giovedì 8 novembre 2012

Come funziona il gps (in teoria)

«La teoria della relatività generale, addirittura?».

«Eh, sì. Partiamo dall'inizio: in orbita intorno alla terra ci sono tanti satelliti che, in sostanza, sono degli orologi molto precisi».

«Oltre a essere dei trasmettitori, immagino».

«Certo, ogni satellite trasmette a terra un codice che lo identifica, l'ora in cui il segnale è stato trasmesso, e le sue effemeridi».

«Effemeridi?».

«Sì, dice a tutti chi è e dove si trova in ogni istante: ciao, sono il satellite Marvin, se non mi colpisce un meteorite mi trovo su questa orbita con questi parametri, che noia».

«Ehm».

«Poi trasmette anche altre informazioni, perché il mondo non è perfetto, la ionosfera fa un po' quello che vuole… ma non complichiamo».

«Forse è meglio; allora, noi a terra col nostro ricevitore gps riceviamo tutte queste informazioni. Poi come facciamo a capire dove ci troviamo? Dobbiamo comunicare col satellite?».

«Impossibile, non abbiamo abbastanza potenza, e non abbiamo l'antenna giusta. Il nostro ricevitore deve cavarsela con quello che riceve».

«E come fa?».

«Prima di tutto, deve conoscere l'ora esatta».

«Vabbé, questo non è difficile».

«Poi ne parliamo, per adesso supponiamo che sia facile. Conoscendo l'ora esatta, il ricevitore può calcolare la distanza dal satellite: il segnale trasmesso viaggia alla velocità della luce, sappiamo quando è stato inviato, sappiamo che ore sono quando lo riceviamo, calcoliamo il tempo impiegato dal segnale per arrivare fino a noi, e da lì ricaviamo la distanza».

«Cosa ce ne facciamo della distanza dal satellite?».

«Ci permette di stabilire una cosa: la nostra posizione si trova sulla superficie di una sfera centrata sul satellite e di raggio uguale alla distanza appena calcolata».

«Una informazione un po' vaga, no?».

«Infatti. Prendiamo allora un secondo satellite, e rifacciamo i calcoli con i suoi dati».

«Otteniamo un'altra sfera?».

«Sì. La nostra posizione allora è in un qualche punto che appartiene sia alla prima che alla seconda sfera. Cioè?».

«Cioè su un qualche punto di una circonferenza! L'intersezione tra le due sfere è una circonferenza, vero?».

«Esatto».

«È ancora un po' vago, però. Ci serve un terzo satellite?».

«Proprio così: col terzo satellite otteniamo una terza sfera, e se la intersechiamo con la circonferenza che già abbiamo…».

«Otteniamo… due punti?».

«Già».

«Ma non va bene».

«Bé, uno dei due punti è quello giusto, e l'altro potrebbe trovarsi sotto terra, oppure in cielo, vai a sapere. Un'idea della nostra posizione dovremmo già averla».

«Non mi piace mica tanto questa imprecisione, però».

«Hai ragione, ma non è un problema, perché c'è un problema più grosso».

«Quale?».

«La precisione del nostro orologio. Per quanto la tecnologia di un aggeggino che costa alcune decine di euro sia avanzata, quanto deve essere preciso?».

«Boh?».

«Prova a calcolare quanto spazio percorre la luce in un microsecondo».

«300 mila chilometri al secondo, per un microsecondo, fa 300 metri… oh, non sono mica pochi».

«Soprattutto se devi capire se, alla rotonda, devi prendere la seconda o la terza uscita».

«Ma quindi i nostri ricevitori gps hanno degli orologi così precisi?».

«Assolutamente no: per questo ci serve il quarto satellite».

«E perché?».

«Perché il quarto satellite produrrà una nuova sfera, e intersecandola con i due punti dovremmo essere in grado di ricavare la nostra posizione, se gli orologi fossero sincronizzati. Dato che non lo sono, la quarta sfera non passerà per nessuno dei due punti».

«E quindi?».

«Quindi sarà il nostro ricevitore, dotato di orologio non in punto, che farà i conti necessari per fare sì che la quarta sfera passi per il punto giusto: dovrà cioè mettere in punto l'orologio, in modo che i conti tornino. Insomma, ci sono quattro incognite da trovare — le tre coordinate spaziali più il tempo — e quattro equazioni fornite dai quattro satelliti».

«Ah, bello».

«Ma tutto questo ancora non basta».

«E perché?».

«Perché c'è la teoria della relatività in ballo».

«Uh».

«I satelliti non sono fermi, ma si muovono. Secondo la teoria della relatività speciale, per un corpo in movimento si verifica il fenomeno della dilatazione dei tempi».

