Introduzione alla geolocalizzazione

Transcript

1 Introduzione alla geolocalizzazione

2 GNSS Global Navigation Satellite Systems GNSS è l acronimo utilizzato per indicare i sistemi di navigazione satellitare GPS (USA) GLONASS(Russia) Galileo(EU) Compass (China)

3 Il sistema GPS: principi GPS (Global Positioning System) o NAVSTAR (NAVigation System by Timing And Ranging) Sistemi di navigazione e posizionamento per Satellite nel 70 Concetto, messa in servizio, mantenuto dalla NGA servizio dalla DoD (ministero della Difesa degli US)

4 Sistema GPS: principi 1957 lancio del primo satellite artificiale russo Sputnik-1 DoD nota la possibilità di sfruttare la misura dell effetto Doppler sui segnali emessi da un satellite di orbita nota per stimare delle linee di posizione del ricevente a Terra. Sviluppato in sostituzione di TRANSIT (Navy Navigation Satellite System) Lanciato in aprile 60, costellazione di 6 satelliti Sistema ritirato nel 96 Motivi: Copertura satellitare insufficiente (dipende della latitudine dell utente) Debole precisione in navigazione: mn di processing, posizione stimata con una precisione di 200 a 500 m Necessita di un sistema di navigazione accurato, continuo, global, 3- dimensionale e rapido

5 Sistema GPS: principi Sistema duale civile e militare One-way-ranging Utenza (passiva) illimitata Garantisce la copertura su tutta la terra (h24/24, g7/7) Sviluppo anni 70s 1973 definizione del progetto 1978 lancio del primo satellite aprile1995 DoD dichiara il GPS pienamente operativo 2000 Soppressione della SA (Selective Availability)

6 Sistema GPS: principi costellazione di 24 satelliti operazionali + 3 extra 4 satelliti su 6 piani orbitali utente vede 4/10 satelliti Inizialmente posizione assoluta 20 m in un sistema mondiale Oggi posizione assoluta qualche metro, relativo: qualche mm

7 Sistema GPS: Come funziona I satelliti mandano dei segnali radio ad una lunghezza d onda conosciuta ed un tempo preciso. In tale modo, la distanza ad ognuno satellite può essere calcolata. Con 4 satelliti (triangolazione) un utente può conoscere la suo posizione

8 Sistema GPS: principi Inclinazione 55 gradi dall equatore Semimaggiore assi di km (media km superfici terrestre) periodo di 11 ore 58 mn GPS satellite Image: USAF Research Laboratory

9 Componenti del sistema GPS Satelliti Segmento spaziale Segmento di controllo Segmento utenza Ricevitori Rete di controllo

10 SEGMENTO SPAZIALE Insieme di satellite Il sistema completo comporta 24 satellite ripartiti per assicurare una visibilità simultanea di 4 a 10 satellite di almeno 15 dall orizzonte I satelliti sono ripartiti su 6 piani orbitali con ciascuno un inclinazione di 55 sull equatore. L orbite dei satellite è quasi circolare, l altitudine è di circa km per un periodo di 12 ore circa. Ogni satellite è dotato di un emettore -recettore, di orologi atomici, di computer e di equipaggiamenti ausiliari destinati al funzionamento del sistema. L energia utile all equipaggiamento è fornita con 7 m2 di cattori solari. Un sistema di rocket permette di riaggiustare il posizionamento del satellite sul suo orbite e di controllare il suo orientamento nello spazio

11 I SATELLITI Costellazioni GPS al 20/01/2010 Block I: Fase iniziale del sistema Block II e IIA: Fase operazionale del sistema 21 satelliti + 3 soccorso + 4 sostituzione durata 7,5 anni Sistema di degradazione Block IIR-M: 3 orologi atomici al celsium durata 10 anni Sistema di comunicazione tra satelliti Block IIR-M: Trasmissione nuovi segnali L2C Block IIF: Memoria maggiore Segnale L5 durata 12,5 anni Block III: Robustezza codice M Segnale L1C interoperabilità con Galileo

12 I SATELLITI: il segnale

13 I SATELLITI: identificazione Identificazione SVN: Numerotazione sequenziale nel ordine di lancio Numerotazione legata al piano di orbito e posizione su orbito PRN (Pseudo Random Noise): data per i codici Numerotazione internazionale Numerotazione catalogo NASA PRN è quello più usato perché utilizzato nei messaggi di navigazione

14 I SATELLITI: il segnale Panelli solare (7m2) Antenna L-band Antenna S-band A bordo di ciascun satellite GPS sono presenti orologi atomici (oscillatori) molto precisi la cui frequenza, di 10.23MHz, viene utilizzata per generare i segnali provenienti dai satelliti.

