Sistema di posizionamento globale (Global Positioning System)

Il Global Positioning System (GPS) costituisce un sistema di navigazione iperbolica basato su satellite, di proprietà della Forza spaziale degli Stati Uniti e gestito dalla Missione Delta 31. Come componente dei sistemi di navigazione satellitare globale (GNSS), fornisce geolocalizzazione e dati temporali precisi a qualsiasi ricevitore GPS compatibile situato sulla o vicino alla Terra, a condizione che la qualità del segnale sia adeguata. Il sistema funziona in modo autonomo, non richiedendo la trasmissione di dati da parte dell'utente e funzionando indipendentemente dalla connettività telefonica o Internet; tuttavia, queste tecnologie esterne possono aumentare l'utilità delle informazioni sul posizionamento GPS. Fornisce funzionalità di posizionamento essenziali per applicazioni militari, civili e commerciali a livello globale. Nonostante la sua creazione, controllo e manutenzione da parte del governo degli Stati Uniti, il GPS rimane universalmente accessibile a chiunque possieda un ricevitore GPS.

Il Global Positioning System (GPS) è un sistema di navigazione iperbolica basato su satellite di proprietà della Forza spaziale degli Stati Uniti e gestito dalla Missione Delta 31. È uno dei sistemi di navigazione satellitare globale (GNSS) che fornisce geolocalizzazione e informazioni sull'ora a un ricevitore GPS ovunque sulla Terra o nelle sue vicinanze, dove la qualità del segnale lo consente. Non richiede all'utente di trasmettere alcun dato e funziona indipendentemente da qualsiasi ricezione telefonica o Internet, sebbene queste tecnologie possano aumentare l'utilità delle informazioni di posizionamento GPS. Fornisce funzionalità di posizionamento critiche a utenti militari, civili e commerciali in tutto il mondo. Sebbene il governo degli Stati Uniti abbia creato, controlli e mantenga il GPS, è liberamente accessibile a chiunque disponga di un ricevitore GPS.

Panoramica

L'iniziativa GPS è iniziata sotto il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 1973. Un prototipo di veicolo spaziale è stato lanciato nel 1978, portando alla piena operatività della costellazione di 24 satelliti entro il 1993. In seguito all'abbattimento del volo 007 della Korea Air Lines, che era inavvertitamente entrato nello spazio aereo sovietico, il presidente Ronald Reagan ha ordinato la disponibilità del sistema GPS per applicazioni civili a partire dal 1988. Inizialmente, tuttavia, questo accesso civile è stato limitato a una precisione media di 100 metri (330 piedi) attraverso l'implementazione della disponibilità selettiva (SA), un errore deliberatamente introdotto intenzionalmente nei dati GPS, che i ricevitori militari erano in grado di correggere.

Con l'espansione dell'utilizzo del GPS civile, le richieste per l'eliminazione di questo errore intenzionale si sono intensificate. Durante la Guerra del Golfo, il sistema SA fu temporaneamente disattivato a causa della scarsità di unità GPS militari, costringendo numerosi soldati statunitensi a fare affidamento su dispositivi GPS civili forniti da fonti personali. Nel corso degli anni '90, i sistemi GPS differenziali, gestiti da enti come la Guardia Costiera degli Stati Uniti, la Federal Aviation Administration e analoghe agenzie internazionali, hanno iniziato a trasmettere correzioni GPS localizzate. Queste correzioni hanno mitigato l'impatto sia del degrado delle SA che dei disturbi atmosferici, che anche i ricevitori militari sono stati progettati per compensare. Allo stesso tempo, le forze armate statunitensi avevano sviluppato capacità di disturbo GPS localizzato, rendendo così superfluo il degrado globale del sistema. Di conseguenza, il 1 maggio 2000, il presidente degli Stati Uniti Bill Clinton ha promulgato una legislazione che impone la disattivazione permanente della disponibilità selettiva. Inoltre, nel 2007, il governo degli Stati Uniti ha dichiarato che le generazioni successive di satelliti GPS non avrebbero più incorporato questa funzionalità.

I progressi tecnologici e l'evoluzione dei requisiti per il sistema esistente hanno stimolato iniziative per modernizzare il GPS. Questi sforzi includono lo spiegamento della prossima generazione di satelliti GPS Block III e del sistema di controllo operativo di nuova generazione (OCX), entrambi autorizzati dal Congresso degli Stati Uniti nel 2000. Dopo l'interruzione della disponibilità selettiva, il GPS ha offerto una precisione di circa 5 metri (16 piedi). I ricevitori GPS che utilizzano la banda L5 raggiungono una precisione notevolmente migliorata, raggiungendo i 30 centimetri (12 pollici). Per le applicazioni ad alta precisione, come l'ingegneria e la topografia, i ricevitori possono raggiungere una precisione entro 2 cm (3⁄4 pollici) e, con misurazioni a lungo termine, possono anche fornire una precisione submillimetrica. Al contrario, i dispositivi di fascia consumer come gli smartphone possono raggiungere una precisione di 4,9 m (16 piedi) o superiore se integrati con servizi di assistenza come il posizionamento Wi-Fi.

A partire da luglio 2023, diciotto satelliti GPS trasmettono segnali L5. Questi segnali sono attualmente designati come preoperativi, prevedendo la piena capacità di trasmissione da una costellazione completa di 24 satelliti entro il 2027.

Storia

Il progetto GPS è nato negli Stati Uniti nel 1973, concepito per affrontare i limiti intrinseci dei sistemi di navigazione precedenti. Il suo sviluppo ha integrato concetti derivati ​​da vari predecessori, inclusi studi di progettazione ingegneristica classificati condotti negli anni '60. Il Dipartimento della Difesa statunitense ha sviluppato questo sistema, inizialmente composto da 24 satelliti, per applicazioni militari, raggiungendo la piena operatività nel 1993. L'accesso civile è stato autorizzato a partire dagli anni '80. Roger L. Easton del Naval Research Laboratory, Ivan A. Getting della The Aerospace Corporation e Bradford Parkinson del Applied Physics Laboratory sono riconosciuti per il loro contributo alla sua invenzione. Inoltre, il lavoro di Gladys West, associato al dipartimento di scienze balistiche del Dahlgren Naval Proving Ground, sulla formulazione del modello matematico geodetico della Terra, è riconosciuto come fondamentale nel progresso delle metodologie computazionali per determinare con precisione le posizioni dei satelliti, un prerequisito per la funzionalità GPS.

Il design del GPS deriva in parte da sistemi di radionavigazione terrestri simili, tra cui LORAN e il Decca Navigator System, emersi all'inizio degli anni '40. Nel 1955, Friedwardt Winterberg propose un metodo per testare la relatività generale rilevando la dilatazione temporale gravitazionale, utilizzando orologi atomici precisi a bordo di satelliti artificiali. Sia la relatività speciale che quella generale postulavano che gli orologi atomici sui satelliti GPS sembrerebbero funzionare 38 microsecondi più velocemente al giorno se osservati dalla Terra. Il sistema GPS incorpora correzioni per questo effetto relativistico; in caso contrario, gli errori di posizione si accumulerebbero a una velocità massima di 10 chilometri (6 miglia) al giorno.

Predecessori

Dopo il lancio nel 1957 dello Sputnik 1, il primo satellite artificiale dell'Unione Sovietica, i fisici americani William Guier e George Weiffenbach, affiliati al Laboratorio di fisica applicata (APL) della Johns Hopkins University, iniziarono a monitorare le sue trasmissioni radio. Nel giro di poche ore riconobbero che l'effetto Doppler permetteva loro di determinare con precisione la posizione orbitale del satellite. Il direttore dell'APL ha successivamente concesso loro l'accesso al computer dell'UNIVAC I per le complesse attività di calcolo coinvolte.

L'anno successivo, Frank McClure, vicedirettore dell'APL, incaricò Guier e Weiffenbach di esplorare il problema inverso: determinare la posizione di un utente in base alla posizione nota del satellite. Questa indagine è stata stimolata dal simultaneo sviluppo da parte della Marina degli Stati Uniti del missile Polaris lanciato da un sottomarino, che richiedeva un posizionamento preciso del sottomarino. Il loro lavoro, insieme agli sforzi di APL, sono culminati nello sviluppo del sistema TRANSIT. Nel 1959, anche ARPA (in seguito ribattezzata DARPA nel 1972) contribuì al progetto TRANSIT.

Il sistema TRANSIT fu sottoposto con successo ai suoi primi test nel 1960. Operando con una costellazione di cinque satelliti, offriva soluzioni di navigazione circa ogni ora. Successivamente, nel 1967, la Marina degli Stati Uniti sviluppò il satellite Timation, dimostrando la fattibilità dell'implementazione di orologi precisi nello spazio, un prerequisito tecnologico fondamentale per il GPS.

Durante gli anni '70, il sistema di navigazione OMEGA terrestre, che si basava sul confronto di fase dei segnali trasmessi da coppie di stazioni, emerse come il primo sistema di radionavigazione globale inaugurale al mondo. Tuttavia, i limiti intrinseci di questi sistemi esistenti hanno sottolineato la necessità di una soluzione di navigazione più universalmente applicabile e altamente accurata.

Nonostante gli ampi requisiti per una navigazione precisa sia in ambito militare che civile, poche di queste esigenze da sole sono state ritenute sufficienti a giustificare l'investimento multimiliardario richiesto per la ricerca, lo sviluppo, l'implementazione e il funzionamento di una costellazione di navigazione satellitare. Tuttavia, nel contesto della corsa agli armamenti della Guerra Fredda, la minaccia nucleare esistenziale per gli Stati Uniti ha fornito la singolare giustificazione per tale spesa, come percepito dal Congresso degli Stati Uniti. Questo imperativo deterrente ha sostenuto direttamente il finanziamento del GPS. Inoltre, ciò spiegava l’estrema segretezza che circondava il progetto in quell’epoca. La triade nucleare comprendeva i missili balistici lanciati da sottomarini (SLBM) della Marina degli Stati Uniti, integrati dai bombardieri strategici dell'aeronautica degli Stati Uniti (USAF) e dai missili balistici intercontinentali (ICBM). La determinazione accurata delle posizioni di lancio degli SLBM era considerata un moltiplicatore di forza critica, essenziale per mantenere la posizione di deterrenza nucleare.

Una navigazione accurata era cruciale per i sottomarini con missili balistici degli Stati Uniti per determinare con precisione le loro posizioni prima di lanciare gli SLBM. Allo stesso modo, l’USAF, responsabile dei due terzi della triade nucleare, richiedeva un sistema di navigazione più accurato e affidabile. Sia la Marina americana che l’Aeronautica americana stavano sviluppando in modo indipendente tecnologie per affrontare quella che era fondamentalmente la stessa sfida di navigazione. Inoltre, per migliorare la sopravvivenza dei missili balistici intercontinentali, sono emerse proposte per piattaforme di lancio mobili (simili alle SS-24 e SS-25 sovietiche), creando un requisito per la determinazione precisa della posizione di lancio analoga a quella degli SLBM.

Nel 1960, l'Air Force ha introdotto un sistema di radionavigazione denominato MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), che funzionava come un sistema LORAN tridimensionale. Una successiva indagine, il Progetto 57, condotta nel 1963, è considerata il punto di origine del concetto GPS. Nello stesso anno, il concetto si è evoluto nel Progetto 621B, che incorporava numerose funzionalità ora presenti nel GPS e mirava a migliorare la precisione sia dei bombardieri dell'aeronautica americana che dei missili balistici intercontinentali.

Il sistema TRANSIT della Marina ha fornito aggiornamenti insufficienti per le rapide esigenze operative dell'Aeronautica Militare. Allo stesso tempo, il Naval Research Laboratory (NRL) fece avanzare il suo programma satellitare Timation (Time Navigation), lanciando il suo primo satellite nel 1967, seguito da un secondo nel 1969, un terzo nel 1974 (che portò in orbita l'orologio atomico inaugurale) e un quarto nel 1977.

Un ramo distinto dell'esercito degli Stati Uniti contribuì con un altro significativo precursore del GPS. Nel 1964, l'esercito americano dispiegò il suo primo satellite Sequential Collation of Range (SECOR), progettato per il rilevamento geodetico. L'architettura SECOR comprendeva tre trasmettitori terrestri situati a coordinate stabilite, che trasmettevano segnali a un transponder satellitare in orbita. Una quarta stazione terrestre, la cui posizione era sconosciuta, potrebbe quindi sfruttare questi segnali per determinare con precisione la propria posizione. L'ultimo satellite SECOR fu lanciato nel 1969.

Sviluppo

I progressi tecnologici simultanei verificatisi nel corso degli anni '60 hanno portato alla consapevolezza che sarebbe stato possibile creare un sistema avanzato integrando le tecnologie più efficaci di programmi come 621B, Transit, Timation e SECOR in un'iniziativa multiservizio. È stato fondamentale affrontare gli errori di posizione orbitale dei satelliti, derivanti da fattori quali le variazioni del campo gravitazionale e la rifrazione radar. Dal 1970 al 1973, un team diretto da Harold L. Jury presso la Pan Am Aerospace Division in Florida ha utilizzato tecniche di assimilazione dei dati in tempo reale e di stima ricorsiva per mitigare questi problemi, riducendo così gli errori sistematici e residui a un livello favorevole a una navigazione precisa.

