Università degli Studi di Cagliari. Introduzione GPS. Satelliti (SV) Satelliti. Posizionamento Globale

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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni GPS Introduzione Il GPS è un sistema di posizionamento terrestre estremamente preciso creato dal Department Of Defense (DoD) Americano per fini militari In seguito si è permesso l utilizzo anche per scopi civili Posizionamento Globale 1 2 Satelliti Satelliti (SV) Il funzionamento del GPS è attualmente legato a 32 * satelliti orbitanti: 31 effettivamente operativi 1 di riserva Le orbite sono circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati di 55 rispetto al piano equatoriale * valore aggiornato a Dicembre

2 Ground track Satelliti Ogni satellite si trova a circa Km dalla terra Il raggio dell orbita è di circa Km Compie due rotazioni del pianeta al giorno (il periodo di rivoluzioneèdi11oree58minuti) Le orbite dei satelliti sono state studiate in modo che in ogni momento ogni punto della terra venga visto da almeno 6 satelliti contemporaneamente 5 6 Infrastruttura terrestre Terrestrial Oltre ai satelliti, ci sono anche 4 stazioni di controllo a terra che si occupano costantemente di verificare lo stato dei satelliti, di correggere i loro orologi atomici e la loro posizione orbitale Senza queste stazioni terrestri il sistema non sarebbe in grado di funzionare US Space Command Hawaii Cape Canaveral Ascension Is. Diego Garcia Kwajalein Atoll Master Control Station Monitor Station Ground Antenna 7 8

3 Posizione Il concetto base per il reperimento della posizione è la: Esempio in 2D.: Trilaterazione trilaterazione Algeri Roma Tunisi Cagliari 9 10 Trilaterazione Timing NelcasorealeilricevitoreGPSriceveràilsegnaleda3satelliti Si tratta di sfere e non cerchi Le misure di distanza vengono effettuate in realtà mediante misure di tempo: tra il receiver ed il satellite viene misurato il tempo che un segnale impiega per arrivare a terra 11 12

4 Timing All istante t 1 sia il satellite che il ricevitore generano un apposito codice pseudo-random Il segnale generato viene trasmesso dal satellite verso terra Ilricevitorericeveràilsegnaleaduntempot 2 La differenza Δt=t 2 -t 1 permette al ricevitore di calcolare la distanzatraluieilsatellitechehaspeditoilcodice Precisione Tutto quello che dobbiamo sapere è quando esattamente il segnale è partito dal satellite Dobbiamo sapere tale valore con una precisione estrema visto che un solo millesimo di secondo di differenza potrebbe penalizzare la rilevazione con un errore nell ordine dei 300 Km! d = t c Precisione Precisione Per ottenere una precisione del genere, ogni satellite imbarca quattro orologi atomici (~ di costo), che sfruttano le oscillazioni degli atomi di cesio e rubidio Lo standard di precisione è assoluto (la possibilità di errore è diunsecondoogni30kanni) Il centro di controllo che supervisiona il satellite provvede poi al riallineamento di eventuali discrepanze rendendo cosi il sistema praticamente perfetto Visti i costi e le dimensioni proibitive di orologi atomici, i ricevitori GPS utilizzano degli orologi che garantiscono una elevata precisione solo per brevi periodi e necessitano costantemente di fattori di correzione per mantenere tale precisione 15 16

5 Sincronizzazione Perfect timing Ascoltando 4 satelliti il ricevitore GPS è in grado di rilevare se ci sono errori di temporizzazione da parte del suo orologio interno: Non è geometricamente possibile che 4 sfere si intersechino in unpuntosecisonoerroriditiming! Il ricevitore esegue quindi una routine per correggere l orologio, finché tutte e quattro le linee di posizione si intersecano nello stesso punto 3 sec (wrong) Posizione errata Posizione reale Velocità Sincronizzazione Una volta che si è rilevata la posizione nelle tre dimensioni (o quattro se si considera il tempo), si può valutare lo scarto Doppler del segnale da ciascuno dei satelliti rilevati ed ottenere anche un vettore tridimensionale di velocità In pratica, a causa della distribuzione geometrica dei satelliti, la velocità verticale (variometrica) non è molto accurata, mentre risulta abbastanza accurato il calcolo della velocità rispetto al suolo La sincronia avviene mediante l utilizzo di codici pseudocasuali: Ogni satellite trasmette un codice casuale diverso Il ricevitore dispone di un generatore di codici predisposto a produrre gli stessi codici dei satelliti Il segnale viene fatto partire sia dal sv sia dal ricevitore e si misura quando viene agganciato il segnale satellitare La differenza di tempo è utilizzata per calcolare la distanza 19 20

