Applicazione dei sistemi di navigazione ai droni

Oltre che sui nuovissimi F-35, la Marina Militare Italiana ha deciso di investire su una risorsa del tutto rivoluzionaria, che fino a pochi anni fa era quasi impensabile, gli aeromobili a pilotaggio remoto, ovvero gli Unmanned Aerial Systems 95 (UAS). Questi mezzi rappresentano un aiuto fondamentale per le operazioni ad alto rischio perché permettono di eseguire le missioni più difficili senza mettere in pericolo la vita dei piloti. Così la MMI ha acquistato due modelli del drone chiamato Schiebel Camcopter S-100, sviluppato dall'azienda austriaca Schiebel Elektronische Geräte GmbH negli anni duemila. Questi droni si trovano attualmente su Nave San Giusto e sono equipaggiati con un sensore elettro-ottico ed infrarosso (EO/IR) che permettono all’Unità Navale di vedere ben oltre il proprio orizzonte.

95 _{Un aeromobile a pilotaggio remoto, noto comunemente come drone, è un apparecchio volante}

caratterizzato dall'assenza del pilota a bordo.

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Questo modello è dotato di un sistema GPS ridondante, che permette una continuità delle capacità operative anche in caso di un’avaria. I droni rappresentano il futuro dei mezzi militari e civili, ma il loro sviluppo è ancora lungo e pieno di difficoltà. Sicuramente questi mezzi vedranno al loro interno il Galileo perché è un sistema molto più preciso e affidabile del suo rivale, il GPS. Ma ci vorrà ancora molto tempo prima di vedere questi droni sostituire i classici aeromobili.

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CONCLUSIONI

In questo elaborato sono stati trattati i sistemi di radionavigazione più utilizzati in tutto il mondo ponendo grande attenzione al grande colosso americano che ha smosso il mondo della ricerca ed ha dato il via libera alla cosiddetta “corsa allo spazio”, il GPS e al suo rivale più giovane, Galileo.

I sistemi GNSS stanno diventando sempre più importanti. Non solo sono molto rilevanti per l'economia, ma hanno anche un enorme impatto sulla vita quotidiana degli esseri umani. I sistemi GNSS servono ad una serie di scopi legati al trasporto o al posizionamento. A livello globale fungono anche da sistema di sincronizzazione per una perfetta misurazione del tempo. Nell'ultimo periodo la navigazione satellitare è stata utilizzata, sempre più frequentemente, anche per i satelliti stessi. Conoscere l'esatta posizione del satellite che si trova nello spazio ha un grande significato, soprattutto quando si tratta dei servizi offerti da queste piattaforme.

GNSS è l'acronimo di Global Navigation Satellite System. Contrariamente al significato apparentemente semplice della sigla, i sistemi GNSS non svolgono direttamente compiti di navigazione. Ad esempio, il loro ruolo non è definire il percorso, fornire indizi, indicazioni, consentendo al destinatario di raggiungere una posizione specifica. Lo scopo di tale sistema è unicamente quello di definire la posizione del destinatario all'interno di uno specifico sistema di coordinate in un momento specifico.

Il mercato relativo a tali servizi gode di una crescita costante. Secondo il GNSS Market Report 201796 pubblicato da GSA, il valore del mercato esclusivamente per l'UE salirebbe da 21,9 miliardi di euro (2015) a 59,4 miliardi di euro nel 2025. Secondo il suddetto rapporto si stima che quasi 8 miliardi di ricevitori saranno in uso entro il 2021. A livello globale, ciò si traduce in media in un dispositivo per singola persona. Gli smartphone costituiscono la stragrande maggioranza di questo hardware, infatti oggi costituiscono l'80% dei ricevitori GNSS.

Tra le costellazioni di satelliti GNSS, quattro offrono una copertura mondiale. Questi sono: GLONASS russo, GPS statunitense, Galileo europeo e sistemi BeiDou cinese. I primi tre

96 _{Rappresenta una risorsa chiave per navigare in un mondo in rapida evoluzione nel campo tecnologico della}

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sono pienamente operativi, mentre il restante è ancora in fase di implementazione, con la piena capacità operativa prevista di essere raggiunta entro il 2021.

