GNSS: STATO DELL ARTE E FUTURI SVILUPPI Quando parliamo di GPS non intendiamo più il sistema americano che è stato pioniere della localizzazione satellitare: nuove soluzioni si sono affacciate sul mondo ed altre si stanno preparando, per aiutarci a trovare la strada ma anche per fornirci nuovi servizi. era una volta il C Navstar, inventato e realizzato cinquant anni fa dagli Stati Uniti per coordinare ed agevolare le forze armate nelle operazioni militari e garantire la navigazione dei missili intercontinentali a testata nucleare portandoli sopra l obiettivo con un approssimazione di circa 100 metri. Il suo segnale, poi messo a disposizione (seppu- re con certe limitazioni) dei civili, è divenuto la base per i sistemi di navigazione marittima, stradale ed aerea. L intento di perfezionare le informazioni offerte dal Navstar per consentire anche ai civili una localizzazione di precisione, ha fatto nascere sistemi complementari quali WAAS, EGNOS e DGPS, che formano, unitamente al Navstar, quello che 98 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
Tecnologia di DAVIDE SCULLINO comunemente chiamiamo GPS, ossia il Global Positioning System. Ma il monopolio degli U.S.A. in questo campo non è mai stato gradito agli ex nemici del blocco sovietico, né alla neonata Unione Europea e tantomeno all ultima candidata tra le superpotenze: la Cina; perciò nel corso degli anni questi tre soggetti hanno sviluppato in proprio sistemi di localizzazione satellitare. Primi sono stati i Russi, che già negli anni della Guerra Fredda cominciarono a tessere la ragnatela di satelliti che ha costituito il GLONASS; poi siamo arrivati noi europei, che ci siamo detti: fatta l Europa, ora bisogna fare un sistema satellitare! Ed ecco nascere Galileo, progetto al quale partecipiamo anche noi italiani, mettendo a disposizione lo strategico centro di Fucino. I cinesi, che nel giro di un decennio si sono espansi dappertutto, hanno voluto anch essi dotarsi di un sistema di localizzazione ed hanno realizzato, dopo il Beidou 1, nato esclusivamente per scopi militari, laborioso e limitatissimo, il nuovo Beidou 2, che nella filosofia progettuale somiglia molto al GPS. Non c è che dire: un panorama molto variegato e soprattutto un accozzaglia di oggetti gravitanti Elettronica In ~ Febbraio 2011 99
sopra le nostre teste, che si vanno ad aggiungere ai satelliti per i sistemi telefonici satellitari Inmarsat e Iridium, a quelli per il controllo militare (tra cui spicca ORS-1, nato per assistere gli UAV e fornire ai militari la ricognizione visiva e ad infrarossi) a quelli meteo e televisivi! Insomma, di questo passo, guardando in cielo la sera andrà a finire che delle tante luci viste nella volta celeste saranno più quelle riflesse dai satelliti che non quelle romantiche delle stelle. Proviamo dunque a fare luce sulle tecnologie di localizzazione assistita da satellite e a scoprire quali nuovi servizi questa miriade di satelliti sarà in grado di fornirci in futuro. Nel panorama dei sistemi di localizzazione da satellite, quelli che meritano più attenzione sono il Navstar americano e il Galileo europeo: il primo perché è il capostipite e padre del GPS; il secondo perché aggiunge alla semplice localizzazione tutta una serie di servizi di pubblica utilità. Vi verrà da chiedervi che senso abbia -velleità politiche e campanilismi a parte- realizzarsi un sistema di localizzazione satellitare quando nel mondo ce n è già abbastanza e sia GLONASS che GPS rendono fruibile a tutti il servizio. Ebbene, Galileo nasce con l intento di realizzare un sistema globale che fornisca non solo la localizzazione ma che sfrutti i satelliti per integrare numerosi altri servizi; se così non fosse, questo progetto (costosissimo e per il quale si fatica a reperire i necessari stanziamenti) sarebbe davvero nato solo per rendersi indipendenti da Stati Uniti, Russia e Cina o per entrare in competizione con queste nazioni. Galileo dovrebbe fornire quello che gli altri sistemi non consentono: una localizzazione satellitare con un accuratezza inferiore ai 10 centimetri, nessuna interruzione o limitazione per l uso civile, tanti servizi complementari. Il programma GALILEO, avviato ufficialmente nel 2003, entrerà in funzione a regime nel 2014, quando conterà trenta satelliti (27 operativi e tre di riserva) orbitanti su 3 piani inclinati sull equatore (MEO, Medium Earth Orbit circolare) a 23.222 km di quota. L UE ha già assegnato gli appalti per la parte infrastrutturale: al momento la spesa prevista è di circa 3,4 miliardi di euro. Il programma di lancio, con razzi russi Soyuz e francesi Ariane, dovrebbe partire a breve e una volta posizionati i primi quattro satelliti CHE COS È IL GPS Il sistema di posizionamento globale si fonda su un principio molto semplice, che spieghiamo per sfatare un falso mito: contrariamente a quanto crede la maggior parte delle persone che ha il navigatore in auto e che crede che il GPS guidi il conducente, il sistema di localizzazione satellitare non controlla o guarda alcunché, quindi le istruzioni che fornisce non sono basate sul fatto che verifica la traiettoria dell auto. Se così fosse, con i milioni di veicoli presenti al mondo, dovrebbe avere proprietà sconfinate. In realtà la localizzazione si basa sull invio a terra via radio e in modo continuo da parte dei satelliti, di due informazioni: l orario, molto preciso e approssimato ai centesimi di secondo, e l identificativo del satellite che l ha inviato. Questo è quanto fa il Navstar americano, anche detto SPS (Standard Positioning System). Ora vi chiederete come si faccia, dall orario, a risalire alla posizione del ricevitore che rileva questi dati; ebbene, dovete sapere che l orario del Navstar viene trasmesso via radio da alcune stazioni a terra che lo aggiornano periodicamente nei satelliti, dove precisissimi orologi atomici mantengono la precisione temporale. Ogni satellite si trova in una propria orbita non geostazionaria. I ricevitori e localizzatori GPS 100 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
