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Tutorial su GPS e Galileo [IT] - Università Studi di Trento

 

1 Introduzione

 

Lo scopo di questo documento è quello di descrivere i sistemi di posizionamento satellitari, le loro funzionalità e caratteristiche. Non pretende di entrare nel dettaglio nella teoria ed implementazione di ogni singolo aspetto di questi sistemi, ma di analizzare le tecnologie disponibili e le loro funzionalità, senza preoccuparsi del loro funzionamento interno. Solo nei casi in cui una analisi più minuziosa sia utile a capire la ragione o importanza di un certo aspetto del sistema si includeranno descrizioni e dettagli più approfonditi. Il documento si divide in sei sezioni.

 

1) Introduzione (questa sezione).

2) Overview dei sistemi di posizionamento e navigazione satellitare.

3) Concetti relativi al posizionamento satellitare.

4) Tecnologie disponibili.

5) Galileo.

6) Conclusioni.

 

Nel secondo capitolo si descrivono le caratteristiche generali dei sistemi di posizionamento satellitari, le loro applicazioni, vantaggi rispetto ad altri tipi di posizionamento ed altri aspetti rilevanti. Il terzo e quarto capitolo sono quelli con più contenuto tecnico; il terzo descrive il funzionamento dei componenti di un sistema di posizionamento, le sorgenti di errori e le tecniche e metodi applicati per affrontarle. Tutto questo serve di base per l’analisi delle tecnologie disponibili e specifiche realizzata nel capitolo quattro.

Il documento sviluppa principalmente tecnologie relative al sistema GPS. Il quinto capitolo però, è dedicato a Galileo, il futuro sistema di posizionamento satellitare europeo.

Per chi volesse approfondire di più certi argomenti il documento consta anche di due appendici. La prima contiene una raccolta di dati d’interesse relativi a diversi sistemi di posizionamento satellitari. La seconda approfondisce questioni teoriche relativa alla misura del ‘range’ e al calcolo della posizione nel sistema GPS.

 

2 Overview dei sistemi di posizionamento e navigazione

satellitare

 

2.1 Motivazioni ed aspetti generali

 

I sistemi di posizionamento radio fanno uso dei segnali radio per misurare le distanze di un punto di ricezione relativamente a diverse antenne trasmittenti collocate in posizioni geografiche note. Il prodotto finale di questi sistemi sono coordinate tridimensionali di punti sulla superficie terrestre in un sistema di riferimento.

I sistemi classici di posizionamento radio dispongono i trasmettitori in torri di trasmissione distribuite nel territorio di copertura. Questo approccio presenta le seguenti limitazioni.

· Poca copertura: il sistema è funzionante solo nelle vicinanze alle antenne trasmittenti. Queste ultime sono disponibili solo su aree ridotte del globo. Aree di grandissime dimensioni come gli oceani non sono coperte da questi sistemi, e perciò si tratta di sistemi non globali.

· I trasmettitori inviano segnali lungo la superficie terrestre, e quindi restituiscono solo informazioni di posizione bidimensionale (latitudine e longitudine).

Non possono invece provvedere l’altitudine, necessaria per esempio in aviazione.

I sistemi di navigazione radio basati su satelliti sono stati concepiti per superare queste limitazioni, installando i radiotrasmettitori su satelliti artificiali che orbitano intorno alla Terra ad alta quota per offrire una maggiore copertura. In questo modo il segnale di un satellite di navigazione può coprire grandi aree della superficie terrestre, e pochi (o poche decine di) satelliti possono coprire l’intero pianeta.

Nei sistemi basati su satelliti, i satelliti stessi fanno da punti di riferimento e la distanza rispetto a loro viene misurata per determinare la posizione tridimensionale (latitudine, longitudine e altitudine) calcolando i punti di intersezione di diverse sfere.

I satelliti di navigazione non hanno posizioni geografiche fisse, ma orbitano intorno alla terra a grande velocità. Ciononostante, questi satelliti hanno dei meccanismi per l’invio di informazioni sulle loro posizioni ad ogni istante di tempo grazie alla grande stabilità delle orbite ed alla loro perfetta conoscenza in base alle leggi della gravitazione.

In un sistema di posizionamento satellitare, le locazioni ed orbite di ogni satellite vengono costantemente monitorate da centri di osservazione dell’organizzazione responsabile del mantenimento dell’orbita del satellite dentro i limiti predeterminati. Questa stessa organizzazione predice anche l’orbita futura del satellite. Queste predizioni sono trasmesse ai satelliti dall’organizzazione di controllo, in modo di poter essere inviate ai ricevitori. I satelliti stessi includono queste informazioni nei loro segnali, che raggiungono un qualunque ricevitore nell’area di copertura.

Tra le possibili applicazioni dei sistemi di posizionamento satellitari ci sono le seguenti.

· Terrestri: Rilievi topografici e geodetici, monitoraggio di deformazioni, posizionamento di veicoli in tempo reale, sistemi di navigazione terrestre, geocaching, ecc.

· Marine: Rilievi batimetrici, gravimetrici e sismici; posizionamento di strutture off-shore, posizionamento di natanti in tempo reale, studi oceanografici sulla direzione delle correnti, sistemi di navigazione marina, ecc.

· Aeree e spaziali: Rilievi aerofotogrammetrici senza punti di appoggio, rilievi gravimetrici e posizionamento di velivoli e di altri tipi di satelliti artificiali (telerilevamento, radar-altimetria, ecc) in tempo reale, sistemi di navigazione aerospaziale, ecc.

Uno dei primi sistemi di navigazione satellitare fu Transit. L’esperienza ottenuta da Transit e da tanti altri sistemi esperimentali ha portato allo sviluppo dell’attuale NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) da parte degli Stati Uniti di America, e del GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) da parte della federazione russa. GPS e GLONASS sono molto simili.

 

2.2 Il sistema GPS

 

Il prodotto finale del GPS sono coordinate tridimensionali di punti sulla superficie terrestre in un sistema di riferimento geocentrico e fisso rispetto alla terra.

Le principali caratteristiche del sistema GPS sono:

· elevata precisione,

· possibilità di impiego 24 ore su 24, 365 giorni dell’anno,

· funzionalità in qualsiasi condizione meteorologica.

I sottosistemi che compongono il sistema GPS vengono chiamati segmenti, e sono tre:

· segmento spaziale: composto da 24 satelliti attivi (28 in totale) in orbita a 20200 km di altezza e con un periodo orbitale di 12 ore;

· segmento di controllo: composto da una serie di centri di monitoraggio e controllo dei satelliti ed altri componenti del sistema;

· segmento di utilizzo: composto dai ricevitori che consentono agli utenti finali del sistema di determinare le loro posizioni geografiche.

