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Glonass & Galileo

Il sistema di posizionamento GPS americano è oggigiorno quello più conosciuto e diffuso fra le istituzioni nazionali e i cittadini, ma non è l’unico a livello mondiale; ci sono altri due tecnologie a cui corrispondono altrettante costellazioni di satelliti e corrispondenti ricevitori: il Glonass e Galileo. Essi sono nati per superare limitazioni imposte dai governi, per migliorare la precisione del punto nave oppure per difesa nazionale nel periodo della Guerra Fredda.

La diffusione della tecnologia GPS nei dispositivi portati è oggi assai diffusa; in commercio si trovano moduli GSP a basso costo (70 Euro circa), ma, come abbiamo visto, è interamente controllato dagli americani; essi possono decidere in qualunque momento (ad esempio in caso di conflitti) di spegnere il segnale su una parte del globo terrestre senza alcun preavviso compromettendo di fatto il funzionamento dei ricevitori. Prima del 2 Maggio 2000 inoltre, il segnale GPS per uso civile veniva volutamente degradato in quanto era ritenuto troppo preciso; solo con l’intervento del Presidente Bill Clinton questa limitazione è stata tolta.

Diamo ora uno sguardo al Glonass ed a Galileo tenendo presente che questo articolo non vuole essere una descrizione dettagliata del funzionamento di queste due tecnologie, ma dare uno sguardo d’insieme per farsi un’idea.

Glonass è l’acronimo di GLObal’naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, un sistema di posizionamento progettato dall’URSS all’inizio degli anni ‘80 per scopi militari (guida di missili balistici) e che in seguito allo scioglimento dell’Unione Sovietica dal 1995 viene utilizzato (anche) per scopi civili. Ci sono profonde differenze sia nelle frequenze di trasmissione delle due portanti L1 e L2 (si rimane comunque oltre un GHz), sia nel riferimento temporale, ma non c’è il degrado del segnale per usi civili. La stazione master di gestione si trova a Mosca, mentre la telemetria è gestita dalle stazioni di San Pietroburgo, Ternopol (UA) e Komsomolsk-na-Amure (RU). E’ comunque possibile trovare in commercio ricevitori combinati GPS/Glonass in un unico apparato in cui si imposta il modo di funzionamento.

Per altri approfondimenti quali la costituzione della costellazione, i tipi e le orbite dei satelliti e la struttura della rete si faccia riferimento, ad esempio, a questo sito.

Galileo è un sistema di posizionamento progettato dall’ESA e finanziato dagli stati membri dell’Unione Europea in proporzioni differenti a seconda del Paese. Il sistema non è completo, ma quando lo sarà (si prevede nel 2014) avrà in consegna diversi compiti; i principali (quello per cui è stato progettato) sono di fornire una maggior precisione e copertura del segnale anche a latitudini molto alte.

il sistema fornirà servizi con continuità, i quali sono stati classificati in:

  • Open Service: è un servizio gratuito di navigazione, controllo flotte con una precisione maggiore rispetto al GPS.
  • Public Regulated Service: è un servizio basato su un segnale cifrato usato dagli organi di PS e controllato dai governi UE, come ad esempio sistemi UAV (droni telecomandati) e sistemi di telecontrollo ferroviari e navali.

Il costo complessivo dell’opera si stima in 3,4 miliardi di Euro ed alla costruzione del sistema sono impegnati sia enti pubblici che privati, i quali, a lavoro terminato, potranno partecipare agli utili generati dalla vendita dei servizi (un obiettivo su cui si sta ancora oggi discutendo su come e in base a quali accordi). Gli Stati Uniti, anche perché vedono in Galileo un futuro concorrente, ribattono dicendo che i costi sono stati ampiamente sottostimati e prevedono che i costi reali saranno almeno il doppio.

Il sistema è anch’esso costituito da una costellazione di trenta satelliti in orbita circolare ed orbitano a un’altitudine di 24000 Km circa che consentiranno l’individuazione di un oggetto con uno scarto massimo di 4 m; lavora su bande differenti rispetto al GPS ed utilizza la tecnica CDMA.

Ci saranno 14 stazioni al suolo in vari punti del globo connesse alle centrali europee di controllo per consentire il corretto funzionamento dei satelliti: fra le quali citiamo il centro Telespazio nel Fucino (AQ) ed il centro di Oberpfaffenhofen (in Germania).