Nel 1973, durante il fine settimana del Labor Day, circa dodici ufficiali militari si riunirono al Pentagono per deliberare l'istituzione di un Sistema di navigazione satellitare per la difesa (DNSS). Questo incontro si è rivelato fondamentale, poiché ha facilitato la sintesi fondamentale che alla fine si è evoluta nel GPS. Nello stesso anno, il programma DNSS fu ufficialmente designato Navstar. Sebbene Navstar sia spesso, ma erroneamente, interpretato come un acronimo per "Navigation System using Timing and Ranging", il GPS Joint Program Office non ha mai adottato questa interpretazione (anche se TRW potrebbe averla precedentemente proposta per un sistema di navigazione distinto). Per distinguere l'intera costellazione di satelliti Navstar dalle singole unità, che condividevano nomi con i predecessori come Transit e Timation, è stata adottata la denominazione più completa Navstar-GPS. Tra il 1978 e il 1985 furono lanciati dieci prototipi di satelliti "Blocco I", con un'unità aggiuntiva andata persa a causa di un fallimento del lancio.

La ricerca sull'impatto della ionosfera sulla trasmissione radio è stata condotta presso un laboratorio di geofisica all'interno dell'Air Force Cambridge Research Laboratory, che è stato successivamente ribattezzato Air Force Geophysical Research Lab (AFGRL) nel 1974. AFGRL è stato responsabile dello sviluppo del modello Klobuchar, progettato per calcolare le correzioni ionosferiche per il posizionamento GPS. In particolare, la scienziata spaziale australiana Elizabeth Essex-Cohen contribuì a questo sforzo presso l'AFGRL nel 1974, concentrandosi sulla rifrazione atmosferica, o curvatura, dei percorsi delle onde radio mentre si propagavano attraverso la ionosfera dai satelliti Navstar.

In seguito all'abbattimento del volo 007 della Korea Air Lines, un Boeing 747 con 269 occupanti, da parte di un aereo intercettore sovietico vicino alle isole Sakhalin e Moneron a causa di errori di navigazione che lo condusse in uno spazio aereo proibito, il presidente Ronald Reagan emanò una direttiva. Questa direttiva imponeva che il GPS, una volta adeguatamente sviluppato, sarebbe stato reso liberamente accessibile per applicazioni civili come servizio pubblico. Il primo satellite Block II fu lanciato il 14 febbraio 1989, seguito dal ventiquattresimo satellite nel 1994. A questo punto, il costo stimato del programma GPS, comprendendo le spese di lancio del satellite ma escludendo i costi per le apparecchiature degli utenti, ammontava a 5 miliardi di dollari (equivalenti a 11 miliardi di dollari nel 2025).

Inizialmente, il segnale GPS di qualità superiore era destinato esclusivamente ad applicazioni militari, mentre il segnale civile veniva deliberatamente degradato attraverso una politica denominata disponibilità selettiva. Questa pratica è cessata il 1 maggio 2000, quando il presidente degli Stati Uniti Bill Clinton ha autorizzato una direttiva politica per disattivare la disponibilità selettiva, garantendo così ai civili lo stesso livello di precisione precedentemente riservato ai militari. Questa direttiva è stata sostenuta dal Segretario alla Difesa degli Stati Uniti William Perry, che ha notato il fiorente sviluppo dell'industria privata di servizi GPS differenziali volti a migliorare la precisione civile. Inoltre, le forze armate statunitensi stavano contemporaneamente migliorando le capacità per negare a livello regionale il servizio GPS a potenziali avversari. La disponibilità selettiva è stata successivamente eliminata dall'architettura GPS, a partire dalla generazione GPS-III.

Dopo la sua implementazione iniziale, gli Stati Uniti hanno implementato numerosi miglioramenti al servizio GPS, inclusi nuovi segnali per uso civile e una migliore precisione e integrità per tutti gli utenti, garantendo al tempo stesso la compatibilità con le apparecchiature GPS esistenti. La modernizzazione del sistema satellitare è stata un'iniziativa continua guidata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti attraverso una serie di acquisizioni satellitari, progettate per soddisfare le esigenze in evoluzione nei settori militare, civile e commerciale. All'inizio del 2015, i ricevitori GPS SPS (Standard Positioning Service) di alta qualità raggiungevano una precisione orizzontale superiore a 3,5 metri (11 piedi), sebbene vari fattori, tra cui le specifiche del ricevitore e dell'antenna e le condizioni atmosferiche, possano influenzare questa precisione.

Il GPS, una risorsa nazionale, è di proprietà e gestito dal governo degli Stati Uniti, con il Dipartimento della Difesa che funge da amministratore principale. Il Comitato esecutivo GPS interagenzia (IGEB) è stato responsabile della supervisione della politica GPS dal 1996 al 2004. Successivamente, il Comitato esecutivo nazionale per il posizionamento, la navigazione e il cronometraggio spaziale è stato formato tramite direttiva presidenziale nel 2004 per fornire guida e coordinamento tra i dipartimenti e le agenzie federali in merito al GPS e ai sistemi associati. Questo comitato esecutivo è copresieduto dai Vice Segretari della Difesa e dei Trasporti. I membri comprendono funzionari di alto livello dei Dipartimenti di Stato, Commercio e Sicurezza Nazionale, i Capi di Stato Maggiore congiunti e la NASA. Rappresentanti dell'Ufficio Esecutivo del Presidente partecipano come osservatori, con il presidente della FCC che funge da collegamento.

Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti è legalmente incaricato di "mantenere un servizio di posizionamento standard (come definito nel piano federale di radionavigazione e nelle specifiche del segnale del servizio di posizionamento standard) che sarà disponibile su base continuativa in tutto il mondo". Inoltre, deve "sviluppare misure per prevenire l'uso ostile del GPS e dei suoi potenziamenti senza interrompere o degradare indebitamente gli usi civili".

Cronologia di sviluppo e modernizzazione

• Nel 1972, l'U.S. Air Force Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman Air Force Base) eseguì test di volo di sviluppo coinvolgendo quattro prototipi di ricevitori GPS configurati in uno schema a Y sulla White Sands Missile Range, utilizzando pseudo-satelliti terrestri per la simulazione del segnale.
• Nel 1978 fu lanciato il primo satellite GPS sperimentale Block-I.
• Nel 1983, in seguito all'incidente in cui un aereo intercettore sovietico abbatté l'aereo di linea civile KAL 007, che era entrato nello spazio aereo proibito a causa di errori di navigazione, provocando 269 vittime, il presidente degli Stati Uniti Ronald Reagan dichiarò che il GPS sarebbe stato accessibile per applicazioni civili una volta completato. Questo annuncio, tuttavia, fa seguito a una precedente conoscenza pubblica, risalente al 1979, riguardante la disponibilità del codice Coarse/Acquisition (C/A) per uso civile.
• Nel 1985 furono lanciati altri dieci satelliti sperimentali Block-I per convalidare ulteriormente il concetto del sistema.
• A partire dal 1988, le responsabilità di comando e controllo di questi satelliti furono trasferite da Onizuka AFS, California, al 2nd Satellite Control Squadron (2SCS) presso la base spaziale Schriever a Colorado Springs, Colorado.
• Il primo satellite moderno Block-II fu lanciato il 14 febbraio 1989.
• La Guerra del Golfo (1990–1991) ha segnato il conflitto iniziale in cui il GPS ha visto un diffuso dispiegamento militare.
• Nel 1991, la DARPA ha concluso con successo un progetto per lo sviluppo di ricevitori GPS in miniatura, che ha portato alla sostituzione delle precedenti unità militari da 16 kg (35 libbre) con ricevitori GPS portatili completamente digitali da 1,25 kg (2,8 libbre).
• Il produttore olandese di sistemi di navigazione satellitare TomTom è stato fondato nel 1991.
• Nel 1992, la 2a ala spaziale, inizialmente responsabile della gestione del sistema, fu disattivata e sostituita dalla 50a ala spaziale.
• Nel dicembre 1993, il GPS raggiunse la capacità operativa iniziale (IOC), con una costellazione completa di 24 satelliti che fornivano il servizio di posizionamento standard (SPS).
• L'Air Force Space Command (AFSPC) ha dichiarato la piena capacità operativa (FOC) nell'aprile 1995, indicando la completa disponibilità del servizio di posizionamento preciso (PPS) sicuro dell'esercito.
• Nel 1996, riconoscendo l'importanza del GPS sia per le applicazioni civili che militari, il presidente degli Stati Uniti Bill Clinton ha emesso una direttiva politica. Questa direttiva ha designato il GPS come sistema a duplice uso e ha istituito un comitato esecutivo interagenzia per il GPS per supervisionarne la gestione come risorsa nazionale.
• Nel 1998, il vicepresidente degli Stati Uniti Al Gore ha presentato iniziative per migliorare le capacità GPS integrando due nuovi segnali civili, con l'obiettivo di migliorare la precisione e l'affidabilità dell'utente, in particolare per la sicurezza aerea. Il Congresso degli Stati Uniti ha successivamente autorizzato questa iniziativa nel 2000, designandola come GPS III.
• Il 2 maggio 2000, la "Disponibilità selettiva" è stata disattivata, in conformità a un ordine esecutivo del 1996, consentendo così agli utenti civili di tutto il mondo di accedere a un segnale GPS senza compromessi.
• Nel 2004, il governo degli Stati Uniti ha formalizzato un accordo con la Comunità Europea per promuovere la collaborazione in materia di GPS e del sistema di navigazione satellitare europeo Galileo.
• Sempre nel 2004, il presidente degli Stati Uniti George W. Bush ha rivisto la politica nazionale e ricostituito il consiglio esecutivo, istituendo il Comitato esecutivo nazionale per il posizionamento, la navigazione e il cronometraggio spaziale.
• Nel novembre 2004, Qualcomm ha riferito di aver completato con successo i test per la tecnologia GPS assistita integrata nei telefoni cellulari.
• L'anno 2005 ha segnato il lancio del primo satellite GPS modernizzato, che ha iniziato a trasmettere un secondo segnale civile (L2C) per migliorare le prestazioni degli utenti.
• Il 14 settembre 2007, il precedente sistema di controllo del segmento di terra basato su mainframe è stato trasferito al piano di evoluzione dell'architettura recentemente implementato.
• Il 19 maggio 2009, il Government Accountability Office degli Stati Uniti ha pubblicato un rapporto in cui avverte che alcuni satelliti GPS potrebbero subire guasti già nel 2010.
• Due giorni dopo, il 21 maggio 2009, l'Air Force Space Command ha attenuato le preoccupazioni relative a potenziali guasti al GPS, affermando: "Esiste solo un rischio minimo che non continueremo a superare i nostri standard di prestazione."
• L'11 gennaio 2010, un aggiornamento dei sistemi di controllo a terra ha provocato un'incompatibilità software che ha interessato circa 8.000-10.000 ricevitori militari prodotti da una divisione di Trimble Navigation Limited, con sede a Sunnyvale, California.
• Il 25 febbraio 2010, l'aeronautica americana ha incaricato la Raytheon Company di sviluppare il sistema di controllo operativo GPS di prossima generazione (OCX). Questo sistema è progettato per migliorare la precisione e la disponibilità dei segnali di navigazione GPS e rappresenta una componente cruciale degli sforzi di modernizzazione del GPS.
• Il 24 luglio 2020, la supervisione operativa della costellazione GPS è stata trasferita alla neonata U.S. Space Force, in coincidenza con la sua istituzione.
• Il 13 ottobre 2023, la Forza spaziale ha attivato PNT Delta (provvisorio) per supervisionare le risorse di guerra di navigazione degli Stati Uniti. Di conseguenza, le operazioni 2SOPS e GPS sono state riallineate sotto l'ambito di competenza di questo nuovo Delta.

Premi e riconoscimenti

Il 10 febbraio 1993, la National Aeronautic Association ha conferito al team GPS il Robert J. Collier Trophy 1992, il premio aeronautico più stimato negli Stati Uniti. Questo team collaborativo comprendeva ricercatori del Naval Research Laboratory, della US Air Force, della Aerospace Corporation, della Rockwell International Corporation e della IBM Federal Systems Company. Il loro riconoscimento li ha citati "per lo sviluppo più significativo per la navigazione e la sorveglianza sicura ed efficiente di veicoli aerei e spaziali dall'introduzione della radionavigazione 50 anni fa."

