Proseguiamo il nostro percorso alla scoperta del funzionamento delle principali parti di uno smartphone parlando del chip GPS e di come sia possibile sfruttare i satelliti in orbita per sapere esattamente dove ci si trova.
Vi è mai capitato di venir fermati per strada da qualcuna che vi ha chiesto le indicazioni stradali per un qualche luogo? Bè, a me è capitato sicuramente ma ho notato che, negli ultimi anni, sempre meno. Ho subito pensato che questo sia dovuto al fatto che gli smartphone sono diventati talmente semplici da usare che chiunque riesce ormai ad aprire Google Maps, ricercare un luogo e affidarsi al sistema GPS per ricevere informazioni su dove andare. Ma come funziona il GPS?
- Cos’è il GPS
- Come si calcola la posizione esatta con il GPS
- Gli orologi atomici
- Il GPS negli smartphone
Cos’è il GPS
Il sistema GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento globale che utilizza una rete di satelliti artificiali per determinare la posizione di un oggetto sulla Terra. Il sistema viene spesso utilizzato per la navigazione stradale, l’orientamento in ambienti sconosciuti, il monitoraggio della posizione di veicoli, l’individuazione di emergenze e altre applicazioni.
Ciò a cui comunemente ci si riferisce con la parola GPS in realtà è il Global Navigation Satellite System (GNSS), visto che il GPS è solamente la costellazione messa in orbita dagli Stati Uniti. Oltre ad esso esistono altre costellazioni, come ad esempio la russa GLONASS, l’europea Galileo e la cinese Beidou.
Come si calcola la posizione esatta con il GPS
Il funzionamento del sistema GPS si basa sul principio della trilaterazione, ovvero sulla misurazione delle distanze tra il punto da individuare e tre o più punti di riferimento noti. In questo caso, i punti di riferimento sono i satelliti che orbitano intorno alla Terra ad un’altitudine di circa 20.000 km.
Ogni satellite emette un segnale radio con l’orario esatto che viene ricevuto da un ricevitore sulla Terra che calcola la distanza dal satellite utilizzando il tempo che il segnale impiega ad arrivare.
Per determinare la posizione di un oggetto, il ricevitore GPS deve ricevere i segnali da almeno tre satelliti (in effetti, il triangolo è il poligono con il minor numero di lati). Conoscendo la posizione di ciascun satellite e la distanza del ricevitore da ciascun satellite, il ricevitore può calcolare la propria posizione utilizzando il metodo della trilaterazione. In pratica, viene determinato in quale punto le tre circonferenze che rappresentano le distanze dai tre satelliti si intersecano.
Gli orologi atomici
Come spiegato prima, ogni satellite trasmette in continuazione un segnale radio con codificata l’ora esatta. Per avere una precisione tale da assicurare una precisione massima della posizione, ogni satellite è equipaggiato con un orologio atomico (in realtà due, ma il secondo entra in funzione solo se vi sono problemi col primo).
Gli orologi atomici sono utilizzati nei satelliti GPS per fornire un segnale di tempo estremamente preciso che viene trasmesso insieme al segnale radio utilizzato per determinare la posizione.
Gli orologi atomici funzionano utilizzando il fenomeno della resa di quanto di un atomo, che è un fenomeno quantistico in cui un atomo emette o assorbe energia in quantità precise. Gli orologi atomici utilizzano questo fenomeno per mantenere una frequenza di oscillazione stabile e precisa, che viene utilizzata come riferimento di tempo.
Gli orologi atomici nei satelliti utilizzano atomi di cesio o rubidio come sorgente di oscillazione. L’atomo viene confinato in una cella di cesio o rubidio in cui viene irradiato con una radiazione elettromagnetica a frequenza specifica.
Quando l’atomo viene irradiato, il suo stato energetico cambia e l’atomo emette una radiazione a una frequenza specifica. Questa frequenza viene utilizzata come riferimento di tempo per l’orologio atomico.
Questo sistema li rende molto precisi, con un margine di errore inferiore a un secondo ogni milione di anni. Questa precisione è essenziale per il funzionamento del sistema di geolocalizzazione, poiché la posizione viene calcolata utilizzando il tempo che il segnale impiega ad arrivare dal satellite al ricevitore.
Un errore di tempo significativo potrebbe causare un errore di posizionamento di decine di chilometri.
Il GPS negli smartphone
I chip GPS negli smartphone funzionano in modo simile a quelli dei satelliti GPS, ma utilizzano un ricevitore integrato nel dispositivo invece di uno esterno. Quando si accende il GPS sullo smartphone, il chip inizia a cercare i segnali dei satelliti visibili tramite le antenne. Una volta che il ricevitore ha ricevuto i segnali da almeno tre satelliti, può calcolare la propria posizione utilizzando il metodo della trilaterazione descritto sopra.
Il GPS negli smartphone è molto utile per la navigazione stradale, l’orientamento in ambienti sconosciuti e il tracciamento della posizione (o, in maniera sperimentale, per le previsione del tempo).
Molti smartphone includono anche altre funzionalità di geolocalizzazione, come il Wi-Fi positioning system (WPS) e il cellular positioning system (CPS), che utilizzano i segnali di rete cellulare e Wi-Fi per stimare la posizione del dispositivo anche se con minor precisione.
Queste funzionalità possono essere utilizzate in combinazione con il GPS per fornire una posizione più precisa, soprattutto in ambienti dove il segnale dei satelliti può essere debole o assente.
Il GPS negli smartphone consuma energia, quindi è importante assicurarsi di disattivare il GPS quando non è in uso per risparmiare la batteria del dispositivo.
Inoltre, alcune app possono utilizzare il GPS in modo improprio, raccogliendo informazioni sulla posizione del dispositivo senza il permesso dell’utente o utilizzando il GPS in modo eccessivo, consumando la batteria del dispositivo in modo rapido.
È importante essere consapevoli di queste pratiche e concedere il permesso di utilizzare il GPS solo alle app di cui ci si fida e che si ritiene siano affidabili.
