Credo che il GPS sia una delle innovazioni più importanti del XX secolo; l'idea di poter conoscere istantaneamente la propria posizione perfetta sulla terra (in termini di metri) senza dover fare lunghi e complessi calcoli, è qualcosa che solo 50 anni fa era "un sogno".

Al giorno d'oggi siamo talmente immersi nella tecnologia che non ci interessa come funziona e il GPS ne è un tipico esempio: Premo un pulsante e la mia posizione appare su una mappa. Ok, semplice. Ma come è possibile? Questo articolo cercherà di spiegarlo.

Nozioni di base

La parola Global Positioning System (GPS), oggi identifica molti sistemi diversi (GPS negli Stati Uniti, Galileo in Europa, GLONASS in Russia, ...) tutti basati sulla stessa idea originale sviluppata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 1973 e consistente in una costellazione di satelliti che inviano segnali radio e un ricevitore GPS in grado di calcolare la distanza da ciascun satellite. Conoscendo la posizione esatta di ogni satellite e la distanza da esso, il ricevitore GPS è in grado di calcolare (triangolazione) la vostra posizione in quel preciso momento. Affinché il ricevitore possa calcolare la posizione, devono essere visibili almeno quattro satelliti (ostacoli come montagne ed edifici bloccano i segnali GPS relativamente deboli).

Il concetto è che ogni satellite trasporta orologi atomici molto stabili e trasmette continuamente un segnale radio contenente l'ora corrente e i dati sulla sua posizione. Poiché la velocità delle onde radio è costante e indipendente dalla velocità del satellite, il ritardo tra il momento in cui il satellite trasmette un segnale e il ricevitore lo riceve è proporzionale alla distanza tra il satellite e il ricevitore.

Il GPS è un'evoluzione di analoghi sistemi di radionavigazione terrestre, come il LORAN e il Decca Navigator ed è stato originariamente limitato all'uso da parte delle forze armate degli Stati Uniti, successivamente aperto all'uso civile anche se, durante gli anni '90, la qualità del GPS è stata degradata dal governo degli Stati Uniti in un programma chiamato "Selective Availability" (definitivamente rimosso il 1° maggio 2000).

Avvio a freddo/caldo

Quando il GPS è stato sviluppato le reti mobili non erano ancora presenti, quindi il GPS è un sistema indipendente. Come detto in precedenza, ogni satellite GPS trasmette dati sulla propria posizione. Ciò significa che invia la descrizione matematica della sua orbita al ricevitore per calcolare la sua posizione precisa in ogni momento. Questi dati sono chiamati "effemeridi" e sono essenziali per il ricevitore GPS per effettuare i suoi calcoli interni, ma servono anche per individuare la posizione del satellite nel cielo.

Quando si accende per la prima volta un ricevitore GPS non sa dove si trova, quali satelliti sono in vista e dove si trovano nel cielo. Inizia quindi a cercarli e questa potrebbe essere una procedura piuttosto lunga, denominata "partenza a freddo", che termina quando il ricevitore è in grado di rilevare almeno 4 satelliti nel cielo, di ricevere le loro "effemeridi" e di calcolare infine la sua posizione. Questa procedura può durare fino a 10 minuti, soprattutto per la prima accensione, ma può facilmente durare 2-3 minuti per qualsiasi accensione che avvenga abbastanza lontano dal punto in cui è stato effettuato lo spegnimento.

Viceversa, se si accende il ricevitore GPS nella stessa posizione in cui lo si è spento, il tempo per il fix si riduce a pochi secondi e questo si chiama "Hot start". Attenzione: se si accende il ricevitore GPS in un luogo in cui non ci sono satelliti in vista (ad esempio il garage) e si rimane lì per molto tempo, il ricevitore GPS potrebbe pensare di aver bisogno di un avvio a freddo (perché non è in grado di trovare alcun satellite).

Nel corso del tempo, la "lentezza" di cui sopra è stata parzialmente ridotta con l'introduzione di ricevitori GPS con più "canali", in grado di cercare contemporaneamente più satelliti (dai 4-5 originari agli attuali 12-20).

Precisione del GPS

A parte la fase di "disponibilità selettiva", quando la precisione del GPS è stata degradata dal governo statunitense a circa 100 metri, il GPS è stato progettato per avere (in condizioni di perfetta visibilità dei satelliti) una precisione di circa cinque metri (16 piedi), con le ultime generazioni di GPS che puntano a una precisione di pochi decimetri.

Ovviamente la precisione di 5 metri è teorica e ci sono molti fattori che possono influire sulla precisione del GPS; per riassumere possiamo dividere questi fattori in due categorie principali: qualità del ricevitore e qualità del segnale dei satelliti.

