SISTEMI SATELLITARI GLOBALI DI NAVIGAZIONE (GNSS) Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto

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1 SISTEMI SATELLITARI GLOBALI DI NAVIGAZIONE (GNSS) 1

2 2 INDICE UN PO DI ME LE ORIGINI GNSS (Global Navigation Satellite System) NAVSTAR GPS ( NAVigation Satellite Timing An Ranging Global Positioning System) GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) GALILEO BEIDOU IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) CONCLUSIONI

3 UN PO DI ME Brig. Gen. GA (r) BORDO ROBERTO 39,5 ANNI IN AERONAUTICA ( ) : HDM AERONAUTICA - LAUREA INGEGNERIA ELETTRONICA : CAPO SEZIONE TECNICA E MANUTENZIONE DEL PISQ : SEGRETARIATO GENERALE DELLA DIFESA E DIREZIONE NAZIONALE DEGLI ARMAMENTI CAPO SEZIONE / CAPO DIVISIONE NEI SETTORI: AVIONICA, GUERRA ELETTRONICA, MISSILI, SIMULATORI DI VOLO, ARMAMENTO DI CADUTA, SISTEMI DI SUPPORTO E SALVATAGGIO : AGENZIA NAPMA (NL) IN VESTE DI CAPO SEZIONE RITORNI INDUSTRIALI DEL PROGRAMMA AWACS : AGENZIA NETMA (GE) COME RESPONSABILE DEL SUPPORTO IN SERVIZIO DEL VELIVOLO EF2000 ATTUALMENTE PRESIDENTE SEZIONE A.A.A. VITERBO 3

4 LE ORIGINI (1/2) NAVIGAZIONE AEREA CLASSICA CON SISTEMI: DI RADIO-ASSISTENZA CHE UTILIZZANO STAZIONI TRASMITTENTI POSTE A TERRA (DECCA, LORAN, OMEGA, ECC.), CHE INVIANO UN IMPULSO RADIO DA UNA POSTAZIONE MASTER, SEGUITO DA IMPULSI DA ALTRE STAZIONI SLAVE. SULLA BASE DEL RITARDO TRA LA RICEZIONE E LA TRASMISSIONE DEL SEGNALE PRESSO LE STAZIONI SLAVE, IL RICEVITORE DETERMINA LA DISTANZA DA OGNUNA DELLE STAZIONI SLAVE E, QUINDI, UN CALCOLO DELLA POSIZIONE INERZIALI ED ASTRONOMICI, CHE CONSENTONO DI EFFETTUATE LA NAVIGAZIONE CON IL SOLO IMPIEGO DEGLI APPARATI DI BORDO NEL 1967 NASCE TRANSIT, PRIMO SISTEMA SATELLITARE (6 SATELLITI) PER NAVIGAZIONE AEREA CREATO DALL ESERCITO USA INIZIALMENTE PER AVIAZIONE MILITARE E QUASI SUBITO RESO DISPONIBILE ALL AVIAZIONE CIVILE. FUNZIONAMENTO BASATO SULL EFFETTO DOPPLER: I SATELLITI SI SPOSTAVANO SU ORBITE NOTE E TRASMETTEVANO I LORO SEGNALI SU UNA FREQUENZA SPECIFICA. LA FREQUENZE RITRASMESSE DAI RICEVITORI DIFFERIVANO DA QUELLE NOMINALI A CAUSA DELLO SPOSTAMENTO DEI SATELLITI RISPETTO AI RICEVITORI. MONITORANDO QUESTE VARIAZIONI DI FREQUENZA SU UN BREVE INTERVALLO DI TEMPO I RICEVITORI POTEVANO DETERMINARE LA PROPRIA POSIZIONE 4

5 5 LE ORIGINI (2/2) MISURE NAVIGAZIONALI AFFETTE DA ERRORI NONOSTANTE LE CORREZIONI INTRODUCIBILI NELLA ELABORAZIONE DEI SEGNALI IN RICEZIONE (ACCETTABILI PER ALCUNI SCOPI, MA NON PER SCOPI MILITARI) FINO AGLI INIZI DEGLI ANNI 70 LO SPAZIO AEREO ASSEGNATO ALLA NAVIGAZIONE AEREA E LIMITATO LE MUTATE SITUAZIONI COMMERCIALE E GEO-POLITICA COMPORTONO UN SENSIBILE INCREMENTO DEL NUMERO DEI VETTORI AEREI CONTEMPORANEAMENTE IN MOVIMENTO NELLO SPAZIO AEREO ED UN CONSIDEREVOLE MIGLIORAMENTO DELLE LORO CARATTERISTICHE TECNICHE LA SICUREZZA DEL VOLO DIVENTA OGGETTO DI ATTENZIONE SPECIFICA NECESSITA DI SISTEMI DI NAVIGAZIONE DI ALTA PRECISIONE, AFFIDABILITA ED EFFICIENZA NASCONO I PRIMI SISTEMI GNSS

