Storia

Il GPS trae origini nell'era dello Sputnik37, quando gli scienziati erano in grado di tracciare il satellite con variazioni nel suo segnale radio noto come "effetto Doppler"38. La Marina degli Stati Uniti condusse esperimenti di navigazione satellitare a metà degli anni '60 per tracciare i sottomarini statunitensi che trasportavano missili nucleari. Con sei satelliti in orbita attorno ai poli, i sottomarini sono stati in grado di osservare i cambiamenti del satellite in Doppler e individuare la loro posizione in pochi minuti.

All'inizio degli anni '70, il Dipartimento della Difesa (DoD) voleva garantire la disponibilità di un sistema di navigazione satellitare robusto e stabile. Abbracciando le idee precedenti degli scienziati della Marina, il DoD ha deciso di utilizzare i satelliti per supportare il sistema di navigazione proposto. Il DoD ha progettato e mandato in orbita il suo primo sistema di navigazione satellitare con Timing and Ranging (NAVSTAR39) nel 1978. Il sistema con 24 satelliti è diventato pienamente operativo nel 1993.

Oggi, il GPS è un sistema di radionavigazione che ha molteplici usi ed appartiene al Governo degli Stati Uniti, ma è gestito dall'Aeronautica degli Stati Uniti per soddisfare le esigenze della difesa nazionale, della sicurezza interna, civile, commerciale e scientifica. Il GPS attualmente fornisce due livelli di servizio: Standard Positioning Service (SPS) che utilizza il codice di acquisizione grossolana (C / A) sulla frequenza L1 e Precise Positioning Service (PPS) che utilizza il codice P (Y) sia su L1 che su Frequenze L2. L'accesso al PPS è

37 _{Il Programma Sputnik fu una serie di missioni spaziali senza esseri umani promosse dall'Unione Sovietica}

alla fine degli anni cinquanta finalizzate alla messa in orbita di satelliti artificiali.

38 _{È un fenomeno fisico che consiste nel cambiamento apparente, rispetto al valore originario, della frequenza}

o della lunghezza d'onda percepita da un osservatore raggiunto da un'onda emessa da una sorgente che si trovi in movimento rispetto all'osservatore stesso.

39 _{Acronimo di NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System, meglio conosciuto}

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Figura 18: Rappresentazione dei collegamenti tra le stazioni a terra e i satelliti

consentito solo alle Forze Armate statunitensi, alle agenzie federali statunitensi e a tutte le organizzazioni militari dei Paesi Alleati. L'SPS è disponibile per tutti gli utenti su base continua, mondiale, senza alcun addebito diretto per l'utente. Le funzionalità specifiche fornite da SPS sono pubblicate negli standard e nelle specifiche delle prestazioni del sistema di posizionamento globale.

2.2 Struttura

Un sistema di posizionamento satellitare ha come scopo principale quello di fornire con estrema precisione le coordinate geografiche (longitudine, latitudine, quota) e la velocità di qualunque mezzo si muova o stia fermo in ogni punto della Terra e in ogni istante.

Ogni sistema satellitare è composto da tre segmenti: - Segmento spaziale: insieme di satelliti;

- Segmento di controllo a terra: stazioni a terra che monitorano il funzionamento dei satelliti; - Segmento utente: ricevitori dei segnali satellitari.

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Figura 19: Satellite GPS in orbita 2.2.1 Segmento spaziale

Le funzioni principali del Segmento Spaziale sono la trasmissione dei segnali di radionavigazione e la memorizzazione e la ritrasmissione del messaggio di navigazione inviato dal Segmento di Controllo. Queste trasmissioni sono controllate da orologi atomici altamente stabili a bordo dei satelliti.

Il Segmento spaziale GPS è formato da una costellazione di satelliti con un numero sufficiente di satelliti per garantire che gli utenti abbiano almeno 4 satelliti simultanei in vista da qualsiasi punto della superficie terrestre in qualsiasi momento.

La costellazione nominale GPS è composta da 24 veicoli spaziali (SV) distribuiti su sei piani orbitali con un'inclinazione di 55 gradi rispetto all'equatore. Inoltre, la costellazione ha 3 satelliti di backup.

