Il cielo dei navigatori - La navigazione: Arte Perfetta
Da Commissione Divulgazione - Unione Astrofili Italiani.
ATTENZIONE ! - PAGINA IN CORSO DI COMPLETAMENTO !!!
SI DECLINA OGNI RESPONSABILITA' IN MERITO ALLE INFORMAZIONI TRATTE DALLA PRESENTE IN QUANTO NON ANCORA CONTROLLATE E RILASCIATE
Indice |
Un po' di fortuna non guasta
Nella livida e fredda mattinata del 17 Dicembre 1837 il capitano della Marina Statunitense Thomas H. Sumner era estremamente preoccupato. Proveniva da Charleston (Stati Uniti) ed era diretto a Greenoch (Gran Bretagna). Dopo una lunga traversata atlantica e vari giorni di cattivo tempo, si aspettava di trovarsi nei pressi della costa irlandese, in una zona estremamente pericolosa per la navigazione, all'imbocco del canale di S. Giorgio. Ma come esserne sicuro? Per giorni aveva scrutato il cielo alla ricerca di un astro per determinare la sua posizione, ma il cielo era rimasto ostinatamente nuvoloso e non aveva potuto osservare nè le stelle, nè la Luna, nè il Sole. Improvvisamente, da uno squarcio delle nubi, apparve il Sole e Sumner non si fece trovare impreparato: prese il sestante e misurò l'altezza del Sole. Nell'istante in cui il suo cronometro indicava le ore 10:30 di tempo di Greenwich, il lembo inferiore del Sole risultò essere 12° 02' sull'orizzonte marino. Poi il cielo tornò a coprirsi e Sumner si mise a pensare a cosa fare con quell'unico dato. Tenendo conto dell'ultima posizione misurata e della velocità della nave, stimava ragionevolmente di essere in un punto di coordinate 51° 37' Nord e 6° 40' Ovest. Utilizzò la latitudine stimata e l'altezza misurata per calcolare la longitudine. Risultò essere ad Est del punto stimato, ma poteva essere sicuro? Se la latitudine stimata fosse stata errata dove poteva trovarsi con quell'altezza misurata del Sole? Più ad Est o più ad Ovest? La zona pericolosa iniziava a latitudine leggermente superiore a quella stimata; rifece allora i calcoli, sempre utilizzando la stessa altezza, ma con altri due valori di latitudine, aumentati di 10' e 20' rispetto al valore stimato.
<center</center> Riportò i tre punti sulla carta nautica e, con sua grande sorpresa, si accorse che stavano tutti e tre su una retta che, per pura fortuna, puntava sul fanale di Smalls, una guida sicura per arrivare a destinazione. Per una conferma all'idea che gli era balenata in mente, cambiò rotta, dirigendo per ENE (Est Nord Est), lungo la retta disegnata e, poco dopo, il fanale di Smalls gli apparve effettivamente di prua. Un caso? L'idea che gli era balenata in mente era piuttosto semplice: nell'istante in cui aveva osservato il Sole, qualunque osservatore ne avesse misurato la stessa altezza, si doveva necessariamente trovare proprio su quella retta, su cui giacevano i punti da lui calcolati. La sua nave doveva quindi trovarsi su uno qualunque dei punti di tale retta che, per puro caso, era diretta verso il fanale di Smalls. Nel 1843 il capitano Sumner pubblicò a Boston un opuscolo con il racconto della sua avventura e le sue considerazioni. Egli aveva scoperto, sperimentalmente, le rette di altezza. Nel 1875 il capitano Marcq Saint-Hilaire perfezionò ulteriormente questo metodo, che permetteva di trovare la posizione della nave con almeno due misure di altezza e di tempo di un astro qualsiasi. Tutte le altre tecniche per calcolare in mare latitudine e longitudine, passarono in secondo piano proprio perchè fornivano solo l'una o l'altra delle coordinate, o richiedevano momenti particolari del giorno o della notte, od ancora particolari corpi celesti.
Come ebbe a dire l'astronomo M. Yvon Villarceau, incominciò allora una nuova navigazione astronomica, affascinante e di affidamento, che aveva bisogno solo di un buon sestante, un preciso orologio e delle effemeridi astronomiche.
non è diverso da quello usato oggi.
