GPS Global Positioning System (Sistema di Posizionamento Globale)

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1 GPS Global Positioning System (Sistema di Posizionamento Globale) 1

2 GPS Global Positioning System NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) Sistema satellitare per la navigazione, la misura del tempo, la misura di distanze e il posizionamento globale GLONASS (GLObal naya NAvigatsionnaya Sputnicovaya Sistema) sistema di posizionamento globale basato sull emissione, da parte di una costellazione di satelliti in navigazione, di segnali complessi che permettono di ricavare informazioni relative al tempo e alle distanze tra satellite e ricevitore. IPOTESI FONDAMENTALE: 2 la posizione dei satelliti nello spazio è nota in ogni istante

3 Z Z* satellite X Principi base Y* X* X*, Y*,Z* coordinate di un satellite nel sistema geocentrico di riferimento WGS84 Y 3

4 La posizione di un punto sulla superficie terrestre può essere determinata in vari modi ed usando differenti strumenti o metodologie che si possono distinguere in terrestri (misure con teodolite, distanziometri, teodoliti integrati, livelli) e satellitari. Rilevamento con strumentazione classica: 1) misure di angoli 2) misure di distanze 3) misure di dislivelli con strumentazione ottico meccanica (teodoliti) elettronica (stazioni totali) digitale (livelli digitali). Alcune caratteristiche di questi rilievi sono: 1. necessità di intervisibilità 2. sono fortemente influenzate dalle condizioni atmosferiche. Principi base 4

5 Principi base Il rilevamento viene riferito per la parte planimetrica alla superficie ellissoidica di riferimento orientata localmente (ellissoide di Hayford - Roma 40, ED 50) mentre l'altimetria è riferita alla superficie geoidica (quote ortometriche). Il rilevamento si distingue quindi in altimetrico e planimetrico e si utilizzano ellissoidi orientati localmente. Non sono sistemi di riferimento globali ma locali, validi per ogni singolo stato. Il rilevamento mediante satelliti risolve alcune di queste dicotomie. omie. Si utilizza 1 unico Datum: l'ellissoide di riferimento è orientato globalmente e rispetto a questa superficie vengono riferite sia la planimetria sia l'altimetria. Le quote rilevate sono quote ellissoidiche cioè la quota di un punto è data dalla distanza tra il punto e la superficie ellissoidica di riferimento o valutata secondo la normale a questa. Esistono due sistemi di posizionamento satellitare: quello che utilizza u la costellazione americana (GPS=Global Global Positioning System) e quello che utilizza la costellazione russa (GLONASS=GLObal GLObal Navigation Satellite System). Entrambi nascono per essere di ausilio alle operazioni militari dei rispettivi stati e tra questi il GPS è il sistema più completo. 5 L Unione Europea sta realizzando un proprio sistema chiamato Galileo.

6 Principi base Il NAVSTAR GPS è un sistema di posizionamento globale basato sull emissione, da parte di una costellazione di satelliti artificiali, di opportuni segnali elettromagnetici che permettono di ricavare informazioni relative e al tempo ed alle distanze tra i satelliti ed una stazione ricevente (ferma o in movimento). m Attraverso la ricezione e l interpretazione l di tali segnali, da parte della stazione ricevente, è possibile realizzare un posizionamento tridimensionale della stessa (anche in tempo reale), in un sistema di riferimento cartesiano geocentrico. E' un sistema di rilevamento nato per esigenze militari. E nato da un progetto statunitense avviato nel 1973 dal Dipartimento della Difesa (DoD, Department of Defense) ) degli U.S.A., allo scopo di consentire il posizionamento in tempo reale dei mezzi militari in navigazione ( aerei, navi, missili, mezzi di superficie...) rispetto ad un sistema di riferimento rimento geocentrico. 6

7 Principi base Dopo una fase puramente sperimentale durata fino al 1978, (i primi 4 prototipi di satelliti vennero lanciati nel 1978) è stato reso disponibile agli usi civili (nella prima metà degli anni 80) per le sue vastissime potenzialità utilizzative (le sue eccezionali prestazioni hanno portato una vera e propria rivoluzione nelle tecniche t di rilevamento topografico e geodetico pur rimanendo la gestione della costellazione satellitare di pertinenza militare. Il sistema funziona con qualsiasi condizione meteorologica ed è globale in quanto ogni punto della terra è coperto dal servizio in ogni momento. Il concetto è completamente innovativo rispetto agli strumenti topografici classici: un posizionamento tridimensionale nello spazio e nel tempo. 7