Le principali applicazioni di GPS sono attualmente tre, in funzione della precisione, della strumentazione impiegata e, conseguentemente, dei costi.

1. Applicazioni geodetiche: con precisioni centimetriche (come reti di controllo o di inquadramento regionale ed applicazioni fotogrammetriche).

2. Applicazioni topografiche: con precisioni decimetriche (come posizionamento di infrastrutture regionali, rilievi di alvei e così via).

3. Applicazioni classiche di navigazione: con precisioni metriche (determinazione della posizione dell’antenna in movimento in tempo reale).

Frequentemente si fa anche distinzione fra applicazioni militari e civili o commerciali dei sistemi di posizionamento. La ragione di ciò sta nel fatto che il GPS è stato creato dall’esercito statunitense per il posizionamento di truppe, comando di missili e velivoli, ed altri scopi di tipo militare. L’utilizzo di alcune caratteristiche del GPS è riservato solo all’esercito nordamericano, ed alcune funzionalità sono solo parzialmente accessibili ad utilizzatori commerciali e civili.

 

3 Concetti relativi al posizionamento satellitare

 

3.1 La misura della distanza

 

Il principio di funzionamento dei sistemi di navigazione basati su satelliti è analogo a quello dei sistemi di navigazione classici, e si basa nella misura delle distanze fra il ricevitore ed i satelliti facendo uso dei segnali radio. Per misurare questa distanza, in sostanza il ricevitore riceve un messaggio dal satellite in questione e calcola il tempo che occorre al segnale corrispondente a viaggiare dal trasmettitore montato sul satellite all’antenna del ricevitore stesso. Siccome la velocità delle onde radio utilizzate è nota (circa 2.8 x 108 m/s) e costante rispetto a qualsiasi osservatore, la distanza fra il trasmettitore ed il ricevitore può essere calcolata facilmente e con grandissima precisione.

Il messaggio trasmesso dal satellite consiste in una serie di dati binari che seguono un pattern (modello) specifico. Il ricevitore, da parte sua, è in grado di generare una sequenza di bit identica a quella trasmessa dal satellite. Entrambe le sequenze vengono generate simultaneamente (una nel satellite e l’altra nel ricevitore), e basta controllare lo sfasamento con cui arriva il messaggio generato dal satellite rispetto a quello generato dal ricevitore per calcolare il tempo impiegato dal segnale a viaggiare da un punto all’altro.

Nel segnale GPS possono essere realizzati due tipi di misura: La misura della portante (misura di fase o carrier phase), e la misura del codice (code o pseudo-range). La misura del codice permette di determinare la distanza direttamente controllando lo sfasamento del messaggio ricevuto rispetto a quello generato. La portante invece, ha una lunghezza molto piccola (20 centimetri), e per calcolare la distanza in questione occorrono più informazioni. Uno sguardo alla Figura 1 può essere utile a capire la ragione di ciò.


Figura 1: Serie di messaggi trasmessi dal satellite al ricevitore

 

Il satellite invia ripetutamente ai ricevitori una serie di messaggi uguali di breve durata e, visto che la velocità di propagazione è costante, anche di lunghezza spaziale piccola. Il ricevitore può quindi calcolare lo sfasamento di ogni messaggio ricevuto rispetto a quello generato. Questo però non corrisponde all’intera distanza che lo separa dal satellite. Occorre considerare anche le lunghezze di tutti i messaggi in `volo’, che in Figura 1 sono tre (naturalmente si tratta solo di un esempio illustrativo, visto che i messaggi in Figura 1 non hanno certamente la lunghezza reale!). Siccome la lunghezza di questi messaggi è fissa, basta considerare solo il numero di messaggi in ritardo. A questo numero ci si riferisce con il nome di ‘unknown integer’, o intero sconosciuto.

Il valore dell’unknown integer può essere determinato seguendo i satelliti per un certo periodo di tempo. Questo è fondamentale in applicazioni di precisione come la geodesia. Il valore dell’unknown integer non è costante, ma varia a seconda della posizione relativa del satellite rispetto al ricevitore.

Utilizzando il codice, invece, la distanza può essere determinata di maniera diretta, visto che all’interno del codice viene inclusa dell’informazione che riguarda l’istante di tempo in cui il messaggio è trasmesso.

Il codice presenta quindi dei vantaggi di semplicità rispetto alla portante nella misura della distanza.

Ciononostante, la portante ha una granularità maggiore rispetto al codice, e quindi permette di effettuare misure più precise.

La granularità di un pattern descrive la distanza fra variazioni rilevabili consecutive del segnale corrispondente. La portante ha una granularità di 1 millimetro mentre il codice ha una granularità di 1 metro. Questo significa che le distanze rispetto ai satelliti possono essere misurate con una precisione dell’ordine del metro mediante misura di codice e dell’ordine del millimetro mediante misura di portante. Questo però, non significa che sia possibile determinare la posizione del ricevitore GPS con una accuratezza di un metro o un millimetro. Numerose sorgenti di errore introducono incertezze nelle misure GPS.

Un’analogia tipicamente realizzata per la comprensione di questi concetti è quella di paragonare il segnale GPS ad un grande regolo di quelli utilizzate per misurare lunghezze. Misurare la portante corrisponde a misurare una lunghezza utilizzando una regolo di precisione millimetrica ma in cui i numeri corrispondenti ai metri non sono presenti. Misurare il codice, invece, corrisponde ad utilizzare un regolo in cui mancano le linee relative ai millimetri, e le linee relative ai metri sono state marcate di maniera approssimata, ma includono i numeri. Nel primo caso possono essere effettuate delle misure più precise, ma sono necessari degli sforzi aggiuntivi per tenere conto della quantità di metri misurati.

Nel secondo è molto più semplice misurare le lunghezze direttamente, ma in maniera approssimata.

Nel GPS esistono due tipi di messaggi che permettono di effettuare la misura di codice: Il codice C/A (di lunghezza l_300 m e precisione p_3-6 m) ed il codice P (Precision – di lunghezza l_30 m e precisione p_30-60 cm).

La corretta determinazione del numero di cicli interi (messaggi in volo) di cui varia la distanza del satellite è critica. Un cycle slip è la mancata aggiunta o diminuzione di un ciclo durante l’aggiornamento del valore dell’unknown integer. Questo può causare grandi errori. Comunque esistono molti sistemi GPS in grado di individuare e di riparare i cycle slips.

 

3.2 Determinazione della posizione geografica

Nella determinazione della posizione geografica del ricevitore, l’operazione di misura della distanza satellite-ricevitore viene ripetuta per più di un satellite. Questo risulta in un sistema di equazioni quadratiche (ciascuna equazione rappresenta una sfera formata da tutti i punti ad una certa distanza dal satellite corrispondente). Le incognite di questo sistema sono le coordinate spaziali del ricevitore.

