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Mensile di attivitÀ politico-culturale
Scienza e tecnica
Gianluca Pititto
LOCALIZZAZIONE GPS
E SISTEMI DI NAVIGAZIONE INERZIALE
A parziale integrazione dell’articolo presentato in queste pagine dal titolo Armi Intelligenti Nelle Guerre Moderne, spendiamo alcune righe su un paio di tecnologie che in quell’articolo sono state citate e che meritano un minimo di approfondimento, nell’obiettivo di facilitare la comprensione dei temi trattati a suo tempo anche a chi non fosse particolarmente avvezzo agli artifici tecnologici in uso nel campo della navigazione e della guida automatizzata di mezzi aerei (velivoli in senso generale). In particolare, sul GPS dedicheremo in futuro un approfondimento di maggior respiro, viste le crescenti e disparate applicazioni, soprattutto in campo civile, che questa tecnologia sta avendo ai nostri giorni.
Il Sistema di Posizionamento Globale (GPS). Il GPS (Global Positioning System) rappresenta un esempio di sistema tecnologico realizzato originariamente per scopi militari e, successivamente, esteso anche ad applicazioni civili. Attualmente il sistema è impiegato in entrambe le sfere della vita sociale e le sue applicazioni, con un crescente aumento nell’ambito civile.
Il GPS è stato progettato, sviluppato e realizzato dagli Stati Uniti, a partire da una specifica emanata dal Dipartimento della Difesa USA nel lontano 1973: nel 1995 è stata dichiarata ufficialmente la piena operatività del sistema, dopo oltre 20 anni di ricerche e sviluppo. Alla base della nascita di questo complesso sistema tecnologico vi fu l’esigenza di dotare le forze armate americane di un innovativo sistema di radionavigazione, la cui accuratezza e flessibilità fosse di gran lunga superiore a quella dei suoi predecessori.
Nacque così l’idea di una costellazione di 24 satelliti artificiali orbitanti attorno alla Terra, costantemente controllati e monitorati da una rete di stazioni terrestri.
I 24 satelliti sono collocati su 6 orbite ciascuna con 4 satelliti, la cui geometria -in particolare- è tale da garantire che da qualunque punto della superficie terrestre siano ‘osservabili’ in ogni momento almeno 5 satelliti della costellazione (in assenza, ovviamente, di ostacoli naturali o artificiali alla visuale,).
Ciascun satellite invia verso Terra segnali opportunamente codificati, che possono essere captati (a terra, in mare, in cielo) da ricevitori oggi sempre più compatti, il cui software è in grado di elaborare tali segnali e ricavare da essi un’informazione accurata, in particolare sulla posizione geografica (coordinate e quota) del ricevitore (e, quindi, dell’apparato su cui esso è collocato). Il procedimento si basa su operazioni un po’ complesse di triangolazione, effettuate a partire dall’istante di ricezione dei segnali captati da quattro diversi satelliti (caso ottimale), essendo noti al software di calcolo del ricevitore i dati orbitali dei satelliti e, dunque, la loro posizione nello spazio istante per istante (ciò consente di associare ad ogni satellite una sorta di ‘sfera’ di centro noto nello spazio e raggio pari alla distanza satellite-ricevitore, anch’essa calcolabile).
La precisione delle misurazioni GPS, in condizioni ottimali di ricezione dei segnali, è attualmente dell’ordine del metro in qualunque regione del globo se ne faccia uso. E con particolari ‘versioni’ della stessa tecnologia (dette differenziali) si può giungere a precisioni anche al di sotto del metro.
Nata, come detto, in ambito militare, la tecnologia GPS ha tuttavia suggerito ben presto una crescente quantità di applicazioni possibili e di grande utilità in campo civile. Di esse parleremo diffusamente nel preannunciato approfondimento del tema che faremo in uno dei prossimi numeri del nostro mensile. Tuttavia possiamo già qui ricordare alcuni impieghi immediati, relativi –ad esempio- al miglioramento della gestione e sicurezza del traffico aereo, marittimo e stradale, localizzazione di persone o apparati dispersi, servizi di natura più disparata legati alla conoscenza a priori della geolocalizzazione di risorse sul territorio (servizi commerciali, sociali, etc.) e loro relazionamento alla posizione geografica in tempo reale dell’utente (Sistemi Informativi Geografici integrati su palmari e telefonini di ultima generazione).
