Marica Franzini Laboratorio di Geomatica - DICAr Università di Pavia

Transcript

1 Marica Franzini Laboratorio di Geomatica - DICAr Università di Pavia marica.franzini@unipv.it Gli altri sistemi GNSS Marica Franzini Pag. 1 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

2 GNSS - 1 Abbiamo già introdotto il più famoso GNSS (Global Navigation Satellite System) cioè il sistema GPS. Nelle prossime slide saranno forniti alcuni cenni agli altri sistemi di posizionamento satellitare esistenti o in programma: Glonass Galileo Compass (Beidou) INRSS QZSS I primi tre sono sistemi di posizionamento globale, del tutto simili a GPS, mentre gli ultimi due sono di tipo locale. Marica Franzini Pag. 2 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

3 GNSS 2 Ogni costellazione GNSS prevede tre segmenti: segmento spaziale segmento di controllo segmento di utilizzo Marica Franzini Pag. 3 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

4 Segmento spaziale - 1 Costituito da satelliti MEO (Medium Earth Orbit) in orbita pressoché circolare intorno alla Terra ad una altezza variabile a seconda della costellazione. In alcuni sistemi sono presenti anche satelliti geostazionari GEO (Geostationary Earth Orbit). Ogni costellazione globale, se completa, permette la visibilità di almeno 4 satelliti in qualunque luogo e dora, a partire da un elevazione di 15 sull orizzonte. Ogni satelliti porta a bordo orologi atomici al Cesio e al Rubidio per garantire un costante e stabile riferimento temporale. Marica Franzini Pag. 4 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

5 Segmento spaziale 2 Le funzioni dei satelliti possono essere sintetizzate così: trasmettere informazioni agli utilizzatori mediante un segnale radio complesso mantenere un riferimento di tempo accurato, grazie agli orologi atomici ricevere e memorizzare informazioni dal segmento di controllo eseguire correzioni d orbita Marica Franzini Pag. 5 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

6 Segmento di controllo e di utilizzo Segmento di controllo: è l insieme delle stazioni a terra che gestiscono il sistema e i cui compiti sono: tracciare in maniera continua i satelliti ed elaborare i dati ricevuti per calcolarne la posizione (effemeridi) controllare gli orologi dei satelliti e modellarne gli errori imporre manovre di correzione d orbita Segmento di utilizzo: è costituito dall utenza dotata di ricevitori con antenna. Questi sono strumenti passivi ovvero non emettono segnali ma sono solo in grado di acquisire informazioni. La posizione che determinano è quella del centro di fase dell antenna, normalmente messa in stazione sul punto di interesse. Marica Franzini Pag. 6 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

7 1 - GLONASS Marica Franzini Pag. 7 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

8 GLONASS -1 GLONASS: GLObalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLObal Navigation Satellite System) Sviluppato alla fine degli anni 70 (1976) dall ex Unione Sovietica; i primi lanci sono avvenuti nel 1982 e la piena operatività si è ottenuta nel 1992 con un immediato rapido declino. Eventuali siti di riferimento: Marica Franzini Pag. 8 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

9 GLONASS - 2 Nel 2001 i satelliti erano solamente 7 (mediamente meno di 2 satelliti visibili) ma da questa data sono stati pianificati nuovi lanci - almeno 3 satelliti per anno. Un esempio dell'evoluzione della situazione della costellazione satellitare: Marica Franzini Pag. 9 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

10 Il segmento spaziale - 1 Caratteristiche: 24 satelliti (da progetto) 3 piani orbitali (8 satelliti per piano) 64,80 inclinazione rispetto all equatore ~ km di altezza 11 ore e 15 minuti di periodo orbitale Come i GPS, anche i satelliti GLONASS hanno subito una evoluzione verso le medesime priorità esposte nella lezione precedente (maggiore longevità, maggiore stabilità, etc.). Marica Franzini Pag. 10 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

11 La costellazione Marica Franzini Pag. 11 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

12 Costellazione in termini di PDOP Marica Franzini Pag. 12 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

13 Segmento di controllo - 1 Storicamente composto da 5 stazioni (Mosca, St. Pietroburgo, Ternopol, Eniseisk e Komsomolskna-Amure), ma anch'esso in continua evoluzione. Nel 2013 è stata istituita la prima stazione fuori dal territorio russo, a Brasilia. Marica Franzini Pag. 13 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

