GNSS è l’acronimo di Global Navigation Satellite System (in italiano Sistema Satellitare Globale di Navigazione) ed è un sistema di geo-radiolocalizzazione e navigazione terrestre, marittima o aerea, che utilizza una rete di satelliti artificiali in orbita e pseudoliti.
Tale sistema fornisce un servizio di posizionamento geo-spaziale a copertura globale che consente a piccoli ed appositi ricevitori elettronici di determinare le loro coordinate geografiche (longitudine, latitudine ed altitudine) su un qualunque punto della superficie terrestre o dell’atmosfera con un errore di pochi metri, elaborando segnali a radiofrequenza trasmessi in linea di vista da tali satelliti.

Tra questi si annoverano il sistema statunitense NAVSTAR Global Positioning System (GPS), operativo dal 1978, il sistema russo GLONASS, pienamente operativo dal dicembre 2011 e  il sistema europeo GALILEO entrato in servizio il 15 dicembre 2016 e tuttora in fase di implementazione. L’India sta sviluppando IRNSS, un sistema GNSS di nuova generazione mentre la Cina possiede il sistema BEIDOU per ora solo regionale.

Storia

I predecessori della tecnologia per la navigazione globale furono i sistemi che utilizzano stazioni trasmittenti poste a terra, come DECCA, LORAN e OMEGA, in grado di trasmettere segnali radio in genere in banda LF. Questi sistemi inviano un impulso radio principale da una postazione “master”, seguito da impulsi da altre stazioni “slave”. Il ritardo tra la ricezione e la trasmissione del segnale presso le stazioni “slave” è accuratamente controllato, permettendo ai ricevitori di confrontare il ritardo tra i segnali, da cui si ottiene la distanza da ognuna delle stazioni “slave” e quindi un calcolo della posizione.

Il primo sistema satellitare fu Transit, creato dall’esercito statunitense negli anni sessanta. Il funzionamento si basava sull’effetto Doppler: i satelliti si spostavano su orbite note e trasmettevano i loro segnali su una frequenza specifica. La frequenza ricevuta differiva da quella nominale a causa dello spostamento del satellite rispetto al ricevitore. Monitorando questa variazione di frequenza su un breve intervallo di tempo, il ricevitore poteva determinare la sua posizione.
Parte dei dati trasmessi da un satellite riguardavano gli esatti parametri dell’orbita che sta compiendo. Per avere accuratezza l’Osservatorio Navale statunitense (USNO) monitorava costantemente l’orbita di questi satelliti, “informandolo” nel caso avesse deviato dalla sua traiettoria, in modo che questo inviasse poi i dati aggiornati.

Principi teorici di funzionamento

I sistemi moderni sono più diretti. Il satellite trasmette un segnale che contiene la posizione del satellite e l’ora di trasmissione del segnale stesso, ricavata da un orologio atomico al fine di mantenere la sincronizzazione con gli altri satelliti della costellazione. Il ricevitore confronta il tempo della trasmissione con quello misurato da un proprio orologio interno, ricavando così il tempo impiegato dal segnale per arrivare dal satellite. Diverse misure possono essere effettuate contemporaneamente con satelliti differenti, ricavando così il posizionamento in tempo reale.

Ogni misura di distanza, a prescindere dal sistema usato, individua una sfera che ha per centro un satellite; dall’intersezione di queste sfere si ottiene il posizionamento. Tuttavia, nel caso di ricevitori in movimento rapido, la posizione del ricevitore si muove mentre i segnali vengono ricevuti. In più i segnali radio ritardano leggermente mentre attraversano la ionosfera e questo ritardo varia con l’angolo tra ricevitore e satellite, perché questo cambia la distanza percorsa attraverso la ionosfera.

Il calcolo di base tenta così di trovare la linea diretta più corta tangente a quattro sfere centrate su quattro satelliti. I ricevitori riducono gli errori usando combinazioni di segnali da più satelliti e vari correlatori ed ancora usando tecniche come il filtro di Kalman per unire i dati affetti da rumore, parziali e costantemente variabili in una singola stima di posizione, tempo e velocità.

Gli errori del sistema

La precisione del GNSS (mediamente metrica) dipende dall’accuratezza con cui possono essere determinate le distanze (range) satellite-ricevitore.

Tra le cause che riducono la precisione del sistema ci sono:
– errori di orologio: sono dovuti agli errori degli orologi dei satelliti e dei ricevitori; possono essere divisi in una componente di asincronismo (traslazione temporale dell’origine dei tempi rispetto ad un riferimento ideale) e da un’instabilità che dipende dal tempo.
– errori di orbita: il presupposto per il posizionamento GPS è la conoscenza delle effemeridi dei satelliti; queste possono essere note con precisione diversa a seconda che si tratti di effemeridi “trasmesse” o “precise”. Questi errori si ripercuotono, nel posizionamento assoluto, direttamente sulle coordinate.
– rifrazione ionosferica e troposferica: un segnale elettromagnetico che viaggia attraverso la ionosfera rallenta in misura inversamente proporzionale alla sua frequenza; l’effetto della rifrazione ionosferica provoca un ritardo del segnale alterando la misura della distanza satellite-ricevitore.
– multipath (errore di multipercorso): si ha quando parte del segnale arriva all’antenna in maniera indiretta, tramite riflessione da parte di superfici vicine.
– errore sistemico deliberatamente previsto per motivi di sicurezza militare.