Per concludere, ecco una breve tabella riassuntiva dei tre sistemi presentati in questa serie di articoli:

Nome GPS GLONASS GALILEO
N° Satelliti 24/28 7/12 30 satelliti (a regime)
Progettato nel: 1983 1982 In corso
Gestore USA Russia UE
Stato del progetto Operativo Operativo/In corso di aggiornamento Finanziato ed avviato
Caratteristiche Disponibili due livelli di sicurezza Copertura mondiale incompleta Buona copertura/alta precisione/servizi mirati

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “ElettronicaIn”, Febbraio 2011 – Articolo di Davide Scullino

GPS – Come funziona

Il concetto base di funzionamento del GPS è la triangolazione satellitare, e in questa prima parte dell’articolo sarà considerato il caso ideale. Anzitutto il ricevitore misura la distanza da almeno tre satelliti che sono nel suo campo di visibilità; grazie alle effemeridi sa quali sono, e quindi può scegliere fra quelli che hanno il segnale con migliore qualità. A questo punto il ricevitore calcola il tempo impiegato dal segnale radio a raggiungere il ricevitore basandosi sul ritardo di fase (e di sincronizzazione) del segnale CDMA trasmesso dall’n-esimo satellite, quindi ottiene la distanza dal satellite secondo la seguente formula:

c [m/s] x t [s]= d [m]

dove c è la velocità della luce, t è il tempo misurato dal ricevitore e d è la distanza dal n-esimo satellite.

Il ricevitore ripete il calcolo con gli altri satelliti e identifica sulla superficie terrestre il punto d’intersezione delle tre superfici direttrici ottenute unendo i punti equidistanti da ogni satellite di riferimento; tale punto, chiamato punto nave, rappresenta la posizione del ricevitore sulla superficie terrestre. La Terra, come sappiamo, non è una sfera ed il ricevitore ne tiene conto utilizzando un modello matematico della Terra noto come WGS84 per le sue misure geodetiche.

Vediamo ora che tipo di orologi sono presente nel ricevitore e nei satelliti: l’orologio a bordo del satellite è molto preciso (è un orologio atomico), mentre quello presente nel ricevitore è molto più semplice (al quarzo); per queste ragioni il punto nave non è un punto ma è rappresentato da un’area d’indecisione come quella mostrata in figura:

Particolare della triangolazione satellitare (Fonte: Vedi bibliografia)

Il triangolino nero identifica l’area d’indecisione; si tratta di un’area, ma se i lati del triangolo sono molto schiacciati, possiamo approssimarla come un segmento di lato pari all’ipotenusa del piccolo triangolo. Questo nuovo valore ottenuto trasformando una superficie in un termine di lunghezza si chiama HDOP (horizontal dilution of precision) e fornisce l’informazione sulla precisione del punto in orizzontale.

In alcuni ricevitori portatili è possibile estrarre il segnale numerico in arrivo dal satellite: si tratta di una sequenza di caratteri che identificano una serie d’informazioni raggruppati secondo lo standard di riferimento è NMEA-0183 introdotto dalla marina americana. (National Marine Electronics Association)

Ecco di seguito un esempio di un sottoinsieme di stringhe NMEA estratte da un ricevitore GPS collegato tramite una seriale (parametri 8-N-1) al ritmo di una stringa al secondo.

$GPGGA,201204.123,4543.4576,N,01233.9797,E,1,06,15.1,19.7,M,,,,0000*1F

$GPRMC,201204.123,A, 4543.4576,N, 01233.9797,E,0.00,55.45,211200,,*25

Nel nostro caso il punto GPS è valido, il ricevitore “vede” sei satelliti con un HDOP di 15,1 metri.

Abbiamo visto che ogni satellite è identificato da un codice ed adotta un codice pseudo casuale univoco per spalmare il suo segnale su uno spettro ampio. Tale codice si chiama PRC (Pseudo Random Code) ed è utilizzato dal ricevitore per sincronizzarsi sul segnale del satellite n-esimo e consente alla costellazione di satelliti di utilizzare la stessa frequenza in trasmissione.

Altre fonti di errore che il GPS deve tenere in considerazione per il suo corretto funzionamento derivano dall’effetto gravitazionale della Luna e dalla pressione di radiazione solare; il sistema quindi richiede delle correzioni relativistiche, in particolare:

  • a causa della forza di gravità terrestre (a 20000 Km dalla Terra è circa ¼ di quella terrestre) gli orologi di bordo anticipano di 45 ms rispetto agli orologi di terra delle stazioni base.
  • a causa della velocità orbitale dei satelliti (circa 14000 km/h) gli orologi ritardano di 7 ms al giorno.

Come conseguenza di queste affermazioni, occorre una correzione di 45 – 7= 38 ms al giorno per fornire dati GPS più accurati; tali errori sono compensati con segnali aggiuntivi che provengono dalle stazioni base terresti di riferimento.

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “Introduzione ai sistemi di comunicazione” Guido Tartara – Etaslibri
  • “Il nostro Einstein quotidiano” Philip Yam – Le scienze – Novembre 2004

GPS – Che cos’è

Il GPS (Global Positioning System) è una complessa tecnologia che unitamente ad un ricevitore dedicato consente di ricevere e calcolare posizione, velocità di un oggetto; esso è controllato dal Dipartimento della difesa USA (DoD).

