Come fa il GPS a sapere dove siamo?
Vi è mai capitato di trovarvi a fissare lo schermo del vostro smartphone, un puntino blu infinitesimale che vi dice con assoluta certezza: “Sei qui, proprio qui, davanti a quel cartello che non capisci”? E vi siete mai chiesti, magari mentre cercavate disperatamente un parcheggio, come faccia questo coso a sapere dove stiamo? Non è mica che abbiamo un microchip da truffatore sotto pelle, vero? Bene, mettiamoci comodi, versiamoci un caffè (o un bicchiere di vino, a seconda dell’ora e del contesto) e scopriamo insieme il magico mondo del GPS. Preparatevi, perché la risposta è più affascinante di quanto possiate immaginare, e prometto che non useremo paroloni da ingegneri spaziali. O quasi.
Un cielo pieno di spie… ehm, satelliti
Immaginate il nostro pianeta Terra come una sorta di palla da biliardo gigante, e sopra di lei, che le girano intorno come palline da biliardo impazzite, ci sono una trentina di satelliti. Questi non sono satelliti qualsiasi, ma sono i protagonisti indiscussi del sistema Global Positioning System, o GPS, come lo conosciamo tutti. Ogni satellite è un piccolo radioamatore cosmico, che trasmette continuamente segnali radio. Questi segnali contengono informazioni fondamentali: l’ora esatta in cui il segnale è stato inviato e la posizione del satellite stesso.
Il nostro smartphone, o il navigatore della macchina, o persino l’orologio sportivo, è essenzialmente un ricevitore. Questo ricevitore, in modo incredibilmente rapido e senza che noi ce ne accorgiamo, “ascolta” i segnali provenienti da questi satelliti che passano sopra di noi. Pensatela così: è come essere in un locale affollato e cercare di sentire la voce di un amico. Il vostro ricevitore GPS è talmente bravo che riesce a sentire anche i sussurri provenienti dallo spazio.
La triangolazione spaziale: più scienza che magia
Ora, la domanda sorge spontanea: come fa il nostro piccolo ricevitore a capire dove siamo, se i satelliti sono così lontani? Qui entra in gioco un concetto affascinante: la triangolazione. Ma non quella che facevamo a scuola per trovare il lato mancante di un triangolo, tranquilli! Questa è una triangolazione tridimensionale, che coinvolge il tempo.
Il nostro ricevitore GPS non si limita ad ascoltare un solo satellite, ma ne cerca almeno quattro. Perché quattro? Beh, con uno solo, sappiamo che siamo da qualche parte sulla superficie della sua orbita sferica, il che è un po’ come dire che siamo “da qualche parte sulla Terra”. Con due satelliti, la nostra posizione si restringe a un cerchio, l’intersezione delle due sfere. Con tre satelliti, siamo sull’intersezione di tre sfere, che in teoria dovrebbe essere un punto (o due, ma uno è solitamente nello spazio o troppo lontano per essere credibile). Ma c’è un problema: gli orologi sui satelliti sono incredibilmente precisi, ma non perfetti al 100%. E anche l’orologio nel nostro ricevitore non è da meno.
Ecco dove entra in gioco il quarto satellite. Il segnale che arriva da questo quarto satellite serve a correggere le piccole imprecisioni temporali tra l’orologio del satellite e quello del ricevitore. Misurando il tempo che impiega il segnale di ogni satellite ad arrivare al nostro dispositivo, e conoscendo la velocità della luce (che è costante e super veloce, tipo un atleta olimpico dopato), il ricevitore può calcolare la distanza da ogni satellite. Combinando queste distanze e la posizione conosciuta di ogni satellite, il GPS può determinare con altissima precisione le nostre coordinate geografiche: longitudine, latitudine e altitudine. È un po’ come avere quattro amici che vi dicono a che distanza si trovano da voi, e voi, con questi dati, potete dire esattamente dove siete sulla mappa.
| Numero di satelliti | Informazioni ottenute | Precisione |
|---|---|---|
| 1 | Posizione approssimativa sulla sfera di orbita del satellite | Molto bassa |
| 2 | Posizione lungo un cerchio (intersezione di due sfere) | Bassa |
| 3 | Posizione su un punto (intersezione di tre sfere), ma con errori temporali | Media |
| 4 | Posizione precisa (intersezione di quattro sfere), con correzione degli errori temporali | Alta |
I satelli non si prendono la briga di sapere chi sei
Una cosa importante da capire è che i satelliti GPS non hanno la minima idea di chi voi siate. Non sanno il vostro nome, non sanno se state andando a comprare il pane o a rubare una banca (speriamo la prima!). Loro fanno il loro lavoro: trasmettono segnali. È il vostro dispositivo, il vostro smartphone o navigatore, che riceve questi segnali e fa tutto il lavoro di calcolo per capire dove siete. È come se i satelliti fossero dei cartelli stradali spaziali che annunciano la loro posizione e l’ora esatta, e il vostro telefono è un viaggiatore super intelligente che sa leggere questi cartelli per orientarsi.