Oltre ai suddetti sistemi globali, vengono utilizzati anche i cosiddetti SBAS97, Satellite Based Augmentation Systems, per aumentare le capacità di navigazione a livello regionale. Questo tipo di servizi viene utilizzato allo scopo di regolare e migliorare l'accuratezza e l’affidabilità dei dati di posizionamento forniti dai sistemi globali GNSS. I sistemi europei EGNOS98 o US WAAS99 sono i migliori esempi di SBAS.

“I sistemi globali esistenti, come GPS o GLONASS, non forniscono affidabilità del segnale in tempo reale, accuratezza momentanea o dati di funzionamento in tempo reale. Tuttavia, questo dato rimane fondamentale, ad es. per un aereo in finale, utilizzando il ricevitore GNSS. In considerazione di quanto sopra, sono stati creati sistemi di potenziamento satellitare che forniscono le informazioni in tempo reale, trasmettendo anche opportune regolazioni che consentono di aumentare la precisione di posizionamento.” Questo è quanto afferma il prof. Paweł Wielgosz, University Of Warmia And Mazury In Olsztyn, Polonia.

97 _{Migliorano l'accuratezza e l'affidabilità delle informazioni GNSS correggendo gli errori di misurazione del}

segnale e fornendo informazioni sull'accuratezza, integrità, continuità e disponibilità dei suoi segnali.

98 _{European geostationary navigation overlay system, ovvero Sistema geostazionario europeo di navigazione}

di sovrapposizione: è un sistema sviluppato dall'Agenzia Spaziale Europea, dalla Commissione europea e da EUROCONTROL, costituito da una rete di satelliti e basi terrestri, per incrementare l'accuratezza e l'integrità dei dati del sistema GPS per applicazioni critiche come l'aeronavigazione o la navigazione attraverso strette zone di mare.

99 _{Il Wide Area Augmentation System è un sistema di miglioramento del Global Positioning System con}

l'obiettivo di migliorare accuratezza, integrità e disponibilità.

101 L’utilizzo del GNSS sulla Terra e in aria

La logistica è un campo in cui viene spesso utilizzato il posizionamento satellitare. Ciò riguarda i servizi di localizzazione dei veicoli e di gestione della flotta, consentendo una gestione razionale dell’insieme di veicoli di una singola entità, come per esempio una grande azienda. Inoltre, il traffico all'interno di un determinato spazio può essere monitorato anche dagli organi autorizzati, grazie ai servizi di navigazione. Questo tipo di attività trova applicazione nei casi di traffico automobilistico, ferroviario, navale o aereo.

I sistemi GNSS hanno anche una comprovata esperienza di utilizzo per scopi agricoli nella cosiddetta agricoltura di precisione. Qui vengono utilizzati, ad esempio, per controllare automaticamente le macchine agricole. La mappatura e la ricerca condotta con l'uso della navigazione satellitare possono essere utilizzate nella geodesia o nell’ ingegneria civile, nella creazione di strade o in caso di attività minerarie.

I servizi basati sulla posizione, LBS100, sono un altro importante segmento delle funzioni dei GNSS. Tra i suddetti servizi rientrano le offerte di marketing personalizzate fornite all'utente dello smartphone. Le suddette offerte si basano sia sulle preferenze personali dell'utente (ad esempio nell'ambito della selezione di ristoranti che offrono cucina regionale) sia sul luogo in cui si trova il potenziale cliente, nel momento in cui viene presentata l'offerta. Le LBS includono anche la navigazione vera e propria, selezionando i percorsi verso la posizione data insieme a suggerimenti su come si potrebbe raggiungere il luogo specificato.