Galileo: a che punto siamo? configurazione minima necessaria sarà possibile cominciare a fornire i primi servizi di navigazione e testare la piena funzionalità dei segmenti spaziali e di terra. Intanto è stato avviato il programma sperimentale Giove (Galileo in orbit validation element), col lancio del satellite GIOVE-A il 28 dicembre 2005, seguito dal GIOVE-B il 27 aprile del 2008. Sebbene possa funzionare egregiamente da solo, Galileo potrà collaborare con i sistemi di navigazione già esistenti per migliorare il servizio. La prima fase del progetto ha portato allo sviluppo di EGNOS, il sistema SBAS in grado di raccogliere i segnali del GPS e del GLONASS, e di elaborarli per consentire ai localizzatori una precisione di qualche metro. Un servizio sperimentale è già attivo dal 2000 per il test di applicazioni in un ambiente reale. E ora è attivo anche un servizio di supporto per fornire tutte le informazioni via e-mail agli interessati (ESTB@ esa.int). Galileo è un progetto di grande portata che coinvolge non solo i servizi connessi alle sue trasmissioni, ma anche l intero mondo economico dell Europa: infatti l industria del settore spaziale del nostro continente, che già occupa 40.000 persone, nella realizzazione e manutenzione di Galileo potrebbe creare in tutto 100.000 posti di lavoro nel settore dell alta tecnologia. Galileo nasce come servizio multimodale, in grado, cioè di offrire una serie ampia di servizi in vari settori. Per esempio, sarà in grado di migliorare la sicurezza e l efficienza dei voli per il trasporto di cose e persone: conoscendo la direzione dei venti di alta quota, Galileo suggerisce le variazioni di rotta per risparmiare tempo e carburante. Le stesse considerazioni valgono per il trasporto marittimo. Naturalmente farà, per i veicoli su strada, quel che attualmente fanno i sistemi GPS: fornirà i dati per trovare le strade più corte o meno trafficate. Grande vantaggio ne potranno trarre anche i mezzi di soccorso, ai quali potrebbe essere indicata la strada migliore per arrivare sul luogo di un incidente evitando gli ingorghi. Oppure si pensi, per esempio, a chi si smarrisce in una località di montagna: grazie a Galileo, i soccorritori conoscerebbero immediatamente la sua posizione esatta, il che renderebbe molto più semplice il loro intervento. Una particolarità del segnale del Galileo è l invio, da parte dei satelliti, del messaggio di integrità, che avverte l utente nel caso il segnale perda delle informazioni, ovvero conferma l esattezza del segnale ricevuto. Per Galileo potrebbe esserci posto in agricoltura, negli studi di geodesia e nella verifica dello spostamento millimetrico dei terreni in seguito al verificarsi di eventi tellurici. Il segmento spaziale di Galileo sarà composto a regime dai trenta satelliti che orbiteranno a gruppi di dieci su tre piani orbitali (del diametro di 59.164 km) in modo da coprire costantemente il globo terrestre e ruotare lontano dagli apparati delle reti GLONASS e NAVSTAR. I primi dieci verranno distribuiti sulle tre orbite previste, che saranno inclinate di 56 rispetto al piano equatoriale; ruoteranno compiendo un giro di rivoluzione completo in 14 ore. Ogni satellite avrà a bordo due orologi atomici di nuovissima generazione. Galileo è controllato da un segmento a terra, che dialogherà con le stazioni di coordinamento dei segnali tra i vari satelliti; a riguardo, oltre alla realizzazione di una rete mondiale di sistemi di rilevamento dati (auspicabilmente condivisa con quella del GPS) si prevedono oltre 100 stazioni in tutte le parti del mondo. Il problema pratico è la ridotta estensione dell Europa e la necessità di collocare le stazioni in luoghi del mondo che permettano di trasmettere in tutto lo spazio occupato dai satelliti. Ciò passerà per l ottenimento di concessioni da parte di altre nazioni legate all Europa. Per controllare costantemente la costellazione di satelliti in orbita, si opera dai Centri di Controllo, che sono uno primario (in Germania) ed uno di riserva (Italia); entrambi servono anche alla sincronizzazione degli orologi atomici imbarcati, l elaborazione del segnale di integrità e il trattamento dei dati trasmessi. I centri, denominati GCC (Galileo Control Centers) provvedono al controllo centralizzato della componente spaziale e di quella terrestre, costituendo così il cuore dell intero sistema. Nei GCC si effettuano le operazioni di routine per il controllo orbitale dei satelliti, ma anche le diverse e delicate operazioni di gestione e verifica del segnale radio emesso dai satelliti. Per conoscere lo stato e gli sviluppi futuri del progetto del Galileo è possibile visitare la pagina web dell ESA www.esa. int/esana/galileo.html o il sito italiano dell ESA, www.esa.int/esacp/ ESAGP2MBAMC_Italy_0. html. ricevono l orario ufficiale dal sistema e lo mantengono mediante precisi orologi a quarzo; ogni volta che agganciano un satellite, confrontano l ora del timer interno con quella in arrivo e ne deducono il ritardo con cui le onde radio lo hanno comunicato. Per esempio, se nel ricevitore sono le 14:06:10 e il segnale orario ricevuto dice invece che sono le 14.06.09 e 9/10 di secondo, significa che il segnale ha impiegato 1/10 di secondo ad arrivare a terra; dato che le onde radio viaggiano ad una velocità uguale a quella della luce, approssimabile a 300.000 km/s (che corrisponde alla velocità di propagazione nel vuoto) significa che il segnale del satellite ha percorso 30.000 km. Ricevendo quattro segnali, il ricevitore può determinare la propria posizione rispetto ai satelliti che l hanno trasmesso, dato che di essi si conosce la posizione nello spazio; infatti ognuno dice chi è ed il ricevitore dispone di una tabella con le Elettronica In ~ Febbraio 2011 101
