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    Il posizionamento iper accurato è millimetrico

    Gli aggiornamenti dei satelliti in orbita e i sistemi terrestri permetteranno di ottenere dati di assoluta precisione in tempo reale delle situazioni territoriali a maggior rischio.

    di Ling Xin

    Una massiccia frana, la peggiore degli ultimi decenni, ha colpito la casa di Du Fangming nella provincia dell’Hunan, nel sud della Cina, il 6 luglio. “La mia casa è crollata. Le mie capre sono state portate via dal fango”, ha detto ai media cinesi poco dopo la catastrofe. Fortunatamente, però, era al sicuro: come gli altri 32 abitanti del villaggio era stato evacuato grazie ai sistemi di preallarme abilitati da tecnologie di posizionamento avanzate che possono fornire letture più accurate che mai.

    Alimentati dal sistema di navigazione satellitare globale recentemente completato dalla Cina, BeiDou (il Grande Carro), e dalle sue stazioni terrestri, i sensori di posizione possono rilevare sottili cambiamenti nella superficie terrestre nelle regioni soggette a frane in tutta la Cina. Il movimento di pochi metri può essere individuato in tempo reale, mentre la precisione della post-elaborazione può raggiungere il livello millimetrico. 

    Ciò significa che uno spostamento impercettibile di terreno può essere rilevato da oltre 21.000 chilometri di altezza. Dodici giorni prima della frana, il villaggio di Du ha ricevuto un’allerta arancione che citava anomalie nei dati, in riferimento a un’accelerazione dello scivolamento della superficie dopo giorni di forti piogge.

    Il villaggio di Du è tra gli oltre 100 siti dell’Hunan dotati di tali sistemi di monitoraggio delle catastrofi e di allerta precoce. “Questo servizio non sarebbe stato possibile se la precisione del posizionamento satellitare fosse stata ancora a livello di metro o decimetro”, afferma Yuan Hong dell’Aerospace Information Research Institute presso l’Accademia cinese delle scienze di Pechino, dove ha lavorato per decenni su BeiDou.

    Più che mai, ci affidiamo a tecnologie in grado di determinare la nostra posizione o localizzare un oggetto. L’agricoltura di precisione, i droni per la consegna di forniture mediche, la logistica, i viaggi in aereo e il trasporto aereo dipendono tutti da un rilevamento della posizione estremamente accurato dallo spazio. Ora una serie di implementazioni e aggiornamenti stanno aumentando la precisione dei sistemi di posizionamento satellitare globale più potenti del mondo da diversi metri a pochi centimetri.

    Ciò potrebbe significare che il vostro telefono sa non solo in quale strada state camminando o andando in bicicletta, ma in quale lato della strada vi trovate. Un giorno, questo tipo di risoluzione potrebbe consentire alle auto a guida autonoma o ai robot per le consegne di navigare in sicurezza su strade e marciapiedi.

    Con il miglioramento della tecnologia, aumenta anche la precisione del GPS, rappresentata qui da una media statistica dell’errore del segnale misurato su una singola frequenza attraverso la costellazione satellitare. NASA

    I satelliti sono sempre più avanzati 

    Il Global Positioning System, uno dei primi sistemi satellitari al mondo, ha cambiato il modo in cui miliardi di persone si muovono. Dal 1993, almeno 24 satelliti GPS sono in orbita attorno alla Terra e trasmettono costantemente le loro posizioni. Qualsiasi ricevitore GPS può trovare la sua posizione attuale in pochi secondi triangolando i segnali da almeno tre satelliti nella costellazione.

    Una volta che i segnali vengono elaborati da un ricevitore, il GPS ha un’accuratezza che varia dai 5 ai 10 metri. Ora il sistema è nel mezzo di un aggiornamento di anni al GPS III, che dovrebbe migliorare la sua precisione da uno a tre metri (si veda grafico). Entro novembre 2020, quattro dei 10 satelliti GPS III erano stati lanciati, e il resto dovrebbe essere messo in orbita entro il 2023. Anche se i consumatori non se ne accorgeranno subito, la precisione dei loro sistemi di navigazione e delle app di localizzazione per smartphone ne trarrà giovamento. 

