IL SISTEMA NAVSTAR GPS

Al momento della creazione dei primi tracciati per questo sito si stavano timidamente affacciando sul mercato i primi ricevitori NAVSTAR GPS a costo accessibile e veramente tascabili, pertanto la vera diffusione di massa di questi strumenti stava per cominciare. Oggi la situazione è ben diversa, e l'utilizzo della tecnologia GPS è ormai alla portata di tutti; i ricevitori disponibili sul mercato sono tantissimi, di diverse marche e di tutti i prezzi, pertanto ritengo opportuno inserire in queste pagine perlomeno un discorso introduttivo sul funzionamento del GPS in generale e sul suo utilizzo in montagna in particolare.
L'argomento meriterebbe in realtà una trattazione ben più approfondita (un ricevitore GPS è ormai presente quasi in ogni automobile, negli smartphone, in molti smartwatch, sui velivoli, in video e fotocamere, nei droni...), ma per il "nostro" uso escursionistico/alpinistico ci possiamo limitare alle considerazioni qui esposte.

Il sistema satellitare NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System, d'ora in poi per brevità "GPS") è stato introdotto a scopi militari dagli Stati Uniti negli anni '70 (operativo dal 1994), al fine di realizzare un sistema di navigazione globale preciso, affidabile, indipendente dalle condizioni meteo e inattaccabile, come alternativa al LORAN (LOng RAnge Navigation) che è dipendente da più vulnerabili stazioni terrestri (a partire dal 2007 è attivo anche l'analogo sistema russo GLONASS, GLObal NAvigation Satellite System; dal 15 dicembre 2016 è in funzione anche il sistema europeo Galileo ed esistono anche il sistema cinese BeiDou dal maggio 2020, quello giapponese QZSS, l'IRNSS indiano. Alcuni ricevitori di ultima generazione possono utilizzare più sistemi per maggior precisione). È basato su una costellazione di 31 satelliti posti su 6 orbite circolari non geostazionarie inclinate di 55° rispetto all'equatore (almeno 4 satelliti per piano orbitale) aventi un raggio di circa 26560 Km; il periodo di rivoluzione è di 11h58'2". L'immagine a destra, con la Terra fortemente ingrandita, schematizza il posizionamento delle orbite e la distribuzione dei satelliti GPS.
I satelliti inviano due segnali sulle frequenze di 1,57542 (L1) e 1,22760 THz (L2); il primo, utilizzato per scopi civili (servizio SPS), consente precisioni (dal 2/5/2000, quando l'errore introdotto volutamente con la "disponibilità selettiva" è stato rimosso) nell'ordine di qualche metro, più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni quotidiane; il secondo, per uso militare (servizio PPS) ed ingegneristico, serve per la localizzazione con precisione centimetrica. I ricevitori per uso civile di ultima generazione sono in grado di ricevere anche la frequenza L2.
Ogni satellite è dotato di un gruppo di orologi atomici al cesio e/o al rubidio (a seconda della generazione a cui appartiene il satellite), indispensabili per garantire la massima affidabilità del sistema. Le correzioni all'orbita avvengono grazie a razzi ad idrazina.

I satelliti inviano costantemente dati digitali alla velocità di 50 bps comprendenti molte informazioni, la propria posizione e l'istante di trasmissione. Conoscendo quest'ultimo, alla ricezione di un segnale l'apparecchio è in grado di riconoscere da quale satellite (e quindi da che punto dello spazio) arrivi il segnale e può determinare il ritardo con cui questo è stato ricevuto, calcolando di conseguenza la distanza dal trasmettitore e quindi il raggio della sfera, centrata sul satellite, su cui si potrebbe trovare.
Un secondo segnale, proveniente da un secondo satellite, permette di restringere il campo delle possibili posizioni a un cerchio, che è l'intersezione delle due sfere, e un terzo satellite consente di individuare due punti (intersezioni del cerchio precedente con la terza sfera) in cui il ricevitore può trovarsi. Uno dei due viene scartato essendo generalmente in movimento rapidissimo a quota elevatissima, e il rimanente è la vera posizione del ricevitore sulla (o nei pressi della) superficie terrestre (nell'immagine a sinistra l'intersezione di tre sfere in un punto).
Va da sè che per determinare la posizione (fix) sarebbe teoricamente necessaria la ricezione stabile dei segnali di tre satelliti. Per ovviare all'imprecisione dell'orologio incorporato nel ricevitore e ottenere anche un'indicazione di quota (fix 3D) è necessario un quarto satellite. È anche ovvio che più i satelliti sono lontani e in direzioni diverse, minore sarà l'incertezza e quindi maggiore la precisione (il parametro della valutazione della disposizione dei satelliti è detto DOP = diluizione della precisione, e può amplificare l'effetto degli errori di rilevamento); a dire il vero i satelliti prossimi all'orizzonte sono quelli il cui segnale subisce più alterazioni, e i satelliti più affidabili sono quelli che si trovano intorno ai 15° di elevazione. Maggiore è il numero dei satelliti ricevuti e minore sarà l'errore, grazie alla ridondanza delle misurazioni.
Gli errori nella lettura della posizione possono venire da rallentamenti, deviazioni e riflessioni del segnale dovuti ad esempio all'attraversamento della ionosfera, a ricezione multipath, a imprecisioni nelle orbite, alla relatività (l'effetti combinato del moto del satellite rispetto alla Terra e del potenziale gravitazionale provoca un anticipo di 38 μS), a errori negli orologi ecc. ecc.
Un miglioramento della precisione si può ottenere, in ricevitori predisposti, utilizzando anche altri segnali come quelli trasmessi dai satelliti geostazionari WAAS (USA) o EGNOS (Europa).