6 6 GNSS - DEFINIZIONE ILGNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) E UN SISTEMA SATELLITARE DI GEO-LOCALIZZAZIONE E NAVIGAZIONE A COPETURA GLOBALE CHE CONSENTE AD APPOSITI RICEVITORI ELETTRONICI DI DETERMINARE LE PROPRIE COORDINATE GEOGRAFICHE (LONGITUDINE, LATITUDINE, ALTITUDINE) SU UN QUALUNQUE PUNTO DELLA SUPERFICIE TERRESTRE O DELL ATMOSFERA, CON ERRORI DI POCHISSIMI METRI, ELABORANDO SEGNALI A RADIOFREQUENZA TRASMESSI IN LINEA DI VISTA DAI SATELLITI

7 7 GNSS - COMPOSIZIONE TUTTI I SISTEMI DI POSIZIONAMENTO SATELLITARE SONO FORMATI DA: SEGMENTO SPAZIALE INSIEME DI SATELLITI DISPOSTI IN MODO OPPORTUNO INTORNO ALLA TERRA CHE TRASMETTONO COSTANTEMENTE I SEGNALI AI RICEVITORI DEGLI UTENTI ED ALLE STAZIONI DI CONTROLLO A TERRA. SEGMENTO DI CONTROLLO STAZIONI A TERRA CHE RICEVONO I SEGNALI TRASMESSI DAI SATELLITI, PROVVEDONO A MONITORARE COSTANTEMENTE L'ORBITA E AD IMPOSTARE LE NECESSARIE CORREZIONI DI ROTTA (OGNI SATELLITE HA DEI PICCOLI MOTORI PER QUESTO). INOLTRE, TRASMETTONO LE EFFIMERIDI DI OGNI SATELLITE PER LE SUCCESSIVE 24 ORE ED INVIANO DATI AGLI UTENTI SEGMENTO UTENTE TUTTI I RICEVITORI (DI BORDO, DEI NAVIGATORI STRADALI, DEI PALMARI PER ESCURSIONISMO, DEI TELEFONINI, DEI TABLET, DEGLI STRUMENTI PER RILIEVO TOPOGRAFICO, ECC.) DEL SEGNALE CHE USIAMO PER LOCALIZZARE LA NOSTRA POSIZIONE. AL SEGMENTO UTENTE NON E RICHIESTA CAPACITA DI TRASMISSIONE.

8 8 GNSS FUNZIONAMENTO (1/2) IL SATELLITE TRASMETTE UN SEGNALE RADIO CHE CONTIENE LA POSIZIONE DEL SATELLITE E L ORA DI TRASMISSIONE DEL SEGNALE, RICAVATA DA UN OROLOGIO ATOMICO, AL FINE DI MANTENERE LA SINCRONIZZAZIONE CON GLI ALTRI SATELLITI DELLA COSTELLAZIONE. INOLTRE, RICEVONO E MEMORIZZANO I SEGNALI RITRASMESSI DALLE STAZIONI DI CONTROLLO, MANTENGONO UN SEGNALE DI TEMPO ED ESEGUONO CORREZIONI DELLA LORO ORBITA IL RICEVITORE CONFRONTA IL TEMPO DELLA TRASMISSIONE CON QUELLO MISURATO DA UN PROPRIO OROLOGIO INTERNO, RICAVANDO IL TEMPO IMPIEGATO DAL SEGNALE RADIO PER ARRIVARE DAL SATELLITE E, QUINDI, LA DISTANZA OGNI MISURA DI DISTANZA, INDIPENDENTEMENTE DAL SISTEMA USATO, INDIVIDUA UNA SFERA CHE HA PER CENTRO UN SATELLITE. DALL INTERSEZIONE DI QUESTE SFERE SI OTTIENE IL POSIZIONAMENTO IN TEMPO REALE

9 GNSS FUNZIONAMENTO (2/2) NEL CASO DI RICEVITORI IN MOVIMENTO RAPIDO, LA POSIZIONE DEL RICEVITORE CAMBIA MENTRE I SEGNALI RADIO SATELLITARI VENGONO RICEVUTI I SEGNALI RADIO RITARDANO LEGGERMENTE MENTRE ATTRAVERSANO I VARI STRATI DELLA TROPOSFERA (0 9 KM) E DELLA IONOSFERA (50 KM KM), DETERMINADO DEGLI ERRORI DEL RICEVITORE NEL CALCOLO DELLA PROPRIA POSIZIONE. ALTRA COMPONETE DELL ERRORE E IL MOVIMENTO RELATIVO TRA IL SATELLITE ED IL RICEVITORE (VARIA L ANGOLO TRA RICEVITORE E SATELLITE E, QUINDI, LA DISTANZA PERCORSA DAL SEGNALE ATTRAVERSO LA IONOSFERA) PRINCIPALI METODI DI RIDUZIONE DEGLI ERRORI DA PARTE DEI RICEVITORI: USO DI COMBINAZIONI DI SEGNALI DA PIU SATELLITI (MAGGIORE E IL NUMERO DI SEGNALI, MIGLIORE E LA PRECISIONE NEL CALCOLO DELLA POSIZIONE) E VARI CORRELATORI, TECNICHE DI FILTRAGGIO (ES. FILTRO DI KALMAN) PER UNIRE I DATI AFFETTI DA RUMORE, PARZIALI E COSTANTEMENTE VARIABILI IN UNA SINGOLA STIMA DI POSIZIONE, TEMPO E VELOCITA 9