14 Segmento di controllo - 2 Per il controllo della costellazione, Glonass si avvale anche della collaborazione di numerose stazioni appartenenti ad organismi internazionali (IGS, Euref, etc.). Marica Franzini Pag. 14 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

15 Segmento di utilizzo Le funzioni sono analoghe a quelle descritte per il sistema GPS Marica Franzini Pag. 15 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

16 Sistema di riferimento La posizione fornita dal sistema GLONASS è data nel sistema di riferimento PZ90 (Parametry Zemli, 1990) o PE90 (Parameter Earth, 1990). Come il WGS84 anche il PZ90 è un sistema ECEF ed è in questo datum che viene determinata la posizione istantanea dei satelliti e di conseguenza dei ricevitori. Più avanti daremo alcuni cenni al problema della trasformazione tra i datum GPS e GLONASS. Marica Franzini Pag. 16 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

17 2 - GALILEO Marica Franzini Pag. 17 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

18 GALILEO Il sistema di posizionamento Galileo (in inglese Galileo Positioning System) è un sistema satellitare globale di navigazione civile sviluppato in Europa come alternativa al Global Positioning System. Esso tuttavia è pienamente interoperabile con GPS e GLONASS. Nell'ideazione e nella progettazione del sistema sono stati coinvolti: ESA - Agenzia Spaziale Europea Commissione Europea Eurocontrol - ente europeo che regola il trasporto aereo civile Eventuali siti di riferimento: Marica Franzini Pag. 18 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

19 La storia di Galileo maggio 2003: avvio ufficiale, da parte dell'unione Europea e dell'agenzia Spaziale Europea (ESA) del programma Galileo Sulla brochure originale era riportata la seguente programmazione: Sviluppo e validazione del sistema ( ) Sviluppo di 3-4 satelliti Sviluppo della componentistica di terra Prove di validità del sistema Implementazione ( ) Messa in orbita di satelliti Installazione delle stazioni di terra Utilizzo commerciale del sistema (a partire dal 2008) Marica Franzini Pag. 19 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

20 La storia di Galileo - 2 Con le difficoltà economiche generali la Commissione europea ha avuto problemi ad assicurare la copertura economica al proseguimento del progetto e ci sono state divisioni tra le nazioni coinvolte. L'aiuto economico dell'unione Europea, nonché il finanziamento di Nazioni come Cina ed Israele, hanno permesso di proseguire la realizzazione di Galileo. Marica Franzini Pag. 20 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

21 I primi lanci 28 dicembre 2005: lancio del primo satellite - GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element). 26 aprile 2008: lancio del secondo satellite - GIOVE-B 21 ottobre 2011: lancio della prima coppia di satelliti operativi - GIOV PMF/FM2 12 ottobre 2012: lancio della seconda coppia - GIOV FM3/FM4 12 marzo 2013: prima prova di posizionamento Galileo. Marica Franzini Pag. 21 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

22 L'ultimo lancio - 1 La messa in orbita dei satelliti "Doresa" e "Milena" è riuscita solo parzialmente. I satelliti sono risultati in un'orbita errata. Sono attualmente in corso tre inchieste indipendenti della Commissione Europea, del gruppo francese Arianespace e dell'agenzia spaziale russa Roscosmos, per rilevare cause e responsabilità dell'accaduto. Attualmente è in fase di discussione se continuare ad appoggiarsi ai vettori di lancio Soyuz o passare ad Ariane 5. Marica Franzini Pag. 22 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

23 L'ultimo lancio 2 Dopo i lanci falliti di agosto 2014, l ESA è riuscita a recuperare uno dei due satelliti ( Doresa ) grazie a una serie di manovre di correzione d orbita ed a renderlo utilizzabile (novembre, 2014). Sono pianificati due nuovi lanci ( Adam e Anastasia ) per la fine di marzo 2015 tramite vettore Soyuz. Marica Franzini Pag. 23 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

