Category: Navigazione GPS

Molti di noi si affidano al GPS per spostarsi, camminare e trovare luoghi nuovi ed entusiasmanti da visitare. Tanto che molti di noi sarebbero letteralmente persi senza la possibilità di tirare fuori i nostri telefoni per una navigazione istantanea e senza sforzo.

Navigazione per interni

Cammina all’interno di quasi tutti gli edifici e scoprirai che il GPS diventa frustrantemente inutile. Qualche piccolo passo all’interno di un edificio a volte può trasformare i navigatori più sicuri in viaggiatori diffidenti, che faticano a trovare la loro strada. Lasciata con poca scelta, la maggior parte di noi lo accetta come un dato di fatto, ripone i telefoni e cambia i mezzi più convenzionali per orientarsi: cercare segnali in alto, seguire indicazioni scritte o chiedere aiuto alle persone.

È certamente vero che i nostri attuali mezzi di navigazione indoor lasciano molto a desiderare, soprattutto se confrontati con la loro controparte outdoor. Il GPS è una meraviglia della tecnologia, ma molto raramente collabora all’interno, e per una buona ragione; I segnali GPS vengono trasmessi dai satelliti in orbita attorno alla Terra. Questi segnali sono stati progettati per permeare l’atmosfera, la nebbia, la pioggia e la vegetazione, non mattoni e malta, pietra e cemento.

GPS per interni

Quindi, cosa ci vorrebbe per ottenere un GPS interno?

Avremmo bisogno del tipo di tecnologia che consente agli utenti di orientarsi all’istante in un nuovo edificio o trovare oggetti di interesse con la stessa facilità che Google Maps e Waze forniscono all’aperto. Esistono tecnologie di questo tipo? Una ricerca ottimistica su Google sembrerebbe indicare che lo fanno.

Non mancano le aziende di tecnologia di localizzazione che annunciano le loro soluzioni come il proiettile d’argento del tracciamento indoor. Queste tecnologie includono qualsiasi cosa, dal Bluetooth ai segnali geomagnetici, tuttavia, queste soluzioni sono ancora ben lontane dall’essere scelte ovvie. Alcuni di essi richiedono un’infrastruttura dedicata, altri non funzioneranno a meno che non sia stato completato in anticipo un sopralluogo in loco, mentre altri richiedono ancora l’implementazione di hardware costoso.

Un vero GPS per interni dovrebbe fornire agli utenti un’esperienza senza soluzione di continuità, richiedendo uno sforzo minimo o nullo da parte degli utenti e non richiederebbe loro di aver visitato i locali prima di tentare la navigazione. Qualsiasi soluzione che non possa fornire quel tipo di esperienza sarebbe, molto probabilmente, destinata all’oscurità

Le soluzioni in grado di superare il limite e presentare agli utenti una versione interna del GPS sono garantite per diventare uno standard di tracciamento wireless commerciale e personale rivoluzionario.

Ma supponendo che avessimo una tecnologia di localizzazione onnipresente, istantanea e senza vincoli… Cosa ne faremmo?

Tecnologia di localizzazione senza vincoli

Immagina di poter andare direttamente alla tua auto in un parcheggio sotterraneo o di tagliare dritto tra la folla fino allo scaffale di melata fresca nel reparto frutta del supermercato più vicino a dove ti trovi. Pensa a prendere quel volo dell’ultimo minuto, a rinunciare alla frustrazione di finire dalla parte sbagliata dell’aeroporto o a trovare quel terminal degli autobus nascosto appena in tempo.

Una tecnologia indoor funzionante rivoluzionerebbe anche il nostro rapporto con le cose. Saresti in grado di sapere esattamente dove si trova l’articolo che hai acquistato su Amazon, senza doverlo cercare nel portico del tuo vicino quando la consegna è stata finalmente effettuata. I microsensori sulle chiavi, sul portafoglio, sull’orologio, sul laptop e sulle cuffie indicherebbero la loro posizione in un dato momento.

Le possibilità sono davvero illimitate e sicuramente renderanno le nostre vite come individui un po’ più facili. Per le imprese, potrebbero essere molto di più.