Il sistema fu progettato inizialmente per scopi militari e consiste in 24 satelliti che orbitano intorno alla terra in 12 ore; in realtà ce ne sono di più, in quanto ne vengono lanciati dei nuovi per rimpiazzare i più vecchi, per un totale di 32.

Dato che la durata del giorno siderale non corrisponde esattamente alla durata del giorno UTC, in una giornata i satelliti compiono due orbite non completamente intere: di conseguenza questo significa che, ogni giorno ed fissato un punto, non saranno visibili sempre gli stessi satelliti.

Il sistema è diventato completamente operativo nel 1994 ed è costituito da 6 piani orbitali ognuno occupato da 4 satelliti (3+1) equamente spaziati e inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale; questa costellazione fornisce all’utente una visibilità compresa fra 5 e 8 satelliti in ogni punto della terra.

Ogni satellite porta a bordo:

  • Un orologio atomico di estrema precisione (che è alla base del sistema).
  • Un computer di controllo.
  • Un sistema di trasmissione radio.
  • Un sistema di controllo di assetto.

Dato che il GPS è un sistema che basa il suo funzionamento sulla misura del tempo, ogni ricevitore deve avere:

  • Un’antenna di piccole dimensioni.
  • Un orologio al quarzo.
  • Un software di elaborazione numerica del segnale (ENS)
  • Un ricevitore radio.

L’intero sistema è controllato da una serie di stazioni dislocate in diverse parti del mondo, (principalmente sull’equatore) ma la stazione terrestre con ruolo di “Master” si trova in Colorado, alla Schriever Air Force Base le quali monitorano i segnali generati dalle apparecchiature satellitari.

Il compito principale di ogni ricevitore GPS è di convertire il segnale satellitare in termini di posizione, velocità e stima temporale: per fare ciò sono necessari i dati di 4 satelliti dai quali si ricavano le 4 coordinate spaziali e di velocità (x, y, z, v).

Un secondo uso del GPS consiste nella distribuzione di un segnale temporale preciso usato ad esempio nelle reti di telecomunicazione, nella formulazione degli standard di laboratorio e nelle osservazioni astronomiche quali la misura dei parametri atmosferici del nostro pianeta.

Ci sono due tipi d’identificazione satellitare:

  • SPS: Standard Positioning Service
  • PPS: Precise Positioning Service

Il primo tipo d’identificazione (SPS) è usato per uso civile e non ha senza restrizioni. Possiede un’accuratezza di circa 100 m in orizzontale e 150 m in verticale: l’accuratezza del segnale di temporizzazione è di 340 ns (UTC). Il secondo tipo d’identificazione (PPS) è utilizzato dalle forze militari e dalle agenzie governative con speciali ricevitori; possiede un’accuratezza di 22 m in orizzontale e 27,7 m in verticale: l’accuratezza del segnale di temporizzazione è di 220 ns (UTC).

Ogni satellite trasmette su due frequenze la cui portante è superiore al GHz (per oltrepassare l’atmosfera):

  • L1 (1575.42 MHz) usata da SPS.
  • L2 (1227.60 MHz) usata da PPS.

Ci sono poi due diversi codici che modulano la portante L1 o L2:

  • il codice C/A (Coarse Acquisition) che modula la portante L1. (Uso civile)
  • Il  codice P-Code (Precise)  (Uso militare)

Il codice C/A è un numero pseudo casuale generato ad una frequenza 1 MHz: c’è un codice diverso per ogni satellite che serve per identificarlo. Il codice “spalma” la banda in un intervallo di 1 MHz (protocollo CDMA). Il codice C/A modula anche il messaggio di navigazione: è un segnale a 50 Hz che contiene le effemeridi dei satelliti.

Il P-Code (Precise) modula invece entrambe le frequenze ed è molto più lungo; dato che il codice è anche criptato, ogni ricevitore deve essere equipaggiato con un modulo apposta per la decodifica.

Il messaggio di navigazione (GPS Navigation Message – NM) comincia con una serie di bit che identificano l’inizio di ogni frame. In generale frame consiste in 1500 bit diviso in 5 parti. Un insieme di 25 frame (25 x 5 sub frame) costituiscono il Navigation Message che viene spedito ogni 12.5 minuti.

Formato del pacchetto GPS

Il significato dei campi del frame è il seguente:

  • Clock: segnale di temporizzazione a bordo del satellite (orologio).
  • Effemeridi satellitari: descrivono le orbite satellitari per piccole sezioni celesti. Di solito il ricevitore raccoglie i dati ogni ora anche se può usarli anche per 4 ore. Le effemeridi sono usate nell’algoritmo che calcola la posizione entro il periodo dell’orbita descritta nei parametri orbitali.

L’insieme delle effemeridi di ogni satellite si chiama almanacco ed una decina di almanacchi possono descrivere le orbite di ogni satellite per mesi.

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “Introduzione ai sistemi di comunicazione” Guido Tartara – Etaslibri