RADIO-NAVIGAZIONE. In questa lezione vengono presentati sinteticamente i sistemi di navigazione satellitari.

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1 RADIO-NAVIGAZIONE In questa lezione vengono presentati sinteticamente i sistemi di navigazione satellitari. Sistemi Iperbolici Sono sistemi con grado di copertura molto elevata, basati sull'impiego di coppie di stazioni trasmittenti sincronizzate. Misurando la differenza di tempo di ricezione fra impulsi inviati dalle due stazioni (o di fase fra segnali continui), si ha una differenza di distanza dalle due stazioni che a loro volta sono distanziate di centinaia di chilometri; La sequenza dei segnali trasmessi e ricevuti dalla stazione Master (M), dalla Slave (X) e dal ricevitor (A) e è presentata in un esempio nella figura seguente in questo modo si definiscono delle linee a pari differenza di distanza che sono delle iperboli. Ogni coppia di stazione permette di identificare la particolare iperbole sulla quale ci si trova e il rilevamento con più coppie di stazioni permette di determinare la posizione. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 1 di 13

2 Esistono due possibili fonti di errore per il fix della posizine con un sistema Iperbolico. - Il primo di questi errori è una funzione dell'angolo di incrocio delle Lines Of Position (LOP). Il secondo è un fenomeno noto come correzione dell ambiguità. L ambiguità può causare la determinazione di una posizione errata. Tale situazione avviene quando si incrociano 2 LOPs in due diverse posizioni. Il ricevitore ha la possibilità di dare un allarme ambiguità per avvisare il navigatore nel caso si verifichi questa ricorrenza. Senza altre informazioni, il navigatore è incerto su quale intersezione segna la sua vera posizione. Sistemi di questo tipo trasmettono a frequenze relativamente basse, come necessario per avere una portata alta (superiore a 1500 miglia). I sistemi che sono stati più utilizzati sono il Loran C, l Omega e il Decca Il Loran C (Long Range Aid to Navigation) è basato sull invio di segnali ad impulsi, e quindi su una misura di differenza di tempo tra gli impulsi provenienti dalla stazione master e quelli provenienti dalla stazione slave. Tuttavia esso si basa sulla misura di una differenza di fase tra segnali continui per raffinare il punto. La frequenza di lavoro è attorno ai 100 khz. Ad ogni master si possono associare 4 slave, ammesso che siano entro 1000 miglia di distanza dal master. Il master emette in tutte le direzioni un segnale ad impulsi che viene ricevuto da uno o più slave. Lo slave lascia passare un certo ritardo prima di trasmettere a sua volta un treno di impulsi. In questo modo il velivolo ha sicuramente già ricevuto il segnale dal master e quindi, successivamente, riceverà quello dallo slave. La copertura è molto vasta nell emisfero settentrionale ma la NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 2 di 13

3 precisione varia a seconda della distanza dai radiofari: si parla comunque di 200 m come precisione massima, ossia una precisione minore del GPS descritto in seguito, che scende ad 1 miglio quando il velivolo è a 1000 miglia di distanza dalle stazioni. L Omega è basato sull invio di segnali continui, e quindi su una misura di differenza di fase tra il segnale proveniente dalla stazione master e quello proveniente dalla stazione slave. Esso funziona a bassissima frequenza (10-14 khz) e permette di avere radiofari distanti tra loro miglia. In tal modo con pochi radiofari si è ottenuta la copertura globale. La precisione è tuttavia di alcune miglia, nettamente minore del GPS, nonostante anche l Omega abbia copertura globale. Il Decca infine è molto simile all Omega: utilizza un sistema master-slave, lavora a bassissima frequenza e misura la differenza di fase tra i segnali master e slave. Diversamente dall Omega, esso ha una copertura modesta poiché ha portata di miglia e le catene Decca non sono molto diffuse sul pianeta; la precisione è maggiore, ma sempre attorno al miglio. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 3 di 13