Sistema di Navigazione Inerziale (INS). Anche qui ci troviamo di fronte ad un’applicazione tecnologica sviluppata in campo militare (inizialmente in ambito navale-sottomarino, poi navale di superficie ed, infine, aeronautico) e successivamente adottata anche per impieghi civili.
Per definizione, un Sistema di Navigazione Inerziale (Inertial Navigation System – INS) è un apparato, completamente indipendente, capace di calcolare rotte fra due qualunque punti della Terra senza aver bisogno di comunicare con altre fonti esterne di informazione (in pratica senza aver bisogno di riferimenti visivi o elettronici esterni). Nonostante gli apparati che lo compongono siano normalmente piuttosto ingombranti, complessi e costosi, l’INS presenta caratteristiche uniche tra i sistemi di navigazione oggi in uso –proprio grazie alla sua precisione ed indipendenza da altre fonti di informazioni- e questo ne giustifica in pratica l’adozione su molti aeromobili, sia per uso civile, che per uso militare (in alcuni casi è possibile addirittura trovare diversi INS sullo stesso aeromobile, con funzioni di supporto reciproco alla navigazione). Un sistema di questo tipo continua, dunque, a funzionare anche in caso di inagibilità delle stazioni di radionavigazione di terra, non può subire interferenze informative esterne (nel caso militare, lo jamming cui si è accennato nell’articolo Armi Intelligenti Nelle Guerre Moderne) ed è in grado di funzionare in qualunque parte del mondo, con precisione esclusivamente dipendente dalla tecnologia utilizzata (di fatto, non esistono limi teorici a tale precisione, ma solo limiti imposti da considerazioni di ordine pratico e tecnologico).
Il principio di funzionamento di un INS è semplice in teoria, ma ciò non deve ingannare, in quanto la sua traduzione in termini pratici si risolve in uno degli apparati più complessi di cui un aeromobile può essere dotato. Rimanendo, tuttavia, in questa sede sulle questioni di principio, possiamo dire che un INS calcola – grazie ad un elaboratore adeguatamente sofisticato- una continua precisa stima della rotta seguita dall’aeromobile, partendo da una condizione iniziale nota (in partenza) e misurando continuamente parametri di volo quali velocità, direzione, tempo trascorso, etc.: tali informazioni consentono di misurare via via le nuove posizioni raggiunte nello spazio dall’aeromobile. La precisione dell’INS viene accresciuta dalla capacità del sistema di ‘avvertire’ minime variazione di velocità e direzione del sistema (dell’ordine di millesimi di ‘g’, dove g è un parametro di riferimento nel calcolo delle accelerazioni e corrisponde al valore da essa assunto nel caso della forza gravitazionale terrestre): ciò consente al calcolatore dell’unità non solo di misurare la posizione attuale, ma anche di effettuare vere e proprie proiezioni delle posizioni future che assumerà l’aeromobile.
Ci guarderemo bene dall’affrontare con maggior dettaglio, in questa sede, i meccanismi estremamente complessi che intervengono nel funzionamento di un INS. Senza entrare in ulteriori sofisticati tecnicismi concludiamo ricordando che, proprio a causa dei citati limiti tecnologici, la stima della rotta presenta sempre comunque un errore, per quanto minimo. Per dare degli ordini di grandezza possiamo dire che i sistemi attualmente in uso sugli aerei di linea sono capaci di una precisione di 1,7 miglia-nautiche/ora (cioè, la posizione risulta approssimata di 1,7 miglia nautiche dopo la 1° ora di navigazione, 3,4 miglia dopo la 2°, e così via). I sistemi militari raggiungono viceversa precisioni al di sotto delle 0,2 miglia-nautiche/ora.
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