Navstar: dove nasce il GPS La base del GPS, anche detta SPS, è il Navstar americano, che consta di una porzione collocata nello spazio (segmento spaziale) ed una a terra (segmento di terra) a sua volta divisa i due parti. Il segmento spaziale consiste in 28 satelliti (24 operativi e almeno 4 pronti a rimpiazzare quelli che dovessero guastarsi) posti in orbita non geostazionaria intorno alla Terra e collocati su sei piani orbitali a 26.560 km rispetto al centro della Terra; essi compiono un giro di rivoluzione, lungo 166.796,8 km, in 12 ore. Ogni orbita ospita quattro satelliti ed è inclinata di 55 rispetto al piano dell equatore; le sei orbite distano tra loro 60 esatti (6 x 60 = 360 ). Il gruppo di satelliti originario è stato completato nel 1993 ed ha iniziato a lavorare l 8 dicembre di quell anno; la piena operatività è stata raggiunta nel 1995. Siccome i satelliti impiegati hanno una durata limitata, la rete satellitare viene aggiornata con lanci ogni 10 anni, fi nalizzati alla sostituzione di quei satelliti che smettono di funzionare e non possono più essere rimpiazzati da quelli di scorta; il prossimo lancio è previsto avvenga nel 2012. La Tabella 1 riepiloga la collocazione dei satelliti sulle rispettive orbite, sia di quelli operativi, sia di quelli di scorta. Per leggere correttamente i dati nella tabella si consideri che il primo numero identifi ca il tipo di satellite o, meglio, il gruppo di appartenenza; fra parentesi si trova, invece, il numero del lancio (relativo alla rete Navstar) con il quale è stato portato in orbita. Attualmente già cinque satelliti sono stati messi fuori servizio (e non compaiono nella tabella) mentre uno andò distrutto, nel gennaio del 1997, in un lancio non riuscito. I gruppi di satelliti indicano le generazioni; il primo, detto blocco 1, è rappresentato dai satelliti usati durante la sperimentazione del Navstar e oggi non esistono più: consisteva in 11 elementi, che ruotavano su orbite inclinate di 63 e non di 55 come quelle dell attuale costellazione. Dopo il gruppo 1, sono stati messi in orbita i blocchi 2 e 2A, tuttora in funzione, con satelliti sia operativi che di scorta. La terza generazione (blocco 2R) è rappresentata da satelliti già in orbita e che sono andati a integrare l iniziale costellazione di 21 elementi; attualmente conta sei satelliti, uno dei quali è di scorta; gradualmente andrà a sostituire gli elementi dei gruppi 2 e 2A, man mano che questi arriveranno alla fi ne della loro vita. Infi ne, c è una quarta generazione (chiamata blocco 2F) prevista sia per rimpiazzare satelliti operativi non più utilizzabili, sia per operazioni di manutenzione e assistenza. Il segmento di terra del Navstar (Centro di Controllo) gestisce l attività dei satelliti, ossia invia ed aggiorna l orologio di sistema, verifi ca ed aggiorna le variazioni di rotta, ripete i segnali da una parte all altra del globo. Il segmento consta di una stazione di controllo, cinque postazioni di monitoraggio e tre antenne. La più importante è la stazione di controllo principale (Master Control Station): genera l ora di riferimento del sistema, verifi ca la condizione e la posizione dei satelliti e imposta il formato dei dati che ciascuno di questi invia a terra affi nché siano usati dai ricevitori. Per ragioni legate alla riduzione del tempo di trasmissione dei dati verso i satelliti, la comunicazione con essi avviene a frequenze di alcuni GHz; a tali valori le onde radio si propagano praticamente in linea retta, come la luce, quindi, affi nché possa ricevere le informazioni dal segmento di controllo, un satellite deve trovarsi in vista rispetto alla stazione che le trasmette. Siccome la stazione è unica, per come sono collocati i satelliti non può trovarseli tutti a vista nello stesso singole posizioni. Questo sistema consente di inviare due segnali: uno estremamente preciso, ma ad uso militare (e codificato) e l altro degradato, ad uso civile; ciò perché non avrebbe senso mettere a disposizione di tutti (tra cui potrebbero esserci potenziali nemici) lo stesso segnale che guida i militari. Il segnale preciso è contenuto nella banda L2 (1.227,6 MHz) mentre quello civile si trova nella L1 (1.575,42 MHz) che è l unica fruibile dai ricevitori civili. Dato che il segnale civile permette una localizzazione grossolana, con una tolleranza di circa 200 metri, può essere utilizzato direttamente nella navigazione marittima e in quella aerea, dove spazi del genere sono irrilevanti; nella localizzazione a terra serve più accuratezza, che è stata ottenuta aggiungendo sistemi complementari in grado di comunicare, ai ricevitori opportunamente equipaggiati, informazioni in grado di correggere l errore di rotta dei satelliti e fornire informazioni in grado di permettere ai ricevitori, unendole all informazione base del Navstar civile, di arrivare a una precisione anche inferiore ai due metri. L errore nella determinazione della posizione dipende essenzialmente da tre fattori: le deviazioni di rotta dei satelliti e quindi la differenza tra la posizione teorica e quella effettiva; gli effetti dell atmosfera sulle onde radio e, infine, le tolleranze negli orologi dei ricevitori GPS e quelle di calcolo, abbastanza rilevanti perché si tratta di gestire intervalli dell ordine di centesimi di secondo. Per ridurre l errore, è determinante il numero di satelliti agganciati dal ricevitore, perché più sono, più è facile avvicinarsi alla posizione reale semplicemente facendo una media delle distanze ricavate da ciascuno. La Tabella 2 indica la rilevanza dei vari effetti sulla precisione della localizzazione del Navstar civile. A limitare l errore introdotto dal segnale civile provvedono sistemi ausiliari di aumento della precisione (Augmentation 102 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
