1981. Come è nata la navigazione con i satelliti. Gli antenati del GPS

Benvenuti nella sezione speciale “GdV 5o Anni”. Vi stiamo presentando, giorno dopo giorno, un articolo tratto dall’archivio del Giornale della Vela, a partire dal 1975. Un consiglio, prendete l’abitudine di iniziare la giornata con le più emozionanti storie della vela: sarà come essere in barca anche se siete a terra.

Filo diretto con il cielo

Tratto dal Giornale della Vela del 1981, Anno 7, n. 03, marzo-aprile, pag 22-23.

Quando è nata la navigazione satellitare. Il Giornale della vela racconta la nascita dell’uso dei satelliti nella nautica da diporto. Scoprirete che tutto nacque nel 1830, ad opera di un fisico austriaco…

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Navigare con l’aiuto dei satelliti non è fantascienza. Sulle navi moderne lo si fa da alcuni anni. Oggi con un semplice strumento di piccole dimensioni, installabile anche su una imbarcazione da diporto, è possibile conoscere il punto nave con un errore quasi irrisorio.

Quando nel 1957 la Russia lanciò nello spazio il primo satellite artificiale della serie Sputnik, due studio statunitensi fecero un’importante scoperta. Guier e Weiffenback, questi i nomi dei ricercatori dell’Appliede Physics Laboratory della Johns Hons University, si accorsero che attraverso i dati forniti dal satellite e conoscendo con precisione la posizione del ricevitore di tali dati era possibile risalire all’orbita del satellite stesso. Il concetto che guida i sistemi moderni di ricevitori satellitari intesi come ausilio alla navigazione è dunque semplicemente il ribaltamento dei termini di quanto scoperto dai due scienziati americani. Si tratta cioè di lanciare in orbita un satellite che emette segnali e del quale si conosce la posizione istante per istante e ricavare la dislocazione del ricevitore sulla terra, tutto qui. Le difficoltà di realizzazione pratica furono tali che il sistema Navy Navigation Satellite System (NNSS), chiamato anche Transit o Navsat, divenne operativo soltanto nel 1964 ed esclusivamente per scopi militari. Nel 1967 il governo degli Stati Uniti autorizzò a porre in commercio i ricevitori del Sistema, che divenne di uso pubblico, anche se non proprio alla portata di tutti, visto che i costi iniziali degli apparecchi si aggiravano intorno agli 85 mila dollari.

Come funziona il sistema

Pur non volendo in questa breve trattazione addentrarci in molti particolari tecnici, non si può parlare di sistema satellitare senza spiegare in che cosa consiste l’effetto Doppler. Il fisico austriaco Christian Doppler scoprì, intorno al 1830, che un’onda subisce una variazione di frequenza a causa del moto dell’emittente o del ricevente dell’onda stessa, oppure di entrambi contemporaneamente. Il sistema usato per la navigazione satellitare, il Transit, per poter funzionare ha bisogno di tre componenti fondamentali:

1) I satelliti. Sono sei, ma il loro numero è destinato a salire sino a otto. I satelliti sono in orbita ad un’altezza compresa tra gli 800 e i 1200 chilometri, non a caso evidentemente. Infatti per ottenere un buon segnale Doppler sarebbe necessaria un’orbita a quote basse dove invece sono maggiori i disturbi dovuti all’atmosfera. La quota scelta rappresenta un buon compromesso tra le due esigenze. I satelliti sono in orbita circolare e polare (cioè passano per i poli) e questo perché in tal modo, dato che la terra ruota in un giorno all’interno di questa orbita, un osservatore posto in un punto qualunque del pianeta vede il satellite sopra la propria testa più volte in un giorno.

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2) Le stazioni di inseguimento. Ne esistono quattro. Sono nel Maine, nel Minnesota, in California e alle Hawai. Il loro compito è quello di controllare i satelliti e misurarne l’effetto Doppler. I dati rilevati vengono inviati a un comune centro di calcolo. Un’apposita stazione si occupa di controllare i segnali orari emessi dai satelliti.

3)  Il centro di calcolo. si trova in California a Point Mugu. È in grado di determinare l’orbita del satellite e di controllare il funzionamento degli strumenti di bordo dello stesso. Tutte queste informazioni sono immesse, dalla stazione Californiana coadiuvata da quella di Rosemount nel Minnesota, nella memoria del satellite. Questa operazione avviene ogni dodici ore.