Infine, i sistemi di navigazione satellitare sono un ottimo strumento utilizzato per misurare con precisione il tempo e sincronizzare gli orologi a terra. Questa funzione è utile ad esempio nel settore delle transazioni bancarie. La misurazione del tempo GNSS è utile anche per le aziende energetiche che, grazie a detto servizio, rimangono in grado di monitorare il flusso di energia all'interno delle proprie reti elettriche.

I segnali forniti dai satelliti di navigazione possono anche essere utilizzati per misurare i cambiamenti che si verificano nel campo magnetico terrestre causati dalle tempeste ionosferiche. La ricerca sull'impatto delle tempeste ionosferiche amplia notevolmente la conoscenza umana sulle dinamiche ionosferiche legate all'attività del Sole. La suddetta

100 _{È un termine generale che indica servizi software che utilizzano dati e informazioni geografiche per}

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iniziativa consentirà anche di perfezionare i ricevitori GPS inviati in orbita, in modo che la perdita del segnale di posizionamento sia meno probabile.

L’utilizzo del posizionamento satellitare nelle Missioni spaziali

I ricevitori GNSS sono stati, da molti anni, una componente di numerosi oggetti inviati in orbita. Tali strumenti montati sui veicoli di lancio consentono il tracciamento accurato della loro traiettoria, necessaria per posizionare il satellite nell'orbita di destinazione corretta. Lo stesso tipo di ricevitori viene utilizzato anche in caso di altri satelliti, e qui lo scopo è simile: tracciamento ad alta precisione, che consente la conferma della posizione del satellite in un dato momento.

“L'applicazione di base per i ricevitori GNSS spaziali consiste nell'impostare i parametri di orbita dei satelliti che trasportano il ricevitore. Ciò è necessario per garantire il corretto funzionamento della maggior parte dei satelliti, come i satelliti SAR o altimetrici. Inoltre, i ricevitori GNSS via satellite vengono utilizzati anche per eseguire l'occultazione radio, allo scopo di ricercare la meteorologia spaziale e le temperature dell'atmosfera.”101

Resta del tutto ovvio che il segnale inviato dai satelliti di navigazione nelle orbite MEO, ad altitudini di circa 20mila chilometri, possa essere utilizzato allo scopo di posizionare gli strumenti posti nelle orbite LEO.

La tecnologia utilizzata oggi consente anche di utilizzare la rete GNSS per posizionare i satelliti in orbita molto più in alto, ad esempio sull'orbita geostazionaria, 35.768 chilometri sopra la Terra. Questo è abbastanza complicato, poiché i satelliti di navigazione emettono i loro segnali direzionalmente, verso la Terra. Quindi, per posizionare i satelliti in orbita GEO, vengono utilizzati sistemi GNSS in orbita media, poiché "guardano" verso il pianeta. Quindi, per determinarne la posizione, un satellite in orbita geostazionaria deve intercettare i deboli segnali emessi dai sistemi satellitari posti dall'altra parte della Terra, a distanze fino a 50mila chilometri.

Un tipico ricevitore GNSS progettato per applicazioni spaziali pesa 6 chilogrammi e ha dimensioni di circa 30 × 30 × 15 cm. Pertanto, è significativamente più grande di un chip che serve allo stesso scopo in uno smartphone. Un ricevitore in quanto tale è un dispositivo elettronico sofisticato e complesso che, inoltre, deve essere altamente resistente alle

103

condizioni dello spazio esterno. Inoltre, dovrebbe anche resistere all'accelerazione e agli urti che emergono durante il decollo di un veicolo di lancio. I ricevitori viaggiano anche a velocità molto più veloci (3-8 chilometri al secondo) rispetto alle loro controparti sulla Terra.