8 Principi base Per comprendere le grandi potenzialità del sistema è sufficiente pensare che, per calcolare la posizione relativa di due punti distanti, ad esempio o 20 km, è sufficiente mettere in stazione due ricevitori sui due punti per circa un ora. Un lavoro analogo, se svolto con metodi topografici classici, richiederebbe probabilmente, su un territorio come quello italiano, molti giorni di lavoro. Con il GPS viene meno l esigenza l della intervisibilità dei punti rilevati, vera croce del topografo, ma vi è la necessità che il ricevitore veda una buona porzione di cielo sopra di se, in modo che gli sia possibile ricevere i segnali inviati da almeno quattro satelliti: per questo il sistema non funziona nei boschi, nei luoghi chiusi o negli spazi stretti, come ad esempio le vie del centro di una città. Con il termine GPS non si intende dunque il solo ricevitore o la costellazione ma tutto il sistema, che è stato progettato per permettere in ogni istante del giorno il posizionamento in ogni zona del globo. 8

9 CAMPI DI APPLICAZIONE: Principi base terrestre (rilievi a varie scale, monitoraggio di deformazioni, posizionamento in tempo reale di veicoli); marino (rilievi batimetrici,, studi oceanografici sulla direzione delle correnti, posizionamento di imbarcazioni in tempo reale, ecc.); aereo e spaziale (rilievi fotogrammetrici senza punti di appoggio, o, posizionamento in tempo reale di velivoli e di altri satelliti artificiali, ecc). Nell ambito di un rilievo geodetico, un tale sistema di misura offre i seguenti vantaggi e svantaggi. 9

10 VANTAGGI - la semplicità di esecuzione delle misure; Principi base - la precisione dei risultati e la rapidità del rilievo: oggi si riescono a raggiungere (ed in alcune applicazioni a superare) le precisioni ottenibili con le migliori strumentazioni classiche, riducendo, nel contempo, i tempi di esecuzione ecuzione dei rilievi; - la non necessaria intervisibilità tra i punti estremi della base da misurare e l inesistenza di limiti massimi di distanza; - l unicità del sistema di riferimento sia per la componente planimetrica che c per quella altimetrica; - la possibilità di operare di notte o in presenza di condizioni meteorologiche sfavorevoli (pioggia, foschia, ecc.) che renderebbero molto difficile icile o addirittura impossibile il ricorso a metodologie classiche. 10

11 SVANTAGGI Principi base - la necessaria visibilità dei satelliti che rende possibile l impiego l della strumentazione GPS solo nel caso di rilievi all aperto aperto e la sensibilità ai disturbi elettromagnetici; - la precisione non uniforme in planimetria ed in quota (minore); - la necessità di occupare i punti da rilevare, e ciò non ne rende possibile l impiego l per alcune tipologie (punti materializzati da assi di campanili, spigoli di muri, ecc.); - la diversità tra il sistema di riferimento GPS e il sistema geodetico nazionale. ale. In molte applicazioni geodetiche, nonostante gli svantaggi evidenziati, la tecnica GPS è ormai in grado di sostituire completamente (o quanto meno di integrare notevolmente) le tecniche di rilievo classiche. Esso risulta particolarmente indicato per il rilievo periodico di reti geodetiche, finalizzato al controllo delle deformazioni 11 in ambito locale, regionale ed anche continentale.