Le orbite sono quasi circolari, con eccentricità40 inferiore a 0,02, un semiasse maggiore di 26.560 km, cioè un'altitudine di 20.200 km. Le orbite a questa altezza sono indicate come MEO (orbita terrestre media). I satelliti hanno una velocità di 3,9 km al secondo e un periodo nominale di 12 h di tempo siderale (11 h 58 m 2 s), ripetendo la geometria ogni giorno siderale. Gli SV GPS sono disposti su 6 piani, ognuno dei quali contiene almeno 4 slot. C'è uno slot satellite di riserva in ogni piano orbitale, essendo il sistema in grado di supportare una costellazione di un massimo di 30 satelliti in orbita. La configurazione attuale consente agli utenti di avere un'osservazione simultanea di almeno 4 satelliti in vista in tutto il mondo, con un angolo di mascheramento dell'elevazione di 15 gradi. Il segmento spaziale è comunque soggetto a continue manutenzioni ed evoluzioni.

40 _{L'eccentricità può essere interpretata come una misura di quanto una sezione conica è lontana dall'essere}

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Figura 20: Distribuzione delle stazioni di controllo GPS a terra 2.2.2 Segmento di controllo

Il segmento di terra GPS (noto anche come segmento di controllo o sistema di controllo operativo) è responsabile del corretto funzionamento del sistema GPS.

Il segmento di controllo GPS è composto da una rete di stazioni di monitoraggio (MS), una stazione di controllo principale (MCS), un backup della MCS e le antenne di terra (GA). La Master Control Station (MCS) elabora le misurazioni ricevute dalle stazioni di monitoraggio (MS) per stimare le orbite dei satelliti (effemeridi) e gli errori di clock41, tra gli altri parametri, e per generare il messaggio di navigazione. Queste correzioni e il messaggio di navigazione vengono caricati sui satelliti attraverso le antenne di terra, che sono co-localizzate in quattro delle stazioni di monitoraggio (Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia e Kwajalein).

Le principali attività svolte dal CS sono le seguenti:

-Monitoraggio e controllo dei parametri orbitali dei satelliti;

-Monitoraggio dell'integrità e dello stato dei sottosistemi satellitari (pannelli solari, alimentazione delle batterie e livello di propellente utilizzato per le manovre);

-Attivazione di satelliti di riserva;

41 _{Ogni satellite è equipaggiato con un orologio atomico, il cui offset risulta essere di qualche millisecondo,}

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-Aggiornamento dei parametri nel messaggio di navigazione (effemeridi, almanacco e correzioni dell'orologio);

-Risoluzione di anomalie satellitari;

-Controllo della disponibilità selettiva (SA) e anti-spoofing (A / S) -Tracciamento passivo dei satelliti.

Nello specifico il segmento di terra è composto da quattro sottosistemi principali:

-Stazione di controllo principale (MCS, presto sostituita da una nuova stazione di controllo principale [NMCS])

-Stazione di controllo master di backup (BMCS, presto sostituita da una stazione di controllo master alternativa [AMCS])

-Rete di quattro antenne di terra (GA),

-Rete di stazioni di monitoraggio (MS) distribuite a livello globale.

MCS

Situata a Colorado Springs, la Master Control Station (MCS) è il nodo di controllo centrale per la costellazione di satelliti GPS. L'MCS è responsabile di tutti gli aspetti del comando e controllo delle costellazioni, incluso:

-Bus satellitare di routine e monitoraggio dello stato del carico utile. -Manutenzione del satellite e risoluzione delle anomalie.

-Monitoraggio e gestione delle prestazioni del Signal-In-Space (SIS) del Precise Positioning Service (PPS) a supporto di tutti gli standard di prestazione.

-Operazioni di caricamento dei dati dei messaggi di navigazione necessarie per sostenere le prestazioni in conformità con gli standard di prestazioni di accuratezza e integrità.

-Rilevamento e risposta ai guasti SIS PPS.

MONITOR STATIONS

Sono distribuite in tutto il mondo e dotate di standard di orologi atomici e ricevitori GPS per raccogliere continuamente dati GPS per tutti i satelliti in vista dalle loro posizioni. I dati raccolti vengono inviati alla stazione di controllo principale dove vengono elaborati per stimare le orbite dei satelliti (effemeridi) e gli errori di clock, tra gli altri parametri, e per generare il messaggio di navigazione.

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Figura 21: Rappresentazione dei tre segmenti del GPS GROUND ANTENNAS

Le antenne di terra trasferiscono i dati ai satelliti tramite segnali radio in banda S. Questi dati includono effemeridi e informazioni sulla correzione dell'orologio trasmesse all'interno del messaggio di navigazione, nonché la telemetria dei comandi dall'MCS.

Queste informazioni possono essere caricate su ciascun satellite tre volte al giorno, cioè ogni 8 ore; tuttavia, di solito viene aggiornato solo una volta al giorno.