istante; quindi il sistema NAVSTAR prevede una serie di stazioni di ripetizione, collocate strategicamente. La stazione principale è situata nella base dell aeronautica militare di Schriever, in Colorado (U.S.A.) e dialoga con le cinque stazioni di monitoraggio, collocate nelle isole Hawaii, a Kwajalein, nell isola Ascension (Oceano Atlantico) a Diego Garcia (isola dell arcipelago delle Chagos nell Oceano Indiano, che ospita una base militare USA) e a Colorado Springs, passando loro le informazioni da inviare ai satelliti e ricevendo da essi i dati di manutenzione che riguardano la costellazione. Sempre a terra, sono posizionate quattro grandi antenne paraboliche per la ricetrasmissione dei dati dal sistema di controllo ai satelliti e viceversa; le antenne si trovano una nella solita isola Ascension, una nella stazione Diego Garcia, una a Kwajalein e l altra nella base USAF di Colorado Springs. Il posizionamento delle antenne e delle stazioni di monitoraggio è stato permesso sia dalla vastità del territorio degli U.S.A., sia dalla collaborazione della Gran Bretagna, che ha sparse per il mondo, isole che costituiscono vecchie colonie o protettorati. L orario del NAVSTAR viene aggiornato a terra e poi trasmesso ai satelliti, dalle stazioni di monitoraggio loro più vicine, perché a parità di velocità di propagazione delle onde radio il segnale impiega meno tempo a viaggiare da una stazione a terra a un satellite, piuttosto che da un satellite all altro, come accadrebbe se una sola postazione a terra inviasse l orario a uno solo dei satelliti e quest ultimo dovesse passare l informazione agli altri. Il sistema di aggiornamento permette di sincronizzare l orario dei satelliti dell intera costellazione garantendo differenze, tra l uno e l altro, non eccedenti il microsecondo; inoltre corregge e aggiorna automaticamente le effemeridi, che riportano, in determinati orari del giorno (tipicamente alle 24.00 e alle 12.00) le esatte posizioni dei singoli satelliti. Orbita Satellite 1 Satellite 2 Satellite 3 Satellite 4 Scorta A 2A-21 (39) 2A-12 (25) 2A-28 (38) 2A-15 (27) 2-4 (19) B 2A-18 (22) 2A-27 (30) 2-2 (13) 2A-22 (35) 2R-5 (44) C 2A-24 (36) 2A-25 (33) 2A-19 (31) 2A-20 (37) nessuna D 2A-11 (24) 2R-3 (46) 2-5 (17) 2A-23 (34) 2-9 (15) E 2R-4 (51) 2-8 (21) 2A-26 (40) 2R-7 (54) 2A-10 (23) F 2R-6 (41) 2A-14 (26) 2R-2 (43) 2A-16 (32) 2A-17 (29) Tabella 1 - Composizione del sistema Navstar o SPS; le sigle vanno lette considerando che il primo campo è il tipo di satellite mentre il secondo indica il numero nell attuale costellazione e il terzo il numero progressivo da quando è stato installato il sistema. Systems) che insieme al Navstar formano quello che intendiamo per GPS. Tali sistemi sono di due tipi: SBAS (Satellite Based Augmentation System) e DGPS; quest ultimo si avvale di una rete di computer che acquisisce i dati sulle condizioni atmosferiche nelle varie regioni del mondo e da esse desume quello che può essere l effetto sulla propagazione delle microonde che trasportano il segnale dei satelliti. Con questi dati ricava le informazioni per correggere i tempi di propagazione dei satelliti visibili dalle zone interessate e li trasmette via radio (in HF o VHF) in modo che i ricevitori DGPS possano riceverli e usarli per correggere gli errori di ricezione. I dati del DGPS possono anche essere diffusi da Internet, a beneficio dei ricevitori collegati via modem cablato o wireless. Quanto agli SBAS, si basano su una rete complementare di satelliti che inviano a terra segnali di completamento di quelli del Navstar; funzionano tutti alla stessa maniera e sono gestiti da enti diversi per coprire determinate zone del Pianeta. I sistemi WAAS ed EGNOS si appoggiano su una rete satellitare esistente da anni e nata per realizzare il sistema telefonico satellitare Inmarsat; per l esattezza, ne sfruttano tutti e quattro i satelliti. Il WAAS si serve di due satelliti visibili dall America (54 e 178 a ovest) mentre l EGNOS si avvale degli altri due, visibili dall Europa (15,5 a ovest e 25 a est). Inmarsat è la più datata rete di telefonia satellitare, operante ormai da circa dieci anni e basata su quattro satelliti posti in orbita geostazionaria (cioè che ruotano insieme alla Terra, al contrario dei satelliti GPS, che ruotano indipendentemente) intorno alla Terra, a una quota di 41.300 km dal livello del mare, che copre l intero globo terrestre. WAAS è il sistema satellitare di correzione dell errore di posizionamento nato per primo, negli U.S.A.: è stato sviluppato in due versioni (WAAS e CWAAS) che coprono l intera America Settentrionale; WAAS (Wide Area Augmentation System) fornisce la copertura nella parte riguardante gli U.S.A. e CWA- AS riguarda il Canada e il resto del Nord America. Funziona appoggiandosi a due satelliti della rete telefonica satellitare Inmarsat, che da terra ricevono le informazioni di correzione e le ritrasmettono su una banda di frequenze compatibile con quella del GPS civile (L1) e con un formato leggibile dai ricevitori civili. È operativo dal 2004. Esiste poi il MSAS (Multi-fun- Tabella 2 - Cause d errore nell indicazione ottenibile dal GPS basato sul solo Navstar. Causa Scarto sulla localizzazione Ritardo nella propagazione ionosferica ± 5 m Ritardo nella propagazione troposferica ± 2,5 m Differenza fra traiettoria teorica e reale (multipath) ± 1 m Imprecisione degli effemeridi ± 2,5 m Errori di calcolo ± 1 m o meno Tolleranza dell orologio del satellite ± 2 m Elettronica In ~ Febbraio 2011 103