15 I SATELLITI: segnale originale I satelliti trasmettevano costantemente due onde portanti collocate nella banda L (utilizzata per le radiotrasmissioni) alla velocità della luce la cui frequenza deriva dalla frequenza fondamentale dell'orologio atomico dei satelliti L1 trasmessa a MHz (10.23 x 154) Il codice (PRN) C/A, o codice di acquisizione, è modulato a 1.023MHz (10.23/10) accesso civile Il codice P, o codice di precisione, è modulato a 10.23MHz accesso militare L2 trasmessa a MHz (10.23x120) L2 è modulata solo con il codice P a MHz. Trasmissione del messaggio di navigazione con l informazione sul satellite: status satellite, ephemeris, almanac L accesso al codice C/A corrisponde al SPS (Standard Positioning Service) L accesso al codice P corrisponde al PPS (Precise Positioning Service)

16 I SATELLITI: i segnali Introduzione di nuovi segnali L2C, L5. L2C trasmessa a MHz (Block IIR-M) Ha la stessa frequenza di L2 ma può essere utilizzata in ambito civile. Non più C/A ma codici PRN: CM (civilian moderate) e CL(civilian Long) Il codice M, per uso militare L2C migliora la precisione della navigazione - più facile captare il segnale - segnale ridondante in caso di interferenze. CM ha una lunghezza di 10,230 bits, ripetuto ogni 20 ms. CL ha una lunghezza di 767,250 bits long, ripetuto ogni 1500 ms. Ogni senale è trasmesso a 511,500 bits per secondo. Sono multi-plessati insieme per formare un segnale di bits/s L5 trasmessa a MHz utilizzato per Safety-of-life (Block IIF) codice in-phase (I5-code) e il codice quadrature-phase (Q5-code) L5 migliora la prestazione ed integrità per applicazioni, come quelle aeronautiche, in cui è richiesto un alto grado di affidabilità.

17 In progettazione i segnali L1C. I SATELLITI: il segnale L1C trasmessa a MHz (Block III) In corso di implementazione con modificazione codice civili e militare Sviluppati all origine dagli Stati Uniti e l Europa come segnale civile comune per GPS e Galileo, sta diventando uno standard internazionale per l interoperabilità. Il sistema Giapponese Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), quello indiano Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS), e cinese Compass pianificano la divulgazione di L1C. L1C perme@e una migliora cooperazione internazionale mentre protegge interessi nazionali di sicurezza U.S. Il segnale migliora la ricezione GPS in ci@à come altri problema5ci ambientali. L3 trasmessa a MHz U5lizzato per l uffici di scoperta di detonazione Nucleare US L4 trasmessa a MHz In corso di studio per correggere errori ionosfera

18 I SATELLITI: i segnali

19 I SATELLITI: i segnali PRN modulazione per il segnale L1

20 I SATELLITI: i segnali PRN modulazione per il segnale L1 I ricevitori GPS utilizzano i codici del segnale GPS per distinguere quale satellite stanno "tracciando" in un determinato momento. I codici possono anche essere utilizzati come base per eseguire misure di posizionamento (misure di "pseudorange").

21 Segmento di controllo Master Station Stazioni originali Stazioni NGA (aug/sett. 05)

22 Segmento di controllo stazione di controllo principale, MCS (Master Control Station), Schriever Air Force Base vic. Colorado Spring (Colorado) stazione di controllo back up, BMCS Vandenberg (California) 6 stazioni di monitoraggio, MS (Monitor Station) Colorado Spring, Kwayalein (Isole Marshall, Oceano Pacifico), Hawaii (Isole Hawaii, Oceano Pacifico), Diego Garcia (Isole Chagos, Oceano Indiano), Ascension Island (Oceano Atlantico centro meridionale) e Cape Canaveral (Florida). 4 antenne a terra, GA (Ground Antenne) Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, and Cape Canaveral

23 Segmento di controllo Controllo Posizione del satellite Parametri dell orologio Dati atmosferici Almanacco del satellite Caricamento tra S-Link

24 Segmento di controllo Satellite-tracking-station on Hawaii (Source: Schriever Air Force Base Satellite Flyer Vol. 6; No.12) Schriever AFB, Colorado Space Operations Squadron (Credits: AFSPC Image Gallery) lower picture: 50th Space Wing s 2nd Space Operations Squadron (Credits: AFSPC Image Gallery)

25 Segmento utente Nello spazio, in teorie necessiterebbe 3 satelliti per determinare la posizione di un oggetto terrestre, se tutti gli apparecchi coinvolti (satelliti e ricevitori) prendessero la misura allo stesso tempo,

26 Segmento utente In realtà, necessitano 4 satelliti per la determinazione del posizionamento: 3 satelliti per il calcolo + 1 per la sincronizzazione degli orologi