Il Global Positioning System (GPS) è un sistema di navigazione satellitare statunitense che fornisce servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione (PNT) a livello globale.1 Nato per scopi militari, è stato reso disponibile per uso civile negli anni '80 e ha subito un continuo programma di modernizzazione.1
Il sistema si compone di tre segmenti:
- Spaziale: 31 satelliti in orbita a 20.350 km, che trasmettono segnali radio unici.1
- di Controllo: Stazioni di terra che monitorano e gestiscono i satelliti, caricando correzioni per le orbite e gli orologi.6
- Utente: Ricevitori GPS che calcolano la posizione basandosi sui segnali ricevuti.8
Il funzionamento si basa sulla trilaterazione: il ricevitore calcola la distanza da almeno quattro satelliti misurando il tempo di volo dei segnali radio (pseudo-range).1 La precisione è critica e richiede orologi atomici a bordo dei satelliti, che compensano gli effetti della relatività (rallentamento per velocità, accelerazione per minore gravità) per evitare errori di oltre 10 km al giorno.10
I satelliti trasmettono segnali su frequenze come L1, L2, L5, modulati con codici pseudo-casuali (C/A per civile, P(Y) per militare) e un messaggio di navigazione.1 Questo messaggio include dati ephemeris (posizione precisa del satellite), almanacco (posizione approssimativa di tutti i satelliti) e correzioni dell'orologio.1
Il ricevitore GPS digitalizza il segnale, lo acquisisce (trovando il satellite tramite correlazione) e lo traccia (mantenendo la sincronizzazione con loop come Delay-Locked Loop e Phase-Locked Loop, spesso con filtri di Kalman per robustezza).8 Infine, decodifica il messaggio e calcola posizione, velocità e tempo (PVT).1
L'accuratezza è influenzata da errori satellitari (orologi, orbite), di propagazione (ionosfera, troposfera, multipath) e del ricevitore (rumore, geometria satellitare - Dilution of Precision, DOP).1 Tecniche di mitigazione includono ricevitori dual-frequency (per correggere l'errore ionosferico) 14 e sistemi di aumento (Augmentation Systems) come SBAS (es. WAAS, EGNOS), DGPS, RTK e PPP.27
Il GPS è parte di un ecosistema GNSS (Global Navigation Satellite Systems) più ampio, che include GLONASS (Russia), Galileo (UE) e BeiDou (Cina).28 L'interoperabilità tra questi sistemi migliora copertura, accuratezza e affidabilità.25 La modernizzazione del GPS introduce nuovi segnali civili compatibili con altri GNSS.16
Per un posizionamento robusto in ambienti difficili (es. interni, canyon urbani), i dispositivi moderni integrano il GPS/GNSS con altre tecnologie tramite "fusione di sensori".35 Queste includono IMU (Inertial Measurement Unit) per tracciare il movimento e colmare lacune 24, Wi-Fi Positioning System (WPS) che usa segnali Wi-Fi noti 38, e triangolazione cellulare che sfrutta le torri cellulari.38 Questa integrazione garantisce una navigazione continua e precisa anche in assenza di segnale satellitare.35