Gli imprenditori possono tenere immediatamente e accuratamente sotto controllo tutte le risorse importanti con il semplice tocco di un pulsante. Potrebbero ridurre sostanzialmente a zero il tempo sprecato per trovare un pezzo di equipaggiamento. I tecnici potrebbero trovare rapidamente e facilmente la strada per entrare e uscire da edifici in cui non sono mai stati prima, mentre le aziende potrebbero analizzare il flusso del traffico degli acquirenti per fornire un’esperienza di acquisto unica e ottimizzata per i clienti. Per non parlare dei vigili del fuoco, per i quali sapere esattamente dove si trova una persona intrappolata potrebbe significare letteralmente la differenza tra la vita e la morte.

Qualunque sia la tecnologia che dominerà il mercato negli anni a venire, che si tratti di beacon Bluetooth, lettura magnetica o VLC, una cosa è chiara: il GPS indoor è un mercato in attesa di esplodere e solo il tempo dirà dove e come accadrà.

Le persone spesso mi chiedono “A cosa serve la relatività?” È un luogo comune pensare alla Relatività come a una teoria matematica astratta e altamente arcana che non ha conseguenze per la vita di tutti i giorni. Questo è in realtà lontano dalla verità.

Considera per un momento che quando viaggi su un aereo di linea commerciale, il pilota e l’equipaggio stanno navigando verso la tua destinazione con l’ausilio dei dati del Global Navigation Satellite System (GNSS), di cui il NAVSTAR Global Positioning System (GPS) degli Stati Uniti insomma) è la componente più familiare. Infatti, “GPS” è spesso sinonimo di navigazione satellitare, anche se ora è uno dei tre sistemi globali di navigazione satellitare in funzione insieme ai sistemi satellitari russi GLONASS e UE Galileo (a loro si affiancherà il sistema cinese BeiDou-2 quando sarà si espande su scala globale all’inizio degli anni ’20), Sebbene questo articolo riguardi specificamente NAVSTAR GPS, i principi operativi di base sono simili nelle varie implementazioni GNSS.

Il GPS è stato sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per fornire un sistema di navigazione satellitare per le forze armate statunitensi. Successivamente è stato posto sotto il controllo congiunto del Dipartimento della Difesa e del Dipartimento dei trasporti per fornire usi di navigazione sia militari che civili ed è diventato parte della vita quotidiana. I modelli di auto più recenti sono dotati di sistemi di navigazione GPS integrati (sempre più come equipaggiamento standard), è possibile acquistare unità di navigazione GPS portatili che ti forniranno la tua posizione sulla Terra (latitudine, longitudine e altitudine) con precisione da 5 a 10 metri che pesano solo poche once e costano circa £ 100, e la tecnologia GPS è sempre più presente negli smartphone (sebbene non tutti gli smartphone ottengano informazioni sulla posizione dai satelliti GPS).

La configurazione GPS nominale consiste in una rete di 24 satelliti in orbita alta attorno alla Terra, ma possono essere in stazione fino a 30 satelliti in un dato momento. Ogni satellite della costellazione GPS orbita a un’altitudine di circa 20.000 km dal suolo e ha una velocità orbitale di circa 14.000 km/ora (il periodo orbitale è di circa 12 ore – contrariamente alla credenza popolare, i satelliti GPS non sono in modalità geosincrona o orbite geostazionarie). Le orbite dei satelliti sono distribuite in modo che almeno 4 satelliti siano sempre visibili da qualsiasi punto della Terra in un dato istante (con un massimo di 12 visibili contemporaneamente). Ogni satellite porta con sé un orologio atomico che “ticchetta” con una precisione nominale di 1 nanosecondo (1 miliardesimo di secondo). Un ricevitore GPS in un aeroplano determina la sua posizione attuale e la sua rotta confrontando i segnali orari che riceve dai satelliti GPS attualmente visibili (solitamente da 6 a 12) e trilaterando le posizioni note di ciascun satellite. La precisione raggiunta è notevole: anche un semplice ricevitore GPS portatile può determinare la tua posizione assoluta sulla superficie terrestre entro 5-10 metri in pochi secondi. Un ricevitore GPS in un’auto può fornire letture accurate di posizione, velocità e rotta in tempo reale!