«Ma il corpo deve andare molto veloce, no? I satelliti hanno una velocità così alta?».

«L'hanno abbastanza alta per accumulare un ritardo di 7 microsecondi in un giorno. Robetta, se non fosse per il fatto che la luce ha questa brutta abitudine di andare molto veloce».

«Eh, 300 metri al microsecondo, dopo un giorno il navigatore chissà dove ci porta».

«E non è tutto».

«No? Cosa c'è ancora?».

«La relatività generale: lo spaziotempo nella zona in cui orbitano i satelliti è meno curvo rispetto a quello in cui si trova la superficie della terra; la relatività generale prevede dunque un anticipo degli orologi in orbita, rispetto a quelli che si trovano sulla terra».

«Quindi la relatività ristretta prevede un ritardo e quella generale un anticipo? Allora gli errori si correggono da soli, no?».

«Magari. L'anticipo è di 45 microsecondi, quindi di entità maggiore rispetto al ritardo. Sommando i due errori, abbiamo un anticipo di 38 microsecondi».

«Cominciano a diventare tanti, sono 11 chilometri e 400 metri in un giorno».

«Sono quasi 500 metri in un'ora, quasi 8 al minuto: se anche metti in punto molto precisamente il tuo orologio sulla terra, dopo qualche minuto sei già fuori strada. E quindi le correzioni relativistiche sono necessarie, altrimenti il gps non funzionerebbe».

«Pensa un po', io pensavo che fosse solo roba teorica, questa faccenda della teoria della relatività».

«E invece non è così. A dir la verità, il gps funzionerebbe ugualmente anche senza la comprensione della relatività: gli ingegneri sono abituati a lavorare con errori sistematici, a cercarli e a ridurli al minimo. Anzi, pare che sia successo proprio questo: inizialmente non era stata compresa a pieno la portata degli effetti relativistici, e gli errori furono corretti senza conoscerne la causa. Poi è arrivato qualche teorico che ha spiegato la natura degli errori».

«Bravi, questi ingegneri».

«Non esageriamo, eh?».

«Scusa».

10 commenti:

Giuseppe Perelli ha detto...

Molto bella!

IgorB ha detto...

«Bravi, questi ingegneri».
E bellissimo post.
In effetti la tecnologia GPS è uno dei campi in cui la teoria della relatività mostra effetti molto evidenti.
Non avevo mai fatto i conti di quanto fosse lo "spostamento relativistico". 8 metri al minuto sono un enormità, soprattutto se sommati a tutte le altre fonti di imprecisione presenti.
Direi che il mio GPS da polso che "sbaglia" le distanze dell' 1% si comporta egregiamente!

.mau. ha detto...

per gli ingegneri 2+2 fa 5 per valori sufficientemente piccoli di 5 :-)

L'idea che prima si sono messi a posto gli errori e poi qualcuno ha capito il loro motivo non è male... (e finalmente ho capito la ragione della necessità di un quarto satellite). Naturalmente scegliere la seconda o la terza uscita è una battuta, vero?

Anonimo ha detto...

Ho apprezzato molto la battuta sugli ingegneri. :-)
Grazie del post.
nicola.(ex)fisico

zar ha detto...

Bé, se sbagli di 300 metri, è facile anche sbagliare l'uscita dalla rotonda :-)

.mau. ha detto...

Il punto è che il GPS ha bisogno di precisione per beccare la strada giusta, ma visto che non si sta volando la conoscenza della topografia locale aiuta e parecchio.

zar ha detto...

Vero, penso però che 300 metri siano tanti anche con una mappa sotto: potresti trovarti facilmente in una via a fianco, no?

.mau. ha detto...

bastano anche 50 metri, se per questo. Però dimentichi anche che scegliere un'uscita implica scegliere una direzione... (poi non ho mai programmato GPS, quindi non so se sto esagerando l'intelligenza degli ingegneri)

cla ha detto...

Bel post!
Da (allieva) ingegnere, mi permetto di sottolineare che in realtà il problema del calcolo della posizione è un po' più complicato, perchè il sistema GPS è progettato in modo tale che ogni ricevitore in ogni istante e in qualsiasi punto della terra riceva segnali da almeno sei satelliti. Quindi per il calcolo della posizione bisogna risolvere un problema ai minimi quadrati.
Attualmente poi l'elevata precisione del GPS civile è dovuta a un minore fanatismo degli americani e soprattutto ai sistemi di "assistenza" al GPS :)

zar ha detto...

sì, sì, infatti nel titolo del post si dice che il gps funziona così "in teoria" :-)