Nel 2003, due sviluppatori chiave della tecnologia GPS sono stati insigniti del premio Charles Stark Draper della National Academy of Engineering:

• Ivan Getting, presidente emerito della Aerospace Corporation e ingegnere affiliato al Massachusetts Institute of Technology, ha posto i principi fondamentali del GPS migliorando il sistema radio terrestre della Seconda Guerra Mondiale noto come LORAN (Long-Range Radio Aid to Navigation).
• Bradford Parkinson, professore di aeronautica e astronautica presso l'Università di Stanford, ha concettualizzato l'attuale sistema satellitare all'inizio degli anni '60 e successivamente lo ha sviluppato in collaborazione con l'aeronautica americana. L'illustre carriera militare di Parkinson durò ventuno anni, dal 1957 al 1978, culminando con il suo pensionamento come colonnello.

Lo sviluppatore GPS Roger L. Easton è stato insignito della Medaglia Nazionale della Tecnologia il 13 febbraio 2006. Inoltre, Francis X. Kane (colonnello, USAF, in pensione) è stato inserito nella Hall of Fame dei pionieri spaziali e missilistici dell'aeronautica statunitense presso la base aeronautica di Lackland, San Antonio, Texas, il 2 marzo 2010. Questo riconoscimento ha onorato il suo contributo allo sviluppo della tecnologia spaziale e al concetto di progettazione ingegneristica del GPS, che ha avanzato come parte del progetto 621B. In precedenza, nel 1998, la stessa tecnologia GPS era stata inserita nella Space Foundation Space Technology Hall of Fame.

Il sistema di posizionamento globale (GPS) ha ricevuto il premio per il 60° anniversario dalla Federazione Astronautica Internazionale (IAF) il 4 ottobre 2011, a seguito di una nomina da parte dell'American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA), membro della IAF. Il Comitato per gli Onori e i Premi della IAF ha riconosciuto la natura distintiva del programma GPS e il suo contributo significativo alla promozione della collaborazione internazionale a beneficio globale. Inoltre, il 6 dicembre 2018, Gladys West è stata inserita nella Air Force Space and Missile Pioneers Hall of Fame, un onore che riconosce il suo lavoro fondamentale su un modello geodetico terrestre altamente preciso, strumentale al calcolo dei percorsi orbitali della costellazione GPS. Successivamente, il 12 febbraio 2019, quattro contributori fondamentali al progetto hanno ricevuto il Queen Elizabeth Prize for Engineering. Il presidente della commissione premiante ha sottolineato il loro impatto, affermando: "L'ingegneria è il fondamento della civiltà; ... hanno riscritto, in modo sostanziale, l'infrastruttura del nostro mondo."

Principi

I satelliti GPS sono dotati di orologi atomici altamente stabili, sincronizzati sia internamente che con orologi atomici di riferimento situati nelle stazioni di controllo a terra. Qualsiasi deviazione temporale degli orologi satellitari dall'ora di riferimento mantenuta a terra è soggetta a correzione di routine. Dato che la velocità delle onde radio (equivalente alla velocità della luce) rimane costante indipendentemente dalla velocità del satellite, il ritardo temporale tra la trasmissione del segnale da un satellite e la sua ricezione da parte di una stazione terrestre è direttamente correlato alla distanza che separa i due. Sfruttando i dati sulla distanza acquisiti da diverse stazioni terrestri, è possibile determinare in qualsiasi momento le coordinate spaziali precise di qualsiasi satellite.

Ogni satellite GPS mantiene e trasmette continuamente dati precisi riguardanti la propria posizione e l'ora interna. Utilizzando i dati acquisiti da più satelliti GPS, il ricevitore GPS di un utente può calcolare la sua posizione quadridimensionale nello spaziotempo. Tuttavia, un minimo di quattro satelliti devono trovarsi all'interno della linea di vista del ricevitore per consentire il calcolo di quattro variabili sconosciute: tre coordinate spaziali e lo spostamento dell'orologio del ricevitore rispetto all'ora del satellite.

Descrizione dettagliata

Ogni satellite GPS trasmette continuamente un segnale d'onda portante modulato, che comprende:

• Un codice pseudocasuale, costituito da una sequenza nota di cifre binarie (uno e zero), preprogrammato nel ricevitore. Attraverso l'allineamento temporale di una versione del codice generato dal ricevitore con il codice del segnale ricevuto, è possibile determinare il tempo di arrivo (TOA) per un punto specifico all'interno della sequenza del codice, denominato epoca, in base all'orologio interno del ricevitore.
• Un messaggio di navigazione contenente l'ora di trasmissione (TOT) dell'epoca del codice, riferita alla scala temporale del GPS, insieme alla posizione precisa del satellite in quel momento.

Fondamentalmente, il ricevitore rileva i tempi di arrivo (TOA) dei segnali provenienti da quattro satelliti distinti, facendo riferimento al suo orologio interno. Confrontando questi TOA con i tempi di trasmissione (TOT) trasmessi, il ricevitore ricava quattro valori di tempo di volo (TOF). Questi valori TOF, se moltiplicati per la velocità della luce, producono "pseudo-range", che rappresentano le distanze approssimative tra il ricevitore e ciascun satellite, incorporando l'offset temporale tra l'orologio del ricevitore e l'ora del GPS. Successivamente, il ricevitore calcola le sue coordinate spaziali tridimensionali e la deviazione del suo orologio utilizzando queste quattro misurazioni TOF.

Praticamente, la posizione del ricevitore, espressa in coordinate cartesiane tridimensionali con il centro della Terra come origine, e lo spostamento del suo orologio rispetto all'ora GPS vengono determinati contemporaneamente. Questo calcolo viene eseguito applicando equazioni di navigazione ai valori TOF elaborati.

La posizione centrata sulla Terra calcolata dal ricevitore viene generalmente trasformata in coordinate geodetiche: latitudine, longitudine e altezza, relative a un modello terrestre ellissoidale. Questa componente di altezza può essere successivamente regolata per riflettere il suo valore rispetto al geoide, che si avvicina al livello medio del mare. Tali coordinate possono essere presentate su interfacce come visualizzazioni di mappe in movimento, archiviate o integrate in altri sistemi, comprese le piattaforme di guida dei veicoli.

A partire dal 2025, questi principi fondamentali verranno perfezionati attraverso la continua modernizzazione della costellazione GPS, in particolare con l'implementazione dei satelliti GPS III e GPS IIIF. Questi satelliti avanzati incorporano orologi atomici più sofisticati, che portano a una maggiore precisione di cronometraggio e trasmettono segnali più robusti, sicuri e interoperabili (ad esempio L1C, L2C e L5). Questi progressi migliorano collettivamente la precisione delle misurazioni del tempo di volo (TOF) e rafforzano la resistenza alle interferenze del segnale, aumentando così l'affidabilità dei calcoli della posizione per tutti gli utenti.

Geometria Utente-Satellite

Sebbene non vengano generate esplicitamente durante l'elaborazione del ricevitore, le differenze temporali concettuali di arrivo (TDOA) stabiliscono la geometria di misurazione. Ogni TDOA corrisponde ad un iperboloide di rivoluzione. L'asse di questo iperboloide è definito dalla linea che collega i due satelliti coinvolti e dai suoi prolungamenti. La posizione del ricevitore è determinata dal punto di intersezione di tre di questi iperboloidi.

Un malinteso comune suggerisce che la posizione dell'utente sia determinata dall'intersezione di tre sfere. Sebbene questo modello offra una visualizzazione più semplice, è accurato solo se l'orologio interno del ricevitore è sincronizzato con gli orologi del satellite, consentendo la misurazione delle distanze effettive anziché delle semplici differenze di portata. Significativi vantaggi in termini di prestazioni si ottengono quando l'orologio di un utente è sincronizzato con i satelliti, richiedendo principalmente solo tre satelliti per una soluzione di posizione. Tuttavia, se gli orologi sincronizzati fossero una componente obbligatoria del concetto GPS per tutti gli utenti, si potrebbero utilizzare meno satelliti, ma ciò aumenterebbe sostanzialmente il costo e la complessità delle apparecchiature degli utenti.

Ricevitore in funzionamento continuo

La descrizione precedente illustra lo scenario di avvio di un ricevitore. La maggior parte dei ricevitori incorpora un algoritmo di tracciamento, spesso definito tracker, che integra le misurazioni satellitari acquisite in vari momenti. Questo processo sfrutta la tipica prossimità delle posizioni successive dei ricevitori. Dopo l'elaborazione di una serie di misurazioni, il tracker prevede la posizione del ricevitore per la successiva serie di misurazioni satellitari. Dopo aver raccolto queste nuove misurazioni, il ricevitore utilizza uno schema di ponderazione per unirle con la previsione del tracker. Generalmente, un tracker serve a (a) migliorare la posizione del ricevitore e la precisione temporale, (b) scartare misurazioni errate e (c) stimare la velocità e la direzione del ricevitore.

Uno svantaggio principale di un tracker è il ritardo intrinseco nel calcolo dei cambiamenti di velocità o direzione. Inoltre la direzione derivata diventa imprecisa quando la distanza percorsa tra due misurazioni di posizione si avvicina o scende al di sotto dell'errore casuale associato alla misurazione di posizione. Le unità GPS possono calcolare con precisione la velocità utilizzando le misurazioni dello spostamento Doppler nei segnali ricevuti. I sistemi di navigazione più sofisticati spesso integrano sensori supplementari, come una bussola o un sistema di navigazione inerziale, per aumentare le capacità GPS.

Applicazioni non di navigazione

Una navigazione accurata tramite GPS in genere richiede la visibilità di quattro o più satelliti. La risoluzione delle equazioni di navigazione fornisce non solo la posizione del ricevitore ma anche la discrepanza tra l'orologio interno del ricevitore e l'ora reale. Questa capacità elimina la necessità di un orologio basato sul ricevitore più preciso e potenzialmente poco pratico. Di conseguenza, varie applicazioni GPS, tra cui il trasferimento dell'ora, la temporizzazione dei segnali stradali e la sincronizzazione delle stazioni base cellulari, sfruttano queste informazioni temporali convenienti ed estremamente precise. Mentre alcune applicazioni GPS utilizzano questo tempo per scopi di visualizzazione, altre non lo utilizzano oltre i calcoli fondamentali della posizione.

Mentre in genere sono necessari quattro satelliti per il funzionamento GPS standard, in scenari specifici possono bastarne meno. Se è già stabilita un'unica variabile, un ricevitore può rilevarne la posizione con solo tre satelliti. Ad esempio, una nave in mare aperto ha in genere un'elevazione nota vicina a 0 metri e anche l'elevazione di un aereo potrebbe essere predeterminata. Alcuni ricevitori GPS possono utilizzare segnali o ipotesi supplementari, come richiamare l'ultima altitudine nota, utilizzare la navigazione stimata, incorporare la navigazione inerziale o integrare i dati del computer di bordo di un veicolo, per fornire una soluzione di posizione (anche se potenzialmente degradata) quando sono visibili meno di quattro satelliti.

Struttura

Il moderno sistema di posizionamento globale (GPS) comprende tre segmenti principali: il segmento spaziale, il segmento di controllo e il segmento utente. La US Space Force è responsabile dello sviluppo, della manutenzione e del funzionamento sia del segmento spaziale che di quello di controllo. I satelliti GPS trasmettono segnali dallo spazio, che ciascun ricevitore GPS utilizza quindi per calcolare la sua posizione tridimensionale (latitudine, longitudine e altitudine) e l'ora corrente precisa.

Segmento spaziale

Il segmento spaziale (SS) comprende da 24 a 32 satelliti, noti come veicoli spaziali (SV), che operano nell'orbita terrestre media e incorpora inoltre gli adattatori del carico utile necessari per il loro lancio in orbita tramite booster. Il progetto iniziale del GPS specificava 24 SV, con otto satelliti distribuiti su tre orbite approssimativamente circolari; tuttavia, questa configurazione fu successivamente rivista per includere sei piani orbitali, ciascuno contenente quattro satelliti. Questi sei piani orbitali presentano un'inclinazione di circa 55°, definita come l'inclinazione rispetto al piano equatoriale della Terra, e sono separati di 60° in ascensione retta del nodo ascendente, che denota l'angolo lungo l'equatore da un punto di riferimento all'intersezione dell'orbita. Il periodo orbitale è di circa mezza giornata siderale, in particolare 11 ore e 58 minuti, consentendo ai satelliti di percorrere quotidianamente le stesse tracce terrestri o quasi identiche. Questa configurazione orbitale garantisce che un minimo di sei satelliti rimangano continuamente all'interno della linea di vista da qualsiasi punto della superficie terrestre. Di conseguenza, i quattro satelliti all'interno di ciascuna orbita non sono uniformemente distanziati a intervalli di 90°. Nello specifico, le separazioni angolari tra i satelliti all'interno di ciascuna orbita sono 30°, 105°, 120° e 105°, per un totale cumulativo di 360°.

Operando a un'altitudine approssimativa di 20.200 km (12.600 mi) e un raggio orbitale di circa 26.600 km (16.500 mi), ciascun veicolo spaziale (SV) completa due orbite per giorno siderale, replicando così quotidianamente la sua traccia terrestre. Questa caratteristica si è rivelata estremamente vantaggiosa durante la fase di sviluppo, poiché un corretto allineamento ha consentito a tutti e quattro i satelliti di essere simultaneamente visibili da un'unica posizione per diverse ore al giorno, anche con una costellazione limitata. Nelle applicazioni militari, la ripetizione coerente delle tracce terrestri facilita una copertura affidabile all'interno delle zone di combattimento.

