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Cos'è il GPS II e quali sono gli scenari futuri

Il sistema di geo-localizzazione globale è pronto a entrare in una nuova era con il GPS III: cos'è e come cosa cambia con la nuova costellazione di satelliti
Cos'è il GPS II e quali sono gli scenari futuri FASTWEB S.p.A.

Il Global Positioning System o GPS è diventato fondamentale per la nostra società. Si tratta di una tecnologia radicata nella nostra quotidianità, ma che non si utilizza solo per avere indicazioni stradali o per tenere traccia dei propri allenamenti su smartphone e smartwatch. Ogni giorno il GPS ci consente di eseguire transazioni finanziarie, negoziare azioni, eseguire previsioni del tempo e monitorare terremoti.

Una tecnologia che col tempo è stata affinata e migliorata, tanto da arrivare al lancio del GPS III, che funziona grazie ad una "costellazione" di satelliti in orbita a circa 20mila chilometri di altezza dal suolo, in quella zona del cielo chiamato "orbita media" terrestre. A portare nel cielo lo scorso 5 novembre un nuovo satellite del GPS II, costruito dalla Lockheed Martin, è stato un razzo di SpaceX, partito dalla base di Cape Canaveral in Florida.

La tecnologia GPS ha un impatto economico di 1 miliardo di dollari al giorno solo negli Stati Uniti, secondo uno studio del National Institute of Standards and Technology. Il GPS è diventato negli anni un servizio essenziale che dipende da una manciata di satelliti in orbita che fanno parte dei sistemi satellitari di navigazione globale, o GNSS, che includono il sistema europeo Galileo, quello cinese BeiDou e il russo Glonass. Per questo motivo è necessario preservare questa tecnologia e garantire che i satelliti continuino a funzionare. Ma anche migliorare la tecnologia, per offrire nuove possibilità all'economia globale.

Come funziona il GPS

sistema gpsA garantire la corretta funzionalità e copertura del segnale GPS è la costellazione di satelliti che orbitano intorno alla Terra. Ad oggi, questo sistema è composto da 31 satelliti e il minimo numero di componenti affinché il sistema funzioni correttamente è di 24 satelliti, distribuiti su sei piani orbitali. Gli altri 7 sono satelliti "di scorta" nel caso in cui uno dei 24 dovesse rompersi, per evitare che la copertura del GPS venga meno.

Sostanzialmente, i satelliti GPS sono degli orologi atomici ad alta precisione che orbitano intorno alla terra e sono collegati a una radio che trasmette un segnale orario. I sistemi equipaggiati con GPS a terra, come uno smartphone o semplicemente uno smartwatch, grazie a un chip sono in grado di ricevere il segnale proveniente da quattro o più satelliti contemporaneamente e di misurarne le minime differenze nel tempo di arrivo, fino all'ordine del miliardesimo di secondo (cioè del nanosecondo), calcolando così la posizione anche di un oggetto che è in movimento.

Più è accurata la sincronizzazione dei satelliti, più saranno accurate le informazioni sulla posizione che si vuole calcolare a terra: i dati sul tempo vengono elaborati e tradotti in coordinate precise (latitudine, longitudine e altitudine) per determinare la velocità e la direzione. Proprio su questi dati si basano i moderni sistemi di navigazione come Google Maps, Waze o Apple Maps.

GPS III, cosa cambia

sistema gpsIl sistema GPS è stato dichiarato pienamente operativo dall'Air Force Space Command dell'aeronautica statunitense nel 1995 e a allora è stato sottoposto a regolari aggiornamenti. In questo contesto, si inserisce il GPS III progettato e realizzato da Lockheed Martin, che prevede l'uso di un nuovo tipo di satellite in grado di inviare segnali tre volte più intensamente e con una capacità di resistere alle interferenze otto volte superiore rispetto ai modelli precedenti. Questi satelliti dovrebbero avere una durata di almeno 15 anni, il doppio della precedente generazione, anche se i più vecchi ancora in orbita sono rimasti in attività più tempo del previsto.

Il primo satellite della nuova generazione di GPS è stato lanciato in orbita nel dicembre 2018 ed è diventato operativo a gennaio 2020, mentre il secondo è partito da Cape Canaveral il 5 novembre ed entrerà in servizio entro la fine del 2021. Il contratto firmato da Lockheed Martin con gli Stati Uniti è solo all'inizio del progetto, che prevede la fornitura per 10 satelliti GPS III a un prezzo di 529 milioni di dollari ciascuno. Nel prossimo decennio l'azienda potrebbe produrne ancora per portare a termine la creazione della "costellazione".

Una caratteristica particolarmente importante dei satelliti del GPS III è la modularità, che consentirà in futuro di apportare riparazioni e upgrade tempestivamente, semplicemente sostituendo un modulo danneggiato o inviandone uno nuovo con software aggiornati. Il GPS III comprende anche una nuova frequenza civile, detta L1C, che oltre a dare maggiore potenza al segnale è compatibile con il sistema europeo Galileo. Una soluzione importante, che segue l'autorizzazione nel novembre 2018 da parte della FCC della ricezione dei segnali di Galileo anche negli Stati Uniti.

Avere a disposizione un maggior numero di satelliti nel proprio sistema è molto importante, perché consente di elaborare il segnale in modo più preciso e accurato. I militari statunitensi stanno lavorando per utilizzare sui nuovi satelliti la crittografia M-Code, che promette di incrementare la protezione del sistema dalle interferenze del jamming e dallo spoofing, con cui malintenzionati potrebbero cercare di prendere il controllo di auto e veicoli attraverso il segnale GPS. Queste migliorie garantirebbero un maggior raggio di azione nelle zone di guerra e in futuro, aggiungendo un retro-riflettore laser sui satelliti, si potrà anche perfezionarne il posizionamento in orbita misurandone con estrema precisione la distanza tramite impulsi laser emessi da terra.

GPS III: limiti e scenari futuri

sistema gpsAnche se il sistema GPS può sembrare ormai sempre presente, è più vulnerabile di quanto si creda. Ad esempio, vivendo in una città con edifici alti, si potrebbe verificare l'effetto "canyon urbano" con perdite del segnale fino a quando non si raggiunge una zona con una migliore visuale del cielo. L'altro problema riguarda le interferenze: altri segnali elettromagnetici più vicini e quindi più intensi potrebbero generare un rumore tale da rendere molto difficile se non impossibile la ricezione del segnale GPS. Le onde radio poi non si propagano nell'acqua, tanto che diversi ricercatori stanno cercando di sviluppare delle alternative per realizzare il primo GPS subacqueo.

Risolvere le vulnerabilità riscontrate non è semplice e richiederà tempo. Una delle soluzioni potrebbe essere una sorta di backup, realizzando un servizio GPS a terra che però potrebbe non essere altrettanto efficace. Intanto non resta che procedere alla modernizzazione del sistema di satelliti già esistente, portando a termine lo "switch off" dal GPS II al GPS III.

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