6 Sincronizzazione Almanacchi Per sapere in che posizione sono i satelliti i ricevitori GPS hanno degli almanacchi Tramite gli almanacchi i ricevitori sono in grado di sapere quali satelliti sono nella loro zona, e perciò cosa e dove cercare Gli almanacchi sono periodicamente aggiornati sempre tramite i satelliti GPS Segnali spediti Frequenze utilizzate per il downlink Vengono spediti due tipi di segnali: Precise Positioning Service (PPS) è criptato ed accessibile solo da chi ha le chiavi di accesso (Difesa USA) 22 meter Horizontal accuracy 27.7 meter vertical accuracy 200 nanosecond time (UTC) accuracy Standard Positioning Service (SPS) è un segnale intenzionalmente errato utilizzabile da chiunque 100 meter horizontal accuracy 156 meter vertical accuracy 340 nanoseconds time accuracy Canale L MHz Utilizzato per il SPS Canale L MHz Utilizzato per il PPS insieme al SPS per limitare gli errori provocati dalla ionosfera 23 24

7 Codici C/A Code Sono spediti tre diversi codici: C/A code P code Navigation Message C/A Code (Coarse Acquisition) Modula la portante L1 Spedisce il codice pseudo-random PRN (chip rate MHz) Il codice è ripetuto ogni 1023 bit (1ms) Ogni SV ha un codice PRN univoco P-code Navigation Message Il codice P viene modulato sia su L1 che su L2 È un codice PRN di chip rate pari a MHz Viaggia in modalità Anti-Spoofing criptato (detto Y-code) Il segnale di navigazione modula L1 Ha una banda di 50 Hz e consiste di informazioni relative alle orbite, correzioni di errore e parametri di sistema 27 28

8 Errori Le misure vengono fatte misurando il tempo intercorso e moltiplicandolo per la velocità della luce: La velocità della luce è costante solo in un mezzo uniforme!! Il segnale del GPS passa attraverso le particelle cariche della Ionosfera e attraverso lo strato umido della troposfera che ne rallentano la velocità creando errori simili al mancato sincronismo Correzione degli errori Predizione: Modello Matematico: Utilizzato dagli SPS Calcolare la velocità relativa di due segnali differenti Utilizzato dai PPS: Ecco perché si utilizza pure L2!! Multipath Problemi satellitari Esistono problemi relativi al multipath: Si utilizzano i classici metodi di soluzione: Antenna diversity Wide spectrum I satelliti sono tutt altro che perfetti Necessitano costantemente correzioni che vengono effettuate dal personale a terra: il reparto dell aviazione americana Falcon Senza tali correzioni il sistema degrada fino ad un totale inservibilità in sole 2 settimane 31 32

9 Differential GPS Grazie al sistema DGPS è possibile avere un accuratezza eccezionale e limitare tutti gli errori presenti, anche quelli intenzionali Il sistema DGPS prevede che una stazione fissa riceva il segnale dei satelliti e lo spedisca in broadcast Il ricevitore mobile riceverà sia il segnale del satellite che quello della stazione fissa e li utilizzerà per aumentare la sua precisione DGPS Le stazioni DGPS sono private (es.: compagnie aeree o di navigazione) ma anche pubbliche. Es.: guardia costiera Vengono spediti dei survey con i dati ricevuti dai satelliti su frequenze già adibite alle comunicazioni navali Tabella riassuntiva Prospettive Summary of GPS Error Sources Typical Error in Meters (per satellite) Standard GPS Differential GPS Satellite Clocks Con le ultime tecnologie DGPS si può avere una accuratezza pariai4cm!! Questo aprirà a breve la strada ad applicazioni estremamente automatizzate! Orbit Errors Ionosphere Troposphere Receiver Noise Multipath

10 GPS F.A.Q Satelliti Orbite: raggio e quota Numero minimodi satelliti che vedono un generico punto sulla terra Infrastruttura a terra F.A.Q Sotto quali condizioni si ha il perfect timing? Spiegare le differenze fra il canale L1 e L2 e in quali condizioni vengono utilizzati Come avviene la correzione degli errori nel sistema GPS? Trilaterazione Posizione Timing Precisione 37 38

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