A febbraio 2019, la costellazione GPS comprendeva 31 satelliti, di cui 27 attivamente operativi e il resto designati come unità di riserva. Un 32esimo satellite, lanciato nel 2018, è rimasto in fase di valutazione a partire da luglio 2019. Inoltre, diversi satelliti dismessi persistono in orbita, fungendo da potenziali riserve. L'inclusione di satelliti supplementari migliora la precisione dei calcoli del ricevitore GPS fornendo misurazioni ridondanti. L'espansione del numero dei satelliti ha portato alla transizione verso una disposizione delle costellazioni non uniforme. Questa configurazione non uniforme ha dimostrato miglioramenti sia nell'accuratezza che nell'affidabilità e disponibilità del sistema, in particolare se confrontata con un sistema uniforme durante guasti multi-satellite. La costellazione estesa garantisce in genere che nove satelliti siano visibili in qualsiasi momento da qualsiasi posizione sulla Terra con un orizzonte senza ostacoli, fornendo così una sostanziale ridondanza oltre i quattro satelliti minimamente richiesti per la determinazione della posizione.

Il segmento di controllo

Il segmento di controllo (CS) comprende i seguenti componenti:

1. una stazione di controllo principale (MCS);
2. una stazione di controllo principale alternativa;
3. quattro antenne di terra dedicate; e
4. sei postazioni di monitoraggio dedicate.

L'MCS possiede anche l'accesso alle antenne terrestri della Rete di controllo satellitare (SCN), che forniscono capacità di comando e controllo supplementari, e alle stazioni di monitoraggio della National Geospatial-Intelligence Agency (NGA). Le traiettorie di volo dei satelliti sono meticolosamente tracciate da stazioni di monitoraggio dedicate della US Space Force situate alle Hawaii, nell'atollo di Kwajalein, nell'isola di Ascensione, a Diego Garcia, a Colorado Springs, in Colorado, e a Cape Canaveral, in Florida. Questo tracciamento è potenziato dalle stazioni di monitoraggio NGA condivise situate in Inghilterra, Argentina, Ecuador, Bahrein, Australia e Washington, D.C. Questi dati di tracciamento vengono trasmessi all'MCS, situato presso la base spaziale Schriever, a circa 25 km (16 miglia) a est-sud-est di Colorado Springs, e gestito dal 2° squadrone delle operazioni spaziali (2 SOPS) della forza spaziale statunitense. Successivamente, 2 SOPS comunicano regolarmente con ciascun satellite GPS per fornire aggiornamenti di navigazione, utilizzando antenne di terra dedicate o condivise (AFSCN). Le antenne GPS terrestri dedicate sono posizionate specificamente a Kwajalein, Isola di Ascensione, Diego Garcia e Cape Canaveral. Questi aggiornamenti servono a sincronizzare gli orologi atomici di bordo dei satelliti entro pochi nanosecondi e ad affinare le effemeridi del modello orbitale interno di ciascun satellite. La generazione di questi aggiornamenti utilizza un filtro Kalman, che integra dati provenienti da stazioni di monitoraggio a terra, informazioni meteorologiche spaziali e diversi altri input.

Durante le regolazioni orbitali di un satellite, questo viene contrassegnato come non sano, impedendone l'utilizzo da parte dei ricevitori. Dopo la manovra, gli ingegneri di terra monitorano l'orbita rivista, caricano i dati aggiornati sulle effemeridi e successivamente ripristinano lo stato operativo del satellite. L'Operation Control Segment (OCS) attualmente funziona come segmento di controllo ufficiale, fornendo la capacità operativa necessaria per supportare gli utenti GPS e mantenere le prestazioni del sistema entro parametri specificati.

OCS ha sostituito il sistema informatico mainframe degli anni '70 presso la base aeronautica di Schriever nel settembre 2007. Dopo la sua installazione, il sistema ha facilitato i successivi aggiornamenti e stabilito una struttura fondamentale per una nuova architettura di sicurezza di cui hanno beneficiato le forze armate statunitensi. forze.

OCS è destinato a rimanere il sistema ufficiale di controllo a terra fino a quando il sistema di controllo operativo GPS di nuova generazione (OCX) non avrà raggiunto il pieno sviluppo e lo stato operativo. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti afferma che le future capacità di OCX saranno fondamentali per aumentare l'efficacia della missione GPS, consentendo così alla US Space Force di migliorare i servizi operativi GPS per le forze di combattimento statunitensi, i partner civili e gli utenti nazionali e internazionali. Inoltre, il programma GPS OCX dovrebbe mitigare i costi, abbreviare i tempi di sviluppo e ridurre i rischi tecnici. Il suo design incorpora un'architettura software efficiente e una logistica basata sulle prestazioni, con l'obiettivo di fornire una riduzione del 50% dei costi di mantenimento. Inoltre, si prevede che GPS OCX comporterà costi significativamente inferiori rispetto a un aggiornamento OCS, offrendo allo stesso tempo una capacità quadruplicata.

Il programma GPS OCX costituisce una componente vitale degli sforzi di modernizzazione del GPS e offre funzionalità di garanzia delle informazioni migliorate rispetto al programma GPS OCS esistente.

• OCX è progettato per controllare e gestire i satelliti GPS legacy oltre ai futuri satelliti GPS III e facilitare lo spettro completo dei segnali militari.
• È costruito su un'architettura flessibile in grado di adattarsi rapidamente alle mutevoli esigenze degli utenti, consentendo così l'accesso immediato a dati GPS e allo stato delle costellazioni sicuri, accurati e affidabili.
• Fornisce al personale militare informazioni più sicure, utilizzabili e predittive, migliorando così la consapevolezza situazionale.
• Supporta nuovi segnali modernizzati (L1C, L2C e L5) e incorpora la funzionalità del codice M, una funzionalità assente nel sistema legacy.
• Offre miglioramenti sostanziali nella sicurezza delle informazioni rispetto al programma attuale, comprendendo il rilevamento e la prevenzione di attacchi informatici, nonché la capacità di isolare, contenere e mantenere le operazioni durante tali incidenti.
• Facilita funzionalità di comando e controllo a volume più elevato, quasi in tempo reale.

Il 14 settembre 2011, l'aeronautica americana ha dichiarato la conclusione positiva della revisione preliminare del progetto GPS OCX, affermando la preparazione del programma per la successiva fase di sviluppo. Il programma GPS OCX ha riscontrato ritardi significativi, posticipando il suo lancio previsto al 2021, cinque anni oltre la scadenza iniziale. Nel 2019, il Government Accountability Office ha segnalato dubbi sulla fattibilità della scadenza del 2021.

Il progetto ha continuato a subire ritardi per tutto il 2023 e, a giugno 2023, aveva superato il budget iniziale del 73%. Alla fine del 2023, Frank Calvelli, vice segretario dell'Aeronautica Militare per le acquisizioni e l'integrazione spaziale, indicò che si prevedeva che il progetto diventasse operativo durante l'estate del 2024.

La US Space Force ha ricevuto la consegna dei blocchi OCX I e II dall'appaltatore RTX il 1 luglio 2025, con oltre otto anni di ritardo rispetto al programma e circa 4 miliardi di dollari oltre il budget, attribuito al suo approccio di sviluppo monolitico e al persistente insorgere di funzionalità durante la sua progressione. Se le attuali proiezioni del Government Accountability Office si rivelassero accurate, il nuovo sistema dovrebbe entrare in servizio nel dicembre 2025.

OCX Block 3F è attualmente in fase di sviluppo per facilitare il comando e il controllo dei satelliti GPS IIIF, il cui lancio iniziale è previsto nel 2027.

Segmento utente

Il segmento utenti (Stati Uniti) comprende centinaia di migliaia di militari statunitensi e alleati che utilizzano il servizio di posizionamento sicuro GPS, insieme a decine di milioni di utenti civili, commerciali e scientifici del servizio di posizionamento standard. Tipicamente, i ricevitori GPS sono costituiti da un'antenna, calibrata sulle frequenze trasmesse dal satellite; ricevitori-processori; e un orologio altamente stabile, spesso un oscillatore a cristallo. Inoltre, questi dispositivi possono incorporare un'interfaccia di visualizzazione per presentare all'utente i dati sulla posizione e sulla velocità.

I ricevitori GPS possono incorporare un ingresso per correzioni differenziali, utilizzando il formato RTCM SC-104, in genere tramite una porta RS-232 che funziona a 4.800 bit/s. Tuttavia, la velocità di trasmissione effettiva dei dati è notevolmente inferiore, il che limita di conseguenza la precisione del segnale trasmesso tramite RTCM. I ricevitori dotati di funzionalità DGPS interne generalmente mostrano prestazioni superiori rispetto a quelli che si affidano a dati RTCM esterni. Nel 2006, anche le unità dal prezzo economico erano comunemente dotate di ricevitori WAAS (Wide Area Augmentation System).

Molti ricevitori GPS sono in grado di trasmettere i dati di posizione a un personal computer o ad altri dispositivi tramite il protocollo NMEA 0183. Sebbene la National Marine Electronics Association (NMEA) definisca ufficialmente questo protocollo, i riferimenti disponibili al pubblico hanno consentito lo sviluppo di strumenti open source, come gpsd, per interpretare il protocollo senza violare i diritti di proprietà intellettuale. Inoltre, esistono vari protocolli proprietari, compresi quelli sviluppati da SiRF e MTK. I ricevitori possono stabilire interfacce con altri dispositivi utilizzando diversi metodi, tra cui connessioni seriali, USB o Bluetooth.

Applicazioni

Sebbene inizialmente concepito come uno strumento militare, il GPS è riconosciuto come una tecnologia a duplice uso, con notevoli applicazioni civili.

Il GPS si è evoluto in uno strumento ampiamente adottato e di inestimabile valore in vari settori, tra cui il commercio, la ricerca scientifica, il tracciamento e la sorveglianza. Le capacità di cronometraggio precise del GPS facilitano numerose operazioni quotidiane, come transazioni bancarie, funzionalità di telefonia mobile e persino la regolazione delle reti elettriche attraverso la commutazione sincronizzata.

Civile

Numerose applicazioni civili sfruttano uno o più dei tre componenti fondamentali del GPS: posizione assoluta, movimento relativo e trasferimento temporale.