12 World Geodetic System WGS84 WGS84 definizione regolata da accordi internazionali sui valori dei parametri fondamentali dell ellissoide terrestre determinati in base a dati, tecniche e tecnologie disponibili fino al Origine nel centro di massa della terra (sistema geocentrico) Asse z parallelo alla direzione definita dal polo convenzionale terrestre Asse x dato dall intersezione del piano equatoriale ortogonale all asse z col piano meridiano di Greenwich Asse y completa la terna cartesiana destrorsa. Centro e asse di rotazione dell ellissoide coincidono con origine ed asse z del sistema cartesiano. Le coordinate ottenute da osservazioni GPS possono essere espresse sia in coordinate cartesiane (x, y, z) sia in coordinate ellissoidiche ϕ, λ, h (latitudine, longitudine 12 ed altezza sull ellissoide). COSTANTI GEOMETRICHE PER L'ELLISSOIDE WGS 84 a = semiasse maggiore = m b = semiasse minore = m e2 = prima eccentricità = α = schiacciamento = 1/

13 IPOTESI FONDAMENTALE: la posizione dei satelliti nello spazio è nota in ogni istante GPS Global Positioning System.poichè è possibile misurare la distanza tra un punto, del quale si voglia conoscere la posizione, e tre satelliti, è anche possibile ricavare le coordinate incognite del punto stesso dal sistema di tre equazioni del tipo: d i = ( X i - X ) 2 + ( Y i - Y ) 2 j j j + ( Z i - Z j 2 ) avendo posto: d i j= distanza geometrica tra il satellite i e il ricevitore j MISURATA X i,y i,z i = coordinate dell iesimo satellite NOTE (con i = 1,2,3) X j,y j,z j = coordinate del ricevitore j INCOGNITE 13

14 Z satellite 1 Principi base P D nel punto P è posizionata l antenna del ricevitore 1 satellite 2 il ricevitore misura le distanze D2 D 1 dal satellite 1 satellite 3 D 2 dal satellite 2 D 3 D 3 dal satellite 3 Y X il programma, che conosce la posizione dei tre satelliti, calcola la posizione del punto P su cui è l antenna 14

15 GPS Global Positioning System d i = ( X i - X ) 2 + ( Y i - Y ) 2 j j j Sfasamento orologi TEMPO offset ΔT INCOGNITA 4 satellite + ( Z i - Z j 2 ) Distanza geometrica satellite-ricevitore = misura del tempo necessario al segnale per giungere dal satellite al ricevitore differenza fra il tempo di ricezione (letto sull orologio del ricevitore) e del tempo di trasmissione (letto sull orologio del satellite) Sincronia orologi (3 satelliti) 15

16 Il tempo GPS Nel corso dei secoli vari strumenti hanno aiutato l'uomo a misurare il tempo utilizzando una "scala dei tempi" legata a fenomeni naturali la cui periodicità, in generale, non può essere considerata costante nel tempo: orologi solari, clessidre, orologi a pendolo definivano con minore o maggiore precisione la durata del giorno. Dal 1875, anno della firma della convenzione del metro, al 1956 il secondo è stato definito in termini di giorno solare medio, e precisamente come la sua a parte. La "scala dei tempi" era legata al fenomeno naturale della rotazione della terra attorno al suo asse ed è conosciuta come Tempo Medio di Greenwich (GMT). Nei primi decenni del XX secolo ci si rese conto, grazie ad orologi elettronici e al quarzo, che la terra ha delle irregolarità nei suoi movimenti di rotazione e di rivoluzione (precessione, nutazione, etc.), pertanto il secondo definito in termini di durata del giorno solare medio non era stabile nel tempo (infatti la velocità di rotazione della terra sta rallentando in termini apprezzabili). Furono allora presi in esame alcuni dispositivi realizzati negli istituti di ricerca europei e americani a partire dalla metà del XX secolo, che si basano sempre su fenomeni naturali ma che hanno la caratteristica di ripetersi con periodicità più costante (infatti l'orologio è tanto più buono quanto più stabile è la sua frequenza): questi fenomeni sono legati ad una delle proprietà intrinseche degli atomi ed in particolare al tempo che 16 un elettrone impiega per transitare da uno stato all'altro.