I dati inviati dai satelliti sono divisi in pacchetti da 1500 bit; la durata della trasmissione a 50 bps di ogni pacchetto è 30". Ogni pacchetto è diviso in 5 parti da 300 bit. Le prime tre contengono informazioni come data, ora, orbita, correzione dell'orologio e altri dettagli. Le altre due parti contengono invece l'almanacco, che informa il ricevitore circa la posizione di tutti i satelliti. La trasmissione dell'almanacco completo richiede 25 pacchetti, in quanto viene diviso appunto in 25 parti, inviate una dopo l'altra nei 2/5 finali di ogni pacchetto.
Alla prima accensione di un GPS nuovo è necessario attendere quindi la ricezione di questi 25 pacchetti da 30" ognuno (per un totale di 12'30") prima di poter utilizzare l'apparecchio che, una volta ottenuti tutti i dati con cui "partire", sarà finalmente in grado di rilevare la propria posizione sotto forma di latitudine, longitudine e quota.
Il ricevitore GPS fa infatti proprio questo: determina la propria posizione sulla terra o in cielo. Tutti i rimanenti dati derivano dall'elaborazione delle informazioni provenienti da questa funzione essenziale; la visualizzione di una traccia è il risultato di una sequenza continua di letture di posizione, la memorizzazione di un waypoint è semplicemente la registrazione di un gruppo di dati comprendenti principalmente la posizione.

La varietà di utilizzi che il GPS permette è molto grande, pertanto è opportuno distinguere alcune famiglie di apparecchi dal momento che non tutti permettono di fare quello che si vuole in ogni occasione.

- GPS portatili non cartografici: delle dimensioni di un cellulare o poco più (ma esistono anche modelli da polso), rappresentano gli apparecchi "entry-level", sono i più a buon mercato essendo dotati delle sole funzioni di base ma sono già adatti per l'uso escursionistico; tra i più diffusi ricordiamo i modelli base di eTrex (compreso i più recenti eTrex 10 ed eTrex SE - a sinistra il capostipite della serie eTrex in volo su un ULM Bingo 503). Non sono dotati di alcuna cartografia, ma sono comunque in grado di fornire, oltre alla propria posizione, tutta una serie di dati importanti come quota, direzione, distanza da un punto memorizzato e suo rilevamento, distanza percorsa, e permettono di tornare sui propri passi fino al punto di partenza. Attraverso una connessione (seriale o USB) con un computer è possibile trasferire, di solito in entrambe le direzioni, dati relativi alle tracce percorse o da seguire e ai waypoint memorizzati. I modelli più completi dispongono di bussola elettronica e altimetro barometrico digitale. I pregi dei GPS basici vanno ricercati soprattutto nella semplicità di utilizzo e nel basso costo.

- GPS portatili cartografici: costituiscono lo scalino superiore ai modelli base (a destra l'eTrex 30), ma per certi versi sono in assoluto i più versatili, seppur naturalmente a un costo più elevato (indicativamente dai 180 € in su). Dispongono di una memoria interna (e/o di uno slot per scheda di memoria, solitamente una comunissima MicroSD/MicroSDHC) in cui caricare la cartografia digitale che si ritiene più utile in quanto lo stesso apparecchio è generalmente in grado di gestire ad esempio dati stradali, nautici, escursionistici, curve di livello (esistono numerosi prodotti commerciali ma anche pacchetti open source di libero utilizzo). Sul display, che può essere in bianco e nero ma più spesso a colori, possono visualizzare la propria posizione sulla cartina (scalabile a piacere) e permettono di seguire rotte precalcolate; oltre a tutte le funzioni di base comprendono spesso una gestione avanzata dei waypoints, delle tracce e delle rotte, e sono in grado di guidare l'utilizzatore durante la navigazione su queste ultime con indicazioni sonore e visive; funzioni presenti sui modelli più sofisticati includono la bussola magnetica, l'altimetro barometrico e la capacità di generare rotte sulla base della cartografia (sentieri inclusi) e poter pertanto essere utilizzati anche come navigatori stradali. La connessione con un computer (quasi sempre USB) è utilizzata sia per l'upload della cartografia, delle tracce da seguire e dei POI (Point of Interest) che per il download dei tracciati registrati, dei waypoint, il backup dei dati e l'aggiornamento del firmware. Alcuni modelli permettono anche il trasferimento wireless di dati come tracciati e waypoint tra unità gemelle e l'interfacciamento con sensori esterni, e possono disporre di una connessione Bluetooth con lo smartphone e Wi-Fi.