Quindi la posizione geografica del ricevitore può essere determinata risolvendo questo sistema di equazioni quadratiche.

  


Figura 2: Sfere descritte dai punti equidistanti ai satelliti

 

Molte persone credono che questa sia la ragione per cui sono necessari quattro satelliti a determinare la posizione geografica del ricevitore. Questo non è vero, idealmente basterebbero solo tre satelliti per effettuare l’operazione di posizionamento. Sebbene analiticamente questo problema ha due soluzioni (le tre sfere considerate si intersecano in due punti nello spazio), una di queste soluzioni può sempre essere scartata facilmente facendo delle ulteriori considerazioni geometriche. Se uno dei punti d’intersezione si trova sulla superficie terrestre e l’altro nello spazio, fuori dell’atmosfera, è facile vedere che quello corrispondente alla posizione geografica del ricevitore è il primo punto.

La vera ragione per cui sono necessari almeno quattro satelliti per determinare la posizione geografica del ricevitore è dovuta alla sincronizzazione del GPS, argomento che verrà spiegato più avanti.

 

3.2.1 Effemeridi

 

Le effemeridi sono informazioni relative alla posizione spaziale dei satelliti GPS, il loro stato di salute e gli orologi a bordo. Esistono due tipi di effemeridi; le effemeridi precise vengono misurate, interpolate e fornite con un ritardo di una settimana, mentre le effemeridi predette vengono incluse nel messaggio di navigazione D trasmesso in broadcast dai satelliti del sistema GPS.

L’almanacco è un insieme di informazioni che facilitano la ricerca dei satelliti da parte di un ricevitore GPS.

L’operazione di determinazione delle coordinate corrispondenti al ricevitore viene spesso chiamata fix.

Esistono diversi tipi di fix, a seconda delle informazioni presenti sul ricevitore nel momento in cui il fix viene effettuato.

Un “cold fix” è un fix in cui il ricevitore non ha nessun tipo di informazione caricata e quindi deve prima ottenere (dai segnali trasmessi dai satelliti) i dati di almanacchi ed effemeridi. Un “cold fix” può richiedere fino a 20 minuti, ma in alcuni casi può essere realizzato in 3-6 minuti.

Un “warm fix” è un fix in cui il ricevitore ha delle informazioni di almanacco dei satelliti relativamente recenti e quindi ha solo bisogno di aggiornare le effemeridi ed i segnali di tempo. I ricevitori moderni sono in grado di mantenere le informazioni relative all’ultimo fix completato, anche se spenti. Quando il ricevitore viene riacceso, se i dati in memoria sono ancora validi, il ricevitore può realizzare un nuovo fix in 1-2 minuti, o meno. Se invece i dati in memoria non sono presenti, oppure non sono validi, il ricevitore dovrà effettuare un cold fix.

Un “hot fix” è un fix in cui il ricevitore ha perso il segnale del satellite per un periodo di tempo molto piccolo, e le informazioni di effemeridi ed almanacco sono ancora valide. Gli hot fix tipicamente richiedono pochi secondi, 5 o meno, e possono in alcuni casi essere effettuati in meno di un secondo.

 

3.3 Sorgenti di errore nelle misure GPS

 

Esistono numerose sorgenti di errore nelle misure GPS.

La sincronia totale fra gli orologi dei satelliti e quello del ricevitore non esiste. Questo contribuisce enormemente agli errori di misura delle distanze, dato che la misura delle distanze nel GPS si basa su misure di tempo. Gli orologi presenti nei satelliti sono orologi atomici di alta accuratezza. Per evitare eventuali perdite di sincronia, questi orologi vengono continuamente monitorati dalle stazioni a terra e paragonati con i sistemi di orologi di controllo principali che sono combinazioni di più di 10 orologi atomici molto accurati.

Tutti gli errori rimanenti negli orologi dei satelliti sommano tipicamente ad alcuni nanosecondi, causando un errore di circa un metro nella misura della distanza.

Nel caso del ricevitore la situazione è un poco diversa. Non è pratico montare un orologio atomico (sic!) in ogni ricevitore, per ragioni di costo e caratteristiche di questi orologi. La soluzione implementata consiste invece nell’utilizzo di orologi normali e l’inclusione dell’errore dell’orologio del ricevitore come una incognita nelle equazioni per il calcolo della posizione. Le incognite adesso saranno quattro invece di tre (longitudine, latitudine, altitudine e differenza di tempo). Per potere risolvere il problema in maniera deterministica occorrono allora quattro equazioni, e tali quattro equazioni possono essere ottenute misurando le distanze da quattro satelliti.

Un ulteriore errore viene generato dalle variazioni di velocità subite dalle onde radio e dovute alle condizioni atmosferiche. La parte più alta dell’atmosfera, la ionosfera, contiene delle particelle caricate che rallentano il segnale del codice ed accelerano quello della portante.

L’impatto della ionosfera in un segnale elettronico dipende dalla frequenza dello stesso. Ed è esattamente per questa ragione che tutti i satelliti GPS trasmettono le informazioni in due frequenze, chiamate L1 ed L2. I ricevitori di precisione tracciano entrambi i segnali per rimuovere l’effetto della ionosfera. Tutti i ricevitori di scarsa precisione tracciano solo il segnale L1. Questa è una delle caratteristiche principali che distinguono i diversi tipi di ricevitori.

Anche l’attraversamento della troposfera influisce sulla velocità delle onde radio, ma questa variazione non dipende dalla frequenza dell’onda. Le tecniche di riduzione degli errori così generati sono complesse e di difficile applicazione, e riescono a ridurre l’errore solo in parte.

Altri errori sono introdotti dal fatto che, in aggiunta al segnale diretto dal satellite al ricevitore, ci sono dei segnali rifletti dal suolo ed altri oggetti vicini all’antenna, che raggiungono l’antenna attraverso percorsi indiretti ed interferiscono con il segnale diretto. Il segnale così composto crea delle incertezze sul vero tempo di arrivo del segnale. Questo fenomeno è noto con il nome di multipath.

Ci sono due tecniche a disposizione per ridurre gli effetti del multipath: la tecnica di processo del segnale e l’utilizzo di choke rings di rigetto del multipath. I choke ring vengono disegnati tipicamente per una frequenza specifica. Se un choke ring è disegnato per L1 allora non ha effetto su L2, mentre se è disegnato per L2 ha qualche effetto per L1. Recentemente sono stati introdotti choke ring a doppia frequenza che consentono di essere ottimizzati separatamente per L1 ed L2.

I ricevitori possono introdurre degli errori generati da loro stessi nelle misure di codice e portante.

Nonostante ciò, nei ricevitori di alta qualità, questi errori sono trascurabili nella misura della portante e di solo alcuni centimetri nella misura del codice.

