CAPITOLO IV: GPS E GALILEO: DUE SISTEMI A CONFRONTO
4.3 Possibilità di interoperabilità dei due sistemi
Nell'ultimo decennio sono stati annunciati diversi nuovi (e modernizzati) sistemi di navigazione satellitare globale e regionale. Una delle principali ragioni tecniche alla base di questo fenomeno è che un singolo sistema GNSS spesso non è sufficiente a garantire le prestazioni dell'utente target, soprattutto in condizioni difficili come gli ambienti urbani. Pertanto l'emergere (e l'ammodernamento) dei sistemi GNSS implica discussioni sulla compatibilità e l'interoperabilità tra i diversi fornitori di servizi.
L'interoperabilità è definita nel Forum ICG (International Committee on Global Navigation Satellite Systems73) come:
"L'interoperabilità si riferisce alla capacità dei sistemi e dei potenziamenti satellitari di navigazione globale e regionale e dei servizi che forniscono di essere utilizzati insieme per fornire capacità migliori a livello di utente rispetto a quelle ottenibili facendo affidamento esclusivamente sui segnali aperti di un sistema".
Nel contesto GNSS, l'interoperabilità dovrebbe essere intesa come la capacità dell'apparecchiatura dell'utente di sfruttare i segnali di navigazione disponibili di diversi GNSS e di produrre una soluzione combinata che generalmente mostri vantaggi in termini
73 Promuove la cooperazione volontaria su questioni di reciproco interesse relative al posizionamento, alla
navigazione, all'ora e ai servizi a valore aggiunto basati su satelliti civili.
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Figura 49: Esempi di sistemi di riferimento di Galileo
di prestazioni (ad es. Migliore precisione, maggiore disponibilità) rispetto alla soluzione del sistema autonomo. Inoltre, l'interoperabilità viene spesso discussa a due diversi livelli: sistema e segnale.
A livello di sistema, l'interoperabilità può essere vista come la capacità di tutti i sistemi di fornire la stessa soluzione autonoma (con i rispettivi vincoli di prestazione). In altre parole, un ricevitore GPS, GLONASS o Galileo dovrebbe essere in grado di fornire la stessa soluzione di navigazione, con la rispettiva precisione del sistema, se utilizzato da solo. In questo ambito, si può affermare che GPS e Galileo sono interoperabili a livello di sistema, offrendo al contempo il vantaggio di essere gestiti in modo indipendente, fornendo così ridondanza alla comunità di utenti GNSS, aumentando così la fiducia del mercato sulla tecnologia.
L'interoperabilità del segnale, invece, si ottiene quando i segnali forniti da sistemi diversi sono abbastanza simili da consentire a un ricevitore GNSS di utilizzare quei segnali con piccole modifiche. Per GNSS, l'interoperabilità del segnale considera i seguenti fattori:
-Sistema di riferimento74:
Sebbene lo standard di riferimento delle coordinate civili internazionali sia l'International Terrestrial Reference Frame (ITRF), ogni GNSS ha il proprio sistema di riferimento, che dipende dalle coordinate delle stazioni di controllo, garantendo quindi l'indipendenza tra i sistemi. Si dice che due GNSS siano interoperabili dalla prospettiva del sistema di riferimento se la differenza tra i sistemi è inferiore alla precisione del target. Ad esempio, il sistema di riferimento delle coordinate GPS è WGS8475 mentre Galileo utilizza Galileo Terrestrial Reference Frame (GTRF); la loro differenza dovrebbe essere entro 3 cm, garantendo così l'interoperabilità per la maggior parte delle applicazioni;
74 In fisica e geodesia un sistema di riferimento è un sistema rispetto al quale viene osservato e misurato un
certo fenomeno fisico o un oggetto fisico oppure vengono compiute determinate misurazioni.