• Radio amatoriale: il GPS fornisce la sincronizzazione dell'orologio essenziale per diverse modalità digitali, tra cui FT8, FT4 e JS8. Viene utilizzato anche con APRS per il reporting della posizione e spesso si rivela fondamentale durante le operazioni di supporto alla comunicazione in caso di emergenza e catastrofe.
• Atmosfera: il GPS viene utilizzato per studiare i ritardi troposferici, che consentono il recupero del contenuto di vapore acqueo, e i ritardi ionosferici, facilitando il recupero dei conteggi di elettroni liberi. Aiuta anche a determinare gli spostamenti della superficie terrestre derivanti dal carico della pressione atmosferica.
• Astronomia: sia i dati di posizione che quelli di sincronizzazione dell'orologio derivati dal GPS sono parte integrante dell'astrometria, della meccanica celeste e della determinazione precisa dell'orbita. Inoltre, il GPS viene utilizzato nell'astronomia amatoriale con piccoli telescopi e da osservatori professionali per l'individuazione di pianeti extrasolari.
• Veicolo automatizzato: l'integrazione di dati precisi sulla posizione del veicolo con mappe altamente dettagliate fornisce le informazioni contestuali necessarie per il funzionamento autonomo di auto e camion.
• Cartografia: sia i cartografi civili che quelli militari utilizzano ampiamente il GPS per scopi di mappatura.
• Telefonia cellulare: la sincronizzazione dell'orologio, facilitata dal trasferimento dell'ora tramite GPS, è fondamentale per allineare i codici di diffusione tra le stazioni base, consentendo così il trasferimento tra celle e supportando il rilevamento ibrido della posizione GPS/cellulare per le chiamate di emergenza mobili e altre applicazioni. I primi telefoni dotati di GPS integrato furono introdotti alla fine degli anni '90. Nel 2002, la Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti ha imposto questa funzionalità sia sui telefoni che sui ripetitori (per scopi di triangolazione) per consentire ai servizi di emergenza di localizzare i chiamanti del 911. Successivamente, gli sviluppatori di software di terze parti hanno ottenuto l'accesso alle API GPS, inizialmente da Nextel al momento del suo lancio, seguito da Sprint nel 2006 e da Verizon poco dopo.
• Sincronizzazione dell'orologio: la precisione dei segnali orari GPS, specificata a ±10 ns, è superata solo dagli orologi atomici su cui si basano e questi segnali vengono applicati in sistemi come gli oscillatori disciplinati GPS.
• Servizi di emergenza/soccorso in caso di catastrofe: molti servizi di emergenza si affidano al GPS per la localizzazione e la capacità di cronometraggio.
• Radiosonde e sonde a caduta dotate di GPS: questi strumenti misurano e calcolano la pressione atmosferica, la velocità e la direzione del vento ad altitudini fino a 27 km (89.000 piedi) sopra la superficie terrestre.
• Occultazione radio per applicazioni di scienze meteorologiche e atmosferiche.
• Tracciamento della flotta: questa applicazione viene utilizzata per identificare, localizzare e mantenere rapporti di contatto in tempo reale con uno o più veicoli della flotta.
• Geodesia: il GPS contribuisce alla determinazione dei parametri di orientamento della Terra, tra cui il movimento polare giornaliero e sub-giornaliero, le variabilità della durata del giorno, il centro di massa della Terra (movimento del geocentro) e i parametri del campo gravitazionale a basso grado.
• Il geofencing utilizza la tecnologia GPS in sistemi progettati per il tracciamento di veicoli, individui e animali domestici. Queste applicazioni forniscono un monitoraggio continuo della posizione e generano avvisi se l'entità monitorata si allontana da un'area geografica designata.
• Il geotagging implica l'incorporamento di coordinate geografiche nelle risorse digitali, comprese fotografie (in genere all'interno di dati Exif) e altri documenti. Questo processo facilita varie applicazioni, come la creazione di sovrapposizioni di mappe, spesso utilizzando dispositivi specializzati come Nikon GP-1.
• Tracciamento GPS degli aerei.
• Nel settore minerario, l'integrazione del GPS Real-Time Kinematic (RTK) ha sostanzialmente fatto avanzare varie operazioni, tra cui perforazione, spalatura, tracciamento di veicoli e rilevamento, fornendo una precisione di posizionamento a livello centimetrico.
• Il data mining GPS comporta l'aggregazione di informazioni GPS di più utenti per identificare schemi di movimento, traiettorie comuni e punti di interesse. Questi dati vengono attualmente utilizzati nell'ingegneria dei trasporti e delle catastrofi per prevedere la mobilità sia in contesti di routine che di emergenza, comprese le evacuazioni durante uragani, incendi o terremoti.
• I tour GPS utilizzano i dati sulla posizione per presentare dinamicamente contenuti pertinenti, come informazioni relative a un punto di interesse in avvicinamento.
• Salute mentale: facilitare il monitoraggio del funzionamento della salute mentale e della socialità.
• Navigazione: il GPS fornisce ai navigatori misurazioni digitali precise di velocità e orientamento, oltre a dati di posizione accurati in tempo reale, migliorati dalle correzioni dell'orbita e dell'orologio.
• La determinazione dell'orbita per i satelliti in orbita bassa viene effettuata attraverso l'integrazione di ricevitori GPS a bordo, esemplificati da missioni come GOCE, GRACE, Jason-1, Jason-2, TerraSAR-X, TanDEM-X, CHAMP, Sentinel-3 e diversi cubesat, incluso CubETH.
• Misurazioni dei fasori: la tecnologia GPS consente una registrazione temporale estremamente accurata delle misurazioni del sistema di alimentazione, che è fondamentale per il calcolo preciso dei fasori.
• Ricreazione: le applicazioni comprendono attività come geocaching, geodashing, disegno GPS, segnaletica stradale e altre forme di giochi per dispositivi mobili basati sulla posizione, tra cui Pokémon Go.
• Quadri di riferimento: il GPS contribuisce alla creazione e alla densificazione dei quadri di riferimento terrestri all'interno del Sistema di osservazione geodetica globale. Facilita inoltre la co-localizzazione delle osservazioni satellitari a distanza laser e a microonde nello spazio, che è essenziale per ricavare parametri geodetici globali.
• Robotica: robot autonomi e con navigazione automatica utilizzano sensori GPS per calcolare parametri critici tra cui latitudine, longitudine, tempo, velocità e direzione.
• Sport: la tecnologia GPS viene utilizzata in sport come il calcio e il rugby per il controllo e l'analisi del carico di allenamento.
• Rilievo: i topografi utilizzano dati di posizione assoluti per generare mappe e definire con precisione i confini delle proprietà.
• Tettonica: il GPS consente la misurazione diretta del movimento della faglia durante gli eventi sismici. Tra un terremoto e l'altro, i dati GPS possono essere utilizzati per quantificare il movimento e la deformazione della crosta, stimando così l'accumulo di deformazioni sismiche per la creazione di mappe di pericolosità sismica.
• Telematica: questa applicazione integra la tecnologia GPS con computer e sistemi di comunicazione mobile, principalmente nell'ambito della navigazione automobilistica.

Restrizioni sull'uso civile.

Il governo degli Stati Uniti impone controlli sulle esportazioni di determinati ricevitori GPS civili. I dispositivi in ​​grado di funzionare al di sopra di 60.000 piedi (18 km) sopra il livello del mare e a velocità superiori a 1.000 kn (500 m / s; 2.000 km / h; 1.000 mph), o quelli specificamente progettati o modificati per l'uso con missili e aerei senza pilota, sono classificati come munizioni. Questa designazione impone licenze di esportazione del Dipartimento di Stato, anche per unità puramente civili che elaborano solo la frequenza L1 e il codice C/A (Coarse/Acquisition).

La disabilitazione delle operazioni al di sopra di questi limiti specificati esonera un ricevitore GPS dalla classificazione delle munizioni. Tuttavia, le interpretazioni dei fornitori di questo regolamento variano; mentre la regola si applica al funzionamento sia all'altitudine che alla velocità del bersaglio, alcuni ricevitori smettono di funzionare anche quando sono fermi. Questa discrepanza ha creato sfide per i lanci di palloni radioamatoriali, che normalmente raggiungono altitudini di 30 km (100.000 piedi). Queste limitazioni sono applicabili esclusivamente alle unità o ai componenti esportati dagli Stati Uniti. Un mercato internazionale in crescita per i componenti GPS, comprese le unità originarie di altri paesi, offre esplicitamente prodotti designati come esenti da ITAR.

Militare.

A partire dal 2009, le applicazioni GPS militari includono:

• Navigazione: il personale militare utilizza il GPS per la localizzazione oggettiva, anche nell'oscurità o in ambienti sconosciuti, e per coordinare i movimenti di truppe e rifornimenti. All'interno delle forze armate degli Stati Uniti, i comandanti utilizzano l'Assistente digitale del comandante, mentre i gradi inferiori sono dotati del Assistente digitale del soldato.
• I sistemi radio militari che utilizzano modalità di salto di frequenza, come SINCGARS e HAVEQUICK, richiedono una precisa sincronizzazione temporale tra tutte le radio all'interno di una rete. Questa sincronizzazione, tipicamente entro una tolleranza di +/- 4 secondi per SINCGARS, è fondamentale per mantenere la corretta frequenza operativa in ogni dato momento. Inizialmente, i ricevitori GPS militari come il ricevitore GPS leggero di precisione (PLGR) e il ricevitore GPS avanzato per la difesa (DAGR) venivano utilizzati dagli operatori radio per inserire con precisione l'ora negli orologi interni di queste radio. Le radio militari più contemporanee ora integrano ricevitori GPS interni, consentendo la sincronizzazione automatica dell'orologio.
• Il GPS è ampiamente utilizzato da vari sistemi d'arma militari per l'identificazione e il tracciamento di potenziali bersagli terrestri e aerei prima della loro classificazione come ostili. Questi sistemi trasmettono successivamente le coordinate del bersaglio a munizioni guidate con precisione, facilitando un accurato ingaggio del bersaglio. Anche gli aerei militari, in particolare quelli impegnati in operazioni aria-terra, si affidano al GPS per l'acquisizione dei bersagli.
• Il GPS consente di puntare con precisione una vasta gamma di armi militari, inclusi missili balistici intercontinentali (ICBM), missili da crociera, munizioni a guida di precisione e proiettili di artiglieria. Uno sviluppo notevole include ricevitori GPS integrati progettati per resistere ad accelerazioni di 12.000 g o circa 118 km/s² (260.000 mph/s), che sono stati integrati in proiettili di obice da 155 millimetri (6,1 pollici).
• Il GPS svolge un ruolo fondamentale nelle operazioni di ricerca e salvataggio.
• Nelle missioni di ricognizione, il GPS facilita una migliore gestione e coordinamento dei movimenti di pattuglia.
• I satelliti GPS sono dotati di una suite di rilevatori di detonazione nucleare, comprendente un sensore ottico noto come bhangmetro, un sensore a raggi X, un dosimetro e un sensore di impulsi elettromagnetici (EMP) (sensore W). Questi componenti costituiscono una parte significativa del sistema di rilevamento della detonazione nucleare degli Stati Uniti. Il generale William Shelton ha indicato che i futuri satelliti potrebbero interrompere questa funzionalità come misura di risparmio sui costi.

L'implementazione iniziale della navigazione di tipo GPS in guerra è avvenuta durante la Guerra del Golfo Persico del 1991, prima della piena capacità operativa del GPS nel 1995. Ha assistito le forze della coalizione nella navigazione e nell'esecuzione delle manovre. Allo stesso tempo, il conflitto ha evidenziato la suscettibilità del GPS ai disturbi, poiché le forze irachene hanno schierato dispositivi di disturbo vicino a potenziali bersagli, emettendo rumore radio che ha interrotto la debole ricezione del segnale GPS.

La vulnerabilità del GPS ai disturbi rappresenta una minaccia crescente, esacerbata dai progressi nelle apparecchiature di disturbo e nell'esperienza operativa. Nel corso degli anni sono stati segnalati numerosi casi di disturbo del segnale GPS per obiettivi militari. La Russia, ad esempio, sembra perseguire diversi obiettivi strategici attraverso il jamming, tra cui intimidire gli stati vicini, minare la fiducia nella dipendenza dai sistemi americani, promuovere la sua alternativa GLONASS, interrompere le esercitazioni militari occidentali e proteggere le sue risorse dai droni. La Cina utilizza il jamming per scoraggiare gli aerei di sorveglianza statunitensi che operano vicino alle contese Isole Spratly. La Corea del Nord ha condotto diverse importanti operazioni di disturbo vicino al confine con la Corea del Sud e al largo, interrompendo i voli, la navigazione e le attività di pesca. Secondo quanto riferito, le forze armate iraniane hanno interrotto il GPS dell'aereo di linea civile PS752 quando l'aereo è stato abbattuto.

Durante la guerra russo-ucraina, le munizioni guidate tramite GPS fornite all'Ucraina dai paesi della NATO hanno dimostrato vulnerabilità significative, registrando alti tassi di fallimento come conseguenza della guerra elettronica russa. In particolare, il tasso di efficacia dei proiettili di artiglieria Excalibur nel colpire obiettivi è diminuito dal 70% al 6% mentre la Russia adattava le sue strategie di guerra elettronica.

Il GPS svolge un ruolo cruciale nel cronometraggio preciso.

La gestione dei secondi intercalari è una caratteristica distintiva del tempo GPS.

Mentre la maggior parte dei sistemi di cronometraggio derivano il loro riferimento dal Tempo Coordinato Universale (UTC), gli orologi atomici a bordo dei satelliti GPS sono impostati sull'Tempo GPS. Una distinzione fondamentale è che l'ora GPS non incorpora né correzioni per la rotazione terrestre né i secondi intercalari periodici o altri aggiustamenti aggiunti all'UTC. Sebbene l'ora GPS fosse inizialmente allineata con l'UTC nel 1980, successivamente si è discostata. Di conseguenza, l'ora GPS mantiene uno spostamento costante rispetto al tempo atomico internazionale (TAI), con TAI – GPS pari a 19 secondi. Vengono eseguite correzioni periodiche sugli orologi satellitari per garantire la loro sincronizzazione con gli orologi di riferimento terrestri.

Il messaggio di navigazione GPS incorpora la differenza tra l'ora GPS e il tempo universale coordinato (UTC). A gennaio 2017, l'ora GPS era avanzata di 18 secondi oltre l'UTC, una discrepanza attribuita al secondo intercalare introdotto nell'UTC il 31 dicembre 2016. I ricevitori GPS deducono questo offset dall'ora GPS per ricavare l'UTC e i corrispondenti valori del fuso orario. I dispositivi GPS appena attivati ​​potrebbero non visualizzare l'UTC accurato fino alla ricezione del messaggio di offset UTC. Il campo di offset GPS-UTC designato è progettato per ospitare fino a 255 secondi intercalari, utilizzando una rappresentazione a otto bit.

Precisione

L'ora GPS è teoricamente precisa a circa 14 nanosecondi, una precisione limitata dalla deriva intrinseca dell'orologio atomico all'interno dei trasmettitori GPS rispetto all'ora atomica internazionale. Tuttavia, la maggior parte dei ricevitori riscontra una riduzione della precisione durante l'interpretazione del segnale, raggiungendo in genere una precisione di soli 100 nanosecondi circa.