L’effetto della geometria dei satelliti negli errori nel calcolo della posizione viene chiamato GDOP – Geometric Dilution Of Precision. Uno sguardo alle figure 3 e 4 può aiutare a capire questo fenomeno.

In queste figure viene rappresentato un errore nella misura della distanza ad uno dei satelliti, risultando in una distanza sbagliata corrispondente al raggio della sfera colorata. Di conseguenza, sarà anche sbagliata la posizione del ricevitore determinata dal sistema, evidenziata in giallo. Da notare come la sola configurazione geometrica dei satelliti rispetto al ricevitore può influire enormemente peggiorando gli errori nell’operazione di posizionamento.

 


Figura 3: Errore nel calcolo della posizione con GDOP basso


Figura 4: Errore nel calcolo della posizione con GDOP alto

Un buon ricevitore è in grado di determinare da quali satelliti è più conveniente ricevere i segnali per ridurre il GDOP.

Gli errori introdotti dagli orologi dei satelliti, le loro orbite, la ionosfera, la troposfera, il multipath ed il ricevitore tipicamente accumulano meno di 10 metri di errore di range il cui, considerando GDOPs tipiche di circa un fattore 2, risulta in un’accuratezza approssimata di 20 metri.

Da pure considerazioni geometriche si può dedurre che l’accuratezza planimetrica del posizionamento è generalmente superiore a quella altimetrica.

Il DOD (dipartimento della difesa statunitense) ha introdotto degli errori intenzionali per degradare l’accuratezza nel posizionamento del GPS a circa 100 metri. Questa degradazione intenzionale viene chiamata SA (Selective Availability), e può essere attivata o disattivata attraverso l’esecuzione di certi comandi da parte degli amministratori del sistema GPS.

Un'altra tecnica implementata dal DOD è l’AS (Anti – Spoofing), che consiste nella sovrapposizione di un ulteriore codice pseudo-casuale incognito Y, a bassa frequenza (~500 kHz), al codice P noto. Tale codice è uguale per L1 ed L2 ed è disponibile solo agli utilizzatori militari. Viene utilizzato per rendere impossibile l’uso del posizionamento assoluto di precisione in tempo reale da parte di utilizzatori non militari. Per quanto riguarda le misure di fase, la ricostruzione di L1 è sempre possibile (solo parte sfasata di 90° è modulata con P(Y)).

Il differential mode è una tecnica che consente di stimare gli errori nella misura per i ricevitori nelle vicinanze ad uno specifico ricevitore di posizione geografiche note (ricevitore base). La procedura incomincia determinando la differenza tra la posizione reale del ricevitore base e la posizione calcolata mediante il sistema di posizionamento. In questa maniera viene stimato l’errore, che viene poi trasmesso ai ricevitori vicini (ricevitori rover) in modo che questi ultimi siano in grado di compensarlo.

Il differential mode rimuove la maggioranza degli errori ad eccezione degli errori di multipath e del ricevitore. Questi errori sono locali ad ogni ricevitore e non verranno eliminati dal differential mode.

Storicamente, il differential mode con misura del codice è stato chiamato DGPS e con misura della portante CPD (Carrier Phase Differential). Il differential mode a tempo reale con misura della portante è stato chiamato RTK (Real-Time Kinematic).

Il centro elettrico (chiamato anche il centro di fase) di un’antenna GPS è il punto di cui viene calcolata la posizione. Il centro di fase di un’antenna tipica può cambiare di parecchi centimetri al variare della posizione dei satelliti. La caratteristica principale di un’antenna per applicazioni di precisione è la stabilità del centro di fase.

Le operazioni di un ricevitore possono essere limitate di molto o rese completamente impossibili dalla presenza di segnali di disturbo o interferenze nella stessa banda o fuori della banda di frequenza del segnale GPS. La maggioranza dei ricevitori filtrano il rumore fuori della banda, ma pochi riescono a sopprimere le interferenze nella banda stessa.

I meriti che distinguono i ricevitori di alte prestazioni sono le loro abilità per tracciare satelliti sotto ogni dinamica e condizione ambientale, ed il tipo e qualità dei dati misurati.

Molti sistemi di navigazione per automobili combinano l’unità GPS con un giroscopio ed un accelerometro, permettendo al computer di mantenere una soluzione di navigazione continua anche quando il segnale viene bloccato momentaneamente da edifici, tunnel o altri ostacoli.

Altri sistemi di navigazione assumono che ad ogni momento il ricevitore deve trovarsi su una strada (questo è vero in generale, per esempio, quando il ricevitore è montato su una macchina). Sotto questa assunzione, se il ricevitore determina di essere in una posizione fuori strada, il sistema interpreta la presenza di errori. Quindi la posizione da visualizzare viene leggermente modificata, in modo che la posizione visualizzata sarà su una delle strade della mappa utilizzata. Questa tecnica si conosce come ‘snap to road’. I suoi vantaggi risiedono nel fatto che, se il ricevitore non esce mai dalla strada, gli eventuali errori di posizionamento possono essere ridotti. Gli svantaggi si manifestano quando questi sistemi vengono utilizzati in zone non urbane, o con mappe non aggiornate. La posizione visualizzata non è sempre quella riportata dal sistema GPS. Questa tecnica è svantaggiosa se il sistema di navigazione viene utilizzato in zone non urbane o per qualsiasi attività fuori strada. In questo caso devono essere utilizzati dei sistemi senza snap to road oppure sistemi in cui questa caratteristica possa essere disabilitata.

 

4 Tecnologie disponibili

 

Nel capitolo precedente sono stati introdotti una grande quantità di concetti relativi al posizionamento satellitare, i problemi ed errori implicati e le tecniche utilizzate per affrontarli. In questo capitolo verranno presentati esempi di tecnologie il cui funzionamento si basa sui concetti spiegati nel capitolo precedente, discutendo la loro disponibilità, differenze tra modelli, costi ed altre caratteristiche di interesse, dal punto di vista dell’utilizzo di questi sistemi.

Due argomenti già sviluppati da un punto di vista più tecnico sono la SA (Selective Availability) ed AS (Anti-Spoofing). A seguire presentiamo una discussione sulla disponibilità ed altre caratteristiche d’interesse del sistema GPS.

Il GPS è stato concepito per l’utilizzo in applicazioni militari, ma negli anni ’80 il governo degli US ha lasciato il sistema disponibile anche per l’utilizzo civile.

Il GPS funziona in qualunque condizione climatica, in qualunque zona geografica, 24 ore al giorno, 365 giorni dell’anno. Si tratta di un sistema di uso gratuito: non è necessario abbonarsi a nessun servizio né pagare alcun importo per l’utilizzo di GPS. I segnali GPS viaggiano in ‘linea di vista’, che vuol dire che attraversano nuvole, vetro e plastica ma non la maggioranza degli oggetti solidi come montagne ed edifici.