La navigazione astronomica viene studiata ancora, nonostante che siano oggi disponibili metodi ben più potenti e sofisticati, perchè ha l'insostituibile vantaggio di funzionare sempre, anche durante un guasto elettrico a bordo o, peggio, durante un naufragio. In questo secolo non è cambiato sostanzialmente niente, nè la teoria nè la tecnica, si è solo automatizzato il calcolo ed il disegno delle rette di altezza e ridotte al minimo le possibilità di errore.
Vecchi metodi, ma sempre più precisi
Nel lungo periodo in cui fu messa a punto la navigazione astronomica, le vecchie tecniche della navigazione antica e medioevale vennero perfezionate. Nel nostro secolo, con l'introduzione della radio e del radar, queste tecniche, pur rimanendo concettualmente immutate, hanno fatto un ulteriore salto di qualità.
La navigazione lungo costa
I vecchi portolani vengono sostituiti dalle carte nautiche che sono più ricche di particolari costieri, ottenute con regole precise di proiezione cartografica e, soprattutto, inserite in un reticolato di coordinate geografiche.
Nell'800 gli Stati moderni affidano ad appositi istituti nazionali il compito di rilevare, redigere e distribuire le carte nautiche. Nel nostro paese è l'Istituto idrografico della Marina.
Se alla carta si accompagna il "peloro" (una sorta di quadrante azimutale dotato di bussola) si può determinare la posizione della nave, misurando la direzione di almeno due particolari costieri ben riconoscibili e riportando sulla carta le corrispondenti rette di direzione. La nave si trova nel punto d'incontro di queste due rette.
Un'estensione di questo tipo di navigazione fu realizzata con l'introduzione dei Fari dotati di luci lampeggianti diversamente per frequenza e durata, in modo da poter essere riconosciuti, di notte, come e meglio dei particolari costieri.
La radio rappresentò un'ulteriore estensione: i radio fari sono riconoscibili anche quando la costa è ancora troppo lontana o non è visibile a causa della nebbia; quello che serve è una carta con le loro posizioni ed una radio bussola con la quale si determina la direzione del segnale.
I sistemi di radiolocalizzazione
Attualmente esistono diversi sistemi di radiolocalizzazione, ovvero sistemi in grado di determinare la posizione dell'osservatore, dotato di un ricevitore, utilizzando le onde radio. Alcuni di questi sistemi, i più recenti, sono basati su una rete di satelliti orbitanti attorno alla Terra, in grado di assicurare la copertura di tutto il pianeta. Altri, sviluppati negli anni sessanta, ma ancora in uso, sono basati su stazioni radio a terra. Il più usato è il LORAN-C. Si basa su un certo numero di stazioni radio, sparse in tutto il mondo e raggruppate in "catene", ciascuna delle quali si compone di una stazione "master" e di stazioni "slave", in numero variabile da due a cinque e sincronizzate, mediante un orologio atomico, con la stazione master. La posizione di tutte queste stazioni, nonchè le frequenze di trasmissione e tutti i particolari tecnici necessari sono ovviamenti noti ai naviganti. Periodicamente la stazione master invia un segnale a cui fanno seguito i segnali delle stazioni slave. L'apparato ricevente, a bordo di una nave, è dotato di un orologio sincronizzato con quello delle stazioni emittenti ed è quindi in grado di calcolare la differenza dei tempi di emissione e di arrivo per ogni stazione. Nota la velocità di trasmissione delle onde radio, pari a quella della luce, 300.000 Km./sec, si può infine calcolare la distanza di ogni stazione. Esistono infiniti punti sulla Terra che, in un determinato istante, misurano una certa distanza da una stazione. Essi si trovano tutti lungo una circonferenza che ha, al centro, la stazione emittente. Si determinano così tanti cerchi di posizione quante sono le stazioni considerate e, soprattutto, ricevute. La nave si trova all'intersezione di questi cerchi; già con due il problema può dirsi risolto se si conosce, con una certa approssimazione la posizione della nave o se uno dei due punti cade sulla terraferma e può quindi essere scartato.
Quello descritto è il modo più semplice di utilizzare le stazioni LORAN, per maggiori dettagli consultate i siti consigliati. Il sistema si caratterizza per la semplicità e per il basso costo di impianto e di esercizio, se lo si confronta con i costi e le difficotà tecniche dei sistemi satellitari, ma non permette una copertura gobale del pianeta (ogni stazione ha una portata di circa 1000 miglia nautiche) ed ha una precisione inferiore, dell'ordine del centinaio di metri, nelle migliori condizioni di esercizio.
