Un tempo i naviganti si basavano sulla posizione delle stelle, nell'antichità dell'Orsa maggiore, in tempi moderni della stella polare, per orientarsi.
Oggi per navigare per terra o per mare al posto delle stelle c'è una costellazione di satelliti artificiali dal nome significativo: NAVSTAR le moderne stelle della navigazione! In effetti il nome del sistema è un acronimo: «Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System» = NAVSTAR GPS, per lo più abbreviato in GPS
Si tratta di una tecnologia nata in ambito militare USA e solo recentemente (1996 e 2000) rilasciata anche per uso privato. Dal 2010 funziona anche un'equivalente rete russa il GLONASS(*). Per una spiegazione del funzionamento si veda la pagina Come funziona il GPS.
I satelliti sono distributi su sei diversi piani orbitali, inclinazione 55º, sfasati di 60º in ascensione retta; ci sono quattro satelliti su ogni piano, in modo da coprire a sufficienza l'intera superficie terrestre. Sarebbero quindi sufficienti 24 satelliti NAVSTAR, ma ve ne sono sempre alcuni in più come riserva. Le loro orbite non sono geostazionarie (36000 km con periodo di 24 ore), come viene a volte erroneamente scritto, ma più basse: il raggio è di 26560 km (20200 km di altezza sul livello del mare) in modo da avere un periodo di 12 ore. I satelliti sono quindi in continuo movimento rispetto a un osservatore sulla Terra ed emettono segnali radio ad alta frequenza (L1 1575.42 MHz e L2 1227.60 MHz).
Vi sono poi cinque stazioni di terra, distribuite lungo l'equatore, in costante collegamento radio con i satelliti che provvedono a mantenere aggiornata la posizione esatta e la sincronizzazione dell'orologio atomico di ogni satellite.
La chiave del sistema sta nel fatto che disponendo di un ricevitore dei segnali GPS si può determinare con precisione la distanza d dai singoli satelliti e in base a questo la posizione. Si ha così risposta alla classica domanda del navigatore: "Dove mi trovo esattamente?". Ma quanti satelliti sono necessari?
Se il navigatore riesce a ricevere un solo satellite, la sua posizione è indeterminata su una sfera di raggio d dove d è la distanza tra ricevitore e satellite.
Se ne riceve due, la posizione si restringe alla circonferenza intersezione tra le due sfere centrate sui due satelliti. Se si presuppone di essere sulla superficie terrestre, si fa l'intersezione con questa sfera e restano solo due punti. Se è possibile escludere uno dei due sarebbe già possibile identificare la posizione sulla sfera terrestre, ma non l'altitudine (navigazione 2D).
Se ne riceve tre l'incertezza si riduce a due soli punti, e se uno dei punti è nello spazio al di sopra dell'orbita, ne resta solo uno possibile. Per eliminare anche quest'ultimo dubbio serve comunque un quarto satellite.
Ma come fa un ricevitore GPS a calcolare la sua distanza dai singoli satelliti?
Semplicemente calcolando il tempo t impiegato dal segnale per arrivare dal satellite; essendo nota con grandissima precisione la velocità del segnale che è poi la velocità della luce c (circa 300000 km al secondo) la distanza si calcola con la classica formuletta scolastica: d = c.t.
Il problema è che essendo c elevatissima occorre una precisione dei tempi dell'ordine del centomilionesimo di secondo (0.01 µs) per avere una precisione delle distanze nell'ordine dei 3 metri. I moderni orologi atomici hanno appunto una precisione di quest'ordine e come è facile immaginare ogni satellite NAVSTAR ha a bordo un orologio atomico che viene periodicamente tarato.
Questi orologi sono però troppo costosi per poterne dotare anche i navigatori commerciali. Per risolvere il problema il navigatore quando viene acceso cerca almeno 4 satelliti visibili e in base al segnale di tempo emesso da questi si sincronizza approssimando l'ora esatta fino alla precisione richiesta. A questo punto il navigatore è in grado di calcolare le distanze dai satelliti e quindi la posizione del luogo! Il prezzo da pagare è un considerevole ritardo dei navigatori GPS commerciali al momento dell'accensione. Possono essere necessari alcuni minuti per la localizzazione.
In base a quanto si è detto poco sopra il numero minimo teorico di satelliti necessari per localizzarsi è quindi 3, o meglio 4, ma tanto maggiore è il numero di satelliti che si ricevono tanto maggiore sarà la precisione della localizzazione. In questo caso infatti viene fatta una interpolazione del valore più probabile.
Per aumentare ulteriormente la precisione del sistema è stato creato negli USA un sistema di GPS differenziale (DGPS) basato su stazioni terrestri che a loro volta ricevono i segnali GPS, e conoscendo con grande precisione la loro posizione correggono gli errori dovuti soprattutto alla ionosfera e trasmettono le correzioni. Il sistema nato inizialmente lungo le coste degli USA si è poi evoluto nel sistema WAAS (Wide Area Augmentation System ), mentre in Europa dal 2005 esiste un analogo sistema detto EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service ); e in Giappone è nato il MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System).
In conclusione un navigatore GPS deve contere un orologio ad alta precisione e diversi (da 10 a 15) ricevitori radio sintonizzabili sulle frequenze dei singoli satelliti NAVSTAR. Molti navigatori oggi hanno anche la capacità di utilizzare il sistema WAAS/EGNOS.
Per concludere una nota storica: tra il 1996, anno della prima liberalizzazione del GPS e il 2000 il Dipartimento della Difesa USA, degradava intenzionalmente la precisione del GPS commerciale (SPS) fino a un errore di 100 metri, riservando il sistema preciso (PPS) solo per usi militari. Il 1 maggio 2000 il Presidente Clinton decise di porre fine a questa restrizione e di liberalizzare del tutto l'uso del GPS.