Introduzione ai GNSS

Come già accennato il precursore dei moderni GNSS fu il sistema americano Transit, sviluppato alla fine degli anni 50 e divenuto operativo nel 1964, che basava il suo principio di funzionamento sull’osservazione dell’effetto doppler nei segnali inviati a terra dai satelliti. Tale sistema venne sviluppato prevalentemente per applicazioni militari ed usato dalla U.S. Navy per la navigazione marittima ed il tracciamento di missili balistici, ma ebbe anche applicazioni di tipo civile e geodetico. Transit rimase attivo fino agli inizi degli anni ’90, quando venne rimpiazzato definitivamente dal più moderno sistema GPS. Negli anni ’70 anche l’Unione Sovietica lanciò i suoi primi sistemi di navigazione satellitare Parus e Tsikada, rispettivamente per usi militari e civili, che furono i precursori a loro volta del moderno sistema GONASS. I moderni sistemi GNSS sono stati sviluppati prevalentemente per scopi militari in una prima fase, mentre nell’ultimo decennio grande attenzione si sta dedicando anche all’utilizzo per scopi civili, portando così ad un ulteriore evoluzione della tecnologia. Ogni sistema GNSS è caratterizzato da un così detto “segmento spaziale”, da un “segmento di controllo” e da un “segmento di utilizzo”. Il segmento spaziale è costituito dai satelliti in orbita intorno alla terra che inviano attivamente dei segnali radio, diretti sia al segmento di controllo che a quello di utilizzo. In alcuni casi vengono utilizzati anche satelliti geostazionari o con orbite non circolari. Il segmento di controllo è costituito dalle stazioni e dai centri di calcolo a terra che hanno il compito di tracciare i satelliti per definirne le effemeridi e di gestirli imponendo correzioni di orbita o correzioni agli orologi di bordo, oltre ovviamente a monitorarne lo stato di buon

funzionamento. Il segmento di utilizzo è costituito da tutti gli utenti a terra dotati di ricevitori passivi in grado di acquisire e decodificare i segnali GNSS inviati dai satelliti, dal semplice

smartphone ai più sofisticati ricevitori di classe geodetica.

Ogni sistema GNSS è caratterizzato inoltre da una propria scala temporale di riferimento, fondamentale per coordinare orbite e segnali trasmessi, e da un proprio sistema di riferimento globale nativo al quale vengono, ad esempio, riferite le effemeridi broadcast inviate a terra direttamente dai satelliti.

Verranno ora elencati e brevemente descritti i sistemi GNSS ad oggi operativi ed in via di sviluppo.

NAVSTAR GPS

Il “NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System”, meglio noto con l’acronimo GPS, fu sviluppato a metà degli anni ’70 e divenne pienamente operativo nel 1994. Il sistema si è evoluto nel tempo col lancio di diverse generazioni di satelliti ed attualmente ha una costellazione che garantisce la disponibilità di almeno 24 satelliti per il 95% del tempo. Questi orbitano ad una quota di circa 20200 km con traiettorie pressoché circolari disposte su 6 piani inclinati di 55° rispetto a quello equatoriale, ed hanno un tempo di rivoluzione di circa 11 ore e 58 minuti, equivalente alla metà di un giorno siderale.

Attualmente i satelliti GPS inviano segnali modulati su due frequenze portanti denominate L1 ed L2, con lunghezze d’onda rispettivamente di 19 e 24 cm, alle quali è stata aggiunta nei satelliti di ultimissima generazione, ancora in fase di lancio in questi anni, una terza frequenza portante L5 con lunghezza d’onda di 25 cm.