Correzioni relativistiche

Il GPS incorpora due correzioni relativistiche primarie ai suoi segnali orari: in particolare, una riguarda la velocità relativa tra il satellite e il ricevitore, applicando i principi della teoria della relatività speciale, mentre l'altra tiene conto del differenziale di potenziale gravitazionale tra il satellite e il ricevitore, basato sulla relatività generale. Sebbene l'accelerazione satellitare possa essere calcolata in modo indipendente come correzione per applicazioni specifiche, i suoi effetti sono generalmente inclusi nelle correzioni primarie sopra menzionate.

Formato

A differenza della struttura dell'anno, del mese e del giorno del calendario gregoriano, la data GPS è rappresentata dal numero della settimana e dal conteggio dei secondi all'interno di quella settimana. Il numero di questa settimana viene trasmesso come un campo a dieci bit all'interno dei messaggi di navigazione C/A e P(Y), facendolo reimpostare a zero circa ogni 1.024 settimane, o 19,6 anni. La settimana zero GPS è iniziata alle 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) del 6 gennaio 1980. Il primo rollover, in cui il numero della settimana è stato azzerato, si è verificato alle 23:59:47 UTC del 21 agosto 1999 (00:00:19 TAI del 22 agosto 1999), con il secondo rollover alle 23:59:42 UTC del 6 aprile 2019. Affinché un ricevitore GPS possa tradurre accuratamente il segnale della data GPS nella data gregoriana corrente, è necessario inserire una data approssimativa, con una precisione entro 3.584 giorni. Per mitigare questo problema nelle iterazioni successive, il messaggio modernizzato di navigazione civile GPS (CNAV) incorporerà un campo a 13 bit. Questo miglioramento estenderà il periodo di rollover a 8.192 settimane (157 anni), garantendo così la validità fino al 2137, ovvero 157 anni dopo la settimana zero del GPS.

Comunicazione

I segnali di navigazione trasmessi dai satelliti GPS incapsulano diversi dati, tra cui le posizioni dei satelliti, lo stato degli orologi interni e lo stato generale della rete. Questi segnali vengono propagati su due frequenze portanti distinte, che vengono utilizzate uniformemente da tutti i satelliti all'interno della rete. Vengono utilizzati schemi di codifica distinti: una codifica pubblica facilita la navigazione a bassa risoluzione, mentre una codifica crittografata è riservata all'uso da parte delle forze armate statunitensi.

Formato del messaggio

Ciascun satellite GPS trasmette continuamente un messaggio di navigazione su entrambe le frequenze L1 (C/A e P/Y) e L2 (P/Y), ad una velocità dati di 50 bit al secondo. Un messaggio completo richiede 750 secondi (12+1⁄2 minuti) per la trasmissione completa. La struttura fondamentale del messaggio comprende un frame da 1500 bit, segmentato in cinque sottoframe, ciascuno contenente 300 bit e della durata di 6 secondi. I sottoframe 4 e 5 subiscono una sottocommutazione 25 volte ciascuno, richiedendo la trasmissione di 25 frame completi per costituire un messaggio di dati completo. Ciascun sottoframe è composto da dieci parole, ciascuna delle quali ha una lunghezza di 30 bit. Di conseguenza, dati 300 bit per sottoframe, 5 sottoframe per frame e 25 frame per messaggio, ciascun messaggio ammonta a 37.500 bit. Con una velocità di trasmissione di 50 bit al secondo ciò corrisponde a 750 secondi per la trasmissione completa di un messaggio dell'almanacco. Ogni fotogramma di 30 secondi inizia esattamente al minuto o al mezzo minuto, sincronizzato con l'orologio atomico a bordo di ciascun satellite.

Ogni satellite GPS trasmette continuamente un messaggio di navigazione sulle frequenze L1 (C/A e P/Y) e L2 (P/Y) ad una velocità di 50 bit al secondo (vedi bitrate). Il completamento di ogni messaggio completo richiede 750 secondi (12+§56§⁄§78§ minuti). La struttura del messaggio ha un formato base di un frame lungo 1500 bit composto da cinque sottoframe, ciascun sottoframe è lungo 300 bit (6 secondi). I sottoframe 4 e 5 vengono sottocommutati 25 volte ciascuno, in modo che un messaggio di dati completo richieda la trasmissione di 25 frame completi. Ogni sottoframe è composto da dieci parole, ciascuna lunga 30 bit. Pertanto, con 300 bit in un sottoframe moltiplicati per 5 sottoframe in un frame moltiplicati per 25 frame in un messaggio, ciascun messaggio è lungo 37.500 bit. Con una velocità di trasmissione di 50 bit/s, ciò significa 750 secondi per trasmettere un intero messaggio dell'almanacco (GPS). Ogni fotogramma di 30 secondi inizia esattamente al minuto o al mezzo minuto indicato dall'orologio atomico su ciascun satellite.

Il sottoframe iniziale di ogni frame codifica il numero della settimana, l'ora all'interno di quella settimana e i dati sulla salute del satellite. Il secondo e il terzo sottoframe trasmettono le effemeridi, che comprendono i parametri orbitali precisi del satellite. Al contrario, il quarto e il quinto sottoframe trasmettono l'almanacco, fornendo informazioni grossolane sull'orbita e sullo stato per un massimo di 32 satelliti all'interno della costellazione, insieme ai dati di correzione degli errori. Di conseguenza, per ricavare una posizione precisa del satellite da questo messaggio trasmesso, un ricevitore deve demodulare il segnale di ciascun satellite incorporato nella sua soluzione per una durata compresa tra 18 e 30 secondi. L'acquisizione di tutti gli almanacchi trasmessi richiede che il ricevitore demoduli il messaggio per un periodo compreso tra 732 e 750 secondi, equivalenti a circa 12+§78§⁄§910§ minuti.

Tutti i satelliti trasmettono su frequenze identiche, utilizzando la codifica CDMA (code-division multiple access) univoca per consentire ai ricevitori di differenziare i singoli satelliti. Questo sistema utilizza due distinti tipi di codifica CDMA: il codice grossolano/acquisizione (C/A), disponibile per l'accesso del pubblico generale, e il codice preciso (P(Y)), che è crittografato e quindi limitato alle forze armate statunitensi e alle nazioni NATO autorizzate in possesso della chiave di crittografia richiesta.

Le effemeridi vengono aggiornate ogni due ore e mantengono una stabilità sufficiente per un periodo di quattro ore, con disposizioni che consentono aggiornamenti a intervalli di sei ore o più in condizioni operative non nominali. L'almanacco viene generalmente aggiornato ogni 24 ore. Inoltre, vengono caricati dati che coprono diverse settimane successive per tenere conto di potenziali aggiornamenti di trasmissione che potrebbero ritardare i successivi caricamenti di dati.

Frequenze satellitari

Tutti i satelliti trasmettono su due frequenze identiche: 1.57542 GHz (segnale L1) e 1.2276 GHz (segnale L2). La rete satellitare utilizza una tecnica a spettro esteso CDMA (Code-Division Multiple Access), in cui i dati dei messaggi a basso bitrate vengono codificati utilizzando una sequenza di rumore pseudo-casuale (PRN) ad alta velocità unica per ciascun satellite. I ricevitori devono possedere la conoscenza di questi codici PRN per ciascun satellite per ricostruire accuratamente i dati del messaggio trasmesso. Il codice C/A, destinato alle applicazioni civili, trasmette dati a 1,023 milioni di chip al secondo, mentre il codice P, riservato alle operazioni militari statunitensi, trasmette a 10,23 milioni di chip al secondo. La frequenza di riferimento interna dei satelliti è precisamente 10,22999999543 MHz, valore scelto per compensare gli effetti relativistici che fanno percepire agli osservatori terrestri un riferimento temporale divergente rispetto ai trasmettitori orbitanti. La portante L1 è modulata da entrambi i codici C/A e P, mentre la portante L2 è modulata esclusivamente dal codice P. Il codice P può essere crittografato in un codice P(Y), accessibile esclusivamente alle apparecchiature militari dotate dell'apposita chiave di decrittazione. Entrambi i codici C/A e P(Y) trasmettono all'utente informazioni precise sull'ora del giorno.

Tutti i satelliti trasmettono alle stesse due frequenze, 1,57542 GHz (segnale L1) e 1,2276 GHz (segnale L2). La rete satellitare utilizza una tecnica CDMA a spettro esteso in cui i dati dei messaggi a basso bitrate sono codificati con una sequenza pseudo-casuale (PRN) ad alta velocità diversa per ciascun satellite. Il ricevitore deve essere a conoscenza dei codici PRN di ciascun satellite per ricostruire i dati effettivi del messaggio. Il codice C/A, per uso civile, trasmette dati a 1,023 milioni di chip al secondo, mentre il codice P, per uso militare statunitense, trasmette a 10,23 milioni di chip al secondo. L'effettivo riferimento interno dei satelliti è 10,22999999543 MHz per compensare gli effetti relativistici che fanno percepire agli osservatori sulla Terra un riferimento temporale diverso rispetto ai trasmettitori in orbita. La portante L1 è modulata sia dai codici C/A che P, mentre la portante L2 è modulata solo dal codice P. Il codice P può essere crittografato come il cosiddetto codice P(Y) disponibile solo per le apparecchiature militari con una chiave di decrittazione adeguata. Entrambi i codici C/A e P(Y) trasmettono all'utente l'ora precisa.

Il segnale L3, che opera a una frequenza di 1,38105 GHz, facilita la trasmissione dei dati dai satelliti alle stazioni di terra. Questi dati vengono utilizzati dal sistema di rilevamento della detonazione nucleare (NUDET) degli Stati Uniti (USNDS) per il rilevamento, la localizzazione e la segnalazione di detonazioni nucleari (NUDET) nell'atmosfera terrestre e negli ambienti vicini allo spazio. Un'applicazione chiave riguarda l'applicazione dei trattati sul divieto dei test nucleari.

Sono attualmente in corso ricerche sulla banda L4, operativa a 1,379913 GHz, per valutarne il potenziale nel fornire una correzione ionosferica supplementare.

La banda di frequenza L5, operativa a 1,17645 GHz, è stata incorporata durante l'iniziativa di modernizzazione del GPS. Questa frequenza occupa uno spettro protetto a livello internazionale assegnato alla navigazione aeronautica, garantendo così un'interferenza minima o nulla in tutte le condizioni operative. Il primo satellite Block IIF, che trasmette questo segnale, è stato lanciato nel maggio 2010. Successivamente, il 5 febbraio 2016, è stato lanciato il dodicesimo e ultimo satellite Block IIF. Il segnale L5 è costituito da due componenti portanti che sono in quadratura di fase l'una rispetto all'altra. Ciascun componente della portante è sottoposto a modulazione bi-phase shift key (BPSK) da parte di un treno di bit indipendente. Si prevede che il segnale L5, che rappresenta il terzo segnale GPS civile, supporterà le applicazioni per la sicurezza della vita umana nel settore dell'aviazione e migliorerà sia la disponibilità che la precisione.

Nel 2011 LightSquared ha ricevuto una deroga condizionale che consente la gestione di un servizio a banda larga terrestre in prossimità della banda L1. Nonostante la richiesta di licenza iniziale di LightSquared nel 2003 per il funzionamento nella banda da 1525 a 1559 MHz, che è stata sottoposta a commenti pubblici, la FCC ha successivamente incaricato LightSquared di istituire un gruppo di studio collaborativo con la comunità GPS. L'obiettivo di questo gruppo era valutare le prestazioni del ricevitore GPS e accertare i potenziali problemi derivanti dalla maggiore potenza del segnale proveniente dalla rete terrestre di LightSquared. La comunità GPS non aveva sollevato obiezioni alle applicazioni di LightSquared (in precedenza MSV e SkyTerra) fino a novembre 2010, momento in cui LightSquared ha cercato una modifica alla sua autorizzazione per i componenti ancillari terrestri (ATC). Questo deposito specifico (SAT-MOD-20101118-00239) costituiva una richiesta per aumentare significativamente i livelli di potenza, di diversi ordini di grandezza, all'interno della stessa banda di frequenza per le stazioni base terrestri. Ciò ha effettivamente riallocato un segmento di spettro originariamente designato come un "quartiere tranquillo" per i segnali satellitari in un equivalente funzionale di una rete cellulare. Le valutazioni condotte durante la prima metà del 2011 hanno indicato che l'impatto dei 10 MHz inferiori dello spettro sui dispositivi GPS è stato minimo, interessando meno dell'1% di tutte le unità GPS. Al contrario, lo spettro superiore di 10 MHz assegnato per l'uso di LightSquared potrebbe potenzialmente influenzare i dispositivi GPS. Sono state sollevate preoccupazioni riguardo alla possibilità che ciò possa compromettere in modo significativo la qualità del segnale GPS per numerose applicazioni consumer. Secondo la rivista Aviation Week, i successivi test del giugno 2011 hanno confermato un "disturbo significativo" del GPS da parte del sistema LightSquared.

Demodulazione e decodifica

Dato che tutti i segnali satellitari sono modulati su una frequenza portante L1 comune, la loro separazione è necessaria dopo la demodulazione. Questa separazione si ottiene assegnando a ciascun satellite una sequenza binaria unica, denominata codice Gold. Dopo la demodulazione, i segnali vengono decodificati attraverso la somma dei codici Gold associati ai satelliti tracciati dal ricevitore.