Le unità GNSS devono inoltre soddisfare rigorosi requisiti di affidabilità. Questa è una condizione tipica impostata per i sistemi spaziali in cui non esistono possibilità di effettuare riparazioni, con alcune piccole eccezioni a tale regola. Pertanto tale ricevitore viene spesso raddoppiato (con un altro dispositivo ridondante disponibile) a bordo del satellite, come nel caso della maggior parte dell'hardware inviato nello spazio esterno. Quando uno strumento si rompe, l'altro assume il suo ruolo. Una grande enfasi è inoltre posta sulle rigorose procedure di test. Il ricevitore GNSS viene sottoposto a test approfonditi sulla Terra, prima di essere lanciato nello spazio.

Vantaggi e svantaggi della navigazione satellitare

Oltre a una serie di vantaggi, il posizionamento sulla base dei segnali satellitari presenta un grande svantaggio. Non può essere utilizzato in ambienti interni, dove tetti o solai bloccano l'accesso al segnale satellitare. Questo problema può essere risolto mediante l'applicazione del cosiddetto posizionamento ibrido. Questo metodo non utilizza solo il GNSS, poiché all'interno del processo viene utilizzata anche l'infrastruttura dei cellulari a terra.

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“Il principio di posizionamento ibrido presuppone che la posizione sia determinata sulla base di due sistemi discriminanti. Uno è la navigazione satellitare convenzionale GNSS, mentre il secondo è basato sulla tecnologia LTE.”102

Astri Polska, un’azienda polacca che si è molto interessata alle attività basate sui test a terra dei ricevitori di segnali GNSS progettati per applicazioni spaziali, sta lavorando a un altro programma ESA, nel quadro del Polish Industry Incentive Scheme, noto come TEcHNO (Test Environment for Hybrid NavigatiOn). L'obiettivo di questo progetto è preparare una piattaforma software che potrebbe essere utilizzata per condurre test di laboratorio di soluzioni ibride GNSS + LTE. La suddetta piattaforma non solo renderebbe possibile il controllo delle apparecchiature di laboratorio, ma potrebbe anche essere utilizzata per generare scenari di simulazione.

Importanza crescente delle soluzioni GNSS. Sviluppo e consapevolezza.

Un altro progetto noto come E-Knot è stato molto importante per il processo di sviluppo delle applicazioni e delle capacità basate su GNSS in Europa, con una grande enfasi posta sulla Polonia. Il progetto mirava a rafforzare l'integrazione tra scienza, istruzione e industria, per quanto riguarda il dominio GNSS europeo. Il programma in questione, finanziato con l'utilizzo del fondo Horizon 2020, è stato supervisionato da GSA, l'agenzia europea del GNSS con sede a Praga. L'operazione doveva essere completata in tre anni tra il 2015 e il 2017. Astri Polska è stata coinvolta nel programma E-Knot come parte del consorzio formato da numerose entità europee che lavorano nel campo. I membri del consorzio, durante tutto il processo di implementazione del progetto, hanno organizzato corsi di formazione, incontri o stage.

Indubbiamente, il ruolo che il posizionamento satellitare gioca in caso di applicazioni terrestri diventerà sempre più significativo. Anche l'uso del GNSS nel caso dei satelliti assumerà un'importanza sempre maggiore. Uno dei fattori che lo suggeriscono è visto nell'incremento inarrestabile del numero di satelliti nello spazio posti nell'orbita terrestre bassa, così come nell'orbita geostazionaria.

102 _{Estratto di un discorso di Karol Brzostowski, Capo del Dipartimento Satellite Applications and Services di}

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Aziende come SpaceX o OneWeb103 si aspettano e affermano che verranno create costellazioni comprendenti centinaia o addirittura migliaia di satelliti che, rimanendo in orbita, potrebbero fornire l'accesso a Internet a livello globale. Per quanto riguarda la suddetta “folla satellitare”, sono molto importanti i dati relativi all'ubicazione e alla direzione di spostamento assegnati agli specifici satelliti. In ogni altro caso, la quantità di detriti spaziali aumenterebbe a dismisura, in linea con lo scenario pessimistico noto come sindrome di Kessler (chiamato anche effetto Kessler, cascata collisionale o cascata di ablazione).