75 È un sistema di coordinate geografiche geodetico, mondiale, basato su un ellissoide di riferimento
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-Riferimento temporale:
I sistemi di riferimento temporale si riferiscono allo standard temporale civile internazionale: Universal Time Coordinated / Atomic Time (UTC / TAI76). Sebbene l'ora GPS e l'ora del sistema Galileo (GST) dovrebbero rientrare nell'ordine di grandezza dei nanosecondi, i parametri richiesti per trasformare l'ora GST in UTC come parte dei messaggi di navigazione Galileo. In particolare, il Sistema Galileo fornisce il “Galileo to GPS Time Offset” (GGTO) come parte dei messaggi di navigazione. In alternativa, alcuni ricevitori isolano anche questo offset di tempo come ulteriore incognita da risolvere all'interno della soluzione di navigazione. Nel risolvere l'insieme di equazioni, anche la differenza di tempo viene risolta intrinsecamente. Lo svantaggio di questo approccio è che è necessaria almeno un'ulteriore misurazione del campo visivo per risolvere l'insieme di equazioni;
-Uso della stessa frequenza portante:
La selezione della stessa frequenza portante ha un forte impatto sulla complessità e sul costo del ricevitore (ad esempio, impone la necessità di filtri passa banda aggiuntivi). In questo ambito, le bande di frequenza Galileo sono state assegnate nella parte dello spettro dei servizi di radionavigazione via satellite. Le frequenze portanti OS (in particolare E1 ed E5a) e le loro caratteristiche di modulazione semplificano l'uso combinato di Galileo con altre costellazioni (GPS, GLONASS e BeiDou). GPS e Galileo possono essere considerati interoperabili a livello di segnale tra di loro in alcune bande di frequenza (ad esempio L1 e L5 / E5a), ma non con i segnali GLONASS legacy che utilizzano tecniche FDMA77, quindi una frequenza portante diversa per satellite. Inoltre, si ricorda che anche GPS e Galileo possono essere considerati non interoperabili tra loro in bande di frequenza che non hanno
76 È un sistema orario standard ad alta precisione, descrivibile come una scala di tempo coordinato definita in
un quadro di riferimento geocentrico avente come unità di misura il secondo del Sistema Internazionale quale definito sul geoide in rotazione.
77 È una tecnica di accesso allo stesso canale di trasmissione da parte di più sorgenti di informazione, che
consiste nella suddivisione della banda di frequenza disponibile (canale di trasmissione) in un numero di sottobande (sottocanali) che occupino, in frequenza, una banda più piccola.
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corrispondenza, come E5b o L2 - anche se comunque compatibili poiché non si verificano interferenze sull'altro sistema;
-Segnali nello spazio:
Si può ritenere che aspetti della progettazione dei segnali nello spazio, come la modulazione, la struttura del segnale o la selezione dei codici che richiedono solo “modifiche software” al ricevitore, non influenzino l'interoperabilità. Inoltre, diversi gruppi di lavoro sono stati formati a livello internazionale al fine di coordinarsi durante la progettazione del progetto dei segnali al fine di garantire la compatibilità e l'interoperabilità dei segnali. Di conseguenza, il codice militare GPS-M e il servizio pubblico regolamentato (PRS) Galileo hanno l'interoperabilità del segnale sulla banda L1.
Figura 51: Ortogonalità tra GPS e Galileo
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Recentemente sono stati svolti dei test78 per verificare effettivamente l’efficienza del Galileo confrontandolo con gli altri sistemi. I test condotti da Rx Networks Inc.79, azienda leader nella tecnologia e nei servizi di localizzazione mobile, hanno misurato le prestazioni di Galileo quando utilizzato in varie combinazioni con GPS e GLONASS. Condotto in ambienti del mondo reale come i canyon urbani e al chiuso, ogni test consisteva in un'acquisizione di dati di tre ore dei segnali GNSS che è stata successivamente riprodotta per produrre centinaia di correzioni utilizzando un ricevitore GNSS multi-costellazione della STMicroelectronics.
Questi ambienti difficili pongono sfide significative per quanto riguarda l'accuratezza della posizione a causa del multipath e delle visuali ostruite dei satelliti. Tuttavia, poiché le persone utilizzano spesso servizi basati sulla posizione all'interno di questi ambienti, è importante migliorare la precisione.
I risultati hanno mostrato che l'aggiunta di Galileo al GPS e al GLONASS (ampiamente disponibile negli smartphone oggi) migliora la precisione delle correzioni della posizione quando si è al chiuso o nei canyon urbani. Come previsto, la combinazione GPS + Galileo non ha superato le prestazioni di GPS + GLONASS, principalmente perché al momento del test erano disponibili solo quattro satelliti Galileo. Le prestazioni di Galileo con GPS o altro GNSS miglioreranno ulteriormente in futuro, con il lancio di più satelliti Galileo.