La qualità del ricevitore è un aspetto che viene spesso dimenticato, soprattutto per quanto riguarda la qualità dell'antenna e il posizionamento. Se si considera un'imbarcazione, ad esempio, avere un'antenna GPS esterna dedicata sulla parte superiore dell'imbarcazione o utilizzare l'antenna GPS nel dispositivo quando si è sottocoperta, può portare a precisioni GPS molto diverse. Potrebbero esserci differenze anche nel ricevitore GPS stesso (ad esempio il numero di canali), ma in questi giorni questo componente sta diventando sempre più standardizzato.

Il secondo problema è molto più ampio perché quasi tutto ciò che si trova tra l'antenna del ricevitore GPS e i satelliti influisce sulla precisione. Attualmente (per il GPS statunitense) ci sono 27 satelliti in funzione, per cui 9 satelliti sono solitamente visibili da qualsiasi punto del terreno in qualsiasi momento, garantendo una notevole ridondanza rispetto ai 4 satelliti minimi necessari per una posizione. Tuttavia, considerando che la maggior parte del materiale "solido" blocca il segnale GPS, non è raro avere pochi satelliti in vista, soprattutto in zone come montagne e città, e di conseguenza con una precisione relativamente scarsa. Non solo i materiali spessi e solidi possono causare problemi al segnale GPS relativamente debole, ma anche trovarsi sotto le foglie o con un cielo nuvoloso può ridurre la precisione del GPS.

Un problema che si può avere con il GPS è che, anche se non si è in movimento (e con una precisione complessivamente buona) la posizione GPS "si muove intorno a noi". Il ricevitore GPS non ha alcun mezzo per capire se vi state muovendo o meno, se non quello di guardare il segnale dei satelliti, quindi qualsiasi fluttuazione dei segnali può portare a calcolare una posizione diversa anche se non vi state muovendo, "saltando" da una posizione all'altra (si possono avere anche salti di 20-30 metri).

In ogni caso, per avere posizioni migliori, quando si utilizza un dispositivo con un'antenna GPS all'interno, cercare di tenerlo il più possibile in cielo aperto, evitando di "nasconderlo" da qualche parte (ad esempio, anche tenerlo in tasca potrebbe causare una peggiore precisione).

GPS su cellulare

La maggior parte degli attuali dispositivi mobili ha un ricevitore GPS (con antenna) al suo interno, ma, come detto in precedenza, il GPS è stato sviluppato come sistema indipendente; quindi non richiede all'utente di trasmettere alcun dato e opera indipendentemente da qualsiasi connessione telefonica o Internet.

Concettualmente, quindi, il ricevitore GPS non trae alcun vantaggio dalla presenza su un dispositivo mobile, ma il meccanismo di localizzazione complessivo ne trae vantaggio.

Innanzitutto, se il dispositivo è connesso a Internet, può scaricare le "effemeridi" necessarie per localizzare i satelliti GPS e iniettarle nel ricevitore GPS in modo da ridurre drasticamente l'avvio a freddo (vedere il paragrafo "Avvio a freddo/caldo").

Quindi, il dispositivo può utilizzare le reti 3G/4G/5G e wifi per calcolare una posizione approssimativa e "comunicarla" al ricevitore GPS, migliorando la sua capacità di localizzare i satelliti nel cielo e riducendo la fase di avvio. Utilizzando questa localizzazione grossolana, il dispositivo può anche ridurre il consumo energetico (spegnendo il ricevitore GPS quando non è necessario), migliorare l'accuratezza quando l'accuratezza del GPS è scarsa (tipicamente nelle città dove ci sono molte reti WiFi) e anche fornire una localizzazione grossolana nel caso in cui il dispositivo non abbia un ricevitore GPS.

Quindi, come abbiamo visto, queste informazioni aggiuntive aiutano ad avere una localizzazione veloce e affidabile, ma teniamo presente che, anche in aree prive di reti aggiuntive, è possibile avere una buona localizzazione, semplicemente utilizzando il segnale GPS.

Terminata questa rapida immersione nella tecnologia GPS, permettetemi di riassumere i miei suggerimenti personali per l'utilizzo di un GPS in barca:

1. se possibile, utilizzare un'antenna esterna sulla parte superiore dell'imbarcazione
2. quando si utilizza un dispositivo mobile con GPS interno, non nasconderlo in tasche, cassetti o altri luoghi "nascosti". Tenere il più possibile il cielo aperto
3. prestare attenzione al consumo di energia quando il GPS è abilitato, potrebbe scaricare la batteria

Claudio Bo, team Aqua Map.