La conoscenza della posizione precisa dei satelliti di ricerca è spesso richiesta per l'interpretazione corretta dei dati raccolti dai loro sensori. Tutto quanto sopra rimane possibile a una condizione. Il ricevitore GNSS deve funzionare correttamente e in modo affidabile.

Finora, i concetti e le tecnologie relative alla manutenzione dei satelliti nello spazio sono stati solamente avviati. È necessario del tempo per rendere comuni e pienamente operative tali soluzioni. Perciò è necessario che i ricevitori GNSS siano sempre in buone condizioni. I test dovrebbero essere effettuati, prima che l'hardware venga inviato nello spazio, sulla Terra. Pertanto, deve essere interpretato come un fattore positivo che aziende come Astri

103 _{È un progetto di costellazione di circa 650 satelliti di telecomunicazione che circolano su un'orbita bassa}

per fornire agli individui un accesso mondiale ad Internet a partire dal 2019.

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Polska o ESA riconoscano l'urgente necessità di creare un software e un'infrastruttura di laboratorio adeguati che replichino le condizioni spaziali con un alto grado di fedeltà, ai fini dei test sui ricevitori spaziali GNSS.

Perché investire in Galileo?

La Commissione Europea (CE) stima che il 6-7% del PIL europeo, circa 800 miliardi in valore, sia già dipendente dalla navigazione satellitare. Gli utenti europei, fino a pochissimi anni fa, non avevano altra alternativa che prendere le loro posizioni dai satelliti GPS statunitensi o Glonass russi.

L’utilizzo di sistemi satellitari per muoversi è diventato il mezzo standard di navigazione. Se un giorno i segnali provenienti da GPS o GLONASS fossero stati spenti o degradati, molti equipaggi di navi e aerei avrebbero trovato scomodo e difficile, se non impossibile, tornare ai metodi di navigazione tradizionali.

Molte reti di servizi dipendono inoltre sempre di più dalla precisa sincronizzazione dell'ora fornita dai sistemi di navigazione satellitare. Con la diffusione della navigazione satellitare, le implicazioni di un guasto del segnale sono ancora maggiori, mettendo a repentaglio non solo il funzionamento efficiente dei sistemi di trasporto, ma anche la sicurezza umana. Già negli anni '90, l'Unione Europea aveva sentito la necessità che l'Europa avesse un proprio sistema di navigazione satellitare globale. La conclusione di costruirne uno è stata presa con uno spirito simile a quello avuto quando prese la decisione negli anni '70 di intraprendere altre ben note imprese europee, come il lanciatore Ariane104 e Airbus.

La Commissione Europea e l'Agenzia Spaziale Europea hanno unito le forze per costruire Galileo, un sistema europeo indipendente sotto controllo civile.

L'indipendenza europea è la ragione principale che ha spinto a compiere questo passo importante. Tuttavia, altri motivi sussidiari includono:

-Essendo interoperabile con GPS e Glonass, Galileo è destinato a diventare una pietra miliare della navigazione satellitare globale. Il sistema è sotto il controllo dei civili e la sua messa

104 _{Il Programma Ariane si riferisce a una serie di razzi vettori di uso civile costruiti e progettati dal consorzio}

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in linea ha consentito di determinare con precisione la posizione in quasi tutti i luoghi sulla Terra, anche nelle città più alte dove gli edifici oscurano parte dei segnali dei satelliti. Questo perché il numero complessivo di satelliti disponibili da cui prendere la posizione è più che raddoppiato

-Posizionando i satelliti in orbita con un'inclinazione maggiore rispetto al piano equatoriale rispetto al GPS, Galileo ha una migliore copertura alle alte latitudini. Questo lo rende particolarmente adatto per operazioni nel nord Europa, un'area non ben coperta dal GPS -Con Galileo, l'Europa può sfruttare appieno le opportunità offerte dalla navigazione satellitare. I produttori di ricevitori e apparecchiature, i fornitori di applicazioni e gli operatori di servizi beneficiano di nuove opportunità di business.

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