Se le informazioni dell'almanacco vengono preacquisite, il ricevitore seleziona i satelliti per il tracciamento in base ai loro codici Pseudo-Random Noise (PRN), che sono identificatori univoci compresi tra 1 e 32. Al contrario, se i dati dell'almanacco sono assenti dalla memoria, il ricevitore avvia una modalità di ricerca fino a quando non viene stabilito un blocco con un satellite. Per ottenere l'aggancio è necessaria una linea visiva senza ostacoli tra il ricevitore e il satellite. Successivamente il ricevitore potrà acquisire l'almanacco ed identificare i satelliti pertinenti al tracciamento. Dopo aver rilevato il segnale di ciascun satellite, il ricevitore lo identifica tramite il suo distinto modello di codice Coarse/Acquisition (C/A). Un ritardo fino a 30 secondi può precedere la stima della posizione iniziale, attribuibile alla necessità di leggere i dati delle effemeridi.

L'elaborazione del messaggio di navigazione facilita la determinazione sia dell'ora di trasmissione che della posizione del satellite in quel momento specifico.

Equazioni di navigazione

Dichiarazione del problema

Un ricevitore elabora i messaggi provenienti dai satelliti per accertarne la posizione e i corrispondenti tempi di trasmissione. I componenti della posizione del satellite, rappresentati da x, y, e z, insieme al tempo trasmesso (s), sono indicati come [x_i, y_i, z_i, s_i]. Qui, il pedice i identifica il satellite specifico, compreso tra 1 e n, dove n deve essere almeno 4. Se l'orologio interno del destinatario registra l'ora di ricezione del messaggio come ${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}}$, l'ora effettiva di ricezione, ${\displaystyle t_{i}={\tilde {t}}_{i}-b}$, incorpora b, che indica la polarizzazione dell'orologio del ricevitore rispetto agli orologi GPS altamente precisi sui satelliti. Questa polarizzazione dell'orologio del ricevitore viene applicata uniformemente a tutti i segnali satellitari in arrivo, presupponendo una perfetta sincronizzazione tra gli orologi satellitari. Di conseguenza, la durata del transito del messaggio viene calcolata come ${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}}$, dove s_i rappresenta l'ora di trasmissione del satellite. Supponendo che il messaggio si propaghi alla velocità della luce, c, la distanza totale percorsa è data da ( t ~<!-- ~ --> i −<!-- − --> b −<!-- − --> s i ) c {\displaystyle \left({\tilde {t}}_i-b-s_i\right)c}.

Per n satelliti, le equazioni che governano sono:

d i = ( t ~<!-- ~ --> i −<!-- − --> b −<!-- − --> s i ) c , i = §6768§ , §7172§ , …<!-- … --> , n {\displaystyle d_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c,\;i=1,2,\dots ,n}

Qui, d_i rappresenta la distanza geometrica o portata tra il ricevitore e il satellite i. I valori senza iscrizione indicano i componenti x, y, e z della posizione del ricevente.

${\displaystyle d_{i}={\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}}$

Definindo gli pseudoarancioni come ${\displaystyle p_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-s_{i}\right)c}$, diventa evidente che si tratta di rappresentazioni distorte dell'intervallo effettivo.

p io = d io + b c , io = §3839§ , §4243§ , . . . , n {\displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,\;i=1,2,...,n} .

Dato che queste equazioni contengono quattro incognite, nello specifico le tre componenti della posizione del ricevitore GPS [x, y, z, b] e il bias dell'orologio, per tentare la soluzione sono necessari almeno quattro segnali satellitari. Queste equazioni possono essere risolte attraverso metodologie algebriche o numeriche. L'esistenza e l'unicità delle soluzioni GPS sono state esplorate da Abell e Chaffee. Se n supera quattro, il sistema diventa sovradeterminato, rendendo necessaria l'applicazione di un metodo di adattamento.

L'entità dell'errore nei risultati di posizionamento dipende dalla distribuzione spaziale dei satelliti ricevuti nel cielo; configurazioni specifiche, in particolare quelle in cui i satelliti sono raggruppati, portano a errori amplificati. Tipicamente, i ricevitori calcolano continuamente un errore stimato per la posizione determinata. Questa stima implica moltiplicare la risoluzione fondamentale del ricevitore per i fattori di diluizione geometrica della posizione (GDOP), che derivano dagli orientamenti celesti relativi dei satelliti utilizzati. Le coordinate geografiche del ricevitore vengono quindi presentate all'interno di un sistema di coordinate definito, come latitudine e longitudine in base al dato geodetico WGS 84 o un sistema nazionale localizzato.

Interpretazione geometrica

Le equazioni GPS sono risolvibili attraverso approcci sia numerici che analitici. Le interpretazioni geometriche possono migliorare significativamente la comprensione di queste metodologie di soluzione.

Sfere

Gli pseudointervalli, che sono gli intervalli misurati, includono intrinsecamente errori di clock. In uno scenario idealizzato in cui le distanze sono perfettamente sincronizzate, queste distanze effettive corrispondono ai raggi delle sfere, ciascuna originata da un satellite trasmittente. La posizione del ricevitore viene successivamente determinata dall'intersezione di queste superfici sferiche. È necessario un minimo di tre segnali satellitari e le tre sfere corrispondenti generalmente si intersecano in due punti distinti. Uno di questi punti di intersezione identifica la posizione del ricevitore, mentre l'altro mostra un movimento rapido attraverso misurazioni successive e in genere non è situato sulla superficie terrestre.

Praticamente, numerose imprecisioni emergono oltre la distorsione dell'orologio, comprendendo errori casuali e potenziale degrado della precisione quando si sottraggono valori quasi identici, in particolare se i centri della sfera sono molto vicini. Di conseguenza, è improbabile che una posizione derivata esclusivamente da tre satelliti raggiunga una precisione sufficiente. L'incorporazione di dati provenienti da ulteriori satelliti può migliorare la precisione grazie alla propensione degli errori casuali a mitigarsi a vicenda e fornendo una separazione più ampia tra i centri delle sfere. Tuttavia, un numero maggiore di sfere tipicamente non convergono in un singolo punto di intersezione. Di conseguenza, viene calcolata un'intersezione approssimativa, comunemente utilizzando il metodo dei minimi quadrati. La disponibilità di più segnali porta generalmente ad un'approssimazione più precisa.

Iperboloidi

Quando lo pseudointervallo tra il ricevitore e il satellite i viene sottratto dallo pseudointervallo tra il ricevitore e il satellite j, rappresentato come p_i − p_j, il bias di clock condiviso del ricevitore (b) viene eliminato, producendo una differenza nelle distanze, in particolare d_i − d_j. Il luogo geometrico dei punti che mantengono una differenza costante di distanza da due punti fissi (in questo contesto, due satelliti) forma un'iperbole in un piano bidimensionale e un iperboloide di rivoluzione (nello specifico, un iperboloide a due fogli) nello spazio tridimensionale. Di conseguenza, utilizzando quattro misurazioni di pseudorange, la posizione del ricevitore può essere determinata all'intersezione delle superfici di tre iperboloidi, ciascuno definito da fuochi su una coppia di satelliti. Quando sono coinvolti più satelliti, le intersezioni multiple risultanti potrebbero non essere uniche, rendendo necessaria la ricerca della soluzione più adatta.

Sfera inscritta

La posizione del ricevitore può essere concettualizzata come il centro di una sfera inscritta (insfera) con un raggio di bc, che deriva dalla polarizzazione dell'orologio del ricevitore b moltiplicata per la velocità della luce c. Questa sfera è posizionata per essere tangente ad altre sfere. Le sfere circoscritte sono centrate sui satelliti GPS e i loro raggi corrispondono agli pseudointervalli misurati p_i. Questa disposizione differisce dalla configurazione precedentemente descritta, dove i raggi delle sfere rappresentavano gli intervalli imparziali o geometrici d_i.

Iperconi

Gli orologi dei ricevitori in genere non hanno la precisione degli orologi satellitari e di conseguenza non sono accuratamente sincronizzati con essi. Questa discrepanza si traduce in pseudointervalli che presentano deviazioni significative dalle distanze effettive dai satelliti. Quindi, lo scostamento temporale tra l'orologio del ricevitore e l'ora del satellite è praticamente indicato come un bias di orologio sconosciuto, indicato con b. Le equazioni rilevanti vengono successivamente risolte contemporaneamente per determinare sia la posizione del ricevitore che la polarizzazione del clock. Lo spazio della soluzione, rappresentato come [x, y, z, b], può essere concettualizzato come uno spaziotempo quadridimensionale, che necessita di segnali provenienti da almeno quattro satelliti. In queste condizioni, ciascuna equazione delinea un ipercono (o cono sferico), caratterizzato dalla cuspide nella posizione del satellite e dalla base che forma una sfera che circonda il satellite. La posizione del ricevitore corrisponde all'intersezione di quattro o più di questi iperconi.

Metodi di soluzione

Minimi quadrati

Se sono accessibili più di quattro satelliti, i calcoli possono utilizzare i quattro satelliti ottimali o un numero maggiore contemporaneamente (fino a tutti i satelliti visibili), a seconda di fattori quali il numero di canali del ricevitore, la capacità di elaborazione e la diluizione geometrica della precisione (GDOP).

L'impiego di più di quattro satelliti si traduce in un sistema di equazioni sovradeterminato privo di una soluzione univoca; tale sistema viene generalmente risolto utilizzando la metodologia dei minimi quadrati o dei minimi quadrati ponderati.

${\displaystyle \left({\hat {x}},{\hat {y}},{\hat {z}},{\hat {b}}\right)={\underset {\left(x,y,z,b\right)}{\arg \min }}\sum _{i}\left({\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}+bc-p_{i}\right)^{2}}$

Iterativo

Le equazioni, siano esse derivate per quattro satelliti o come equazioni ai minimi quadrati per un numero maggiore, mostrano non linearità, richiedendo metodologie di soluzione specializzate. Una strategia prevalente prevede il perfezionamento iterativo basato su una rappresentazione linearizzata di queste equazioni, esemplificata dall'algoritmo di Gauss-Newton.

Inizialmente, il Global Positioning System (GPS) è stato concepito con la presunzione di utilizzare una tecnica di soluzione numerica dei minimi quadrati, antecedente alla scoperta di soluzioni in forma chiusa.

Formato chiuso

S. Bancroft ha ideato una soluzione in forma chiusa per il suddetto sistema di equazioni. Le caratteristiche di questa soluzione sono ampiamente documentate; in particolare, i suoi sostenitori affermano le sue prestazioni superiori in scenari caratterizzati da una bassa diluizione geometrica della precisione (GDOP), in particolare se confrontati con le metodologie iterative dei minimi quadrati.

Il metodo di Bancroft offre un approccio algebrico, piuttosto che numerico, applicabile a scenari che coinvolgono quattro o più satelliti. Per configurazioni con esattamente quattro satelliti, le operazioni primarie comportano l'inversione di una matrice 4x4 e la risoluzione di un'equazione quadratica a variabile singola. Questo metodo produce tipicamente una o due soluzioni per i parametri sconosciuti. Nei casi in cui vengono generate due soluzioni (cosa comune), solo una è generalmente considerata una soluzione plausibile, vicina alla Terra.

Nelle situazioni in cui un ricevitore utilizza più di quattro satelliti per ricavare una soluzione, il metodo di Bancroft utilizza l'inverso generalizzato (in particolare, lo pseudoinverso). È stato affermato che le metodologie iterative, come l'algoritmo di Gauss-Newton, che affrontano problemi dei minimi quadrati non lineari sovradeterminati, in genere producono soluzioni più precise.

Leick et al. (2015) affermano che "la soluzione di Bancroft (1985) rappresenta una soluzione in forma chiusa molto precoce, se non addirittura inaugurale". Le pubblicazioni successive hanno introdotto altre soluzioni in forma chiusa; tuttavia, la loro attuazione pratica rimane incerta.

Analisi delle fonti di errore

L'analisi degli errori GPS indaga sistematicamente le origini delle imprecisioni nei risultati GPS e ne quantifica l'entità prevista. Sebbene i sistemi GPS incorporino correzioni per le discrepanze dell'orologio del ricevitore e altri fattori influenti, persistono alcuni errori residui. Le fonti di errore identificate comprendono misurazioni del tempo di arrivo del segnale, imprecisioni computazionali, fenomeni atmosferici (come ritardi ionosferici e troposferici), effemeridi e imperfezioni dei dati dell'orologio, propagazione del segnale multipercorso e interferenze sia naturali che artificiali. L'entità di questi errori residui dipende dalla diluizione geometrica della precisione. Errori artificiali possono derivare da dispositivi di disturbo, che mettono a rischio la navigazione marittima e aeronautica, o dal degrado deliberato del segnale attraverso la disponibilità selettiva. Quest'ultimo, che limitava la precisione a circa 6-12 m (20-40 piedi), è stato disattivato il 1 maggio 2000.