17 Il tempo GPS Nacque così nel 1967 la nuova definizione del secondo del Sistema Internazionale (SI), detto anche secondo atomico: "Il secondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio -133". Gli orologi atomici a fascio di cesio permettono di realizzare il secondo SI con incertezze relative di 10E-14; in altre parole, questi orologi possono accumulare un errore di un secondo in tre milioni di anni. Il tempo ad esso collegato è il Tempo Coordinato Universale (UTC - Universal Time Coordinated), conosciuto anche come tempo civile, La scala dei tempi - il tempo atomico internazionale TAI - é definita e controllata con opportuni orologi atomici. Il sistema GPS gestisce propri orologi atomici di alta precisione e sulla fase di questi viene definita una specifica scala dei tempi, il Tempo GPS. Gli orologi dei satelliti e quelli dei ricevitori devono (dovrebbero) bero) tutti essere sincronizzati sul "Tempo" GPS". 17

18 Il tempo GPS Cos'è l'utc? Chi ne ha la responsabilità? La risposta è semplice: la Section du Temps del BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) che ha sede a Parigi. La risposta alla prima domanda è più complessa. Inizialmente era il Bureau International de l'heme (BIH) che, operando presso l'osservatorio di Parigi, calcolava, in base alle osservazioni effettuati dai laboratori astronomici sparsi nel mondo, l'ut1; la scala di riferimento basata sulla rotazione della terra. Successivamente con la disponibilità di orologi più accurati si realizzò la scala UTC che si basa sulla corrente definizione del secondo SI. Il primo gennaio 1958 si sincronizzò l'utc con l'ut1. Dal momento che le differenze tra l'utc e l'ut1 con il passare del tempo aumentavano (questo a causa della irregolare rotazione della terra), nel gennaio del 1972 si decise di introdurre nella scala UTC quello che è chiamato secondo intercalare. Questo per convenzione è inserito alla fine di giugno o di dicembre nella scala UTC. Si creò anche una scala chiamata TAI (International Atomic Time). Essa non è nient'altro che la scala atomica (senza l'inserzione del secondo intercalare) formata da 230 orologi atomici in 60 laboratori sparsi in tutto il mondo. Questi dati sono ricevuti dal BIPM come scarti tra i dati dei laboratori e quelli GPS. Sottraendo dati di questo tipo si può ottenere la differenza tra l'utc dei laboratori e l'utc del BIPM. Questi sono filtrati ed elaborati mediante media ponderata, si ricava così il TAI. Sottraendo il corretto numero di secondi intercalari si ottiene la scala UTC. Mensilmente il BIPM produce un bollettino ufficiale dove sono evidenziate gli scarti tra ogni laboratorio e l'utc. Importanti sono anche i metodi impiegati per trasmettere e disseminare i dati. Essi limitano la precisione 18 dell'utc.

19 Il tempo GPS Per arrivare al calcolo dell'intervallo di tempo necessario al segnale per giungere dal satellite al ricevitore bisogna determinare gli "errori" degli orologi rispetto al sistema di riferimento comune indicato come Tempo GPS. Possiamo quindi scrivere: T i j = T j -Ti Tempo GPS trascorso = (t j -t i ) Sommando e sottraendo tale quantità all espressione di T i j otteniamo: T i j = (t j -ti ) + (t i -T i ) (t j -T j ) = (t j -t i ) + (dt i -dt j ) Osserviamo che: II primo termine rappresenta la durata del viaggio del segnale nel sistema temporale GPS; Il secondo ed il terzo termine rappresentano rispettivamente l'offset dt i tra il sistema di riferimento temporale del satellite ed il sistema di riferimento temporale GPS e l'offset 19 dt j tra il sistema di riferimento temporale del ricevitore ed il sistema di riferimento temporale GPS.

20 Il tempo GPS Gli orologi dei satelliti pur essendo molto costosi e molto stabili, con variazione di frequenza dell'ordine di s a seconda del tipo, presentano un asincronia rispetto al tempo GPS, ma questo offset viene controllato da una apposita struttura a terra - il segmento di controllo- e mantenuto al di sotto di un certo valore : l'orologio del satellite viene quindi tenuto allineato al tempo GPS in una ristretta banda di oscillazione, dell' ordine delle decine di nanosecondi. L'orologio del ricevitore è invece un orologio al quarzo e la stabilità di questi orologi è almeno 1000 volte inferiore di quella degli oscillatori dei satelliti. L instabilità dell' orologio del ricevitore non è controllabile in termini economicamente convenienti, e l'asincronia rispetto al tempo GPS va considerata come una incognita. 20