In Lombardia il GPS è più preciso Sappiamo che il segreto della precisione nella localizzazione satellitare è nei sistemi di correzione dell errore, i più diffusi dei quali (DGPS, WAAS, EGONS) sono sì accessibili gratuitamente, però consentono una precisione limitata ad alcuni metri. È tuttavia possibile determinare la posizione con una precisione centimetrica, però in questo caso ecco che i fornitori di dati di correzione hanno fi utato il business; infatti, dato che l esigenza di localizzare dei punti con uno scarto di alcuni centimetri è del settore professionale, chi fornisce dati precisi se li fa pagare... e bene! Oltre ai privati, in questo settore sono scesi in campo enti istituzionali, come ad esempio la Regione Lombardia, che per il proprio territorio offre informazioni di correzione cui i ricevitori GPS possono accedere solo dietro pagamento di un canone. Il servizio è rivolto a chi opera nel campo della cartografi a e dell edilizia, per tracciare i confi ni di terreni e fabbricati, effettuare registrazioni al catasto ecc. Lo stesso servizio può essere sfruttato dall edilizia stradale per guidare automaticamente le macchine operatrici e quelle che tracciano i percorsi delle strade, ma anche nell agricoltura di precisione, per guidare i trattori e le mietitrebbie e in generale le macchine di raccolta automatica, dritte alle piante da cui cogliere i frutti. ctional Satellite Augmentation System) simile al WAAS, ma concepito per dare l ausilio ai ricevitori GPS operanti nell Estremo Oriente (sopra la penisola nipponica). EGNOS (European Geographic Navigation Overlay System) operativo dall inizio del 2006, è il sistema Europeo di correzione ed è basato su tre elementi: una rete di satelliti geostazionari cui si aggiungerà tra breve un terzo satellite (Artemis) il cui segnale al momento viene solo ricevuto, ma non acquisito; una rete di stazioni terrestri di elaborazione dei ritardi del segnale emesso dai satelliti GPS a causa della ionizzazione della troposfera; le stazioni centrali di elaborazione dei dati. I satelliti cui il sistema si appoggia sono gli altri due dell Inmarsat, che, analogamente a quanto detto per il WAAS, vengono aggiornati da terra e ritrasmettono i dati di correzione su frequenze e con formato compatibili con i ricevitori GPS ad uso civile. Le stazioni a terra rilevano l errore dei dati trasmessi dai satelliti GPS, imputabile in massima parte alla ionizzazione degli strati più bassi dell atmosfera, confrontando la propria posizione (calcolata tramite i dati dei satelliti GPS) con i dati generati dal loro sistema (elaborati basandosi esclusivamente sui dati delle orbite dei satelliti e sulla posizione certificata della stazione). Per estendere l area monitorata e dare, con una sola stazione, dati inerenti a più zone geografiche, è stata creata una rete di punti di rilevamento capaci di valutare il margine di errore relativo a ciascuno di essi e informarne la stazione. Le stazioni di elaborazione dell errore dei dati GPS sono sparse su tutto il territorio europeo e rilevano ciascuna un modello di errore valido per la zona di pertinenza. I dati rilevati vengono inviati a una stazione centrale di elaborazione. Ciò realizza un reticolo di fattori di correzione molto fitto, i cui dati vengono aggiornati in tempo reale, in quanto le condizioni di propagazione del segnale GPS attraverso l atmosfera mutano rapidamente in relazione alla situazione meteo. I fattori di correzione vengono inviati ai satelliti WAAS/ EGNOS, per poter essere finalmente ritrasmessi a terra utilizzando la frequenza GPS (esattamente la L1) e ricevuti dai terminali utente abilitati. Il terminale che li riceve seleziona i dati validi per i punti del reticolo a lui più vicini e li applica ai satelliti che sta ricevendo in quel momento ed utilizzando per il calcolo della sua posizione. L area di copertura del sistema è attualmente estesa, oltre che all Europa, anche a tutto il Nord Africa (compresi Marocco settentrionale, Tunisia, Algeria e Libia). Trovate le informazioni riguardanti il Navstar e i sistemi che collaborano a realizzare il GPS, sul sito www.gps.org. GPS E GNSS Oggi non ha più senso parlare solo di GPS, perché operano o sono in fase di completamento altri sistemi che, a seconda degli equilibri politico-economici, potranno essere complementari o alternativi. Tutti insieme formano il GNSS (Global Navigation Satellite System) che sfruttato correttamente consentirà di condensare tutte le prerogative dei singoli sistemi. Il più datato dei sistemi alternativi al GPS è 104 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
Anche i cinesi sanno dove siamo il russo GLONASS, che però ha attraversato una fase di restauro, dopo che per carenza di fondi molti dei suoi componenti sono andati fuori servizio e qualche satellite ha rischiato di ricadere sulla Terra. Concettualmente funziona come il GPS, cioè si basa sulla trasmissione a terra del segnale orario e di altri dati. Di recente, alla luce del rinnovo e potenziamento del GLONASS, sono stati realizzati ricevitori GPS in grado di avvalersi dei segnali di questo sistema; ciò permette un incremento della precisione combinando i due segnali e confrontandoli tra loro. Case come Nokia, Motorola e Qualcomm sono interessate a dotare i propri apparati di chip per la ricezione del segnale russo. E il governo russo ha speso molto denaro per rilanciare il GLONASS e pare che intenda recuperarli incentivando l acquisto di apparati che ricevano il suo segnale e disincentivando chi vuol comperare smartphone privi del ricevitore GLONASS (si parla di dazi che gravano sul 25 % del valore entro il 2012). Il terzo e più giovane sistema di localizzazione da satellite è quello cinese, evolutosi in due fasi: nella prima era basato su ricevitori che comunicavano con i satelliti, mentre la versione odierna è più simile al GPS. Se i cinesi lo renderanno accessibile, consentirà ai ricevitori, in grado di sfruttarne il segnale, di aumentare la precisione. A partire dal 2000 la Cina ha messo in orbita un proprio sistema di localizzazione satellitare chiamato Beidou 1 (Beidou significa stella polare ) che copre solamente la Cina e i paesi limitrofi. A differenza di GLONASS e Galileo, la copertura di Beidou 1 è limitata a 70 140 gradi est e 5 55 gradi nord, in quanto i satelliti sono appena quattro e sono geostazionari. Inoltre, a differenza di un ricevitore GPS, che non trasmette alcunché, un terminale Beidou 1 è un ricetrasmettitore: deve sia ricevere il segnale dei satelliti della costellazione cinese, sia trasmettere un segnale radio verso di essi, il che implica l adozione di potenti trasmettitori, commutatori ricezione/trasmissione per usare un unica antenna e il consumo di molta corrente, cosa che