Tecniche più sofisticate, come i metodi Differential GPS (DGPS) e Real-Time Kinematic (RTK), forniscono posizioni a livello centimetrico con pochi minuti di misurazione. Tali metodi consentono di utilizzare il GPS e i relativi dati del sistema di navigazione satellitare per rilievi ad alta precisione, guida autonoma e altre applicazioni che richiedono una maggiore precisione della posizione in tempo reale rispetto a quella ottenibile con i ricevitori GPS standard.

Per raggiungere questo livello di precisione, i ticchettii dell’orologio dei satelliti GPS devono essere noti con una precisione di 20-30 nanosecondi. Tuttavia, poiché i satelliti sono in costante movimento rispetto agli osservatori sulla Terra, è necessario tenere conto degli effetti previsti dalle teorie della relatività speciale e generale per ottenere la precisione desiderata di 20-30 nanosecondi.

Poiché un osservatore a terra vede i satelliti in movimento rispetto a loro, la Relatività Speciale prevede che dovremmo vedere i loro orologi ticchettare più lentamente (vedi la lezione sulla Relatività Speciale). La Relatività Speciale prevede che gli orologi atomici di bordo sui satelliti dovrebbero rimanere indietro rispetto agli orologi a terra di circa 7 microsecondi al giorno a causa della velocità di ticchettio più lenta dovuta all’effetto di dilatazione del tempo del loro movimento relativo.

Inoltre, i satelliti si trovano in orbite molto al di sopra della Terra, dove la curvatura dello spaziotempo dovuta alla massa terrestre è inferiore a quella sulla superficie terrestre. Una previsione della relatività generale è che gli orologi più vicini a un oggetto massiccio sembreranno ticchettare più lentamente di quelli situati più lontano (vedi la lezione sui buchi neri). Pertanto, se visti dalla superficie della Terra, gli orologi sui satelliti sembrano ticchettare più velocemente di identici orologi a terra. Un calcolo che utilizza la relatività generale prevede che gli orologi in ciascun satellite GPS dovrebbero anticipare gli orologi terrestri di 45 microsecondi al giorno.

La combinazione di questi due effetti relativitici significa che gli orologi a bordo di ciascun satellite dovrebbero ticchettare più velocemente degli identici orologi a terra di circa 38 microsecondi al giorno (45-7=38)! Sembra piccolo, ma l’alta precisione richiesta dal sistema GPS richiede una precisione di nanosecondi e 38 microsecondi sono 38.000 nanosecondi. Se questi effetti non fossero adeguatamente presi in considerazione, una correzione di navigazione basata sulla costellazione GPS sarebbe falsa dopo soli 2 minuti e gli errori nelle posizioni globali continuerebbero ad accumularsi a una velocità di circa 10 chilometri ogni giorno! L’intero sistema sarebbe del tutto inutile per la navigazione in brevissimo tempo.

Gli ingegneri che hanno progettato il sistema GPS hanno incluso questi effetti relativistici quando hanno progettato e implementato il sistema. Ad esempio, per contrastare l’effetto relativistico generale una volta in orbita, gli orologi di bordo sono stati progettati per “ticchettare” a una frequenza più lenta rispetto agli orologi di riferimento a terra, in modo che una volta che si trovassero nelle loro stazioni orbitali appropriate, i loro orologi sembrerebbero ticchettare all’incirca al velocità corretta rispetto agli orologi atomici di riferimento nelle stazioni di terra GPS. Inoltre, ogni ricevitore GPS ha al suo interno un microcomputer che, oltre a eseguire il calcolo della posizione utilizzando la trilaterazione 3D, eseguirà anche eventuali calcoli temporali relativistici speciali aggiuntivi richiesti, utilizzando i dati forniti dai satelliti.

La relatività non è solo una teoria matematica astratta: comprenderla è assolutamente essenziale affinché il nostro sistema di navigazione globale funzioni correttamente!