stato caricato sull'unità, è importante sapere quando e dove è possibile sostituire il GPS con le fonti di navigazione terrestre. AIM 1-2-3 è il luogo in cui possiamo scoprire cosa consente la FAA in termini di sostituzione GPS. Dopo tutto ciò che è stato detto e fatto, il modo più semplice per ricordare cosa è consentito e cosa non è consentito è il seguente: il GPS può sempre sostituire qualsiasi ausilio alla navigazione terrestre con due eccezioni. 1) Sul segmento di avvicinamento finale (dal FAF al MAP e 2) ovunque su un approccio basato sul localizzatore. Oltre a queste due eccezioni, puoi sostituire il tuo GPS con un VOR, DME o NDB ovunque o in qualsiasi momento tu voglia.
Sapere come funziona un GPS e cosa lo rende legale potrebbe non renderti un pilota migliore o migliorare la tua competenza. Ma proprio come sapere come funziona il motore del tuo aereo ti rende meglio preparato per le emergenze, sapere come funziona il tuo GPS può essere molto utile in situazioni insolite o, peggio, con guasti. Assicurati di imparare il più possibile sul tuo GPS e sarai un pilota migliore, ancora più a tuo agio con la navigazione GPS.