4 Global Positioning System ( GPS) Il sistema Global Positioning System è stato sviluppato negli USA dal 1973 in poi per disporre di un superiore sistema di navigazione che coprisse tutte le zone della Terra, che fosse costantemente operativo, non dipendesse dalle condizioni meteo o di visibilità e garantisse una elevata precisione sia in termini di coordinate che di quota. Le finalità erano esclusivamente militari e doveva essere utilizzabile per aerei, navi, missili, mezzi terrestri ed anche persone e raggiunse la completa copertura nel La logica di funzionamento si basa sulla possibilità che una rete di Satelliti, disposta intorno alla Terra in modo da essere sempre vista dal Ricevitore, possa permettere una triangolazione tra i Satelliti posti in posizione nota ed il Ricevitore posto in posizione incognita. Il sistema GPS dal 1991 è stato reso disponibile anche per gli usi civili, in forma gratuita e senza limiti sull utilizzatore del Ricevitore, ma per motivi si sicurezza gli USA resero disponibili le funzionalità del GPS con due livelli di precisione: Standard Positioning System ( SPS) per uso civile, ma con segnale degradato in modo che la posizione avesse un errore di 100/150 metri Precision Positioning System (PPS) per uso militare USA con precisione di circa 15/20 metri Tale limitazione, detta Selective Availability (SA) è stata mantenuta fino al 2000 quando il Presidente USA fece rimuovere questa limitazione per l uso civile. Nella realtà qualche limitazione è rimasta: oltre i 18 km di quota ed oltre i 500 metri/sec di velocità la SA è ancora operativa e quindi il sistema GPS non si presta per la guida di missili. La precisione del GPS è stata da sempre superiore ai sistemi precedenti, ma molti fattori comunque introducono degli errori: riflessioni di ostacoli, qualità del ricevitore, riflessioni dalla ionosfera e troposfera, posizione e visibilità dei satelliti, imprecisione nella posizione dei satelliti ecc. Tutto questo viene poi corretto con livelli superiori di sofisticazione di vario genere e messi in atto negli anni. L attuale livello di accuratezza raggiunta è mostrato nella figura seguente NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 4 di 13

5 Il principio di funzionamento si basa sulla possibilità di avere intorno alla Terra una costellazione di Satelliti in posizione nota con grande precisione, che trasmettano costantemente un messaggio che possa essere ricevuto e decodificato dal Ricevitore e che la copertura dei Satelliti sia tale che il Ricevitore ovunque si trovi possa vedere un numero significativo di Satelliti. Il Ricevitore GPS quando riceve i messaggi dai Satelliti li decodifica ed al suo interno esegue una triangolazione nello spazio per ricavare coordinate Teoricamente servirebbero 24 satelliti a garantire una copertura continua con almeno 4 satelliti dell intero globo terrestre, ma nella realtà sono più numerosi per intervenire in caso di avaria ( in genere sono oltre 31). NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 5 di 13

6 Ogni Satellite ha al suo interno un orologio atomico di altissima precisione e perfettamente sincronizzato con tutti gli altri Satelliti della costellazione GPS. Nella realtà l orologio interno è costituito da 2 orologi al rubidio e 2 al cesio e che sono costantemente controllati e sincronizzati da una base terrestre. I Satelliti trasmettono il loro messaggio periodicamente e non conoscono dove e quanti Ricevitori lo useranno, mentre il Ricevitore non trasmette nulle ai Satelliti, ma funziona solo come ricevitore. Il messaggio trasmesso dal singolo Satellite contiene una serie di informazioni: Codice di identificazione del satellite Posizione del satellite Tempo di trasmissione del messaggio per identificare il momento dell invio Informazioni sulla funzionalità del satellite Stato della costellazione degli altri satelliti Ecc Il Ricevitore quando riceve il messaggio cerca di calcolare la distanza geometrica rispetto al Satellite di posizione nota nello spazio. ( fattori di correzione a parte). Se il Ricevitore avesse al suo interno un orologio atomico della stessa precisione dei satelliti e con loro sincronizzato potrebbe confrontare, decodificando il singolo messaggio, la differenza di tempo tra il momento della ricezione e quello in cui era stata trasmesso il messaggio. Da tale delta tempo la distanza geometrica dal satellite ed il Ricevitore sarebbe ricavabile dal fatto che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è nota ( km/sec). Se questo fosse possibile basterebbero 3 Satelliti per calcolare le 3 distanze al momento della ricezione ed essendo note le coordinate dei Satelliti si individuerebbe il punto di intersezione. In termini puramente algebrici sarebbe come avere 3 equazioni con 3 incognite ( le x,y,z del Ricevitore) Nella realtà questo non è possibile in quanto il Ricevitore per motivi di costo, peso, energia disponibile ecc non può avere un orologio atomico al suo interno e mantenerlo sincronizzato con la costellazione dei satelliti. Si ricorre allora alla ricerca della visibilità di altri satelliti : ad esempio con un 4 satellite si avrebbe un sistema di 4 equazioni e 4 incognite, ed in questo modo il Ricevitore può realizzare la triangolazione anche non disponendo dell orologio atomico al suo interno. Nella realtà il Ricevitore vede sempre più di 4 satelliti e da questo punto di vista si potrà scegliere quelli meglio allineati. Nella figura che segue si vuole dare allo studente una vista geometrica della tecnica di localizzazione del Ricevitore. ll ricevitore utilizza I messaggi ricevuti dai satelliti per determinare le loro posizioni e l istante di invio. Le componenti x, y, z della posizione del satellite e il tempo di invio sono designati come [x i, y i, z i, t i ] in cui il pedice i indica l i-esimo satellite e ha il valore di 1, 2,..., n, con n>4, t r è il tempo di ricezione indicato dal ricevitore di bordo, il tempo di ricezione vero (non affetto da bias b) sarà NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 6 di 13