    Nel giugno del 2020, la Cina hacompletato la sua costellazione di satelliti BeiDou come alternativa al GPS. Ampliato nel corso di due decenni da una rete regionale a una rete globale, BeiDou dispone ora di 44 satelliti che operano in tre orbite distinte. Fornisce servizi di posizionamento a chiunque nel mondo con una precisione media da 1,5 a due metri. Tuttavia, poiché il servizio ha a cura soprattutto la Cina e l’Asia, gli utenti regionali di BeiDou possono spesso ottenere migliori informazioni sulla posizione, con una precisione prossima al metro. 

    Aumentare la precisione sul terreno

    Anche con questi progressi, i segnali di posizionamento incontrano interferenze e altre condizioni che possono danneggiarli. La correzione di questi errori richiede un altro livello di tecnologia. Sia BeiDou che il GPS fanno grande affidamento sui sistemi a terra per aumentare la precisione di posizionamento a livello di centimetro. Un approccio diffuso è il posizionamento cinematico in tempo reale (RTK), che utilizza un ricevitore base e un ricevitore rover, posizionati a chilometri di distanza, per ricevere i segnali satellitari e calcolare gli errori causati dalla ionosfera terrestre. Questa tecnica può ottenere livelli di precisione inferiori a tre centimetri. 

    Una tecnologia simile, ma più recente, è il posizionamento preciso del punto (PPP). Richiede un solo ricevitore e funziona da qualsiasi punto della superficie terrestre, offrendo agli utenti una precisione che varia da decimetro a centimetro. In Cina, l’RTK è relativamente maturo e migliaia di stazioni base sono state costruite in tutto il paese, afferma Yuan: “Stiamo ora sviluppando una tecnologia chiamata PPP-RTK per combinare i loro punti di forza e si spera di utilizzarla entro pochi anni”.

    Oltre il posizionamento satellitare

    Man mano che la precisione del posizionamento satellitare migliora, troveremo senza dubbio ancora più modi per usarlo. Alla fine, però, i sistemi satellitari tradizionali raggiungeranno un limite di precisione, probabilmente intorno al livello del millimetro. Quindi i ricercatori stanno esplorando nuove tecnologie di posizionamento che potrebbero portarci oltre quel limite o almeno ridurre la nostra dipendenza di satelliti

    Un approccio utilizza le proprietà quantistiche della materia per individuare e navigare senza riferimenti esterni. Quando gli atomi vengono raffreddati appena sopra lo zero assoluto, raggiungono uno stato quantistico particolarmente sensibile alle forze esterne. Quindi, se conosciamo la posizione iniziale di un oggetto e possiamo misurare i cambiamenti negli atomi (con l’aiuto di un raggio laser), possiamo calcolare i movimenti dell’oggetto e trovare la sua posizione in tempo reale. 

    Il posizionamento quantistico sarebbe particolarmente utile in situazioni in cui i sistemi satellitari come GPS o BeiDou non sono disponibili, come nello spazio profondo o sott’acqua, o come tecnologia di navigazione di backup per auto a guida autonoma. Una primissima versione di un sistema di posizionamento quantistico, sviluppato da ColdQuanta a Boulder, in Colorado, è ora operativa sulla Stazione Spaziale Internazionale. 

    I nostri antenati guardavano alle stelle e alle bussole per capire dove si trovavano mentre oggi usiamo orologi atomici sui satelliti in orbita per fare lo stesso. Le nuove tecnologie di posizionamento hanno già cambiato il modo in cui coltiviamo, trasportiamo merci e navighiamo nel nostro mondo. Man mano che la tecnologia di posizionamento avanza a livello millimetrico e oltre, i limiti del suo utilizzo saranno definiti più dalla nostra creatività e dai limiti legali o etici che ci siamo posti che dalle prestazioni della tecnologia stessa. 

    (rp)

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