Modulando queste frequenze portanti è possibile ottenere onde quadre di frequenze minori, che hanno però il vantaggio di essere codificate in bit e trasmettere quindi a terra segnali complessi. I principali codici inviati dai satelliti GPS sono:

- C/A (coarse acquisition), caratterizzato da una lunghezza d’onda di circa 300 metri e modulato sulla L1. Questo segnale è disponibile per l’utenza civile ed è decodificabile anche dai più semplici ricevitori monofrequenza (ad esempio quelli degli attuali smartphone) e permette il posizionamento a terra autonomo con precisioni nell’ordine di 10-20 metri. In questo segnale è contenuto anche l’identificativo del satellite che lo trasmette.

- P (precision), modulato su entrambe le frequenze portanti e riservato all’utenza militare (ed altre autorizzate), ha una lunghezza d’onda di circa 30 metri e consente un posizionamento autonomo di maggiore precisione rispetto al codice C/A.

- L2C ed M, sono codici modulati solo dai satelliti più recenti. Il primo è un codice modulato sulla sola frequenza L2, che dovrebbe garantire maggiori accuratezza nel posizionamento e maggiore robustezza alle interferenze. Il secondo è un ulteriore codice ad uso militare del quale si sa ben poco.

- NAV (navigation), o codice D, è modulato su entrambe le frequenze ed invia i parametri necessari a ricostruire le effemeridi dei satelliti, oltre ad informazioni sul loro stato di salute.

- CNAV, è il nuovo codice NAV ed oltre a contenere le medesime informazioni contiene quelle che riguardano l’asincronismo delle scale di tempo utilizzate per le varie costellazioni GNSS, in modo da permetterne l’interoperabilità. Tale codice è inoltre progettato per supportare in futuro un numero molto maggiore di satelliti (63) rispetto a quelli gestibili col codice NAV (32) e messaggi di allerta sul malfunzionamento del sistema.

La scala temporale utilizzata dal GPS è misurata nella Master Station del segmento di controllo ed è originariamente allineata alla scala temporale UTC (Universal Time Coordinate) nel 1980, ma a differenza di quest’ultima non viene corretta nel corso degli anni con i leap-second

necessari a riallinearla alla scala GMT (Greenwich Mean Time). Il sistema di riferimento utilizzato per il GPS è il WGS84, monitorato e mantenuto dalla NGA (National Geospatial-

intelligence Agency), che verrà meglio presentato in seguito.

GLONASS

Il “GLObal NAvigation Satellite System” è il sistema sviluppato dall’Unione Sovietica a partire dal 1976 per scopi sia militari che civili, ed ha raggiunto la sua piena operatività a metà degli anni ’90. A causa del crollo dell’Unione Sovietica e delle successive difficoltà economiche il sistema è stato mantenuto difficoltosamente fino all’anno 2011, in cui è tornato ad essere pienamente operativo grazie a nuovi investimenti.

I satelliti GLONASS sono attualmente 24 e viaggiano su 3 piani orbitali inclinati di circa 65° rispetto all’ equatore, ad una quota di circa 19100 km ed un tempo di rivoluzione di 11 ore e 15 minuti. A differenza che per il sistema GPS, in cui ogni satellite rioccupa la stessa posizione rispetto ad un punto a terra ogni giorno, nel GLONASS lo stesso satellite torna ad occupare la stessa posizione ogni 8 giorni siderali.

Figura 10 – La costellazione GLONASS con i suoi tre piani orbitali.

Anche il GLONASS utilizza oggi 3 frequenze portanti f1, f2 ed f3, con lunghezze d’onda di circa 19, 24 e 25 cm, ma in questo caso ogni satellite utilizza frequenze leggermente diverse da quelle degli altri. Se pur con alcune differenze tecniche rispetto al GPS, anche in questo caso i satelliti inviano a terra codici modulati sulle due frequenze portanti, contenenti sia le informazioni sui

satelliti stessi e le relative effemeridi che il codice necessario per il calcolo delle pseudo- distanze satellite-ricevitore.