Il sistema però presenta anche alcuni punti deboli. Una rete di almeno 24 satelliti è richiesta per una copertura totale. I satelliti hanno un tempo di vita limitato, e non possono essere riparati. Al 2005 la situazione è la seguente.

· 28 satelliti in orbita, di cui 16 hanno già superato il loro tempo di vita atteso - il più vecchio ha persino superato il doppio del tempo di vita atteso.

· La frequenza di perdita è di due satelliti all’anno.

· La frequenza di lancio è di due satelliti all’anno.

I più diffidenti sostengono che, se i satelliti più vecchi incominciano a fallire più velocemente, la copertura totale potrebbe essere persa. Gli stessi affermano che i sistemi critici che dipendono fortemente da informazioni posizionali non dovrebbero dipendere esclusivamente della disponibilità del GPS senza avere un piano alternativo.

Il GPS provvede due livelli di servizio:

· SPS (Standard Positioning Service): Servizio di posizionamento spaziale e temporale disponibile a tutti gli utenti GPS. È provvisto nella frequenza L1 (di 1575.42 MHz nella banda

UHF) che contiene il codice C/A ed un messaggio di dati navigazionali. L’accuratezza del SPS è dell’ordine dei 100 metri orizzontali e dei 156 metri verticali per il posizionamento spaziale, e dei 340 nanosecondi per il posizionamento temporale.

· PPS (Precise Positioning Sevice): Servizio di misura della posizione, velocità e tempo altamente accurato disponibile solo ad utenti autorizzati dagli US. Il codice P(Y) provvede un’accuratezza di posizionamento di 22 metri orizzontali e di 27,7 metri verticali ed un’accuratezza di 220 nanosecondi nella misura del tempo. PPS utilizza le frequenze L1 ed L2.

è stato disegnato principalmente per l’utilizzo militare degli US. L’utilizzo è vietato agli utenti non autorizzati mediante l’utilizzo di crittografia (Anti-Spoofing).

Il 1 maggio del 2000, il presidente degli US ha annunciato che la SA sarebbe disabilitata. Comunque, per scopi militari, la “Selective Availability” può effettivamente essere utilizzata per il disorientamento delle unità GPS civili in una zona di guerra o allerta globale mentre le unità militari continuano ad usufruire di tutte le sue funzionalità.

Il governo statunitense promette che a partire da quest’anno o agli inizi dell’anno prossimo verranno introdotti nuovi segnali civili. Questi segnali aggiunti incrementeranno la robustezza del servizio e miglioreranno l’accuratezza minima ai 3 – 5 metri. Sono state pianificate altre ottimizzazioni per la nuova generazione di satelliti, conosciuta come GPS III.

L’assenza di SA ha aumentato significativamente l’accuratezza dei ricevitori civili. Adesso la loro accuratezza si aggira normalmente intorno ai 20 m. Mediante l’utilizzo di DGPS (Differential GPS) ed altre tecniche di correzione dell’errore, l’accuratezza può raggiungere i 10 cm.

In realtà, la quantità ridotta di unità GPS e la grande disponibilità di unità civili tra il personale sono risultate nella sospensione della Selective Availability durante la Guerra del Golfo. Ad ogni modo, le preoccupazioni europee sul livello di controllo della rete GPS, più interessi economici, sono risultati nella progettazione del sistema di posizionamento Galileo. La Russia opera già un sistema indipendente (GLONASS), che però ha solo dodici satelliti attivi, e la sua utilità è limitata.

Altri sforzi sono diretti all’aumento dell’accuratezza del GPS mediante l’utilizzo di diverse tecnologie:

· DGPS: In presenza di SA, l’accuratezza del segnale mediante l’utilizzo di DGPS può arrivare ai 5 – 10 m.

· EDGE (Exploitation of DGPS for Guidance Enhancement): Mediante questa tecnologia si cerca di integrare DGPS nella guida di precisione di munizioni e proiettili tali come JDAM (Joint Direct Attack Munition).

· Ottimizzazione mediante l’utilizzo della portante (CPGPS): Questa tecnica usa l’onda portante L1 come una specie di segnale di tempo, per la rimozione di ambiguità nella misura del codice C/A. La portante ha una granularità mille volte più piccola di quella del codice C/A.

Normalmente, il CPGPS accoppiato al DGPS possono raggiungere un’accuratezza dei 20-30 cm.

· WAGE (Wide Area GPS Enhancement): Mediante questa tecnologia si cerca di migliorare l’accuratezza del GPS trasmettendo dati più accurati degli orologi ed effemeridi dei satelliti a ricevitori specialmente attrezzati.

· RKP (Relative Kinematic Positioning): Con questo approccio, l’accuratezza nella misura del range del segnale può essere migliorata a meno di 10 cm. Questo viene realizzato determinando il numero di cicli in cui il segnale viene trasmesso e ricevuto dal ricevitore. Per fare ciò, viene utilizzata una combinazione di dati di correzione DGPS e tecniche di risoluzione dell’ambiguità mediante prove statistiche (possibilmente con processo a real-time - RTK).

· WAAS/EGNOS/MSAS.

Il WAAS (Wide Area Augmentation System) è una tecnologia di funzionamento analogo a quello del DGPS. Utilizza una serie di stazioni di riferimento a terra per calcolare messaggi di correzione GPS, che vengono caricati in un numero di satelliti addizionali in orbita geosincrona per la loro trasmissione ai ricevitori GPS (questo aumenta l’area di copertura del sistema rispetto a DGPS).

Questi messaggi includono informazioni di ritardi ionosferici, asincronie negli orologi di ogni singolo satellite ed altri errori simili. WAAS è stato concepito per il suo utilizzo in applicazioni critiche come l’aeronautica. L’utilizzo di WAAS può aumentare l’accuratezza nel posizionamento da 10 m (senza WAAS) a 3 m (utilizzando WAAS).

LAAS (Local Area Augmentation System) è una tecnologia simile a WAAS, ma in questo caso I dati di correzione vengono trasmessi da una sorgente locale, come un aeroporto, dove è necessario

un posizionamento accurato. Questi dati di correzione sono utili tipicamente solo fino a circa 30 – 50 chilometri attorno al trasmettitore. L’attuale sistema WAAS funziona solo per Nord America, dove sono posizionate le stazioni base di riferimento. Ciononostante, dal primo di aprile 2005 è operativa una versione europea del sistema WAAS; il sistema EGNOS (European Geographic Navigation Overlay System), che garantisce agli strumenti compatibili una precisione intorno ai due metri. Inoltre il sistema garantisce l'affidabilità del dato GPS ricevuto dai satelliti e consente un calcolo della quota estremamente più preciso, che in futuro verrà utilizzato anche per la navigazione aeronautica. Oltre al sistema EGNOS, esiste il sistema MSAS, dedicato all'estremo oriente. In questa maniera, quando il sistema sarà pienamente operativo, un aereo che ad esempio decolla da New York per andare a Londra e poi a Nuova Delhi (ad esempio), rimarrà sempre sotto la copertura del sistema.