limita gli apparati all uso sui veicoli a motore. Comprendendo i limiti di questo suo sistema, la Cina, oltre ad aver chiesto la partecipazione al progetto Galileo, ha avviato la costruzione della seconda generazione del proprio sistema satellitare, chiamato Beidou 2, che ricalcherà i principi tecnico/operativi di GPS, GLONASS e Galileo, grazie a 35 satelliti in orbita bassa. Entro il 2012 si suppone che Beidou diverrà operativo sopra la Cina e le regioni vicine, mentre per il 2020 si ipotizza la copertura mondiale. Il primo satellite del Beidou 2 (chiamato Compass-M1) è stato messo in orbita nell aprile 2007; il secondo satellite (Compass-G2) è stato lanciato il 15 Aprile 2009 ed il terzo (Compass-G1) è stato messo in orbita dal vettore LM-3C nel gennaio 2010. Il quarto è stato collocato il 2 giugno scorso ed il quinto, portato in orbita dal vettore LM-3I, il primo agosto, sempre del 2010. Tre mesi più tardi (1 novembre 2010) è stato messo in orbita anche il sesto satellite; il settimo sarà lanciato a breve. Dal gennaio 2010 è operativo un sito web che aggiorna sull attività del sistema Beidou: si tratta di www.beidou.gov. cn. Un altro interessante sito, che si occupa dell attività aerospaziale cinese ma non è governativo, è www. sinodefence.com/default.asp. GALILEO Più interessante di tutti è il sistema dell ESA (Ente Spaziale Europeo) che è nato per ultimo e ancora deve essere completato: la filosofia di Galileo è nettamente diversa da quella dei concorrenti, in quanto il sistema nasce per scopi civili e non militari, come è invece per Navstar, GLONASS e Beidou. In Galileo, oltre al segnale per la localizzazione, i satelliti possono rendere disponibili numerosi dati e servizi, alcuni dei quali saranno ad uso pubblico e di pubblica utilità ed altri verranno venduti. Dunque, si tratta di un concetto innovativo e quando sarà operativo, i ricevitori multistandard potranno beneficiare anche del suo segnale. Già esistono ricevitori in grado di ricevere i segnali GPS e Galileo, sebbene attualmente la costellazione europea sia incompleta. Galileo è certamente uno dei progetti più ambiziosi dell Unione Europea, con potenzialità di impiego straordinarie in quasi tutti i settori: energia, trasporti terrestri marittimi e navali, sicurezza, agricoltura, finanza. Galileo nasce dalla considerazione che i sistemi esi- Elettronica In ~ Febbraio 2011 105
Tabella 3 - Caratteristiche principali dei segnali attualmente utilizzati nei sistemi GPS, Galileo e EGNOS. Sistema Banda Servizio fornito Tipo di modulazione Code Rate (Mcps) Data Rate (bps) Frequenza di centro banda (MHz) Larghezza di banda (MHz) Sensibilità richiesta al ricevitore (dbw) GPS L1 SPS, PPS BPSK -158.5 (C/A) 1.023 (C/A), 2.046 (C/A) 50 157.542 10,23 (P) 20,46 (P) -161.5 (P) GPS L2 SPS, PPS BPSK -158.5 (C/A), 0,5115 (C/A), 1.023 (C/A) 50 1.227,60 5,115 (P) 10,23 (P) -161.5 (P) GPS L5 SPS BPSK 10,23 25 1.176,45 24-157.9 Galileo E1 OS, CS, SoL BOC(1,1) 1.023 125 1.575,42 24,552-157 Galileo E6 CS BPSK 5,115 500 1.278,75 40,92-155 Galileo E5a OS 10,23 25 1.176,45-155 AltBOC(15,10) 51,15 Galileo E5b OS, CS, SoL 10,23 125 1.207,14-155 SBAS L1 SPS, SoL BPSK 1.023 250 1.575,42 2.046-161 Tabella 4 - Caratteristiche principali dei segnali previsti per i sistemi GPS e Galileo. Sistema Banda Servizio fornito Tipo di modulazione GPS L2/ L2C Civil BPSK Code Rate (Mcps) 0.5115 (CM), 0.5115 (CL) Data Rate (bps) Frequenza di centro banda (MHz) Larghezza di banda (MHz) Sensibilità richiesta al ricevitore (dbw) 50 1.227,60 2.046-160 GPS L5 Civil QPSK 10.23 (I5), 10.23 (Q5) 50 1.176,45 20,46-154.9 GPS L1-L2/ M code Military BOC(10,5) cryptography generated N/A 1.575,42-1.227,60 30,69-158 GPS L1/ L1C Civil BOC(1,1) or TMBOC 1.023 (CP/D), 100 (CO) 50 or 75 1.575,42 4,092-157 Galileo E1/ OS E1 OS CBOC(6,1,1/11) 1.023 125 1.575,42 4,092-160 Galileo E1/ PRS PRS BOCcos(15,2.5) 2.5575 N/A 1.575,42 35,805 N/A stenti, sebbene utilizzati anche per scopi diversi, restano essenzialmente strumenti militari e possono essere resi inaccessibili ai civili o limitati nelle funzionalità per esigenze belliche. Il principale obiettivo del programma Galileo è quello di fornire maggior precisione nella geo-localizzazione rispetto a quella attualmente fornita dal GPS, aumentare la copertura globale soprattutto nelle regioni a maggior latitudine (> 75 ), rendere maggiormente disponibile il suo segnale nelle aree urbane ed avere una elevata continuità di servizio. Sebbene sia stato pensato per essere indipendente ed autosufficiente, Galileo sarà interoperabile con il GPS. Un passo significativo nello sviluppo è stata l inaugurazione -il 20 dicembre scorsodel Centro di Controllo a terra (GCC), situato presso il centro spaziale di Telespazio, nel Fucino che, insieme a quello di Oberpfaffenhofen (in Germania) è il punto da cui i satelliti ricevono i dati di aggiornamento e inviano a terra tutte le informazioni di diagnostica e quelle utili ad informare il sistema sul cambiamento di rotta e posizione. Il centro si estende per 5.000 m² e a regime ospiterà oltre 100 tecnici e operatori specializzati che gestiranno i 30 satelliti e le attività operative relative al funzionamento del sistema; dalla sala controllo principale si potrà monitorare e modificare l orbita di tutti i satelliti della costellazione e coordinare una rete di circa 40 stazioni terrestri dislocate. La collocazione sul territorio italiano assegna al nostro Paese un ruolo chiave nel progetto Galileo. Nel 2014 Galileo fornirà un servizio aperto e gratuito, uno di ricerca e salvataggio ed un servizio pubblico regolamentato. Sono previsti inoltre i servizi per la sicurezza delle persone e quello commerciale, che saranno testati quando Galileo avrà raggiunto la piena capacità operativa, con la messa in orbita di tutti e 30 i satelliti che ne comporranno la costellazione. Saranno inoltre sviluppate applicazioni in diversi settori, quali trasporto stradale, aereo, ferroviario e marittimo, agricoltura, telecomunicazioni, geodesia, cartografia, ricerche gas/ petrolifere e minerarie. Il costo totale del progetto Galileo è di circa 3,4 miliardi di euro ed è finanziato sia da fondi pubblici, sia dall intervento di sponsor privati che hanno già stanziato 100 milioni di euro per quest anno. I finanziatori privati potranno avere un ritorno economico dalla partecipazione agli utili derivanti dalla vendita dei servizi; ma anche dai risparmi legati all uso del sistema: ad 106 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
