Il GPS non funziona!
L’interferenza causata dall’atmosfera della Terra disorienta i navigatori satellitari
Quanti di noi hanno usato un navigatore GPS almeno una volta nella vita? Tanti, è sicuro! Specie da quando i navigatori sono disponibili sui nostri cellulari e integrati a bordo delle nostre automobili.
Ma come funziona un navigatore satellitare?
Un navigatore combina le informazioni fornite da un ricevitore GPS (integrato nel navigatore stesso) con le mappe dei luoghi di interesse. Il navigatore riceve i segnali trasmessi dalla costellazione GPS (Global Positioning System), formata attualmente da 31 satelliti che orbitano a circa 26500 km dalla Terra. Questi satelliti comunicano continuamente ai ricevitori posti a terra la loro posizione e il tempo segnato dagli orologi atomici a bordo. Da queste informazioni il navigatore è in grado di calcolare la sua posizione precisa rappresentandola sulla mappa di interesse. Il posizionamento è possibile se il ricevitore riesce a ricevere il segnale da almeno 4 satelliti contemporaneamente.
Questo, però, è vero a meno di interferenze sul segnale che ne compromettano la qualità, pregiudicandone il funzionamento. Fra le interferenze, il passaggio dei segnali nell’alta atmosfera, ed in particolare nella ionosfera (vedi anche il post: Cosa c’è sopra le nuvole?), rappresenta una minaccia al posizionamento GPS. Perché? Perché, quando i segnali GPS passano attraverso la ionosfera le proprietà elettromagnetiche dell’atmosfera a quelle quote (centinaia di km dalla Terra) provocano due effetti. Il primo effetto è una deviazione della direzione e della velocità di propagazione del segnale, dovuto alla variazione dell’indice di rifrazione del mezzo. Questo effetto è analogo, nel caso dell’ottica, a quello che rende apparentemente deformato il cucchiaino immerso in una tazzina contenente del liquido. In quel caso la diversa velocità di propagazione della luce nell’aria e nel liquido (che hanno diversi indici di rifrazione) inganna il nostro cervello facendoci percepire come deformato il cucchiaino immerso.
Nel caso del GPS la deviazione del segnale nel passaggio attraverso la ionosfera è causato alla presenza di elettroni liberi ed è proporzionale alla loro concentrazione. Diminuendo la velocità di propagazione che aveva prima di attraversare la ionosfera, il segnale GPS impiega più tempo ad arrivare al ricevitore. Questo ritardo si traduce in un errore sul posizionamento, tanto più grande quanto più ricca di elettroni è la ionosfera attraversata dal segnale utilizzato dal navigatore. Questo errore determina, quindi, un grado di incertezza sul posizionamento che può essere minimizzato (ma non eliminato del tutto) tramite l’uso di modelli fisici e matematici che mitigano l’effetto di ritardo introdotto dalla ionosfera.
Ciò che invece è molto più difficile da limitare è un effetto occasionale ma non raro: la degradazione dei segnali GPS dovuta alle scintillazioni ionosferiche. Il termine scintillazione ricorda bene il tremolio della luminosità delle stelle quando vengono osservate direttamente dall’occhio umano. Analogamente, con il termine scintillazioni ionosferiche intendiamo riferirci alle fluttuazioni rapide dell’intensità dei segnali GPS registrati dal ricevitore a terra, dovute al passaggio attraverso la ionosfera disturbata.
Una distribuzione non omogenea degli elettroni liberi, con regioni della ionosfera che contengono zone ad alta e bassa densità elettronica, è proprio quella “irregolarità” ionosferica che provoca le fluttuazioni sul segnale GPS ricevuto a terra e causano un’incertezza sul posizionamento o, in casi estremi, l’impossibilità di fornire un posizionamento attendibile. Tutto ciò avviene a causa delle intense perturbazioni solari che alterano le condizioni ionosferiche dallo stato di quiete a quello di disturbo (per approfondimenti vedi anche questi post: I grandi eventi solari del passato: le tempeste di Halloween del 2003 e I grandi eventi solari del passato: la tempesta di Carrington del 1859). In questi casi, quindi, il navigatore GPS non funziona! Anzi, ad essere precisi, è proprio la ionosfera che ci mette lo zampino! Così, il dato registrato dai ricevitori (da quanti ne sono investiti e dalla loro distribuzione nel globo) è un materiale prezioso per i ricercatori proprio per capire, a posteriori e in tempo reale, il fenomeno.
Fin qui abbiamo parlato di GPS, ma sapevate che ci sono altre costellazioni di satelliti atte al posizionamento e alla navigazione? Per esempio il sistema russo GLONASS, il cinese BeiDou, o quello europeo Galileo! Anche questi sistemi soffrono del passaggio in ionosfera? Ne parleremo in uno dei nostri prossimi post, seguiteci!
Credit immagine di copertina: Sean Ryan