7 t r +b. t r +b-t i rappresenta il tempo di volo del messaggio con t i che rappresenta l istante di partenza del segnale dal satellite. Assumendo che il messaggio viaggi alla velocità della luce c, la distanza percorsa è (t r +b-ti )*c Nota la posizione del satellite e la distanza tra satellite e ricevitore si assume che il ricevitore si trovi su una sfera centrata nella posizione del satellite con raggio uguale alla distanza calcolata. La posizione del ricevitore sarà quindi determinata dall intersezione delle superfici delle sfere calcolate da più satelliti. Nel caso ideale di nessun errore, il ricevitore è situato delle superfici. L errore b o clock bias rappresenta l errore dell orologio del ricevitore dunque il ricevitore nel risolvere l equazione della navigazione ha 4 incognite: le tre coordinate x,y e z e il clock bias b Il sistema GPS usato oggi è quello USA, ma in passato anche l URSS ne aveva sviluppato uno, poi è stato quasi dismesso, ed ultimamente si sta riattivando. Solo per informazione riportiamo una tabella di comparazione tra i due sistemi. A livello Europeo è in fase di realizzazione la rete Galileo. Quanto alla rete di Satelliti militari USA dal 1973 in poi non solo sono stati sostituiti per avaria, ma sono state varate famiglie di nuovi tipi di Satelliti con tecnologie più sofisticate. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 7 di 13