Il sistema EGNOS è gratuito per tutti gli utenti, ma non è ancora pienamente operativo. Il segnale che è stato messo a disposizione dal primo aprile è il secondo stadio di test del sistema: fornisce il fattore di correzione, ma impedisce la validazione per utilizzi critici a livello di sicurezza (come ad esempio i voli di linea).

Questo poichè il sistema non è ancora pienamente operativo, in quanto sia i satelliti che lo supportano sia le stazioni a terra sono ancora in fase di allestimento. Ad oggi è comunque possibile ricevere perfettamente il segnale di due satelliti: AOR-E ed IOR, che consentono di applicare efficacemente la correzione differenziale EGNOS ai ricevitori compatibili con questo sistema.

E' molto importante tenere presente un particolare: l'attivazione della correzione differenziale WAAS/EGNOS affatica notevolmente il processore dell’unità GPS e riduce la durata delle batterie.

Xtrac e Xtrac2 sono tecnologie che consentono al GPS di utilizzare segnali deboli. Utilizzando un processo di analisi matematica chiamato DSP (Digital Signal Processing), i ricevitori Xtrac possono estrarre segnali digitali più deboli dal rumore che gli circonda. Questo processo richiede un po’ di tempo, quindi in zone di segnale troppo debole può osservarsi un ritardo quando il DSP processa il segnale. Nei primi modelli Xtrac questo ritardo poteva essere fino a 10 secondi, ma in Xtrac2 il processo è significativamente più veloce e raramente supera i 1 - 2 secondi. La maggioranza dei ricevitori hanno WAAS/EGNOS/DGPS o Xtrac, ma non entrambe le tecnologie. Recentemente sono stati introdotto dei nuovi ricevitori con tutte due le tecnologie.

Nel DGPS a tempo reale ed RTK vengono trasmessi dei dati dal ricevitore base di posizione conosciuta ai diversi ricevitori GPS rover. Questa comunicazione senza fili è provvista dai modem radio. Esistono diversi tipi di modem radio nel mercato. La caratteristica principale dei modem radio è la maniera in cui vengono convertiti i dati per la loro trasmissione. UHF, VHF e Spread Spectrum sono alcuni esempi.

Per l’utilizzo di certi tipi di modem radio può essere richiesta un’autorizzazione del governo. Esistono organizzazioni nazionali ed internazionali che allocano bande di frequenza e rilasciano autorizzazioni per la trasmissione dei segnali. Questo è un fattore importante da considerare nella scelta di un modem radio, dato che frequentemente non è facile ottenere l’autorizzazione alla trasmissione dell’informazione. Le bande dei 900 Mhz negli Stati Uniti e 2.4GHz nella maggioranza dei paesi europei sono disponibili per comunicazioni spread spectrum senza nessuna autorizzazione speciale (anche se esistono delle limitazioni nell’intensità dei segnali trasmessi).

Esistono molti tipi di ricevitori GPS. Molti modelli attuali sono estremamente efficienti, grazie al loro funzionamento parallelo multi-canale. I modelli a 12 canali paralleli, ad esempio, dimostrano stabilità e velocità nella ricezione dei segnali satellitari, anche in presenza di fogliame o edifici alti.

Costi di tecniche e progetti GPS.

· I costi dei ricevitori dipendono tantissimo delle funzionalità. Piccoli ricevitori SPS civili possono essere acquistati per meno di 200 dollari, ed alcuni di questi accettano correzioni differenziali. I ricevitori che possono salvare file per post-processing con file nelle stazioni base costano di più (2000 – 5000 dollari). I ricevitori che possono attuare come ricevitori di riferimento DGPS (computando dati di correzione e trasmettendogli) ed i ricevitori capaci di effettuare misure di portante possono costare da 5000 a 40000 dollari. I ricevitori militari PPS possono costare ancora di più ed essere difficili da ottenere.

· Altri costi includono il costo di ricevitori multipli, software di post-processing e i costi di personale specializzato.

 

· I progetti possono spesso essere classificati per l’accuratezza richiesta che determinerà il costo degli strumenti:

- Costo basso: progetti di un unico ricevitore SPS (accuratezza di 100 metri).

- Costo medio: posizionamento differenziale SPS (accuratezza di 1 - 10 metri).

- Costo alto: progetti di un unico ricevitore PPS (accuratezza di 20 metri).

- Costo alto: sondaggi mediante posizionamento differenziale con misura della portante (accuratezza di 1 - 10 mm).

NB: in assenza di SA, l’accuratezza del servizio SPS raggiunge approssimativamente una ventina di metri, ed utilizzando DGPS può essere migliorata ancora di più, fino a circa 5 metri di accuratezza.

Esistono numerosi produttori di navigatori ed altre unità GPS. Tra questi si trovano:

- Trimble

- Garmin

– Lowrance

– Eagle

- Magellan

- Navman

- Raymarine

- Standard Horizon

- Furuno

 

5 Galileo

 

Come accennato nel capitolo precedente, le preoccupazioni europee sul livello di controllo della rete GPS, più qualche interesse economico, sono risultati nella progettazione del sistema di posizionamento Galileo. I proponenti di Galileo argomentano che l’infrastruttura civile, incluse la navigazione ed atterraggio di aeroplani, non deve dipendere solamente di GPS.

Nel 1999, 4 differenti modelli (di Francia, Germania, Italia e Regno Unito) per Galileo sono stati paragonati e ridotti ad un solo modello da un team di ingegneri da tutti quattro i paesi. Dopo l’attacco terrorista dell’11 Settembre 2001, il governo degli Stati Uniti ha scritto all’Unione Europea opponendosi al progetto, argomentando che eliminerebbe l’abilità degli Stati Uniti di bloccare il GPS durante la realizzazione di operazioni militari.

Parzialmente in risposta alla pressione eseguita dal governo statunitense, gli stati membri dell’Unione Europea hanno considerato più importante la realizzazione di un’infrastruttura propria ed indipendente di posizionamento satellitare. A finali del 2002, tutti gli stati membri sono diventati fortemente a favore di Galileo.

 

Può essere interessante notare che nel 20 Marzo 2003, gli Stati Uniti ed altri tre paesi hanno incominciato operazioni militari in Iraq, motivando ancora di più l’UE allo sviluppo di un sistema di navigazione indipendente dal controllo degli US.