21 GPS Global Positioning System Sfasamento orologi offset dt j INCOGNITA Introducendo l offset dt j (che per assumere la dimensione di una lunghezza dovrà essere moltiplicato per la velocità di propagazione del segnale) e assumendo come grandezza osservabile non la distanza geometrica (range), bensì la cosiddetta pseudodistanza (p i j pseudorange), quella cioè inquinata dalla presenza di errori, l equazione di osservazione diventa : p i = ( X i - X ) 2 + ( Y i - Y ) 2 + ( Z i - Z ) 2 + c dt j + j j j j errori 21

22 GPS Global Positioning System p i = ( X i - X ) 2 + ( Y i - Y ) 2 + ( Z i - Z ) 2 + c dt j + j j j j errori p i j= pseudorange tra satellite i e ricevitore j, c = velocità di propagazione del segnale, dt j = offset di tempo del ricevitore j, X j,y j,z j = coordinate del ricevitore j, X i,y i,z i = coordinate dell iesimo satellite (con i = 1,2,3,4) MISURATO NOTA INCOGNITO INCOGNITE NOTE si ricava pertanto: d i j = p i j c dt j errori 22

23 GPS Global Positioning System Il sistema di 3 equazioni di osservazione di distanza nello spazio rappresenta l intersezione di 3 sfere, ciascuna con centro in un satellite. Il tempo è responsabile della determinazione della distanza e quindi del raggio delle sfere; se è incognito l offset tra le scale dei tempi, i raggi sono noti a meno di una costante. Si ricorre ad una quarta determinazione di distanza per poter esprimere la costante temporale incognita in funzione di quantità note (posizione del satellite) e delle tre incognite principali del problema (coordinate del punto di stazione). La sostituzione nel sistema delle 3 sfere della costante incognita con l espressione ricavata permette di ottenere un sistema classico di individuazione di un punto nello spazio. 23

24 Struttura del sistema Il funzionamento del sistema necessita dell apporto di diverse componenti: costellazione di satelliti che trasmette segnali radio a terra; strutture di controllo a terra in grado di gestire l intero sistema; le apparecchiature in grado di ricevere e interpretare i segnali per ottenere il posizionamento (l utenza). Organizzazione sistema in 3 componenti: componente spaziale componente di controllo componente di utilizzo 24

25 Componente Spaziale Le principali funzioni del segmento spaziale (i satelliti) sono di: Trasmettere varie informazioni agli utilizzatori attraverso l'invio di segnali molto complessi necessari per il posizionamento. Ricevere e memorizzare le informazioni inviate dalle stazioni di controllo a terra abilitate al comando (non dall'utenza) Effettuare correzioni degli orologi per mantenere un segnale di tempo molto accurato Modificare, attraverso razzi di manovra, la propria orbita secondo le istruzioni del segmento di controllo. Mantenere un segnale di tempo molto accurato grazie a quattro orologi (oscillatori) atomici, due al cesio e due al rubidio collocati a bordo di ciascun satellite. 25

26 Componente Spaziale La componente spaziale è costituita da una costellazione nominale di 24 satelliti, più 3 satelliti di scorta, disposti su 6 piani orbitali, distanziati di 60 in ascensione retta (longitudine) ed inclinati di 55 rispetto all equatore celeste (latitudine). I satelliti descrivono orbite debolmente ellittiche, quasi circolari, aventi raggio medio di km (sono posti a circa km dalla superficie terrestre) e pari a circa 3 volte il raggio medio terrestre ( km). Il tempo impiegato per un orbita completa (periodo orbitale) cioè il periodo di rivoluzione di un satellite è di 12 ore siderali che corrispondono a circa 11 ore e 58 minuti solari e quindi ogni satellite compie due orbite complete in 23 ore e 56 minuti. A causa della differenza tra giorno sidereo (tempo siderale) e giorno solare (tempo solare) medio, i satelliti appaiono su un certo punto della terra circa 4 minuti prima del giorno precedente, quindi la costellazione dei satelliti si ripete giornalmente su di un punto con un anticipo di 4 minuti rispetto al giorno precedente cosicché il periodo di copertura 26viene anticipato di circa due ore ogni mese.