esempio, si stima che per ogni punto percentuale di riduzione del tempo di viaggio stradale (e perciò di inquinamento, di incidenti, di traffico) ottenibile da Galileo, si possano risparmiare circa 200 miliardi di euro. Nell aviazione, la stessa riduzione può essere di circa 0,5 miliardi di euro. Si calcola anche che i benefici economici legati all uso di Galileo saranno, nel ventennio 2000 2020, quantificabili in 74 miliardi di euro; cifre estremamente elevate, che garantiscono guadagni con margini di rischio piuttosto ridotti, tenendo conto che le potenzialità di Galileo vanno ben oltre una riduzione dell 1 %. Anche la Cina, nel 2003 ha annunciato di partecipare al progetto Galileo, con un investimento di 230 milioni di euro, in cambio dell accesso ai servizi. Proprio l intenzione di vendere parte dei servizi per recuperare l investimento e quindi la disponibilità solo in parte delle potenzialità del sistema, ha creato qualche attrito con la Comunità Scientifica Internazionale, dato che sia GPS che GLONASS sono accessibili gratuitamente. Nell intento di ricucire lo strappo, gli sviluppatori del sistema Galileo stanno mediando tra gli interessi economici dei finanziatori e quelli della futura utenza. La gestione di Galileo sarà affidata a una struttura formata da membri della Commissione Europea e dell ESA, anche se si pensa già a costituire un agenzia specifica con il compito di sviluppare e coordinare il progetto; in quest ottica, Roma sembra sia il posto più adatto. Secondo le aspettative, la copertura del Galileo sarà più uniforme di quella del GPS: il 95 % del territorio urbano contro il 50 %; si stima che 160 milioni di veicoli in Europa potranno usufruire di questo servizio e che la capillare infiltrazione del segnale Galileo renderà possibile l uso della navigazione satellitare in zone densamente urbanizzate, all interno di edifici e persino nei trafori, senza bisogno di sistemi di guida probabilistica quali il Dead Reckoning. La precisione e la disponibilità del segnale saranno di aiuto al settore delle assicurazioni per rintracciare i veicoli rubati, registrare la percorrenza dei veicoli nel caso questa determini particolarità tariffarie, seguire i movimenti di merci pericolose, ma anche nell aviazione. I SERVIZI OFFERTI DA GALILEO Compatibilmente con la banda disponibile secondo le direttive della WARC (World Administrative Radio Conference) il sistema Galileo sarà in grado di offrire servizi di vario tipo, che possono essere riassunti in due categorie: Open Service; è il servizio gratuito destinato a navigazione, controllo di mezzi di trasporto, ricerca e salvataggio e metterà in grado qualsiasi utente provvisto del terminale Galileo di conoscere la propria posizione; l accuratezza del calcolo della posizione sarà migliore rispetto al GPS attuale; il servizio di localizzazione ed il broadcast del segnale orario sarà di libero accesso; Open Service non garantisce la continuità del servizio e neppure l informazione di integrità del segnale; Public Regulated Service (PRS); si basa su un segnale cifrato di cui è garantita la continuità, utilizzato essenzialmente da organi di Pubblica Sicurezza, come ad esempio le forze di Polizia, la Protezione Civile, le Forze Armate per trasmissioni sicure; i servizi PRS sfrutteranno un canale di comunicazione controllato dai governi degli stati membri dell UE e potrebbero essere utili, fra l altro, per migliorare gli strumenti e i mezzi utilizzati dall Unione Europea nella lotta contro le esportazioni illegali e l immigrazione clandestina. Molto importante sarà il Safetyof-life service, destinato ai casi in cui alle prestazioni del sistema è legata in qualche modo la sicurezza delle persone; oltre alle prestazioni dell Open Service, garantirà un segnale di integrità che avviserà tempestivamente l utente nel caso in cui le prestazioni del sistema dovessero risultare degradate. Questo servizio è rivolto specialmente alla sicurezza dei trasporti marittimi, aeronautici e ferroviari; la Galileo Operating Company garantirà il servizio, certificherà gli apparati e avrà la responsabilità della funzionalità del sistema. Galileo sarà impiegato anche a sostegno dell aeronautica; a questo proposito e con il contributo dell Università di Pisa, è in atto uno studio per verificare la possibilità di installare a bordo di un UAV (Unmanned Aircraft Vehicle) un sistema di guida basato su Galileo. Proprio gli UAV potrebbero essere usati in modo intensivo per il controllo del territorio o per il controllo di eventi catastrofici laddove l intervento dell uomo può essere pericoloso, come negli incendi, nelle tempeste, o negli uragani. Per limitare il rischio che un UAV, a causa di una perdita Elettronica In ~ Febbraio 2011 107