10 10 GNSS PRINCIPIO DI LOCALIZZAZIONE (1/2) SE SI CONOSCE SOLO LA DISTANZA D DA UN SATELLITE, IL RICEVITORE PUÒ TROVARSI IN UN PUNTO QUALSIASI DELLA SFERA DI RAGGIO D CENTRATA SUL SATELLITE SE SONO NOTE LE DISTANZE D1 E D2 DA DUE SATELLITI, IL RICEVITORE PUÒ TROVARSI IN UN PUNTO QUALSIASI DELLA CIRCONFERENZA INTERSEZIONE

11 11 GNSS PRINCIPIO DI LOCALIZZAZIONE (2/2) SE SONO NOTE LE DISTANZE D1, D2 E D3 DA TRE SATELLITI, IL RICEVITORE PUÒ TROVARSI IN UNO DEI DUE PUNTI OTTENUTI COME INTERSEZIONE PER RISOLVERE L AMBIGUITA ED AVERE UN IDENTIFICAZIONE UNIVOCA BISOGNA CONOSCERE LE DISTANZE DEL RICEVITORE DA QUATTRO SATELLITI

12 12 GNSS - CALCOLO DELLA DISTANZA Utente NOTA: Essendo i satelliti in movimento, le loro coordinate spaziali sono funzione del tempo. Se anche il ricevitore si muove, anche le sue coordinate sono funzione del tempo Note: - t 0 tiene conto dell errore temporale del ricevitore, delle ambiguità atmosferiche e degli errori degli orologi satellitari (noti come parametri di distorsione, che differenziano il range geometrico dallo pseudorange) - il valore di t 0 = 0ms all inizio della trasmissione del segnale satellitare e, al momento della ricezione, è diverso a seconda del sistema GNSS considerato. Per il GPS è t 0 = 67,3ms (satellite allo zenith del ricevitore) + 3,33µs/km D i = Range geometrico Può essere misurato attraverso misure di fase o di codice

13 13 GNSS STRUTTURA DEL SEGNALE PORTANTE CODICE Ogni satellite può essere univocamente determinato tramite il codice trasmesso fp specifica del sistema fc specifica del sistema DATI Sr fd = 50 Hz - Misure di codice: almeno 4 satelliti - Misure di fase: almeno 5 satelliti

14 14 GNSS PROPAGAZIONE DEL SEGNALE I SEGNALI SATELLITARI GNSS VIAGGIANO INIZIALMENTE ALLA VELOCITA DELLA LUCE ( Km/S nel vuoto) NELL ATTRAVERSARE L ATMOSFERA IL SEGNALE RALLENTA LA SUA VELOCITA. STIMARE IL RITARDO CHE NE DERIVA E ESSENZIALE PER IL POSIZIONAMENTO GLI STRATI DELL ATMOSFERA CHE HANNO MAGGIOR INFLUENZA SULLA PROPAGAZIONE DEL SEGNALE GNSS SONO LA TROPOSFERA E LA IONOSFERA IL RITARDO TROPOSFERICO PUO ESSERE VALUTATO NELLA STAZIONE DI TERRA IN FUNZIONE DI TEMPERATURA, PRESSIONE E UMIDITA IL RITARDO IONOSFERICO VARIA MOLTO CON LA FREQUENZA, PER CUI PUÒ ESSERE STIMATO IN MANIERA PIÙ EFFICACE SE IL SEGNALE E TRASMESSO CONTEMPORANEAMENTE SU DUE FREQUENZE DIVERSE (IN RICEZIONE OCCORRE UN RICEVITORE A DOPPIA FREQUENZA)

15 15 GNSS CAUSE DI ERRORE (1/3) PROPAGAZIONE IONOSFERICA QUANDO IL SEGNALE DEL SATELLITE PASSA ATTRAVERSO LA IONOSFERA PUÒ ESSERE RALLENTATO. ALTA ELEVAZIONE POSSIBILI CAUSE SONO: BASSA ELEVAZIONE STATO DI IONIZZAZIONE DELLA IONOSFERA (ORA, MACCHIE SOLARI, ECC.), D1 D2 > D1 D2 UMIDITÀ ATMOSFERICA ELEVAZIONE DEL SATELLITE RISPETTO AL RICEVITORE IL RITARDO INTRODUCE UN ERRORE NEL CALCOLO DELLA POSIZIONE A CAUSA DELLA VARIAZIONE DI VELOCITÀ DEL SEGNALE IL RITARDO PUÒ ESSERE CORRETTO CONOSCENDO LA VELOCITÀ MEDIA, OPPURE COMBINANDO LE LETTURE DEL TEMPO DI PROPAGAZIONE DEI SEGNALI TRASMESSI ALLE DUE FREQUENZE f1 ED f2