24 Il segmento spaziale Il segmento spaziale ha le seguenti caratteristiche: 30 satelliti (27 + 3) 3 piani orbitali (120 longitudine) 56 inclinazione rispetto all equatore ~ Km di altezza 14 ore e 22 minuti di periodo orbitale Come gli altri sistemi anche Galileo ha un sistema di riferimento dedicato, chiamato GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) e ad esso sono riferite le posizioni dei satelliti contenute nelle effemeridi. Marica Franzini Pag. 24 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

25 Il segmento di controllo - 1 Marica Franzini Pag. 25 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

26 Il segmento di controllo - 2 Marica Franzini Pag. 26 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

27 3 - BeiDou Marica Franzini Pag. 27 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

28 BEIDOU Beidou, "orsa maggiore" in cinese, è un sistema di posizionamento progettato dalla Repubblica Popolare Cinese. E' composto da due progetti: Beidou-1: costituito da 5 satelliti geostazionari gravitanti sopra il territorio cinese Beidou-2 (Compass): costellazione di 30 satelliti - di cui 3 geostazionari - per la copertura globale del pianeta Marica Franzini Pag. 28 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

29 Il segmento spaziale Marica Franzini Pag. 29 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

30 Beidou-2 - Il segmento spaziale Il segmento spaziale è composto da 32 satelliti non geostazionari (MEO - Medium Earth Orbit) e 5 satelliti geostazionari (GEO - Geostationary Earth Orbit). I 5 satelliti geostazionari ha le seguenti caratteristiche: Km di altezza, 3 piani orbitali e 55 di inclinazione periodo orbitale: 24 h (sono geostazionari!) Marica Franzini Pag. 30 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

31 Beidou-2 - Il segmento spaziale I 27 satelliti geostazionari ha le seguenti caratteristiche: 3 piani orbitali (120 longitudine) 55 inclinazione rispetto all equatore ~ Km di altezza periodo orbitale: ~ 12 h e 50' Marica Franzini Pag. 31 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

32 Segmento di utilizzo Marica Franzini Pag. 32 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

33 Sistema di riferimento Anche in questo caso si lavoro in un sistema di riferimento dedicato. Il sistema di riferimento adottato da BeiDou è un sistema ECEF chiamato CGC2000 (China Geodetic Coordinate System, 2000) adottato dal governo cinese a partire dal 1 Luglio 2008 e basato su una rete di stazioni permanenti. Il sistema precedente era denominato Beijing Le stazioni di controllo, che producono le effemeridi di tali sistema, sono prevalentemente dislocate sul territorio cinese (36 stazioni in Cina e 6 appartenenti alla rete IGS). Marica Franzini Pag. 33 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

34 Comparazione - 1 I quattro sistemi differiscono per i parametri della costellazione, per i sistemi di riferimento spaziali e per la scala temporale. Marica Franzini Pag. 34 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

35 Scale temporali - 1 Il tempo è una delle principali osservazioni nel posizionamento satellitare ed ogni sistema GNSS ha una sua scala temporale poiché definita a diversi orologi appartenenti ai segmenti di controllo. Esistono anche delle scale temporali globali non direttamente connesse al posizionamento satellitare ma che sono tuttavia prese come punto di riferimento: TAI Tempo Atomico Internazionale (International Atomic Time) GMT Tempo solare medio di Greenwich (Greenwich Medium Time) UTC Tempo Universale Coordinato (Coordinated Universal Time) Marica Franzini Pag. 35 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

36 Scale temporali 2 Il TAI è una scala di tempo molto accurata definita dalla radiazione dell atomo di cesio e mantenuta da 200 orologi atomici dislocati in oltre 70 laboratori di ricerca nel mondo. L istante zero è fissato al 1 gennaio 1958 e un giorno TAI è composto da esattamente secondi. Il tempo GMT si basa su osservazioni celesti ed è legato al tempo di rotazione della Terra. La variazione della sua velocità di rotazione, legata a molti fenomeni tra cui le forze di attrazione del Sole, Luna e altri pianeti, fanno ritardare il GMT rispetto al tempo mantenuto dagli orologi atomici. Un giorno di rotazione terrestre non è quindi esattamente di secondi TAI ma oscilla intorno a tale valore. Marica Franzini Pag. 36 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