La danza dei satelliti e il segreto del timing
Questi satelliti non sono fermi, ovviamente. Girano intorno alla Terra a circa 20.000 km di altezza, e lo fanno a una velocità di circa 14.000 km all’ora. Questo significa che ogni satellite compie un giro completo in circa 12 ore. Ma per il GPS, questo movimento è prevedibile e calcolato. Gli ingegneri che hanno progettato il sistema hanno una mappa precisa di dove si troverà ogni satellite in ogni momento.
Il “trucco” del timing è fondamentale. Pensate a un’eco: sentite il suono riflesso dopo un certo tempo. Nel GPS, invece di un’eco, è il segnale stesso che arriva dopo un certo tempo. Più tempo impiega il segnale ad arrivare, più siamo lontani dal satellite. Il sistema è così sofisticato che i satelliti inviano dei messaggi chiamati “almanacco” e “effemeridi”, che informano il ricevitore sulla posizione esatta di tutti i satelliti e sulla loro orbita. È un po’ come ricevere una mappa dettagliata del cielo e sapere dove cercare gli amici per potersi fare il punto.
Non solo GPS: il balletto dei sistemi di localizzazione
È importante notare che il termine “GPS” è spesso usato genericamente per indicare qualsiasi sistema di navigazione satellitare. In realtà, il GPS è il sistema americano. Ma ci sono altri sistemi simili:
- GLONASS: il sistema russo.
- Galileo: il sistema europeo, che sta diventando sempre più importante e offre una precisione notevole.
- BeiDou: il sistema cinese.
Molti smartphone moderni utilizzano una combinazione di questi sistemi (questo si chiama GNSS, Global Navigation Satellite System) per ottenere una localizzazione ancora più rapida e precisa, soprattutto in ambienti difficili come le città con i loro “canyon urbani” tra i palazzi, dove i segnali satellitari possono essere disturbati o bloccati. Avere più sistemi che lavorano insieme è come avere più strategie per trovare la strada quando il navigatore principale va in tilt.
Quando la tecnologia ci porta a destinazione (e a volte ci fa girare un po’)
Quindi, la prossima volta che il vostro telefono vi dice “svoltare a sinistra tra 200 metri”, ricordatevi di questa incredibile coreografia di satelliti che danzano sopra di noi, trasmettendo segnali a tempo, e del vostro piccolo dispositivo che, con calcoli veloci come un lampo, decifra la loro posizione per farvi arrivare a destinazione. A volte, certo, ci farà girare un po’ in tondo o ci porterà in mezzo a un campo, ma questa è un’altra storia, probabilmente legata all’interpretazione dei dati o a un segnale un po’ birichino. Ma la tecnologia di base, quella, è un capolavoro di ingegneria spaziale e matematica. E pensare che tutto questo avviene mentre noi siamo impegnati a scegliere la prossima playlist musicale o a controllare le notifiche!
Domande frequenti
Come fa il mio smartphone a sentire i satelliti?
Il vostro smartphone ha un ricevitore GPS integrato, un piccolo chip che è progettato per captare i segnali radio trasmessi dai satelliti in orbita. Funziona un po’ come una radio, ma invece di sintonizzarsi su una stazione musicale, si sintonizza sui segnali dei satelliti per calcolare la vostra posizione.
Perché servono almeno quattro satelliti?
Sono necessari almeno quattro satelliti per determinare la vostra posizione tridimensionale (latitudine, longitudine e altitudine) con precisione. Il segnale di quattro satelliti permette di correggere le piccole imprecisioni degli orologi sia nei satelliti che nel vostro ricevitore, garantendo un calcolo accurato della distanza.
Il GPS funziona anche sott’acqua o dentro un edificio?
No, il GPS funziona meglio quando c’è una visuale libera del cielo. I segnali satellitari sono onde radio che vengono facilmente bloccate da ostacoli solidi come edifici, montagne o l’acqua. Pertanto, la precisione del GPS diminuisce significativamente sott’acqua o all’interno di strutture chiuse.
Quanto è preciso il GPS?
La precisione standard del GPS è di circa 3-5 metri in condizioni ottimali. Tuttavia, con l’uso di sistemi più avanzati come Galileo, o con tecniche di correzione differenziale, la precisione può migliorare notevolmente, arrivando a pochi centimetri.