8 Il Segnale GPS E necessaria qualche riflessione sul fatto che il rilevamento dei dati per eseguire la triangolazione presuppone di saper misurare la differenza di tempo tra quando il segnale parte dal satellite e quando arriva al ricevitore. Se teniamo conto che il segnale radio viaggia a km/sec. o metri/sec. si deve dedurre che per una precisione di 300 metri la precisione della misura dei tempi dovrebbe essere al milionesimo di secondo. Se poi si aggiunge che un errore di 300 metri non è accettabile si deve puntare a livelli di precisione e sincronizzazione di ordine superiore. A tal proposito ogni satellite GPS genera una trasmissione codificata digitale unica. I codici trasmessi su L1 sono conosciuti come il C / A (coarse / acquisition) e P (Precision). Il codice C / A viene ripetuto continuamente, una sequenza viene completata in un millisecondo. Lo schema dei bit digitali che compongono il codice C / A è talmente vario (1023 bit) che sembra essere casuale. Per questo motivo viene indicato come codice pseudo-random e richiede una larghezza di banda (spread spectrum) di 1 MHz. L'elemento di codice P è ancora più lungo e la parte della sequenza di codice assegnato a ciascun satellite viene reinizializzata ogni 7 giorni. Oltre ai codici per l identificazione del tempo di volo del segnale ogni satellite trasmette anche un flusso di bit di dati a 50 bit al secondo. Questo messaggio di navigazione fornisce informazioni sulla posizione orbitale del satellite, il suo stato operativo e altri fattori di correzione. Ogni messaggio richiede 30 secondi per essere completato. Tutti i satelliti inizialmente trasmettevano il segnale di navigazione alle stesse due frequenze, 1,57542 GHz (segnale L1) e 1,2276 GHz (segnale L2) che fino al 2000 era disponibile solo per usi militari. Ad oggi il segnale L2C è divenuto il secondo segnale civile, se utilizzato in combinazione con L1 nei ricevitori a frequenza duale, L2C permette la correzione ionosferica, una tecnica che incrementa l accuratezza. Il segnale L2C viene trasmesso con una potenza maggiore rispetto L1, ed è quindi più facilmente ricevibile sia in presenza di vegetazione che in locali chiusi Il segnale L1 è modulato sia dal codice C / A che dal codice P, mentre il segnale L2 è modulato solo dal codice P. La banda di frequenza L5 a 1,17645 GHz è stato aggiunto nel processo di modernizzazione GPS. Questa frequenza rientra in un intervallo di protezione internazionale per la navigazione aeronautica, dove dovrebbe esistere poca o nessuna interferenza.l5 è il terzo segnale civile. L1C è il quarto segnale civile e viene inviato dai moderni satelliti GPS sulla stessa frequenza del precedente L1. E stato progettato per abilitare l interoperabilità con sistemi internazionali come Galileo. Dovrebbe permettere un incremento di accuratezza in città e in ambienti difficili. Il segnale L3 ad una frequenza di 1,38105 GHz è utilizzato per trasmettere i dati dai satelliti a stazioni terrestri. Questi dati vengono usati dal United States Nuclear Detonation System (USNDS) per rilevare, individuare e segnalare detonazioni nucleari (NUDETs) nell'atmosfera terrestre e I, vicino spazio. Tale sistema serve per controllare l applicazione dei trattati sul divieto di test nucleari Il ricevitore riproduce un codice digitale interno che è identico al codice C/A trasmesso dai singoli satelliti. Nel caso ideale la temporizzazione della trasmissione del satellite e quella del ricevitore GPS sono perfettamente sincronizzate. In tal modo il ricevitore GPS potrebbe riconoscere quale parte del codice pseudo-random ha ricevuto e potrebbe comparare con il codice prodotto internamente. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 8 di 13

9 La differenza di tempo tra i due punti moltiplicata per la velocità della luce permette di calcolare la distanza percorsa dal segnale che rappresenta la distanza tra satellite e ricevitore Il ricevitore GPS nel velivolo ha un orologio che non è preciso come quello del satellite e quindi è probabile che essi non siano tra loro perfettamente sincronizzati. Come risultato di questa de-sincronizzazione, che è conosciuta come clock bias, il calcolo dell intervallo di tempo (e di conseguenza delle distanze) sarà in errore, ed è pertanto indicato come una pseudo-range (PR). Perciò lo pseudo range viene corretto per restituire il true range applicando una correzione al clock bias. L errore di accuratezza dovuto alla desincronizzazione è di 0,3 metri per ogni nanosecondo di errore I componenti del sistema GPS il sistema GPS nella realtà è molto più articolato e possiamo dividerlo in Segmenti tutti tra loro interdipendenti e costantemente collegati ( vedi figura). I Segmenti sono: Segmento spaziale : The Space Segment Segmento controllo : The Control Segment Segmento utente : The User Segment NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 9 di 13

10 IMPIANTI AERONAUTICI GIORGIO GIORGI FABRIZIO PIERGENTILI * Lo Space Segment è composto da: 24 satelliti, posti su 6 diverse orbite inclinate di 55 rispetto all'equatore ed equispaziate di 60 tra di loro, a circa km di quota, con un periodo di rivoluzione di 12 ore; in ogni orbita si trovano 4 satelliti spaziati di 90 gradi. Con tale disposizione in ogni punto della terra ed in qualsiasi istante sono visibili contemporaneamente tra i 5 e gli 8 satelliti. Il Control Segment è costituito da varie sezioni Master Control Station ed una di riserva top secret a Colorado Springs Alcune serie di stazioni con le antenne di trasmissione Alcune stazioni di monitoraggio disposte ( circa) intorno all equatore Il ruolo delle stazioni di controllo può essere riassunto in linea di massima come segue: Il singolo satellite ruota su una sua orbita quasi circolare, con velocità che lui stesso non può calcolare e si trova nel tempo in posizioni diverse in quanto non geostazionario. Di se stesso conosce solo la sua identità. Per questo le stazioni di controllo ne misurano nel tempo posizione e velocità ed aggiornano la sua banca dati dalla quale preleverà le informazioni da inserire nei messaggi che trasmette in tutte le direzioni. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 10 di 13