16 16 GNSS CAUSE DI ERRORE (2/3) MULTIPATH GENERATO DALLA CONTEMPORANEA RICEZIONE DEL SEGNALE SATELLITARE ED ALTRI SEGNALI RIFLESSI DA SUPERFICI CIRCOSTANTI L ANTENNA RICEVENTE (SUPERFICI D ACQUA, EDIFICI, ALBERI, ECC.), TIPICAMENTE A DISTANZE NON SUPERIORE AI 30m L EFFETTO E TANTO PIÙ RILEVANTE QUANTO PIÙ E BASSO L ANGOLO DI INCIDENZA DEI SEGNALI RIFLESSI L EFFETTO IMMEDIATO E LA DETERMINAZIONE DI UNA FALSA MISURA IN QUANTO IL RICEVITORE RILEVA PIÙ DISTANZE DIFFERENTI RELATIVE ALLO STESSO SATELLITE DA UN PUNTO DI VISTA ANALITICO, L EFFETTO SI EVIDENZIA IN UN SENSIBILE PEGGIORAMENTO DEL RAPPORTO S/R L EFFETTO PUÒ ESSERE RIDOTTO USANDO DELLE ANTENNE GPS SPECIALI CIRCOLARI PIATTE (CHOKE RING) IN GRADO DI EVITARE CHE I SEGNALI RIFLESSI A BASSA ELEVAZIONE RAGGIUNGANO L ANTENNA DEL RICEVITORE

17 17 GNSS CAUSE DI ERRORE (3/3) DILUITION OF PRECISION (DOP) GDOP GEOMETRIC DOP MISURA LA DEGRADAZIONE DEL SEGNALE NELLA POSIZIONE 3D E NEL TEMPO (GDOP 2 = PDOP 2 + TDOP 2 ) PDOP - POSITIONAL DOP MISURA LA DEGRADAZIONE DEL SEGNALE NELLA POSIZIONE 3D VDOP - VERTICAL DOP MISURA LA DEGRADAZIONE DEL SEGNALE NELLA DIREZIONE VERTICALE. HDOP - HORIZONTAL DOP MISURA LA DEGRADAZIONE DEL SEGNALE NELLA DIREZIONE ORIZZONTALE TDOP TIME DOP MISURA LA DEGRADAZIONE NELLA SINCRONIZZAZIONE

18 18 GNSS APPLICAZIONI NAVIGAZIONE AEREA, MARITTIMA E TERRESTRE AUSILIO ALL ARMAMENTO DI PRECISIONE (ES. GUIDA MISSILI E BOMBE) SERVIZIO DI RICERCA E SOCCORSO GEOFISICA APPLICAZIONI TOPOGRAFICHE E CATASTALI MACHINE AUTOMATION (ES. MOVIMENTO TERRA ED AGRICOLTURA) MONITORAGGIO FAUNA ANTIFURTO ECC.

19 19 GNSS SISTEMI PRINCIPALI USA: NAVSTAR GPS, PIENAMENTE OPERATIVO DAL 1994 RUSSIA: GLONASS, PIENAMENTE OPERATIVO DAL 2011 UE: GALILEO, IN SERVIZIO DAL PIENA OPERATIVITA DAL 2020 INDIA: IRNSS, OPERATIVO DAL 2016 CINA: BEIDOU, OPERATIVO LOCALMENTE OPERATIVITA GLOBALE DAL 2020

20 20 NAVSTAR GPS NEL 1973 IL GOVERNO USA VARA IL PROGRAMMA SATELLITARE NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite System Time And Ranging) E GARANTISCE I RELATIVI STANZIAMENTI 1994

21 21 GPS STRUTTURA DEL SEGNALE (1/3) I QUATTRO OSCILLATORI A BORDO FORNISCONO UN SEGNALE ELETTROMAGNETICO CONTINUO CON FREQUENZA FONDAMENTALE f 0 = 10,23 MHz (clock) A PARTIRE DALLA f 0 SI OTTENGONO LE TRE FREQUENZE DELLE ONDE PORTANTI f 1 = 154 x f 0 = 1.575,42 MHz λ 1 = 19 cm (Banda di frequenza L1) f 2 = 154 x f 0 = 1.227,602 MHz λ 2 = 24 cm (Banda di frequenza L2) f 3 = 118 x f 0 = 1.207,14 MHz (Banda di frequenza L5 Per servizi SOF, Safety Of Life) TRAMITE LE DUE PORTANTI f 1 ED f 2,VENGONO INVIATI ALL UTENTE TRE TIPI DI CODICI BINARI PSEUDO-CASUALI: CA (Coarse Acquisition), PE (Precision Encrypted), D (Data) AL CODICE CA E ASSOCIATO IL TRASPORTO DEL SEGNALE PER LA LOCALIZZAZIONE GROSSOLANA ED IL SEGNALE DI TEMPO AL CODICE PE E ASSOCIATO IL TRASPORTO PER LA LOCALIZZAZIONE DI PRECISIONE AL CODICE D E ASSOCIATO ILTRASPORTO DEI DATI DI NAVIGAZIONE