37 Scale temporali 3 Il tempo UTC, adottato per la definizione dei fusi orari, deriva dal tempo GMT ma non è basato sull osservazione dei fenomeni celesti ma è mantenuto da orologi atomici. La differenza tra le due scale è mantenuta applicando periodiche correzioni in modo tale che il Sole sia sul meridiano di Greenwich alle ore 12:00:00. Tali correzioni vengono introdotte attraverso l utilizzo di un leap second ( secondo intercalare ) che fa in modo che periodicamente un giorno abbia secondi. Ad oggi il valore di leap second, per allineare UTC a TAI, è di 35 secondi. UTC è il tempo preso come riferimento per allineare le scale temporali dei vari sistemi GNSS. Marica Franzini Pag. 37 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

38 Scale temporali - 4 La scala di tempo GPS è mantenuta dall orologio della stazione MCS di Colorado Springs. L istante zero è fissato alla mezzanotte del 6 gennaio 1980, data alla quale coincide perfettamente col tempo UTC. Al 2014 le due scale di discostano di 16 secondi (16 leap second). La scala di tempo GLONASS è costantemente corretta per mantenerla allineata al tempo UTC; i parametri contenuti nel messaggio navigazionale sono pertanto riferiti alla scala UTC sovietica (UTC(SU)) che corrisponde a UTC + 3 ore. Marica Franzini Pag. 38 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

39 Scale temporali 5 La scala di tempo Galileo prende il nome di GST (Galileo System Time) ed ha inizio alla mezzanotte del 22 agosto Nel messaggio navigazionale sono contenuti i coefficienti per calcolare l offset tra la scala GST e le scale UTC e GPS, per l interoperabilità tra i sistemi. La scala di tempo di BeiDou è detta BDT (BeiDou navigation satellite system Time). L epoca di inizio è la mezzanotte del 1 gennaio 2006, data alla quale coincideva esattamente con il tempo UTC. La scala temporale è monitorata in modo da essere costantemente allineata con UTC e la correzione da apportare è contenuta nel messaggio navigazionale; tale messaggio contiene anche gli offset da applicare per allinearsi a GPS, GLONASS e Galileo. Marica Franzini Pag. 39 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

40 Scale temporali a confronto Fonte: Marica Franzini Pag. 40 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

41 4 - INRSS e QZSS Marica Franzini Pag. 41 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

42 INRSS INRSS: Indian Regional Navigational Satellilte System Sistema studiato e costruito interamente (segmenti spaziali, di controllo e di utilizzo) in India dall'organizzazione per la Ricerca Spaziale. Il progetto è stato approvato nel maggio 2006 con tempi di completamento previsti per il Il primo lancio è avvenuto il 1 luglio 2013 (su documenti meno recenti era programmato per il 2009 e poi per la fine del 2011); i successivi avranno luogo ad intervalli di 6 mesi. Il segmento spaziale prevede l uso di sette satelliti (di cui 3 geostazionari) con conseguente copertura territoriale limitata alla zona indiana. Marica Franzini Pag. 42 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

43 INRSS - 2 Lista dei satelliti: IRNSS-1A: lanciato il 1 luglio 2013 IRNSS-1B: lanciato il 4 aprile 2014 IRNSS-1C: lanciato il 16 ottobre 2014 IRNSS-1D: pianificato a per il 9 marzo 2015 IRNSS-1E: pianificato a agosto 2015 IRNSS-1F: pianificato a dicembre 2015 IRNSS-1G: pianificato a maggio 2016 Marica Franzini Pag. 43 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015

44 QZSS QZSS: Quasi-Zenith Satellite system ( Il sistema, studiato e costruito in Giappone, vede la collaborazione di numerose multinazionali private come Mitsubishi, Hitachi, etc. Il sistema sarà costituito da tre satelliti in orbite ellittiche con conseguente copertura territoriale limitata all'area giapponese. Il primo lancio (satellite "MICHIBIKI") è stato effettuato in data 11 settembre 2011 (anche se documenti meno recenti riportavano come anno programmato per il primo lancio il 2008); la piena operatività è prevista per il Marica Franzini Pag. 44 di 44 GPS3 - altri GNSS.docx 04/03/2015