- Navigatori stradali: sono uno strumento di navigazione dedicato all'utilizzo automobilistico o motociclistico; dispongono di una cartografia stradale generalmente molto dettagliata e aggiornabile e sono in grado di guidare l'utilizzatore da un punto all'altro (con precisione fino al numero civico) con indicazioni visive, grafiche anche 3D e vocali. Rappresentano una fetta notevolissima del mercato e sono anche un oggetto hi-tech a cui molti non rinunciano nell'acquisto di una nuova automobile, su cui quasi sempre è offerto integrato nel cruscotto di serie o come optional, ma esistono anche in versione portatile. Dispongono quasi sempre di display touch-screen e di funzioni accessorie come il riproduttore di MP3 o il vivavoce Bluetooth per il cellulare. Svolgono egregiamente il loro compito su strada, ma per l'uso escursionistico e alpinistico sono senza dubbio inadatti.

- Computer palmari con GPS: si tratta essenzialmente di un normale computer palmare, integrante anche un'antenna e un ricevitore GPS. Un apposito software presente nella memoria del computer elabora i dati e si occupa di tutte le funzioni che generalmente si trovano in un portatile cartografico, con un buon display a colori e tutte le funzioni necessarie. L'autonomia senza alimentazione esterna è spesso piuttosto scarsa, e questo rappresenta un po' un grave limite per l'escursionista.

- Ricevitori GPS esterni per computer: non sono un GPS "standalone", mancando completamente di capacità di elaborazione e visualizzazione; il loro compito è quello di inviare attraverso un collegamento solitamente USB o Bluetooth i dati a un computer, un palmare o un cellulare predisposto, che si occupa di svolgere le funzioni di localizzazione e navigazione attraverso specifici software. Assolutamente inutili in montagna.

- Smartphone con GPS: molto versatili e con ampia scelta di funzioni, software e cartografia, possono fare le veci di un GPS palmare con l'interessante possibilità aggiuntiva di accedere a mappe, immagini satellitari e foto online (dove è disponibile una connessione mobile) o offline (se permesso dal software), ma l'autonomia di funzionamento con GPS attivato e display acceso è da verificare preventivamente, insieme all'effettiva visibilità del display al sole. A destra una schermata di OSMAnd su S5 mini con cartografia OpenStreetMap offline.

- Tablet con GPS integrato: discorso analogo alla categoria precedente, con il vantaggio di un display più grande ma il non trascurabile problema aggiuntivo del maggiore ingombro.

- Orologi e smartwatch con GPS: uniscono le funzioni e la praticità di un orologio con alcune di quelle base di un GPS; tuttavia le dimensioni del display non facilitano l'uso di cartografia dettagliata (molti modelli non sono cartografici del tutto, altri consentono invece l'uso di mappe online e/o offline). In generale il loro scopo, più che la navigazione e l'orientamento, è la raccolta di dati sull'itinerario, il calcolo delle calorie consumate e della distanza percorsa, l'ottimizzazione dell'attività fisica in determinate discipline.

- Altri GPS: sono concepiti per usi e installazioni specifici, come la navigazione aerea o navale e per l'utilizzo topografico. Nel primo caso i modelli più completi, muniti di cartografia aeronautica dettagliata e ovviamente aggiornabile, sono integrati nell'avionica e possono sostituire praticamente tutti gli strumenti del velivolo con uno o addirittura due o più grandi pannelli a colori ("glass cockpit"), comprendenti moving-map tridimensionale, visione sintetica, indicazione della rotta da seguire, degli spazi aerei da incontrare o evitare, delle frequenze per le comunicazioni radio, di tutti i dati su aeroporti e aviosuperfici, nonchè fornire tutte le informazioni indispensabili per il volo, come quota, distanza dal terreno, bussola, anemometro, orizzonte artificiale, HSI, strumenti motore ecc. ecc., ricevere e visualizzare dati in tempo reale dai satelliti meteorologici e dialogare con il radar meteo e con l'autopilota, portando fisicamente il mezzo da un luogo all'altro lungo la rotta prestabilita. La tecnologia attuale mette a disposizione queste funzioni, una volta riservate a velivoli commerciali e militari, anche per l'aviazione leggera e ultraleggera (a prezzi proporzionati alle prestazioni e... praticamente senza limiti).
Nelle foto a sinistra un GPS integrato nel pannello di un ultraleggero Pioneer 300 e un drone Parrot Anafi in volo (© 2018 MS Mountain), in grado di navigare autonomamente e mantenere la posizione grazie ad un ricevitore GPS/GLONASS/Galileo onboard.