22 22 GPS STRUTTURA DEL SEGNALE (2/3) Sr

23 GPS STRUTTURA DEL SEGNALE (3/3) CODICE CA TRASMESSO SOLO SULLA PORTANTE f 1 SEQUENZA PSEUDO-RANDOM (PRN) DI bit GENERATA CON FREQUENZA DI 1,023 MHz OGNI SATELLITE TRASMETTE UN PROPRIO CODICE IDENTIFICATIVO BINARIO DI bit (chips), EMESSI A b/ms PER FAVORIRE UN RAPIDO AGGANCIO SUL RICEVITORE IL CODICE E RIPETUTO 20 VOLTE. QUESTO GRUPPO, CHE DURA 20 ms, COSTITUISCE UN bit DI INFORMAZIONE (DATO) LA POLARITA DEI chips VIENE CAMBIATA A SECONDA DEL DATO DA TRASMETTERE POICHÉ I DATI SONO TRASMESSI A 50 bit/s (20 ms/bit), PER TRASMETTERE LE INFORMAZIONI SUDDETTE SONO NECESSARI 12,5 MINUTI IL CODICE C/A E OPEN SOURCE ED E IMPIEGATO IN APPLICAZIONI CIVILI CODICE PE TRASMESSO SULLE PORTANTI f 1 ED f2 SEQUENZA PSEUDO-RANDOM DI bit GENERATA CON FREQUENZA DI 10,23 MHz (VELOCITA DI GENERAZIONE 10 VOLTE SUPERIORE A QUELLA DEL CODICE CA) MAGGIORE PRECISIONE NELLA LOCALIZZAZIONE E POSIZIONAMENTO PER USI MILITARI (CODICE SEGRETATO) 23

24 24 GPS IL LANCIO

25 25 GPS SEGMENTO SPAZIALE (1/2) COSTELLAZIONE SATELLITARE 24 SATELLITI OPERATIVI + 7 SATELLITI DI SCORTA (APPARTENENTI A CINQUE DIVERSE GENERAZIONI) ALMENO 4 SATELLITI SEMPRE IN LINEA DI VISTA 6 PIANI ORBITALI, CON INCLINAZIONE DI 55 RISPETTO ALL EQUATORE 4 SATELLITI PER ORBITA (ESTENDIBILI A 5) SISTEMA ORBITALE DI RIFERIMENTO: WGS84 (WORD GEODETIC SYSTEM 1984 MODELLO MATEMATICO CHE APPROSSIMA LA SUPERFICIE TERRESTRE) DISTRIBUZIONE SIMMETRICA DEI SATELLITI (MAGGIORE PRECISIONE) OGNI SATELLITE VISIBILE PER ALMENO 5h ALTITUDINE ORBITA: KM PERIODO ORBITALE: 11h 58m COPERTURA GLOBALE H24 PER 365 GIORNI ALL ANNO, IN QUALUNQUE CONDIZIONE METEO

26 26 GPS SEGMENTO SPAZIALE (2/2) CARATTERISTICHE DEI SATELLITI MASSA IN ORBITA: KG DIMENSIONI: 2m (7m INCLUSI I PANNELLI) VELOCITA ORBITALE: 3,86 Km/s ( 19,000 Km/h) VITA MEDIA: 15 ANNI (SATELLITI DI ULTIMA GENERAZIONE) 4 OROLOGI ATOMICI (2 AL CESIO + 2 AL RUBIDIO) ERRORE: 1 SECONDO OGNI ANNI POTENZA TRASMESSA DAL SATELLITE 22W (POTENZA PERVENUTA AI RICEVITORI 5 * W 5 DIECIMILIONESIMI DI MILIARDO)

27 GPS SEGMENTO DI CONTROLLO COMPOSIZIONE 1 STAZIONE DI CONTROLLO PRINCIPALE (COLORADO SPRINGS) 5 STAZIONI DI MONITORAGGIO 4 ANTENNE TERRESTRI 6 STAZIONI DI MONITORAGGIO NGA (National Geospatial - Intelligence Agency) CONTROLLATE DAL DOD OSSERVAZIONE MOVIMENTO SATELLITI + CALCOLO E CORREZIONE DELLE ORBITE PREDIZIONE ORBITA SATELLITI PER LE SEGUENTI 24 ORE (INFORMAZIONE DISPONIBILE PER I RICEVITORI) MONITORAGGIO GUASTI E SINCRONIZZAZIONE OROLOGI ATOMICI DEI SATELLITI RITRASMISSIONE I DATI ORBITALI PRECISI DI OGNI SATELLITE (EFFEMERIDI) E RITRASMISSIONE DEI DATI ORBITALI APPROSSIMATI DI TUTTI I SATELLITI (ALMANACCO) RITRASMISSIONE INFORMAZIONI SULLO STATO DI SALUTE DEI SATELLITI, SUGLI ERRORI DI CLOCK, SULLA PROPAGAZIONE IONOSFERICA, ECC. POSSIBILITÀ ATTUAZIONE SELECTIVE AVAILABILITY (DISTORSIONE DEL SEGNALE PER DEGRADARE L ACCURATEZZA DI POSIZIONE NEGLI USI CIVILI) 27