Il GLONASS rinasce dalle sue ceneri Acronimo di GLObal naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, è il sistema di posizionamento globale russo o meglio, sovietico, dato che risale all epoca dell ex U.R.S.S. Somiglia al GPS e dal 1995 si può usarlo per usi civili, non a caso esistono ricevitori combinati GPS/GLONASS. Il GLONASS nacque intorno al 1960, quando sorse l esigenza di un sistema per la guida dei missili balistici, perché l esistente Tsiklon era troppo lento. I primi satelliti furono lanciati nel 1982, ma, dopo appena sette anni, 16 su 24 erano già fuori uso e quindi solo 8 risultavano operativi; colpa della crisi economica che investì l ex Unione Sovietica. Nel gennaio 1996, con la disponibilità di nuovi fondi, i russi hanno completato la loro costellazione di 24 satelliti (21 operativi più tre di scorta) anche se si poteva sfruttarne sì e no la metà. Nel 2002 è stato dato il via al programma di rinnovo del GLONASS, che prevede la messa in orbita di 24 satelliti entro il 2010, ad un ritmo di un lancio all anno, ciascuno dei quali porterà nello spazio due o tre satelliti. Attualmente la costellazione è composta da satelliti tipo GLONASS e GLONASS-M; questi ultimi sono tecnicamente migliori dei precedenti e più longevi (7 8 anni di vita). Attualmente, sono disponibili satelliti di terza generazione (GLONASS-K) che sostituiranno quelli in orbita e dureranno 10 anni. I satelliti della rete russa ruotano su 3 piani orbitali (spaziati tra loro di 120 ) ognuno dei quali ospita 8 satelliti (identificati da un numero di slot che definisce il piano orbitale e la posizione all interno del piano) che compiono ciascuno un giro completo in 11 ore e 15 minuti primi. L inclinazione dei piani orbitali è 64,8 e le orbite sono circolari, con raggio (distanza dal centro della Terra) di 25.460 Km (19.140 km dal livello del mare). Nel GLONASS i segnali trasmessi da ciascun satellite sono simili a quelli del NAVSTAR: ci sono una portante L1 a 1.602 MHz ed una L2 a 1.246 MHz, modulate in fase con codici C/A di 511 khz e P di 5,11 MHz, ma non sono previsti né degrado del segnale civile né crittografia, però le portanti possono essere variate. Come il GPS, il GLONASS consta di un segmento spaziale (che oltre ai 24 ordinari ospita due satelliti geodetici Etalon usati per valutare il campo gravitazionale all altitudine e inclinazione pianificate) e uno di terra interamente collocato nel territorio dell ex Unione Sovietica. Il GCC è a Mosca e le stazioni di tracciamento e telemetria sono a San Pietroburgo (Russia) Ternopol (Ucraina) Eniseisk e Komsomolsk-na-Amure (Russia). Lo stato attuale del GLONASS può essere consultato sul sito www. glonass.it, che attinge al sito ufficiale russo www. glonass-ianc.rsa.ru/ di cui segnaliamo le pagine sulla composizione della costellazione (www.glonass-ianc. rsa.ru/pls/htmldb/f?p=20 2:20:2445262893636619 ::NO) e la posizione dei satelliti in tempo reale (www. glonass-ianc.rsa.ru/pls/ htmldb/f?p=202:22:22879 31196958844::NO:::). del segnale di controllo possa cadere in modo incontrollato, si sta pensando all uso di Galileo per interagire con un sistema di guida autonomo e autogestito che prenda il controllo dell aereo e lo faccia atterrare al sicuro. NON SOLO NAVIGATORI Il miglioramento della localizzazione reso possibile dal GPS ha stimolato la ricerca di nuove applicazioni e l impiego del sistema in ambiti che prima erano territorio di caccia di altre tecnologie; uno di questi è il settore aeronautico, dove si mira a sostituire con il GPS il radar di terra. In America è in fase di test una rete di sfruttamento dei dati mirata ai vari momenti dell assistenza al volo. Potendo disporre di informazioni meteorologiche, normalmente utilizzate per determinare gli effetti dell atmosfera sul segnale del GPS, il WAAS dà un valido aiuto anche per quel che riguarda le indicazioni meteo, ai velivoli la cui strumentazione di bordo prevede la guida assistita in 108 Febbraio 2011 ~ Elettronica In
caso di forti perturbazioni, vuoti d aria ecc. Grazie al WAAS è stato realizzato il LAAS (acronimo di Local Area Augmentation System) un sistema installato negli aeroporti principali o al centro di più aeroporti vicini: una stazione LAAS copre un area circolare che ha da 30 a 50 km di raggio e viene usata per le operazioni di terra, ma anche per atterraggio e decollo. Invia il segnale di correzione attraverso un collegamento radio VHF (la stessa banda sulla quale comunicano aerei e torri di controllo) similmente al DGPS e nelle intenzioni degli sviluppatori servirà a localizzare con estrema precisione gli aerei in fase di decollo o atterraggio ed evitare che, in condizioni di pessima visibilità, possano verificarsi collisioni. Nel Nordamerica il WAAS viene sfruttato come ausilio alla navigazione aerea nelle zone dove non c è sufficiente strumentazione di terra. Anche l europeo EGNOS è entrato nel settore aeronautico: il 12 luglio scorso l ICAO (International Civil Aviation Organization) ha certificato l adozione del sistema come ausilio al trasporto aereo, in sostituzione o complemento dell ILS, che garantisce una precisione in avvicinamento di 40 metri lateralmente e 50 metri in verticale, soddisfando i requisiti dell ILS Categoria 1. In occasione dell approvazione dell EGNOS, è stata rimossa la dicitura Do not use for safety applications che accompagnava le stringhe dati dell EGNOS. Cambiando completamente ambito, possiamo citare l adozione del segnale del GPS nella cosiddetta agricoltura di precisione, dove le macchine agricole vengono guidate automaticamente da sistemi computerizzati basati sul posizionamento satellitare; ad esempio le trebbiatrici seguono percorsi ben definiti limitando al minimo la sovrapposizione tra due passate vicine e quindi risparmiando tempo e combustibile. Inoltre, durante le fasi di raccolta, speciali macchine guidate da computer che elaborano i dati delle foto da satellite e col segnale del GPS determinano la posizione della frutta matura. Lo stesso vale per la semina, che viene condotta con grande precisione e in modo automatico grazie al GPS. Il posizionamento globale viene anche in aiuto dei soccorritori alla ricerca di persone smarrite: gli escursionisti trovano da tempo sul mercato localizzatori estremamente compatti e alimentati a pile, trasportabili senza incomodo e utilissimi laddove dovessero smarrirsi in montagna. Ultimamente c è anche chi usa i localizzatori nella preparazione sportiva: chi corre a piedi li impiega per conoscere dal proprio computer i chilometri percorsi, mentre chi va in bicicletta può fare altrettanto e vedere altresì il tracciato percorso. Elettronica In ~ Febbraio 2011 109