27 Componente Spaziale La particolare costellazione è realizzata in modo che, in ogni istante, ogni punto della terra veda almeno 4 satelliti e, di norma, siano visibili 6-8 satelliti quasi sempre, quasi ovunque. Il periodo di visibilità dei diversi satelliti, nonchè la loro posizione in termini di azimut ed angolo di elevazione, nelle varie zone nell intero arco delle 24 ore, si può dedurre direttamente dal cosiddetto planning, grafico ottenuto mediante appositi programmi a partire dalle informazioni orbitali (effemeridi) che i satelliti inviano costantemente insieme al segnale di posizione La costellazione dei satelliti è in continua evoluzione a causa della mortalità dei satelliti (vita media di progetto 7-8 anni) e del conseguente continuo invio di nuove unità. Ogni satellite pesa in media 845 kg 27

28 I satelliti sono identificati da una serie di codici che indicano: Componente Spaziale il numero d'ordine di lancio il codice PRN che identifica quale dei 37 segmenti di codice P è utilizzato da ciascun satellite il numero del satellite SVN la data di lancio il tipo di orologio a bordo il piano orbitale su cui si trova il file di identificazione della NASA I satelliti quindi trasmettono al ricevitore degli utenti segnali complessi codificati (pseudo casuali) per la determinazione del tempo e messaggi contenenti dati circa la loro esatta dislocazione e il loro stato di salute. I ricevitori GPS sono capaci di acquisire queste informazioni, che vengono successivamente usate per effettuare i calcoli necessari per la determinazione delle distanze e della posizione del punto di stazione. 28

29 Componente Spaziale Assumeremo un orbita circolare avente un altezza rispetto alla terra di km. Ricordando che il raggio della terra è di circa km, si può concludere che il raggio dell orbita di un satellite è di km, corrispondente a una lunghezza di km. Le orbite dei satelliti GPS Altezza orbita satelliti h S = km Raggio medio terrestre R T = km Raggio orbita R S R T +h S = km Lunghezza orbita L S =2πR S = km Periodo orbita T S =12 h= s Velocità media satelliti v=l S /T S = m s -1 = km h -1 Velocità luce nel vuoto c= m s -1 Tempo di volo del segnale t=h S /c= s Spostamento del satellite Δs=t v = 260 m Considerando che tale orbita viene descritta in 12 ore ( secondi), si può concludere che la velocità tangenziale dei satelliti è di 3864 metri al secondo, corrispondenti a km all ora; tali velocità sono possibili perché i veicoli si muovono nel vuoto. I segnali emessi si muovono alla velocità della luce (c= metri al secondo) e s 1 impiegano secondi a raggiungere la terra ( t = v ); nel frattempo il satellite 15 che li ha emessi si è spostato di 260 metri. Non si tratta di un osservazione accademica, ma evidenzia come, nel trattamento dei dati GPS, debba essere trattata con cautela persino l idea che, al momento della trasmissionericezione, un satellite occupasse una certa posizione, in quanto, nel tempo in cui il segnale viaggia, il satellite si sposta in modo tutt altro che trascurabile. 29

30 Componente di Controllo Componente di Controllo Per comprendere la funzione delle stazioni a terra, è necessario ricordare i principi di funzionamento del sistema GPS. In estrema sintesi, un satellite dispone di orologi atomici di elevatissima precisione e di strumentazione elettronica per la generazione e l emissione di segnali elettromagnetici: gli orologi hanno lo scopo di garantire la regolarità nel tempo del segnale emesso. I segnali sono fatti in modo che gli utenti siano in grado di misurare la distanza satellitericevitore ed inoltre contengono una serie di informazioni. Affinché il complesso sistema GPS funzioni, devono essere continuamente soddisfatte certe condizioni ed a ciò provvedono le stazioni di controllo. L orbita di ogni satellite è nota, in quanto calcolata matematicamente prima del lancio del satellite stesso. Poiché però il satellite può avere delle piccole deviazioni dalla sua orbita nominale, vi sono cinque stazioni di monitoraggio a terra che rilevano con continuità la posizione dei satelliti e sono in grado di determinarne l orbita reale. 30