Questa maggiore precisione avrà un impatto profondo in numerosi settori, comprese le situazioni critiche. Con la Commissione Europea che valuta il mandato di localizzazione GNSS sui telefoni cellulari per scopi di chiamata di emergenza, i risultati dei test dimostrano il vantaggio di includere Galileo.
78 Test svolti nel primo semestre del 2019.
79 Azienda che fornisce informazioni sulla posizione affidabili, tempestive e pertinenti che migliorano
l'esperienza GNSS e rafforzano la connessione tra persone, dispositivi e aziende per creare maggiori opportunità per prodotti e servizi GNSS di nuova generazione.
78 4.4 Politica spaziale europea
Cinquant'anni dopo lo sbarco sulla Luna dell'Apollo 1180, è in corso la seconda fase della
corsa allo spazio e l'Europa deve decidere se vuole essere una delle prime.
80 Fu la missione spaziale che portò i primi uomini sulla Luna, gli astronauti statunitensi Neil Armstrong e
Buzz Aldrin, il 20 luglio 1969 alle 20:17:40 UTC.
Figura 53: Risultati test Rx Network Inc.
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Mentre negli anni '60 solo le due superpotenze avevano i mezzi per lanciare i satelliti in orbita, ora più di 70 Paesi hanno le proprie agenzie spaziali. Questo in aggiunta agli imprenditori come Jeff Bezos di Amazon, Elon Musk di Tesla e Richard Branson di Virgin che incanalano ricchezza privata in programmi di voli spaziali commerciali.
“I prezzi di lancio sono scesi e l'accesso allo spazio diventa più conveniente per i giocatori più piccoli ", ha detto un portavoce di Airbus, la più grande compagnia aerospaziale europea. Il numero totale di satelliti registrati in orbita (sia militari che civili) supererà probabilmente i 5.000 quest'anno, secondo l'Agenzia delle Nazioni Unite incaricata di tenere traccia. Più di 2.000 sono operativi al momento, con migliaia di pezzi di spazzatura spaziale che fluttuano intorno.
Figura 55: Primo sbarco sulla Luna
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Poiché l'orbita terrestre è così cruciale per quasi ogni aspetto della vita, c'è una crescente pressione per militarizzare81 lo spazio. L'anno scorso, il presidente degli Stati Uniti Donald Trump ha annunciato l'intenzione di istituire una "forza spaziale82" come pilastro distinto delle forze armate per controllare le minacce orbitali. Nel frattempo, quest'anno l'India ha testato un nuovo missile distruttore di satelliti, mentre sia la Cina che la Russia stanno investendo in qualsiasi cosa, dai droni orbitali al disturbo dei satelliti.
La Francia, un Paese la cui industria aerospaziale è cruciale sia per l'ego nazionale che per l'economia, quest'estate ha delineato piani per il dispiegamento di armi in orbita, sostenendo che ha bisogno di dotare i suoi satelliti di mitragliatrici e sistemi laser per contrastare le minacce.
Annunciando il piano, il Presidente francese Emmanuel Macron ha parlato della necessità di "autonomia strategica" nello spazio. Ma, mentre Berlino ha cofinanziato i satelliti di sorveglianza costruiti per l'esercito francese, il governo tedesco non è entusiasta degli sforzi che deve fare da solo per proiettare la forza in orbita.
"Abbiamo bisogno di una risposta robusta alle sfide nello spazio, ma lo vedo come un lavoro per l'Agenzia spaziale europea e l'UE", ha detto il mese scorso Thomas Jarzombek, un parlamentare dell'Unione cristiano-democratica presso il governo tedesco e coordinatore del governo per l'aerospazio. Si prevede che un futuro vertice dei leader della NATO designerà lo spazio come un nuovo dominio nella guerra, sollevando la spinosa questione riguardo il fatto che se un attacco a un satellite appartenente a un membro dell'Alleanza sia sufficiente per attivare la difesa collettiva prevista dall'articolo 583 del Patto.
Il grande problema per l'Europa è decidere se vuole pagare per giocare nei massimi campionati dello spazio.