La navigazione stimata
Per praticare questo tipo di navigazione bisogna registrare attentamente la direzione e la distanza percorsa dalla nave, dopo la partenza dall'ultimo porto noto.
Carta mondiale della declinazine magnetica nel 1940(le linee congiungono i punti ad uguale declinazine magnetica)
La direzione viene misurata con la bussola di cui i marinai hanno diffidato, e con ragione, per secoli, non essendo disponibile una conoscenza soddisfacente del suo funzionamento fino al XIX secolo. L'ago della bussola si orienta verso il Polo Nord Magnetico, che non coincide con quello geografico e la sua direzione è, inoltre, perturbata da anomalie locali. Si chiama declinazione magnetica l'angolo che l'ago della bussola fa con la direzione del Nord Geografico. In alcune zone della Terra questo angolo è 0°, ma in altre può superare 50°. Inoltre la declinazione magnetica cambia con il tempo e la sua variazione non è del tutto prevedibile, per cui, a distanza di qualche anno, le misure devono essere ripetute ed i dati pubblicati nuovamente.
Modello di Bussola e Binnacle negli anni 30 A bordo sono molte le cause che possono falsare la lettura della bussola; la maggiore è rappresentata dalla massa metallica dello scafo. Lo strumento va mantenuto orizzontale, protetto e compensato. La speciale custodia (binnacle), in cui viene alloggiato, assolve a tutte queste funzioni.
Solcometro meccanico in uso negli anni 40 La distanza percorsa viene misurata con il solcometro. Il solcometro moderno è un oggetto che, per la sua forma, quando viene trascinato dalla nave ruota e questa rotazione viene trasmessa ad un contatore meccanico, elettrico o elettronico.
Anche il rilievo della profondità ha registrato grandi progressi: fin dagli anni 30 lo scandaglio è stato sostituito dal Sonar. Si ottiene la profondità misurando il tempo necessario al suono per propagarsi nell'acqua, rimbalzare sul fondo e raggiungere nuovamente lo scafo. 60 anni fa il sonar era un'apparechiatura ingombrante e costosa, oggi è uno dei tanti accessori, presenti anche su piccole imbarcazioni che fornisce, oltre alla profondità un vero e proprio profilo tridimensionale del fondo. Negli anni quaranta venne introdotta un'altra apparecchiatura ausiliaria: il radar. Oggi, miniaturizzato, è presente anche su i piccoli pescherecci e le barche da diporto. Con il radar si ottiene la distanza ed un profilo tridimensionale della costa. La navigazione stimata in inglese si chiama Dead Reckoning che, letteralmente, significa stima morta ossia navigazione alla cieca e questo la dice lunga su quanta fiducia i marinai nutrissero per questo tipo di tecniche di navigazione. La moderna tecnologia ha reso affidabili e desiderabili queste tecniche.
Per ulteriori approfondimenti consultare in rete i seguenti siti:
Istituto idrografico della Marina Istituto Nazionale di Geofisica United States Coast Guard Liste des systemes de radionavigation Per tornare alla pagina di provenienza usare il bottone back del browser
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Oltre le stelle: il GPS
Il 4 Ottobre 1957, dal cosmodromo di Baikamur in Kazakhstan viene lanciato il primo satellite artificiale: lo Sputnik. Con quel lancio si apre una nuova epoca per la navigazione, la cartografia e lo studio della Terra. Quaranta anni dopo, con un apparecchio non più grande di un telefono cellulare e che costa leggermente meno, chiunque può ottenere la propria posizione, con un errore massimo di 100 metri ed il tempo, con un errore massimo inferiore al milionesimo di secondo. Con qualche accorgimento tecnico si può fare anche di meglio: nelle zone urbane si raggiunge la precisione di un metro!! Un'accuratezza neanche immaginabile all'inizio del nostro secolo e che apre, di giorno in giorno, nuove prospettive di utilizzo. Tutto questo si chiama GPS (Global Position System) e GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), due sigle che significano la stessa cosa: Sistema globale di navigazione satellitare. Il primo sistema è stato realizzato dagli americani a partire dagli anni 70, il secondo è in corso di realizzazione da parte dei russi a partire dagli anni 90.
Un recente modello di ricevitore GPS che fornisce direttamente
la posizione dell'utilizzatore rispetto ad una carta topografica della
zona. Questo modello viene installato nei cruscotti delle auto.