Il riferimento temporale per il GLONASS è l’UTC+3, mantenuto da un orologio all’idrogeno nel centro di controllo ed opportunamente corretto con i leap-second secondo le indicazioni dello IERS. Il sistema di riferimento geometrico utilizzato è il PZ90, omologo del WGS84 ed anch’esso ECEF.

Galileo

Galileo è il sistema GNSS sviluppato dall’ESA (European Space Agency) con il preciso scopo di fornire un servizio all’utenza civile di qualità superiore a quello fornito dagli altri GNSS, sia in termini di qualità nel posizionamento che di affidabilità del segnale trasmesso. Galileo si pone inoltre l’obiettivo dell’interoperabilità con le altre costellazioni GNSS disponibili. I primi lanci sono iniziati nel 2005 ed il sistema ad oggi non è operativo, se pur in fase avanzata di test. La costellazione satellitare si comporrà di 27 satelliti operativi più 3 di riserva, orbitanti ad una quota di circa 23222 km, quindi superiore a quella degli altri sistemi, che comporta un tempo di rivoluzione di circa 14 ore e 7 minuti. I satelliti saranno disposti su 3 piani orbitali inclinati di 56° rispetto all’equatore in modo da coprire meglio di quanto faccia il GPS le latitudini fino 75° Nord, mentre ogni satellite rioccuperà la stessa posizione rispetto ad un punto a terra ogni 10 giorni circa.

Galileo utilizzerà 3 frequenze portanti sulle quali modulare i segnali di codice OS (Open Service) aperto e gratuito, CS (Commercial Service) criptato ed a pagamento, SoL (Safety of Life) riportante dati sull’integrità del sistema e PRS (Public Regulated Service) ad accesso controllato. Il sistema di riferimento temporale di Galileo è il GST (Galileo System Time), mantenuto attraverso un orologio all’idrogeno e con istante iniziale a mezzanotte del 22 agosto 1999. Ogni satellite invia anche i coefficienti necessari per la conversione della scala temporale GST in quella GPS ed UTC, in modo da facilitare l’interoperablità con gli altri sistemi GNSS. Anche Galileo avrà un proprio sistema di riferimento ECEF dedicato, denominato GTRF (Galileo

Terrestrial Reference System).

BeiDou e QZSS

I sistemi BeiDou e QZSS sono sviluppati e gestiti rispettivamente da Cina e Giappone, a differenza dei GNSS finora presentati non hanno ad oggi una copertura Globale.

Il sistema BeiDou-1 cinese è stato lanciato nei primi anni 2000 ed è composto da 3 satelliti geostazionari situati alla quota di circa 35800 km ed ha una copertura tra i 70° -140° Est di longitudine ed i 5°-55° Nord di latitudine, quindi sul territorio cinese.

Il sistema BeiDou-2, anche noto come COMPASS, è in fase di lancio ed avrà una copertura globale. Il segmento spaziale comprenderà:

- 5 satelliti geostazionari che costituiranno l’evoluzione di BeiDou-1;

- 3 satelliti alla stessa quota dei primi ma orbitanti su tre piani inclinati a 55° sull’equatore in modo da orbitare sul territorio cinese e consentire un posizionamento anche in presenza di ostacoli parziali a terra;

- 27 satelliti in orbita a 21500 km di cui si prevede il lancio entro il 2020 e che consentiranno la copertura globale del servizio.

Figura 12 – Le orbite del sistema COMPASS una volta che sarà completato.

COMPASS, come i sistemi russo ed americano, avrà scopo militare e segnali di precisione criptati. Anche esso avrà un sistema di riferimento dedicato denominato CGCS2000 (China

Geodetic Coordinate System 2000).

Il sistema QZSS (Quasi-Zenit Satellite System) è ancora in fase di lancio e prevede 3 o 4 satelliti con un orbita ellittica sul Giappone di periodo 12 ore circa. Questo non è a rigore un sistema globale e si propone come ausilio al posizionamento basato sulle altre costellazioni GNSS esistenti.