28 28 GPS SEGMENTO UTENTE COMPRENDE CHIUNQUE USI UN RICEVITORE GPS PER RICEVERE IL SEGNALE GPS E DETERMINARE LA SUA POSIZIONE E/O IL TEMPO. FUNZIONI PRINCIPALI DEL RICEVITORE SONO: ACQUISIZIONE FREQUENZA DOPPLER E RICERCA FASE DEL SEGNALE CODICE PER OGNI SATELLITE INSEGUIMENTO E AGGANCIAMENTO DEL CODICE E DELLA FASE DELLLE PORTANTI NAVIGAZIONE: USO FASE E CODICE DELLE PORTANTI PER IL CALCOLO DELLA POSIZIONE DEL RICEVITORE FRA LE APPLICAZIONI TIPICHE DEL SEGMENTO UTENTI CI SONO RICEVITORI PER: NAVIGAZIONE AEREA, MARITTIMA E TERRESTRE RILIEVI TOPOGRAFICI MONITORAGGIO DI EVENTI MONITORAGGIO FAUNA ECC.

29 29 GPS PARAMETRI DOP

30 30 GPS VISIBILITA E DOP (1/2) VISIBILITA

31 31 GPS VISIBILITA E DOP (2/2)

32 32 GPS ASSISTITO I dati ricevuti sono usati dal ricevitore per ridurre la sue finestre di ricerca dei codici e delle fasi delle portanti, minimizzando i tempi di acquisizione Determina solamente i codici di inseguimento e le fasi delle portanti Il tempo di decodifica di un frame del messaggio di navigazione (contenente un set di effemeridi) = 30 s Tempo elevato per ottenere la posizione quando si accende un ricevitore GPS Informazioni sulle effemeridi disponibili in 1 sec.

33 33 GLONASS - RUSSIA 27 SATELLITI (24 OPERATIVI + 3 DI RISERVA) DISTRIBUITI SU 3 PIANI ORBITALI INCLINATI DI 65 RISPETTO ALL EQUATORE DISPONIBILITA MINIMA DI 5 SATELLITI H24 OVUNQUE SULLA TERRA VITA SATELLITI: 10 ANNI (ULTIMA GENERAZIONE) ALTITUDINE ORBITA: KM PERIODO DI RIVOLUZIONE: = 11h e 16m SISTEMA DI RIFERIMENTO SPAZIALE: PZ-90 3 FREQUENZE DI TRASMISSIONE DEL SEGNALE SATELLITARE f1 = 1.602MHz + K*0,5625MHz (BANDA G1) f2 = 1.246MHz + K*0,4375MHz (BANDA G2) f3 = 1.201,5MHz + K*0,4375MHz (BANDA G3) K COSTANTE PROPRIA DI OGNI SATELLITE (VALORE DI K UGUALE PER SATELLITI CHE STANNO AGLI ANTIPODI, NON TRACCIABILI CONTEMPORANEAMENTE) 2 CODICI (SP E HP, RISPETTIVAMENTE LIBERO E CRIPTATO)

34 34 GLONASS VISIBILITA + DOP VISIBILITA

35 35 GLONASS + GPS VISIBILITA

36 36 GALILEO - UNIONE EUROPEA

37 37 GALILEO IL LANCIO

38 38 GALILEO COMPONENTE GLOBALE (1/2) COSTELLAZIONE 30 SATELLITI IN ORBITA MEO (27 OPERATIVI + 3 RISERVE ATTIVE) VITA OPERATIVA: 10 ANNI 3 PIANI ORBITALI CON 56 DI INCLINAZIONE RISPETTO ALL EQUATORE ALTITUDINE ORBITA: KM PERIODO DI RIVOLUZIONE: 14h 5m 5 FREQUENZE DI TRASMISSIONE f1 = 1.575,42 MHz (BANDA E1) f2 = 1.278,75 MHz (BANDA E6) f3 = 1.191,795 MHz (BANDA E5) f4 = 1.176,45 MHz (BANDA E5a) f5 = 1.207,14 MHz (BANDA E5b) Nota: le bande di frequenza E1 e E5b corrispondono rispettivamente alle bande L1 e L5 del GPS, garantendo la interoperabilità dei due sistemi

39 39 GALILEO COMPONENTE GLOBALE (2/2) SEGMENTO TERRESTRE 1 RETE GLOBALE DI 20 GSS (GROUND SENSOR STATIONS) 2 GCC (GROUND CONTROL CENTRES) DI GALILEO REALIZZATI SU TERRITORIO EUROPEO 15 STAZIONI DI UP-LINK INTERFACCIA CON I CENTRI DI SERVIZIO (COMMERCIALI, SAR ) INTERFACCIA CON RETI REGIONALI DI INTEGRITA