L’Unione Europea e l’Agenzia Spaziale Europea ha approvato la fondazione del progetto in Marzo 2002. La prima fase del programma Galileo è stata ufficialmente approvata nel 26 Maggio 2003 dall’Unione Europea e l’Agenzia Spaziale Europea. I satelliti richiesti – il numero programmato è di 30 – saranno lanciati durante il periodo 2006-2008, ed il sistema sarà in funzionamento e disponibile per utilizzo civile a partire dal 2008. L’infrastruttura a terra, sarà costruita negli anni 2006 e 2007. Almeno due terzi dei costi saranno investiti da aziende ed investitori privati, i costi rimanenti saranno divisi tra l’Agenzia Spaziale Europea e l’Unione Europea.

In Giugno 2004, l’Unione Europea ha accettato di modificare il progetto adottando una tecnica nota come Binary Offset Carrier (Portante di Offset Binario), che consentirà ad entrambe le forze Europee ed Americane di bloccare i segnali nel campo di battaglia senza disabilitare l’intero sistema.

Dal 2003 al 2005 diverse nazioni, come Cina, Israele ed Ucraina, hanno deciso di unirsi al progetto Galileo. Molti fattori indicano che probabilmente saranno coinvolti altri paesi come Pakistan, Brasile, Messico, Cile, Giappone, Russia, Corea del Sud, Australia, Marocco e Canada. Il 7 Settembre 2005,

l’India ha firmato l’accettazione per entrare nel progetto e per stabilire un sistema di miglioramento regionale basato su EGNOS. EGNOS viene considerato un precursore di Galileo.

Il sistema Galileo è stato concepito principalmente per l’utilizzo civile, in contrasto con il GPS, il cui scopo principale è di tipo militare. Gli Stati Uniti si riservano il diritto di limitare la potenza del segnale o l’accuratezza dei sistemi GPS, o di interromperli completamente in modo che gli utenti non militari non possano accedere al servizio in tempi di conflitti. Il sistema europeo, teoricamente, non sarà soggetto ad interruzioni per propositi militari, provvederà miglioramenti significativi al segnale GPS disponibile e, una volta completato, sarà disponibile a tutti gli utenti, civili e militari, con la precisione massima.

Con questo sistema si cerca di offrire quanto segue.

· Una maggiore precisione di quella attualmente disponibile a tutti gli utenti.

· Copertura migliorata di segnali satellitari a maggiori altitudini, da cui si beneficeranno le regioni più al nord.

· Un sistema di posizionamento affidabile, anche in tempi di guerra.

Si prospetta che Galileo sarà un sistema civile operato da una concessionaria commerciale Galileo.

Sono previsti cinque tipi di servizi di posizionamento:

· Il servizio aperto (OS), di accesso libero e gratuito. I segnali OS saranno trasmesse in due bande, a 1164-1214 MHz ed a 1563-1591 MHz. I ricevitori raggiungeranno un’accuratezza di meno di 4 m orizzontali e di meno di 8 m verticali con l’uso di entrambe le bande OS. I ricevitori a singola banda invece raggiungeranno un accuratezza di meno di 15 m orizzontali e di meno di 35 m verticali, paragonabile a quella provvista nel presente dal servizio GPS C/A. Si aspetta che la maggioranza dei futuri ricevitori nei mercati di massa processeranno entrambi i segnali GPS C/A e Galileo OS, per una copertura massima.

· Il servizio commerciale cifrato, (CS) sarà disponibile mediante il pagamento di un certo importo, ed offrirà un’accuratezza minore ad 1 m. Il CS può anche essere utilizzato insieme a sistemi di stazioni a terra per aumentare l’accuratezza a meno di 10 cm. Il segnale verrà trasmesso in tre frequenze, le due utilizzate dai segnali OS più una di 1260-1300 MHz.

· Il servizio pubblico regolato (PRS) ed il servizio di protezione della vita (SoL) provvederanno un’accuratezza paragonabile a quella del servizio aperto. L’obiettivo principale è la robustezza di fronte ad interferenze e rilevamento di problemi entro i 10 secondi. Questi servizi saranno destinati ad autorità di sicurezza (polizia, militari, ecc.) ed applicazioni critiche di trasporto (controllo del traffico aereo, atterraggio automatico di aerei, ecc), rispettivamente.

· In aggiunta, i satelliti Galileo saranno capaci di rilevare e riportare segnali COSPAS-SARSAT di ricerca e soccorso nella banda 406.0 MHz – 406.1 MHz, e questo gli farà parte del sistema Global Maritime Distress Safety System.

Esistono grandi polemiche rispetto a molti punti relativi alla disponibilità di Galileo e si prevede che comunque il sistema avrà anche certe limitazioni. Un’alta disponibilità ad altri paesi di servizi di posizionamento di precisione viene spesso considerata una minaccia dagli Stati Uniti. Si supponga che gli Stati Uniti entrino in guerra con un qualche paese in uso del sistema Galileo. Se gli amministratori si rifiutano di bloccare il sistema, questo ultimo potrebbe diventare un potenziale bersaglio.

Questo significa che, probabilmente, Galileo dovrà poter essere interrotto (o parzialmente interrotto) in caso di guerra. Altrimenti una nazione sotto l’attacco di missili o proiettili guidati da questo sistema potrebbe tentare di interromperlo forzatamente.

Gli Stati Uniti continuano a mantenere discussioni con l’Unione Europea per assicurarsi che il nuovo sistema di posizionamento satellitare non interferisca con il presente GPS e, soprattutto, con gli interessi del governo americano. In pratica, gli Stati Uniti vogliono la capacità di interferire le frequenze (senza previa discussione con Europa). Questo rappresenta un colpo serio per il progetto di € 3,7 bilioni, disegnato con l’idea di offrire un’accuratezza di posizionamento real-time di meno di un metro – senza precedenti per un sistema pubblicamente disponibile.

 

6 Conclusioni

 

I sistemi di posizionamento satellitari sono sistemi di grandissima importanza. Consentono una enorme quantità di applicazioni, nei più diversi ambiti. L’utilizzo di satelliti ha conferito una serie di aspetti vantaggiosi a questi sistemi, come la ampia disponibilità in un qualunque momento ed in un qualunque punto del globo.

Esiste però una grande quantità di sorgenti di errore, come anche di tecniche per affrontarle, che aumentano significativamente la complessità di questi sistemi e dei segnali trasmessi.

Nel caso del GPS un altro aspetto che complica il segnale è il suo scopo militare. Questo inoltre implica degli svantaggi relativi alla disposizione del sistema per l’utilizzo civile. In questo tutorial abbiamo descritto una serie di tecnologie che permettono di ridurre gli errori presenti nel calcolo della posizione ed ottenere altri benefici nell’utilizzo di GPS.

