Approfondimenti sul segnale GPS:

A maggio del 2000 l’SA (Selective Availability), il segnale di disturbo artificialmente introdotto nel segnale civile, è stato eliminato ha avvantaggiato l’utilizzo dei GPS nell’uso civile.

Il satellite trasmette un segnale in microfrequenza su due onde con banda portante L:

Ma in cosa sono diversi i segnali, e con quali apparati lo si riceve?
La precisione del segnale è funzione dell’apparecchio ricevente. Esistono infatti dati di tipo PPS che erano in principio crittografati e disponibili solo per usi militari; e dati di tipo SPS per usi di tipo civile.
Ogni satellite trasmette su esattamente la medesima frequenza; tuttavia, il segnale di ciascun satellite, in ricezione dall'utente stazionario, è affetto da uno scostamento per effetto Doppler (Doppler-shift) per effetto della sua velocità orbitale, mitigando la sovrapposizione dei segnali.

Entrambe le portanti sono modulate dai medesimi dati di navigazione e di sistema, un segnale a 50 Hz fatto di una sequenza di bit di dati che descrivono le orbite dei satelliti GPS, le correzioni dei clock dei satelliti ed altri parametri di sistema. Ed entrambe le portanti sono anche modulate dal codice P: "codice preciso" (P) a 10.23 MHz.
Solo la portante L1 è modulata anche da un codice "grezzo/acquisizione" (coarse/acquisition) (C/A) a 1.023 MHz.

Perché due frequenze?
Per calcolare la propria distanza da un satellite tutti i ricevitori calcolano il lasso di tempo che impiega il segnale per propagarsi dal satellite al ricevitore. Ma il ritardo di propagazione dovuto all'attraversamento dell'ionosfera non è costante, perché le caratteristiche dielettriche dell'ionosfera mutano in continuazione per fattori cosmici, temperatura, vento solare etc. e non è in pratica, possibile, crearne un modello matematico affidabile. Ma diverse frequenze radio subiscono in maniera diversa il ritardo di propagazione.
Il ricevitore PPS analizza il ritardo di due che originano nello stesso istante dal medesimo satellite, e riescono ad eliminare in pratica il disturbo dovuto all'ionosfera. L'analisi comparata e la ridondanza del codice P sulle due portanti riduce anche la possibilità di jamming, ovvero che si possa creare disturbo sul segnale GPS.

Il codice P, del sistema PPS è quindi presente anche sul segnale che riceviamo con i ricevitori civili, ma viene normalmente codificato detto P(Y), col risultato che solo il codice C/A è ricevibile dagli utenti civili.
Il "chip rate", ovvero la quantità di dati inviata nel codice P, se decodificato, è 10 volte quello del C/A. Con questo segnale i ricevitori sono in grado di aggiornare la propria posizione con frequenza maggiore.
La maggiore complessità del codice P(Y) consente anche di evitare lo spoofing, ovvero di determinare la veridicità del segnale ricevuto, evitando che si possano ricevere segnali pseudo-GPS erronei traendo in inganno il ricevitore.

Il satellite trasmette ogni 30 secondi un pacchetto di dati corrispondenti a 1500 bit; ogni pacchetto non viene inviato in blocco ma suddiviso in cinque sottopacchetti da 300 bit ciascuno: i primi tre sottopacchetti contengono i dati spaziali e quello temporale, in particolare nel sottopacchetto uno sono inviati i dati temporali, nel due e nel tre i dati orbitali corretti secondo il parametro dell’effemeride. Nel quattro e nel cinque ci sono dati di sistema, rispettivamente dati sulla ionosfera, l’UTC e dati di almanacco. I primi tre sottopacchetti vengono invati in 30 secondi, mentre il 4 ed il 5 impiegano circa 12,5 minuti.

Il numero di satelliti minimo per il funzionamento di un GPS è quattro in relazione alle quattro dimensioni (le tre spaziali X, Y Z e la quarta temporale T).

Ciascun satellite è equipaggiato con quattro orologi atomici (due al cesio e due al rubidio). Il dato temporale inviato dal satellite è poi riconvertito dal ricevitore GPS a terra. Il tempo fornito dal GPS è dunque una elaborazione fra il controllo centrale suddetto e i dati forniti dai satelliti e viene misurato in settimane e secondi a partire dalla mezzanotte del 5 gennaio 1980. Le coordinate di Tempo Universale (UTC) sono calcolate dal GPS con il parametro di correzione UTC che viene inviato in uno dei sub pacchetti di cui sopra.

La latitudine e la longitudine sono fornite sui parametri su cui si basa il GPS (di norma il sistema WGS-84), ma possono essere anche convertiti in altri tipi di dati. La velocità è calcolata dal cambiamento di posizione nel tempo, oppure tramite l’effetto Doppler (apparente variazione della frequenza di un segnale ricevuto, causato dalla variazione della distanza fra ricevitore e trasmettitore) nella ricezione del segnale o con entrambe le modalità.

Il satellite si muove a « 4 km/sec; quindi non può comunicare la propria posizione istantanea; comunica invece un insieme sintetico di parametri che ne permettono il calcolo (effemeridi).
Effemeridi di un satellite
Insieme di parametri sintetici trasmessi dal satellite necessari e sufficienti per calcolare la posizione del satellite nel tempo.
Nel caso dei satelliti GPS si distingue in:

La rete di controllo del sistema e le effemeridi trasmesse dal satellite
Il compito di predire l’orbita e lo stato dell’orologio per i satelliti è svolto dalla rete di stazioni di controllo a terra precedentemente citata.