31 Componente di Controllo Il segmento di controllo è costituito da 5 stazioni a terra, pressoché equidistanti lungo la linea equatoriale, la cui posizione è nota con grande precisione, localizzate a: Isole Hawai (Oceano Pacifico) Colorado Spring (Stati Uniti) Isola di Ascension (Oceano Atlantico) Colorado Springs Kwajalein Isola Diego Garcia (Oceano Indiano) Isola Kwajalein (Oceano Pacifico) Hawaii Ascencion Diego Garcia 31

32 Componente di Controllo Colorado Spring (Stati Uniti) Isole Hawai (Oceano Pacifico) Isola di Ascension (Oceano Atlantico) Isola Diego Garcia (Oceano Indiano) In base alle funzioni svolte, queste stazioni, vengono classificate in: Monitor Station (MSs); Master Control Station (MCS); Ground Control Station (GCS). Isola Kwajalein (Oceano Pacifico) 32

33 Componente di Controllo Colorado Springs Kwajalein La Funzione di Monitoraggio (MSs( MSs): Hawaii Ascencion Diego Garcia È svolta da tutte le 5 stazioni mediante strumentazione molto sofisticata sia per la ricezione dei segnali, che avviene in continuo, sia per le misure meteorologiche effettuate al fine di determinare gli effetti della propagazione del segnale nella troposfera. La funzione principale delle stazioni MSs è il continuo tracciamento dei satelliti, al fine di calcolare le effemeridi e la correzione degli orologi di bordo (i cui valori vengono registrati sulle loro memorie di banda). 33

34 Hawaii Colorado Springs Ascencion Kwajalein Diego Garcia Componente di Controllo La Funzione di Master Control Station MCS è svolta dal Consolidated Space Operations Center a Colorado Springs (U.S.A.). Essa rappresenta la cosiddetta stazione principale di controllo dove confluiscono e vengono processati tutti i dati registrati nelle MSs, ricavandone le effemeridi e i modelli analitici per la correzione degli orologi dei satelliti. Le effemeridi calcolate dalla MCS e inviate al satellite consentono di predirne la posizione e vengono chiamate Broadcast Ephemeredes (effemeridi trasmesse). Si può, a posteriori, conoscere la posizione del satellite, calcolata sulla base delle misure effettuate dalle stazioni di controllo; questo tipo di effemeridi vengono dette Precise Ephemeredes e sono caratterizzate da una minore incertezza di stima. E possibile scaricarle ad esempio dal sito dell Università di Berna (ftp://ubeclu.unibe.ch) oppure da 34

35 Componente di Controllo Colorado Springs Kwajalein La Funzione di Ground Control Station GCS è svolta da 3 stazioni (Ascension, Diego Garcia, Kwajalein) che costituiscono il collegamento tra MCS e la componente spaziale. Hawaii Ascencion Diego Garcia Trasmettono ai satelliti le istruzioni e i messaggi prodotti dalle elaborazioni della MCS, che andranno poi a costituire una parte essenziale del segnale inviato dal satellite. Attraverso un segnale di ritorno le GCS ricevono conferma di ricezione del segnale, oltre ai dati riguardanti lo stato di salute del satellite stesso. 35 del segnale inviato dai satelliti.

36 Componente di Utilizzo E' costituita da tutti gli utenti, civili e militari, dotati essenzialmente di un ricevitore in grado di captare, decodificare ed elaborare il segnale trasmesso dai satelliti. Dal punto di vista dell'utenza occorre distinguere tra quella civile e quella militare. Quest'ultima ha a disposizione il sistema in tutta la sua potenzialità, soprattutto nelle applicazioni in tempo reale: queste infatti richiedono l'uso dei codici e quello P, a lunghezza d'onda minore, é mascherato da un codice segreto, interpretabile solo da un chip disponibile ai militati (Auxiliary Output Chips) e collocato sui canali di ricezione dei ricevitori. 36

