Come funziona la precisione del GPS

Satelliti, orologi e trilaterazione

Il GPS è una costellazione di circa 31 satelliti (a cui si affiancano Galileo in Europa, GLONASS in Russia e BeiDou in Cina, oltre a sistemi regionali di supporto come NavIC in India e QZSS in Giappone — i telefoni moderni usano qualunque costellazione riescano a captare) in orbita a un'altitudine di circa 20 200 km, su sei piani orbitali inclinati di 55° rispetto all'equatore, con ogni satellite che compie un giro completo della Terra ogni 11 ore e 58 minuti. Ognuno trasmette una marca temporale estremamente precisa generata da un orologio atomico di bordo — un orologio che, per restare utile, ha bisogno di Einstein: la gravità più debole e la velocità orbitale lo fanno andare avanti di circa 38 microsecondi al giorno, uno scarto che, se non corretto, si accumulerebbe fino a chilometri di errore di posizione ogni giorno. Il telefono misura quanto tempo ha impiegato ogni segnale ad arrivare; moltiplicando per la velocità della luce ottiene la distanza da ciascun satellite. Una distanza ti colloca su una sfera, due su una circonferenza, tre su due punti — e un quarto satellite risolve sia il punto definitivo sia l'errore dell'orologio del ricevitore. Ecco perché un «fix» richiede almeno quattro satelliti, e perché il primo rilevamento dopo essere stati al chiuso è il più lento: il ricevitore sta ancora scaricando i dati orbitali di ogni satellite.

Da dove viene l'errore

Ogni metro di errore è un problema di tempi su scala di nanosecondi. Il segnale rallenta in modo imprevedibile attraversando ionosfera e troposfera (2–5 m di errore), gli orologi e le orbite dei satelliti derivano leggermente (±2 m) e — il fattore principale in città — i segnali rimbalzano su vetro e cemento prima di raggiungerti. Quell'effetto multipath fa sì che il telefono cronometri un riflesso invece del raggio diretto: per questo la precisione in una via stretta tra edifici alti può scendere a 30–50 m, mentre in campo aperto arriva a 3 m. Le chiome degli alberi, il tuo stesso corpo e persino tenere il telefono in basso aggiungono versioni più piccole dello stesso problema.

L'altitudine si misura allo stesso modo, ma soffre di un errore circa 1,5–3 volte maggiore di quello orizzontale, perché i satelliti stanno tutti sopra di te: da sotto non c'è nulla che vincoli la soluzione. Per questo il nostro strumento per l'altitudine affianca alla lettura GPS quella del modello del terreno.

Che cosa significa davvero il cerchio di precisione

Il cerchio attorno al puntino è un'affermazione statistica, non un confine: di solito è disegnato in modo che la posizione reale abbia circa il 68% di probabilità di trovarsi al suo interno. Un cerchio di 20 m non vuol dire che sbagli di 20 m: vuol dire che la stima dell'errore fatta dal ricevitore, ricavata dalla qualità del segnale e dalla geometria dei satelliti, è di 20 m. La geometria conta quanto la potenza del segnale: se i satelliti visibili si concentrano in una sola zona del cielo (si parla di alta diluizione della precisione), piccoli errori di tempo diventano grandi errori di posizione, come due rette quasi parallele che si incrociano in modo impreciso.

I telefoni barano — in senso buono

Il rilevamento di un telefono è raramente GPS puro. Il GPS assistito (A-GPS) scarica dalla rete le orbite dei satelliti, così il ricevitore salta la lenta ricerca nel cielo; il posizionamento Wi-Fi confronta i punti di accesso vicini con mappe raccolte dagli utenti (entro ~15–40 m al chiuso); le celle telefoniche danno subito una stima grossolana tra 100 m e 3 km. Il sistema operativo fonde tutto questo con accelerometro, giroscopio e magnetometro, ed è per questo che a volte il puntino salta in una nuova posizione: il motore di fusione ha cambiato idea su quale fonte sia più affidabile. Quando controlli la tua posizione su questo sito, il browser ci passa quello che ha prodotto la fusione del sistema operativo: mostriamo onestamente la precisione dichiarata, invece di vantare un'esattezza che non c'è.

Il trucco più recente è una seconda frequenza. I telefoni più recenti — la maggior parte degli smartphone Android di fascia alta dal ~2018, gli iPhone dal 15 in poi — captano il moderno segnale L5 insieme all'originale L1. Confrontare due frequenze permette al ricevitore di misurare il ritardo ionosferico invece di stimarlo con un modello, e la struttura più netta e forte di L5 resiste meglio al multipath: ecco perché un telefono a doppia frequenza può mantenere una precisione di 1–2 m in un canyon urbano dove prima si arrivava a 20. Gran parte della costellazione trasmette già L5 (che raggiungerà piena potenza ufficiale man mano che gli ultimi satelliti pre-2010 andranno in pensione), e i ricevitori dedicati a L5 si avvicinano a ~30 cm.

Ottenere un rilevamento migliore

Passi pratici, in ordine di efficacia: cerca il cielo aperto (anche solo allontanarsi dalla facciata di un edificio aiuta più di qualsiasi altra cosa); concedi al rilevamento 30–60 secondi per stabilizzarsi invece di leggere la prima stima; disattiva le modalità di risparmio energetico per la posizione, che passano in silenzio a fonti grossolane; e nelle registrazioni lunghe, come con il nostro tachimetro GPS, tieni lo schermo acceso e il telefono libero da ostacoli — molti telefoni rallentano il GPS quando sono bloccati. Se due dispositivi non concordano, fidati di quello che mostra il cerchio di precisione più piccolo, e ricorda che entro i limiti dichiarati possono avere ragione entrambi. Per condividere un punto con esattezza a prescindere dal rumore del GPS, usa i formati di coordinate della pagina sulle coordinate GPS: un Plus Code o un riferimento MGRS non si sposta.