Nati come progetti militari, il loro uso viene rapidamente trasferito alla vita civile di tutti i paesi del mondo che, attorno ad essi, riorganizzano nuovi e vecchi servizi, collettivi ed individuali. Si pensi, per esempio, al catasto dei terreni e dei fabbricati che, in Europa fu espressione del nascente stato liberale e seguì immediatamente la nascita della cartografia moderna, anch'essa concepita inizialmente in ambito militare; nei paesi in via di sviluppo, grazie a questi sistemi, il catasto potrebbe essere realizzato saltando la fase cartacea e di rilevazione basata sul teodolite. Il GPS come il GSM (Global system for movable comunication) ed Internet stanno cambiando la vita di tutti i cittadini del mondo e fanno nascere una domanda: chi controlla e, soprattutto, chi controllerà questi sistemi? Si tratta infatti di sistemi complessi, costosi e a dimensione planetaria. Le stelle sono state sostituite da satelliti, ma mentre le stelle sono di tutti, i satelliti devono essere progettati, lanciati e mantenuti in efficienza.
Per meglio comprendere il funzionamento di questi sistemi, si possono distinguere tre livelli di organizzazione:
i veicoli spaziali il sistema di controllo i ricevitori usati dagli utenti
GPS è basato su 24 satelliti che compiono una rotazione completa attorno alla Terra in 11 ore e 58 minuti e quindi ripassano sopra lo stesso luogo, riassumendo la stessa configurazione complessiva, ogni 23 ore e 56 minuti, una rotazione terrestre. I satelliti sono distribuiti su sei piani orbitali, con quattro veicoli per piano. Le orbite sono inclinate di circa 55° sul piano dell'equatore. Da qualunque punto della Terra ne sono visibili almeno cinque, fino ad un massimo di otto.
Il sistema di controllo è costituito da una rete di antenne distribuite su tutta la Terra per conoscere la posizione di ciascun satellite, in qualunque momento, e le più piccole variazioni della sua orbita. In Colorado si trova il centro di controllo che invia a ciascun veicolo i segnali necessari a correggere gli orologi atomici di bordo, e calcola le loro posizioni orbitali nel tempo. Queste posizioni vengono poi inviate a ciascun satellite che, in questo modo, può comunicare ai ricevitori la sua posizione.
I ricevitori sono dei piccoli calcolatori che, automaticamente, si sintonizzano con 4 satelliti. Da ogni satellite viene ricevuto un segnale che contiene la sua identificazione, la sua posizione ed il tempo d'invio del segnale medesimo. Il ricevitore calcola la distanza percorsa dal segnale facendo la differenza tra il tempo d'invio ed il tempo di ricezione. Si conosce infatti la velocità del segnale che è quella della luce: 300.000 Km/s.
Per ogni satellite il ricevitore individua così una sfera di posizione. Tre sfere si incontrano in due punti e, poichè uno di essi cade nello spazio o all'interno della Terra, in linea di principio sarebbero sufficienti a calcolare la posizione del ricevitore. In realtà l'orologio del ricevitore ha sempre un piccolo errore che non può essere eliminato, pena il costo proibitivo dell'apparecchio; è allora necessario ricorrere ad un quarto satellite. Quattro sfere di posizione devono passare per un punto: si tratta di rifare i calcoli facendo variare leggermente in avanti o indietro l'orologio del ricevitore fino a che le quattro sfere si incontrano davvero in un punto. Esiste un solo valore del tempo e delle coordinate dell'utente che soddisfano a queste condizione ed il problema è risolto senza alcuna ambiguità.
Per approfondire gli argomenti trattati consultate in rete i seguenti siti:
History of Space Exploration (in inglese) Here Comes Sputnik! Un'interessante rievocazione del lancio dello Sputnik (in inglese) Space Geodesy I programmi della NASA per la geodesia, la navigazione, la cartografia ecc. (in inglese) GLONASS Le caratteristiche del sistema russo di navigazione satellitare (in inglese) Global Positioning System Overview (in inglese) Navigation with GPS (in inglese) GPS for Geodynamics (in inglese) International GPS Service Potete inoltre usare il programma DOS gps.exe per simulare le orbite dei satelliti GPS e GLONASS. Il prgramma si trova nella directory /software/GPS del CD-ROM. Per tornare alla pagina di provenienza usare il bottone back del browser