40 40 GALILEO COMPONENTE REGIONALE LA COMPONENTE REGIONALE INCLUDE: SEGMENTI NON EUROPEI, SPECIFICAMENTE MIRATI A FORNIRE I DATI DI INTEGRITA A LIVELLO REGIONALE IL SISTEMA EGNOS (PADRE DI GALILEO), CHE FORNISCE I DATI DI INTEGRITA E LE CORREZIONI DIFFERENZIALI PER I SISTEMI GPS E GLONASS, A LIVELLO REGIONALE

41 41 GALILEO COMPONENTE LOCALE MIRA A MIGLIORARE LOCALMENTE: ACCURATEZZA INTEGRITA DISPONIBILITA (COMPRESO IL TEMPO DI ACQUISIZIONE E RIACQUISIZIONE) E POSSIBILE INCREMENTARE LOCALMENTE IL SERVIZIO DI GALILEO AGGIUNGENDO: DATI COMMERCIALI POSIZIONAMENTO MIGLIORATI CON UNITA MOBILI GSMC (Global System for Mobile Communications) E UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) PSEUDOLITI (contrazione di "pseudo-satellite - trasmettitori GPS installati a terra, prevalentemente in modo stabile)

42 42 GALILEO SEGMENTO UTENTE RICEVITORI GALILEO NON ANCORA DISPONIBILI PRIMO BREADBOARD DI RICEVITORE GALILEO SVILUPPATO IN FRANCIA DA THALES NAVIGATION E IN ITALIA DA LABEN (una breadbord, detta anche basetta sperimentale, è uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettronici senza saldature) RICEVITORI INTEGRATI GPS/GALILEO RICEVITORI INTEGRATI CON UNITA MOBILI GMSC E UMTS

43 43 GALILEO SERVIZI OS Open Service: PER APPLICAZIONI RIVOLTE AD UN VASTO MERCATO DI MASSA ED A MERCATI PROFESSIONALI CS Commercial Service: COME PER OS, MA CON INFORMAZIONI CRIPTATE PER SERVIZI COMMERCIALI A VALORE AGGIUNTO SOL Safety Of Life: PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE, MARITTIME E TERRESTRI CRITICHE DAL PUNTO DI VISTA DELLA SICUREZZA SAR Search And Rescue: RICEZIONE DI MESSAGGI DI EMERGENZA PER RICERCA E SOCCORSO PRS Public Regulated Service: FORNISCE, IN CASO DI CRISI, CONTINUITA DI SERVIZIO A GRUPPI DI UTENTI PUBBLICI AUTORIZZATI

44 44 BEIDOU - CINA COPERTURA ATTUALE COPERTURA ATTUALE

45 45 BEIDOU IL PROGRAMMA BEIDOU (BIG DIPPER ORSA MAGGIORE) NASCE PER USO MILITARE - NEL 2014 APERTURAAD USO COMMERCIALE 3 FASI: BEIDOU 1 (COMPLETATO NEL 2005) SISTEMA REGIONALE CON 3 SATELLITI IN ORBITA GEOSTAZIONARIA COPERTURA E PRECISIONE LIMITATA BEIDOU 2 (COMPLETATO NEL 2012) SISTEMA REGIONALE CON 20 SATELLITI, 3 IN ORBITA GEOSTAZIONARIA + 17 IN ORBITA GEOSINCRONA COPERTURA ELEVATA E PRECISIONE ACCURATA PHASE-OUT BEIDOU 1 BEIDOU 3 (COMPLETAMENTO NEL 2020) SISTEMA GLOBALE CON 35 SATELLITI (32 OPERATIVI + 3 DI RISERVA), 5 IN ORBITA GEOSTAZIONARIA, 3 IN ORBITA GEOSINCRONA INCLINATA E 27 IN ORBITE MEDIE DISTRIBUITE SU TRE PIANI 25 SATELLITI IN ORBITA A FINE 2018 FREQUENZE DELLE PORTANTI SEGNALI DI NAVIGAZIONE: 1,1 1,6 GHz COPERTURA TOTALE E PRECISIONE MOLTO ACCURATA (posizione: 10m, velocità: 0,2m/s, sincronizzazione temporale: 50ns) PHASE-OUT BEIDOU 2 DUE TIPI DI SERVIZIO: S (Standard, per tutti gli utenti), E P (Precision, criptato e disponibile solamente per entità autorizzate)

46 46 IRNSS - INDIA INIZIALMENTE, L INDIA SI AVVALE DEL NAVSTAR GPS AMERICANO, IL CUI ACCESSO NON E GARANTITO IN CASO DI SITUAZIONI OSTILI APPROVAZIONE GOVERNATIVA, NEL 2006, PER LO SVILUPPO DI UN SISTEMA AUTONOMO LOCALE DI NAVIGAZIONE NASCE IRNSS (INDIAN REGIONAL NAVIGATIONAL SATELLITE SYSTEM) SVILUPPO E PRODUZIONE COMPLETAMENTE IN INDIA