La spesa spaziale proposta dalla Commissione Europea di 16 miliardi di euro si estende dal 2021 al 2027 e mira a coprire programmi satellitari e nuovi progetti, come un sistema di comunicazione governativo sicuro e misure per affrontare i detriti orbitali.
È minuscolo rispetto a quello che fanno gli altri. Il budget annuale della NASA è di oltre $ 20 miliardi (che non include un considerevole programma spaziale militare statunitense) e la Cina sta spendendo circa $ 8 miliardi ogni anno per la propria industria spaziale.
81 Militarizzazione: Inserimento in un quadro costituito in base a esigenze o metodi di ordine militare. 82 È una delle forze armate degli Stati Uniti d'America, responsabile di tutte le operazioni spaziali e nel
cyberspazio, dei sistemi di lancio e dei suoi satelliti.
83 Art. 5: “Le Parti convengono che un attacco armato contro una o più di esse, in Europa o nell’America
settentrionale, costituirà un attacco verso tutte, e di conseguenza convengono che se tale attacco dovesse verificarsi, ognuna di esse, nell’esercizio del diritto di legittima difesa individuale o collettiva riconosciuto dall’art.51 dello Statuto delle Nazioni Unite, assisterà la parte o le parti così attaccate…”
81
Invece di andare fianco a fianco con Stati Uniti e Cina, Bruxelles ha lanciato gli investimenti come parte di un piano per diventare una figura rilevante in orbita. I Paesi dell'UE hanno investito circa 10 miliardi di euro nella costellazione di geo-navigazione Galileo, un'alternativa più accurata al sistema di posizionamento globale degli Stati Uniti, mentre miliardi di euro sono stati spesi per Copernicus84, un sistema di osservazione della Terra che i Paesi possono utilizzare per monitorare ogni cosa, dal cambiamento climatico alle calamità naturali.
"Avere accesso libero e aperto ai dati è il modo giusto", ha detto all'inizio di quest'anno il direttore generale dell'ESA Jan Wörner. "È un bene per l'umanità."
Ma Galileo è stato colpito l’estate scorsa da un'imbarazzante interruzione di quasi una settimana, causata in parte da un aggiornamento software in una stazione di terra vicino a Monaco. I funzionari dell'UE si affrettarono a sottolineare che la costellazione rimane nella sua fase di prova e gli Stati Uniti hanno avuto decenni per mettere a punto il GPS.
"In una certa misura, avere un incidente del genere durante una fase del genere fa purtroppo parte del processo", ha detto ai deputati Pierre Delsaux, vicedirettore generale della Commissione europea. Ma i tempi di inattività non sono una buona idea per l'UE o l'ESA, data la sua insistenza nel voler garantire un accesso autonomo allo spazio indipendente dalla tecnologia americana.
Contributi totali forniti dalle diverse nazioni ai programmi spaziali dell’European Space Agency e dell’Eumetsat85 nel 2018, in miliardi di dollari:
84 È un'iniziativa dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) e della Commissione europea creata nel 2001 durante
l'incontro di Göteborg e finalizzata a fornire entro il 2021 la capacità all'Unione europea di agire autonomamente nel settore della sicurezza e dell'ambiente tramite le rilevazioni satellitari.
85 È un'organizzazione intergovernativa, con l'obiettivo principale di gestire la rete europea dei satelliti
meteorologici.
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Nel frattempo, la NASA ha grandi ambizioni, incluso il rimpatrio degli astronauti sulla luna entro il 2024 nell'ambito di un progetto con l'assistenza di SpaceX86 di Musk e Blue Origin87 di Bezos.
Ancora una volta, l'UE sta cercando di recuperare.
"Dobbiamo avviare un processo per definire la visione europea dello spazio", ha detto a gennaio Elżbieta Bieńkowska, commissario europeo per il Mercato Interno, a una riunione dei dirigenti dell'industria spaziale. Ha affermato che l'Europa ha bisogno di fissare un obiettivo ambizioso per catturare l'immaginazione del pubblico, proprio come lo storico sbarco sulla luna negli anni '60.
I politici europei spingono per sviluppare una serie di installazioni di ricerca sulla superficie lunare. Altre possibilità sono un volo con equipaggio su Marte e missioni su Venere e alcune delle lune di Giove.
Ma se l'Europa vuole puntare alla Luna e oltre, dovrà trovare i soldi per soddisfare queste ambizioni.