La ricezione a bordo

Il ricevitore di bordo non ha bisogno di alcun tipo di manutenzione. Non essendoci parti in movimento, non c’è attrito e quindi usura. Le case costruttrici assicurano decine di migliaia di ore di uso prima del verificarsi di eventuali avarie. Quando il satellite è sopra l’orizzonte entra in funzione il ricevitore di bordo. Purtroppo i dati forniti dal satellite non sono sempre attendibili. Quando esso è troppo alto o troppo basso sull’orizzonte, non è utilizzabile per i nostri scopi. Da ciò ne deriva che, ai fini della navigazione, per un ricevitore posto in una qualunque località del pianeta, il satellite è in zona ottimale per la trasmissione ogni due ore circa. Quindi il punto nave che si ottiene con il sistema satellitare è aggiornato ogni due ore. Meccanicamente, il ricevitore compie un’operazione abbastanza semplice. Misura la differenza di frequenza tra emissione e segnale ricevuto dalla nave. Tale differenza è proporzionale, secondo una complessa legge, alla velocità della nave. Dalla velocità un integratore provvede a fornire le coordinate nello spazio, cioè il punto nave, Il punto nave ottenuto con questo procedimento e il più preciso che sia ottenibile oggi in mare.

Alcune considerazioni

Nell’uso di bordo, il sistema satellitare non presenta svantaggi di alcun genere. Ciò è dovuto all’alto grado di perfezione tecnologica raggiunta dagli strumenti di questo tipo. La semplicità della strumentazione e la facilità d’uso sono tali che è ragionevole pensare che in futuro tutte le imbarcazioni monteranno a bordo un ricevitore satellitare. Se al momento esistono delle perplessità, esse riguardano, come vedremo più avanti, soltanto il prezzo. Un sistema, come il Transit, basato sulla tecnologia spaziale offre una precisione eccezionale sul punto nave. L’errore, quando esiste, è di pochi metri. Significa, per fare un esempio, che a bordo di una imbarcazione della prima classe IOR l’errore massimo che può verificarsi consiste nell’avere il punto nave della prua invece che della poppa; oppure su una petroliera anziché le coordinate della coperta, dove è situato il ricevitore, ottenere quelle della cabina del comandante. Questa precisione è assolutamente esagerata per la nautica da diporto, anche in relazione al prezzo che è tuttora nell’ordine dei milioni. Non è tuttavia del tutto azzardato prevedere, nel giro di qualche anno, un grosso ridimensionamento del prezzi seguendo l’esempio dei microcalcolatori. L’eccezionale precisione del punto nave satellitare è invece molto importante nella navigazione oceanica dove conoscere con esattezza la propria posizione spesso è essenziale per evitare di mettere a repentaglio la vita di molte persone o di provocare disastri ecologici. Comunque non bisogna mai dimenticare che tra gli scopi del progresso tecnologico non c è quello di sostituire l’uomo. Il navigante deve essere sempre in grado di saper valutare i dati che gli sono forniti dalla macchina e, all’occorrenza, saper prendere in mano il buon vecchio sestante per confrontare i risultati. Il sistema di navigazione satellitare offre degli incomparabili vantaggi di natura geopolitica. Infatti la localizzazione delle stazioni necessarie al funzionamento del sistema, tutte all’interno degli Stati Uniti, è una grande garanzia di buon funzionamento. Vediamo perché. L’esperienza degli altri metodi elettronici di ausilio alla navigazione, come per esempio il Loran, che ha bisogno di basi operative in vari paesi del mondo, ci insegna che la mutevolezza di regimi politici di molte zone del nostro pianeta non assicura efficienza al metodo stesso. Varrà qui la pena di ricordare che proprio il diffusissimo sistema Loran ha accusato gravi battute d’arresto quando il colonnello Gheddafi ha fatto smantellare la base libica (ricostruita a Pantelleria con lieve danno alla precisione del metodo) e ancora, successivamente, in occasione della guerra turco-cipriota. Considerato che la sicurezza della vita umana in mare non può essere soggetta al brutto carattere di questo o di quel governatore, risulta evidente che un sistema tutto all’interno dello stesso stato è sinonimo di sicura affidabilità. E prova ne è che tutte le marinerie del mondo, da quella russa a quella inglese, fanno uso del sistema satellitare.

Di Luca Bontempelli

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