Miglioramenti nelle applicazioni di precisione e rilevamento

Considerazioni sullo spettro normativo per i ricevitori GPS

Negli Stati Uniti, i ricevitori GPS rientrano nel quadro normativo delle norme Parte 15 della Federal Communications Commission (FCC). I manuali per i dispositivi abilitati GPS commercializzati negli Stati Uniti specificano che, in quanto dispositivi Parte 15, sono obbligati ad "accettare qualsiasi interferenza ricevuta, comprese le interferenze che potrebbero causare un funzionamento indesiderato". Per quanto riguarda specificamente i dispositivi GPS, la FCC impone ai produttori di ricevitori GPS "di utilizzare ricevitori che discriminino ragionevolmente la ricezione di segnali al di fuori dello spettro assegnato". Storicamente, negli ultimi tre decenni, i ricevitori GPS hanno coesistito con la banda del servizio satellitare mobile, discriminando di fatto i segnali provenienti dai servizi satellitari mobili come Inmarsat senza incontrare problemi operativi.

La FCC ha designato lo spettro da 1559 a 1610 MHz per le operazioni GPS L1, mentre la banda del servizio satellitare mobile è assegnata per le comunicazioni satellite-terra di proprietà di LightSquared. Dal 1996, la FCC ha concesso a LightSquared, una società con sede in Virginia, l'accesso in licenza allo spettro adiacente alla banda GPS, in particolare da 1525 a 1559 MHz. Il 1 marzo 2001, il precursore di LightSquared, Motient Services, ha presentato una richiesta alla FCC per utilizzare le frequenze assegnate per un servizio combinato satellite-terrestre. Nel 2002, il GPS Industry Council degli Stati Uniti aveva stabilito un accordo sulle emissioni fuori banda (OOBE) con LightSquared. Questo accordo mirava a impedire che le trasmissioni terrestri dalle stazioni LightSquared invadessero la banda GPS adiacente (da 1559 a 1610 MHz). Nel 2004, la FCC ha adottato formalmente questo accordo OOBE all'interno della sua autorizzazione per LightSquared a implementare una rete terrestre, denominata Ancillary Tower Components (ATC), progettata per integrare il suo sistema satellitare. L'autorizzazione della FCC prevedeva: "Autorizzeremo l'ATC MSS a condizioni che garantiscano che la componente terrestre aggiunta rimanga accessoria all'offerta MSS principale. Non intendiamo, né permetteremo, che la componente terrestre diventi un servizio autonomo". La presente autorizzazione è stata sottoposta a revisione e approvazione da parte del Comitato consultivo radiofonico interdipartimentale degli Stati Uniti, i cui membri includono il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, la Forza spaziale degli Stati Uniti, l'Esercito degli Stati Uniti, la Guardia costiera degli Stati Uniti, la Federal Aviation Administration, la National Aeronautics and Space Administration (NASA), il Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti e il Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti.

Nel gennaio 2011, la Federal Communications Commission (FCC) ha autorizzato condizionalmente i clienti all'ingrosso di LightSquared, come Best Buy, Sharp e C Spire, a procurarsi e rivendere un servizio integrato satellitare-terra da LightSquared. Questo servizio era destinato ai dispositivi che utilizzano solo il segnale terrestre all'interno delle frequenze assegnate da LightSquared da 1525 a 1559 MHz. In precedenza, nel dicembre 2010, i produttori di ricevitori GPS avevano sollevato preoccupazioni con la FCC riguardo alla potenziale interferenza del segnale di LightSquared con i dispositivi GPS. In particolare, le considerazioni politiche della FCC che hanno portato all'ordinanza del gennaio 2011 non comprendevano le modifiche proposte al numero massimo o alla potenza delle stazioni terrestri di LightSquared. L'ordinanza del gennaio 2011 subordinava l'autorizzazione definitiva agli studi sull'interferenza GPS, che sarebbero stati condotti da un gruppo di lavoro guidato da LightSquared con la partecipazione dell'industria GPS e delle agenzie federali. Successivamente, il 14 febbraio 2012, la FCC ha avviato un procedimento per annullare l'ordine di rinuncia condizionale di LightSquared, sulla base della conclusione della National Telecommunications and Information Administration (NTIA) secondo cui non esisteva alcun metodo pratico per mitigare la potenziale interferenza GPS.

I produttori di ricevitori GPS progettano i loro dispositivi per utilizzare lo spettro che si estende oltre la banda designata allocata dal GPS. Alcuni ricevitori GPS sono progettati per utilizzare fino a 400 MHz di spettro su entrambi i lati della frequenza L1 (1575,42 MHz), una scelta progettuale influenzata dai servizi satellitari mobili che trasmettono dallo spazio a terra nelle regioni adiacenti a livelli di potenza commisurati alle loro operazioni. Secondo le norme Parte 15 della FCC, ai ricevitori GPS non è garantita la protezione dai segnali al di fuori del loro spettro specificamente assegnato. Questo contesto normativo spiega la vicinanza delle bande GPS e dei servizi satellitari mobili. La relazione simbiotica inerente a questa allocazione dello spettro mira a garantire un funzionamento cooperativo e senza ostacoli per gli utenti di entrambe le bande.

Nel febbraio 2003, la FCC ha adottato norme che consentivano ai licenziatari del servizio satellitare mobile (MSS), incluso LightSquared, di costruire un numero limitato di torri ausiliarie terrestri all'interno del loro spettro concesso in licenza. Questa iniziativa mirava a "promuovere un uso più efficiente dello spettro wireless terrestre". Le regole del 2003 specificavano che "il [servizio radiomobile commerciale ("CMRS")] terrestre e MSS ATC dovrebbero avere prezzi, copertura, accettazione e distribuzione del prodotto diversi; pertanto, i due servizi sembrano, nella migliore delle ipotesi, sostituti imperfetti l'uno dell'altro che opererebbe in segmenti di mercato prevalentemente diversi. È improbabile che MSS ATC possa competere direttamente con il CMRS terrestre per la stessa base di clienti". Nel 2004, la FCC ha ulteriormente chiarito che queste torri terrestri devono rimanere accessorie, affermando: "Autorizzeremo l'ATC MSS soggetto a condizioni che garantiscano che la componente terrestre aggiunta rimanga accessoria all'offerta MSS principale. Non intendiamo, né consentiremo, che la componente terrestre diventi un servizio autonomo. " Entro luglio 2010, la FCC ha indicato la sua aspettativa che LightSquared utilizzi la sua autorità per offrire un servizio integrato satellite-terrestre, fornendo così "servizi mobili a banda larga simili a quelli forniti dai fornitori di telefonia mobile terrestre e rafforzando la concorrenza nel settore della banda larga mobile". Tuttavia, i produttori di ricevitori GPS hanno affermato che lo spettro concesso in licenza da LightSquared da 1525 a 1559 MHz non è mai stato previsto per la banda larga wireless ad alta velocità. Questa affermazione è fondata sulle sentenze FCC del 2003 e del 2004 sulla componente ancillare terrestre (ATC), che stabilivano chiaramente l'ATC come accessorio alla componente satellitare primaria. Per creare sostegno pubblico a sostegno dell'autorizzazione FCC del 2004 della componente terrestre ausiliaria di LightSquared, distinta da un semplice servizio LTE terrestre all'interno della banda del servizio satellitare mobile, il produttore di ricevitori GPS Trimble Navigation Ltd. ha istituito la "Coalizione per salvare il nostro GPS".

Sia la Federal Communications Commission (FCC) che LightSquared si sono pubblicamente impegnate a risolvere il problema delle interferenze GPS prima che la rete diventi operativa. Secondo Chris Dancy della Aircraft Owners and Pilots Association, i piloti di linea equipaggiati con i sistemi potenzialmente interessati "potrebbero andare fuori rotta e nemmeno rendersene conto". I problemi previsti potrebbero anche avere un impatto sull'aggiornamento del sistema di controllo del traffico aereo da parte della Federal Aviation Administration, sui sistemi di guida utilizzati dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e sui servizi di emergenza locali, compreso il 911.

Il 14 febbraio 2012, la Federal Communications Commission (FCC) ha vietato la rete nazionale a banda larga proposta da LightSquared. Questa decisione ha fatto seguito a una notifica della National Telecommunications and Information Administration (NTIA), l'agenzia federale responsabile del coordinamento dell'uso dello spettro tra militari e altri organismi governativi, in cui si affermava che "non esiste un modo pratico per mitigare potenziali interferenze in questo momento". LightSquared sta attualmente contestando la decisione della FCC.

Sistemi analoghi

In seguito all'implementazione del GPS da parte degli Stati Uniti, anche altre nazioni hanno sviluppato sistemi di navigazione satellitare proprietari, che comprendono:

• Sviluppato contemporaneamente al GPS, il sistema russo di navigazione satellitare globale (GLONASS) ha inizialmente sperimentato una copertura globale incompleta fino alla metà degli anni 2000. L'integrazione della ricezione GLONASS con il GPS in un singolo ricevitore può fornire l'accesso a ulteriori satelliti, facilitando correzioni di posizione più rapide e migliorando la precisione entro due metri (6,6 piedi). Nell'ottobre 2011, la costellazione orbitale completa di 24 satelliti ha raggiunto la piena copertura globale. Il design dei satelliti GLONASS ha subito numerosi miglioramenti, con l'iterazione più recente, GLONASS-K2, lanciata nel 2023.
• Il sistema satellitare di navigazione cinese BeiDou ha iniziato le operazioni globali nel 2018 e ha raggiunto la piena implementazione entro il 2020. Questo sistema comprende satelliti posizionati in tre distinte configurazioni orbitali: 24 satelliti in orbite a cerchio medio, che forniscono una copertura mondiale; 3 satelliti in orbite geosincrone inclinate, che servono la regione Asia-Pacifico; e 3 satelliti in orbite geostazionarie, che coprono specificamente la Cina.
• Il sistema di navigazione satellitare Galileo, un'iniziativa globale sviluppata dall'Unione Europea e dai suoi paesi partner, è diventato operativo nel 2016 e ha raggiunto la piena implementazione entro il 2020. Nel novembre 2018, la Federal Communications Commission (FCC) ha autorizzato l'uso di Galileo negli Stati Uniti. A partire da settembre 2024, la costellazione comprende 25 satelliti operativi. Si prevede che la successiva generazione di satelliti entrerà in funzione dopo il 2026, sostituendo la generazione iniziale, che fungerà quindi da risorsa di backup.
• Il sistema satellitare Quasi-Zenith (QZSS) del Giappone funziona come un sistema di potenziamento basato su satellite GPS, progettato per migliorare la precisione del GPS nella regione Asia-Oceania. Si prevede che le capacità di navigazione satellitare indipendenti, separate dal GPS, saranno operative entro il 2023.
• L'India ha implementato il sistema indiano di navigazione satellitare regionale, designato operativamente come "NavIC" (Navigazione con costellazione indiana).

Sistema di ridondanza

Se le avverse condizioni meteorologiche spaziali o il dispiegamento di un'arma anti-satellite compromettessero la funzionalità GPS, gli Stati Uniti attualmente non dispongono di un sistema di backup terrestre. Si stima che l’impatto economico di un simile evento sull’economia statunitense sia pari a 1 miliardo di dollari al giorno. Il sistema LORAN-C è stato disattivato in Nord America nel 2010 e in Europa nel 2015. Sebbene eLoran sia stato proposto come sistema di backup terrestre per gli Stati Uniti, non aveva ottenuto l'approvazione o il finanziamento a partire dal 2024.

La Cina mantiene trasmettitori LORAN-C operativi, mentre la Russia impiega un sistema comparabile noto come CHAYKA ("Gabbiano").

Annotazioni

Note

Riferimenti bibliografici

"Introduzione all'apparecchiatura utente NAVSTAR GPS" (PDF). Guardia costiera degli Stati Uniti. Settembre 1996. Archiviato dall'originale (PDF) il 21 ottobre 2013. Estratto il 22 agosto 2008.

• "Introduzione all'apparecchiatura utente NAVSTAR GPS" (PDF). Guardia costiera degli Stati Uniti. Settembre 1996. Archiviato dall'originale (PDF) il 21 ottobre 2013. Estratto il 22 agosto 2008.Parkinson; Spilker (1996). The Global Positioning System. American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-1-56347-106-3.Mendizabal, Jaizki; Berenguer, Roc; Melendez, Juan (2009). GPS e Galileo. McGraw Hill. ISBN 978-0-07-159869-9.Bowditch, Nathaniel (2002). The American Practical Navigator – Capitolo 11 Navigazione satellitare . Governo degli Stati Uniti.Milner, Greg (2016). Pinpoint: come il GPS sta cambiando la tecnologia, la cultura e le nostre menti. WW Norton. ISBN 978-0-393-08912-7.
  • Domande frequenti sulla FAA GPS
  • GPS.gov – Sito web generale dell'istruzione pubblica creato dal governo degli Stati Uniti