37 Componente di Utilizzo Il sistema GPS attiva due metodi per peggiorare la qualità della ricezione degli utenti civili: Anti-spoofing (AS): consiste nel convertire il codice P in un nuovo codice segreto Y con l'aggiunta di un codice W : Y=P+W; i non autorizzati non riescono ad utilizzare questo codice e quindi hanno a disposizione solo il codice C/A sulla frequenza L1 ; Selective Availability (SA): consiste nell'alterare le informazioni spedite con il messaggio di navigazione riguardanti le correzioni degli orologi e i parametri delle orbite trasmesse, peggiorando in questo modo il rendimento in tempo reale del posizionamento: se si sbaglia la posizione del satellite, si sbaglia anche la posizione del punto a terra. In figura é riportata la nube di punti relativa alla posizione misurata in istanti immediatamente successivi da un ricevitore che rimane in realtà fermo. 37

38 antenna GPS Componente di Utilizzo L'utenza ha a disposizione uno strumento passivo: un antenna ed un ricevitore calcolatore che elabora i segnali Le antenne sono capaci di captare i segnali inviati dai satelliti; i ricevitori, dotati in generale di orologio di precisione al quarzo, raccolgono i dati, analizzano i segnali, effettuano calcoli e misure (di correlazione e sfasamento, per esempio) e memorizzano dati; sono necessari infine software adeguati per elaborare i dati raccolti e pervenire alla determinazione delle coordinate dei punti incogniti. La posizione che l'utente ricaverà in base alla ricezione, memorizzazione e alla successiva elaborazione dei segnali ricevuti, sarà relativa al centro elettromagnetico, cioè al centro di 38 fase dell'antenna.

39 Componente di Utilizzo Le componenti fondamentali di uno strumento GPS sono: antenna ricevente con preamplificatore (può essere separata o inglobata nel ricevitore); ricevitore (dotato di display e tastiera per il controllo dell apparato; registratore dati, sezione radiofrequenza (decodificatore che gestisce i canali nei quali viene trattati il segnale che arriva dai vari satelliti e seleziona le varie componenti del segnale), un oscillatore (orologio) di precisione al quarzo che oscilla sulla frequenza fondamentale (fo = 10,23 MHz); eventuale radio modem per la comunicazione tra due apparati riceventi; batteria di alimentazione (di norma esterna all apparato principale), cavi (per il collegamento dei componenti o di questi ad altre unità); software (presente sulla memoria di cui lo strumento è dotato, gestisce i processi di 39 acquisizione e di memorizzazione).

40 Componente di Utilizzo La sezione radio-frequenza si compone di più canali nei quali viene trattato il segnale. Ciascun canale dello strumento tratta il segnale che arriva da un satellite: quindi è necessario che ci siano al minimo 4 canali, ma in molti modelli ce ne sono 8 ed alcuni ricevitori hanno 12 canali perché teoricamente il massimo numero di satelliti che si può vedere sopra i 15 rispetto all'orizzonte è 8, e da 0 di elevazione in su, è di

41 Componente di Utilizzo Per i rilievi a terra interessa poco avere un tal numero di canali perché non é opportuno ricevere i segnali dei satelliti bassi sull'orizzonte, molto disturbati dall'atmosfera, però se l'antenna è montata su un aereo conviene ricevere anche satelliti più bassi dell'orizzonte dell'aereo. Inoltre alcuni modelli permettono di ricevere i segnali (di codice) da satelliti del sistema GLONASS, con conseguente aumento dei satelliti in vista. Nei canali si elabora il segnale modulato che arriva tramite il segnale rigenerato dall'oscillatore per cercare di estrarne le componenti che trasportano l'informazione: messaggio di navigazione, codice, fase. 41

42 Nei canali si elabora il segnale modulato che arriva tramite il segnale rigenerato dall'oscillatore per cercare di estrarne le componenti che trasportano l'informazione: messaggio di navigazione, codice, fase calcolatore che elabora i segnali Componente di Utilizzo oscillatore (di caratteristiche di precisione e stabilità in genere inferiori a quelli dei satelliti) produce un segnale elettromagnetico continuo simile a quello ricevuto dal segmento spaziale replica. Tale operazione viene effettuata in ognuno dei canali del ricevitore; ad ognuno di essi infatti è possibile riservare il segnale proveniente da un satellite. 42