La costante disponibilità di un sistema di posizionamento satellitare richiesta da certe applicazioni è così critica di aver spinto certi paesi alla progettazione di sistemi alternativi, indipendenti dal controllo degli Stati Uniti.

Il futuro sistema europeo Galileo promette di offrire grandi vantaggi come un posizionamento di maggiore precisione ed una costante disponibilità, anche in caso di guerra.

In risposta, gli Stati Uniti progettano l’aggiunta di nuovi segnali più precisi per l’utilizzo in applicazioni civili ed altri miglioramenti in una versione rinnovata del sistema (GPS III). Nel frattempo, il governo nordamericano cerca di porre ostacoli allo sviluppo di certe caratteristiche originalmente incluse nel progetto Galileo.

In questo contesto, anche se le specifiche di un sistema sono chiare, è difficile prevedere con sicurezza il grado di disponibilità che questi sistemi offriranno all’utenza civile, visto che tanti aspetti legati al loro utilizzo dipendono da decisioni politiche e dagli accordi a cui arriveranno i diversi paesi coinvolti.

In generale la tendenza è, sia per il sistema GPS che per Galileo, quella di cercare la possibilità di eliminare parzialmente la disponibilità del servizio, in zone specifiche del globo, mentre il resto del mondo continua a disporre pienamente del servizio, abbandonando ogni volta di più l’idea di Selective Availability per avvicinarsi di più a quella di Selective Deniability.

Sembra comunque possibile affermare che, con l’introduzione del nuovo sistema, aumenterà la precisione dei servizi disponibili all’utenza civile, ed aumenterà anche la loro robustezza e disponibilità. Le applicazioni critiche che dipendono fortemente di informazioni sulle posizioni geografiche potranno servirsi di entrambi i sistemi e raggiungere livelli di affidabilità e robustezza senza precedenti.

 

Appendice A: Dati d’interesse

 

1 GPS

 

1.1 Costellazione satellitare

· Costituita da 24 satelliti operativi, più altri satelliti di riserva (4 satelliti di riserva al 2005).

· I satelliti sono disposti in 6 piani orbitali con 55° di inclinazione rispetto all’Equatore.

· 20200 Km altezza (satelliti MEO – Medium Earth Orbit).

· 12 ore di periodo orbitale.

· Ogni satellite è visibile 5 ore sopra l’orizzonte.

· Tempo di vita di ogni satellite: ~10 anni.

· La costellazione è stata progettata in modo di garantire che, in qualunque punto del globo, in un qualunque momento, siano visibili (sopra l’orizzonte) almeno quattro satelliti.

· Ogni satellite ha quattro orologi atomici; due al cesio e due al rubidio.

 

1.2 Segnali GPS

La frequenza dell’orologio atomico a bordo dei satelliti è f0 = 10.23 MHz.

Velocità delle onde radio emesse dal satellite: c = ~ 2,8 x 108m/s.

Frequenze e lunghezze d’onda delle portanti e dei codici GPS:

Portante/Codice Frequenza Lunghezza

L1 154 x 10.23 MHz 19 cm

L2 120 x 10.23 MHz 24 cm

C/A 1/10 x 10.23 MHz 300 m

P 10.23 MHz 30 m

D 50 Hz -

 

1.3 Misure GPS

Regola pratica per la precisione nelle misure di portante e di codice: 1-2 % della lunghezza d’onda:

· Portanti: ~2-4 mm

· C/A: ~3-6 m

· P: ~30-60 cm

Contributo di ogni sorgente di errore all’errore totale nella misura del range:

· Orologio ricevitore: ~10-100 m

· Orologio satellite: ~10 m

· Ionosfera: ~20-50 m

· Troposfera: ~2-10 m

· Orbita: ~10-20 m

1.4 Informazioni

Fonti delle effemeridi precise:

· Attuali (gratuite):

- Centri dell’IGS (International GPS Service for Geodynamics) – ad esempio Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB), Svizzera (Mr. Simon Fankhauser).

· Per dati precedenti il giugno 1992 (a pagamento):

- NGS (National Geodetic Service- USA)

- Scripps Institute of Oceanography, USA (Prof. Yehuda Bock)

Informazioni sullo stato dei satelliti:

- Sito USNO: http://tcho.usno.navy.mil/gps.html

 

2 Galileo

 

2.1 Costellazione satellitare

 

· 30 satelliti (27 satelliti operativi e 3 satelliti di riserva).

· Altitudine orbitale di 23222 Km (MEO).

· 3 piani orbitali con un inclinazione di 56° (9 satelliti operativi ed uno di riserva per ogni piano

orbitale).

· Tempo di vita dei satelliti: > 12 anni.

· Massa di ogni satellite: 675 kg.

· Dimensioni del corpo del satellite: 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m.

· Estensione dei pannelli solari: 18.7 m.

· Potenza dei pannelli solari: 1500 W

· I satelliti Galileo saranno i primi ad avere degli orologi MASER, molto più precisi di quelli

utilizzati nei satelliti GPS.

 

Appendice B:

Concetti relativi alla misura del range e calcolo della posizione.

 

1 Il segnale GPS

Il segnale GPS è composto da tre parti che sono:

- due onde portanti: L1 ed L2,

- due codici detti C/A e P (quest’ultimo è quasi sempre sostituito da un codice definito Y),

- un altro codice detto messaggio D.

I segnali GPS vengono modulati mediante modulazione di fase.

La descrizione analitica e completa del segnale nelle due frequenze è data dalle formule:

 

S(L1) = Ac C(t) D(t) sin(2_ ƒL1 t + _L1) + Ap P(t) D(t) cos(2_ ƒL1 t + _L1) b.1

S(L1) = Ap P(t) D(t) cos(2_ ƒL2 t + _L2) b.2

 

Osserviamo prima il segnale in L2: ha una ampiezza Ap e una frequenza ƒL2. Questo segnale sinusoidale è modulato solo dal messaggio D e dal codice P.

Nelle due formule, davanti alla quantità sin(…) e cos(…), vi sono i termini D(t) e P(t). Questi valori P e D possono essere solo dei numeri +1 o -1. Anche i codici sono funzione del tempo t perché hanno una loro frequenza.

Il posizionamento in tempo reale è tanto più preciso quanto più precisa è la misura dello sfasamento eseguita sul codice. Questa precisione è una frazione della lunghezza    d’onda del segnale. In questo caso lo scarto quadratico medio teorico sulla singola misura è di ±1/100 della lunghezza di onda del segnale. Per tale motivo oltre al codice C/A esiste il codice P, di frequenza dieci volte maggiore.

 

 

[credits to :  Bruno Nardelli e Renato Lo Cigno - Università di Studi Trento]

  

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