11 Le posizioni di tutti gli altri satelliti sono comprese nel messaggio, ma anche in questo caso sono aggiornate dalle stazioni di controllo Se necessarie correzioni di orbita vengono comandate da Terra e nella fase di manovra il satellite è interdetto alle trasmissioni, come anche se in avaria o quando è di riserva. La sincronizzazioni degli orologi di bordo ed il controllo della loro precisione viene gestita da terra Ecc Lo User Segment prevede varie e differenti applicazioni, alcune di queste sono presentate nell immagine seguente: GPS enables a diverse array of applications Surveying & Mapping NextGen Power Grids Precision Agriculture Satellite Operation s Transit Operations Disease Control Intelligent Vehicles TeleComm Personal Navigation Trucking & Shipping Oil Exploration Fishing & Boating NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 11 di 13

12 La precisione del GPS L accuratezza delle misure GPS ha una distribuzione di probabilità normale (i valori saranno distribuiti simmetricamente intorno a un errore medio nullo), perché i due fattori più importanti che riguardano la precisione: la diluizione geometrica di precisione (GDOP) e l errore equivalente di distanza dell utilizzatore (UERE); sono a variazione continua. Il UERE (User Equivalent Range Error) è l'errore nella misurazione degli pseudo-ranges da ogni satellite all'utente. Il UERE è il prodotto di diversi fattori, tra cui la stabilità del clock, la prevedibilità dell'orbita del satellite, gli errori nel messaggio di navigazione, la precisione del processo di correlazione del ricevitore, errori dovuti alla distorsione atmosferica e al calcolo per compensarla ed errori dovuti alla qualità del segnale del satellite. Il UERE, pertanto, è un errore casuale che è funzione di errori dell intero sistema. Il GDOP (Geometric Diluition Of Precision) è invece legato alla geometria delle posizioni relative satelliti/ricevitore, è simile all errore geometrico dei sistemi iperbolici, ed è ben rappresentato dalle immagini seguenti Alcune applicazioni specifiche, a volte locali, richiederebbero livelli di precisione di ordine superiore sarebbe o impossibile o troppo costoso a livello globale. Ad esempio alcune misure di geodesia, deformazioni della struttura di una diga, movimenti tettonici della crosta terrestre richiedono precisioni sotto il decimetro. La soluzione di questi casi è stata data dal Differential Global Positioning System che oggi è disponibile solo in alcune zone del mondo. Questo sistema di correzione consiste nel mettere in alcuni punti di grande interesse delle stazioni fisse che, conoscendo con grande precisione le loro effettive coordinate possono valutare meglio l errore rispetto ad una misura fatta solo con la triangolazione GPS tramite satelliti. Nelle immediate vicinanze di tale stazione si potrà ritenere che l errore sia dello stesso ordine di grandezza e quindi considerarlo correzione fino ad una certa distanza dalla Stazione differenziale. NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 12 di 13

13 Sotto queste ipotesi la stazione trasmette ai satelliti GPS l errore applicabile ed i satelliti lo ritrasmettono al singolo Ricevitore situato nella zona di validità, se si tratta di un Ricevitore abilitato a tale ricezione. Una tecnica di correzione simile e meno locale può essere ottenuta con delle piccole ( 2 o 3 satelliti) costellazioni di Satelliti stazionari ( quindi non come la costellazione GPS) aggiuntivi che presidiano delle zone specifiche e che trasmettono con standard compatibili a tutti i ricevitori. Di tali costellazioni una copre l area Nord America (WAAS) una l Europa (EGNOS) ed una il Giappone (MSAS) Tutto il tema è comunque in evoluzione sia come tecnologia che come nuovi attori ( Cina, India ecc) * NAVIGAZIONE SATELLITARE 2012/13 Pagina 13 di 13