47 47 IRNSS - COMPOSIZIONE SEGMENTO SPAZIALE: 7 SATELLITI (3 IN ORBITA GEOSTAZIONARIA E 4 IN ORBITA GEOSINCRONA INCLINATA DI 29 RISPETTO AL PIANO EQUATORIALE LA DISPOSIZIONE ORBITALE CONSENTE A TUTTI E 7 I SATELLITI DI ESSERE SEMPRE VISIBILI DALLE STAZIONI DI CONTROLLO MASSA SATELLITE: Kg SEGMENTO TERRESTRE: 1 CENTRO DI CONTROLLO PRINCIPALE (MCC - Master Control Center) CHE DETERMINA LE POSIZIONI DI TUTTI I SATELLITI, EFFETTUA LE CORREZIONI DEGLI ERRORI DEGLI OROLOGI E QUELLI DOVUTI ALLA IONOSFERA STAZIONI DI TERRA PER TRACCIARE E CALCOLARE LE ORBITE, MONITORARE LE CONDIZIONI DEI SATELLITI ED EMETTERE I COMANDI RADIO PER I SATELLITI

48 48 IRNSS QUALCHE DATO FREQUENZE PORTANTI DEI SEGNALI DI NAVIGAZIONE: 2 4 GHz ACCURATEZZA DATI DI POSIZIONE: 20m IN INDIA ED IN UN INTORNO DI Km DUE TIPI DI SERVIZIO: RS (Restriestricted Service), CRIPTATO E DISPONIBILE SOLAMENTE PER ENTITÀ AUTORIZZATE SPS (Standard Positioning Service), PER TUTTI GLI UTENTI MOLTI ICDs (Interface Control DocumentS) FORNITI GRATUITAMENTE CON LO SCOPO DI FACILITARE LA RICERCA ED AIUTARE L USO COMMERCIALE DEL SISTEMA

49 49 IRNSS - COPERTURA AREA DI SERVIZIO PRIMARIA MASSIMA PRECISIONE AREA DI SERVIZIO ESTESA PRECISIONE MENO ACCURATA

50 50 GNSS ALLOCAZIONE SPETTRO

51 51 GNSS TABELLA COMPARATIVA SISTEMA GPS GLONASS GALILEO BEIDOU IRNSS PROPRIETA USA RUSSIA SISTEMA DI RIFERIMENTO GEODETICO (DATUM) UNIONE EUROPEA CINA INDIA WGS84 PZ-60 WGS ERRORE MINIMO 2 cm 5 m 1 m 10 m 20 m ALTITUDINE ORBITALE PERIODO ORBITALE SATELLITI IN ORBITA SATELLITI PREVISTI km km km km km 11 h 58 min 11 h 16 min 14 h 5 min 12 h 38 min 23 h 56 min (2020) 35 (2020) 7 STATO OPERATIVO OPERATIVO OPERATIVO OPERATIVO OPERATIVO COPERTURA ATTIVA GLOBALE GLOBALE GLOBALE LOCALE GLOBALE 2020 LOCALE Dati aggiornati a fine dicembre 2018

52 52 GNSS CONCLUSIONI I SISTEMI GNSS SI SONO DIMOSTRATI AUSILIO INDISPENSABILE ALLA NAVIGAZIONE DI PRECISIONE ED IN ALTRI INNUMEREVOLI AMBITI ISISTEMI GNSS SONO CAPACI DI OPERARE IN MODALITA STAND-ALONE, MA

53 53 GNSS GRAZIE PER L ATTENZIONE

54 54 GSS SISTEMA DI RIFERIMENTO WGS-84

55 55 GNSS SISTEMI ORBITALI

56 56 GNSS DEFINIZIONE ORBITE ORBITA GEOSINCRONA: QUALSIASI ORBITA SINCRONA ATTORNO ALLA TERRA. I SATELLITI IN ORBITA GEOSINCRONA SONO CARATTERIZZATI DA UN PERIODO ORBITALE PARI AL GIORNO SIDERALE TERRESTRE (TEMPO IMPIEGATO DALLA TERRA PER ESEGUIRE UN INTERA ROTAZIONE ATTORNO AL PROPRIO ASSE). I SATELLITI IN ORBITA GEOSINCRONA NON MANTENGONO SEMPRE, NECESSARIAMENTE, LA MEDESIMA POSIZIONE NEL CIELO DELLA TERRA. ORBITA GEOSTAZIONARIA (GEO - GEOSTATIONARY EARTH ORBIT): UNA QUALSIASI ORBITA CIRCOLARE ED EQUATORIALE SITUATA AD UN ALTEZZA TALE CHE IL PERIODO DI RIVOLUZIONE DI UN SATELLITE CHE LA PERCORRE COINCIDE CON IL PERIODO DI ROTAZIONE DELLA TERRA INTORNO AL SOLE. I SATELLITI IN ORBITA GEOSTAZIONARIA MANTENGONO SEMPRE LA STESSA POSIZIONE RELATIVA RISPETTO ALLA SUPERFICIE PLANETARIA APPARENDO COSÌ FERMI PER UN OSSERVATORE A TERRA.

57 57 GNSS SATELLITI COMMERCIALI