Le antenne di terra, come accennato precedentemente sono collocate in quattro delle stazioni Monitor: -Isola di Ascensione -Cape Canaveral -Diego Garcia -Kwajalein 2.2.3 Segmento utente

Il segmento utente GPS è costituito da ricevitori / processori radio in banda L e antenne che ricevono segnali GPS, determinano pseudorange42 (e altri osservabili) e risolvono le

42 _{È la distanza tra il centro di fase dell'antenna del ricevitore GPS e il centro di fase dell'antenna del satellite}

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equazioni di navigazione per ottenere le loro coordinate e fornire un tempo molto preciso. Il rapporto di mercato43 GNSS, numero 3, fornito dall'Agenzia europea del GNSS, ha stimato che il numero di dispositivi abilitati GPS nel 2012 fosse di circa due miliardi di unità. Un ricevitore GPS è un dispositivo in grado di determinare la posizione dell'utente, la velocità e il tempo preciso (PVT) elaborando il segnale trasmesso dai satelliti. Qualsiasi soluzione di navigazione fornita da un ricevitore GNSS si basa sul calcolo della sua distanza da un insieme di satelliti, mediante l'estrazione del tempo di propagazione dei segnali in arrivo che viaggiano nello spazio alla velocità della luce, secondo gli orologi locali del satellite e del ricevitore.

Si noti che i satelliti sono sempre in movimento, quindi prima di ricevere il messaggio di navigazione, il segnale del satellite viene rilevato e tracciato. I blocchi funzionali del ricevitore che svolgono queste attività sono l'antenna, il front-end e l'elaborazione del segnale in banda base (incaricata di acquisire e tracciare il segnale).

Una volta acquisito e tracciato il segnale, l'applicazione del ricevitore decodifica il messaggio di navigazione e stima la posizione dell'utente. Il messaggio di navigazione include:

-Parametri delle effemeridi, necessari per calcolare le coordinate del satellite

-Parametri temporali e correzioni dell'orologio, per calcolare offset dell'orologio satellitare e conversioni temporali

-Parametri di servizio con informazioni sulla salute del satellite

-Modello di parametri ionosferici necessario per ricevitori a singola frequenza

-Almanacchi, necessari per l'acquisizione del segnale da parte del ricevitore. Permette di calcolare la posizione di tutti i satelliti ma con una precisione inferiore rispetto alle effemeridi.

I parametri delle effemeridi e degli orologi vengono solitamente aggiornati ogni due ore, mentre l'almanacco viene aggiornato almeno ogni sei giorni.

43 _{È una fonte completa di conoscenza e informazioni sul mercato GNSS dinamico e globale. Il rapporto}

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I ricevitori possono essere classificati in base al tipo in modi diversi e in base a criteri diversi. Ad esempio, i ricevitori possono essere autonomi o possono beneficiare di correzioni o misurazioni fornite dal sistema di potenziamento o dai ricevitori nelle vicinanze (DGPS44). Inoltre, i ricevitori possono essere ricevitori generici per tutti gli usi o possono essere costruiti specificatamente tenendo conto dell'applicazione: navigazione, posizionamento accurato o temporizzazione, rilevamento, ecc. Oltre alla posizione e alla velocità, i ricevitori GPS forniscono anche il tempo. Una quantità importante di attività economiche, come la telefonia senza fili, le reti elettriche o le reti finanziarie, dipendono da tempi precisi per la sincronizzazione e l'efficienza operativa. Il GPS consente agli utenti di determinare l'ora con un'elevata precisione senza la necessità di utilizzare costosi orologi atomici.

Le applicazioni GPS sono tutte quelle applicazioni che utilizzano il GPS per raccogliere informazioni su posizione, velocità e tempo che devono essere utilizzate dall'applicazione. Come affermato dal governo degli Stati Uniti, la posizione e la velocità fornite dal GPS possono essere utilizzate per applicazioni civili quali:

-Agricoltura: le applicazioni basate su GPS nell'agricoltura di precisione vengono utilizzate per la pianificazione agricola, la mappatura del campo, il campionamento del suolo, la guida del trattore, lo scouting delle colture, le applicazioni a velocità variabile e la mappatura della resa.

-Applicazioni aeronautiche: il GPS fornisce la determinazione della posizione per tutte le fasi del volo dalla partenza, in rotta e l'arrivo, alla navigazione in superficie dell'aeroporto. -Applicazioni ferroviarie: il sistema ferroviario utilizza il GPS in combinazione con altri sensori per mantenere un flusso regolare del traffico, prevenire le collisioni grazie alla conoscenza precisa di dove si trova un treno, aumentare l'efficienza e la capacità, ecc. -Applicazioni stradali: il GPS può essere utilizzato per fornire navigazione a bordo del veicolo, gestione della flotta, applicazioni di pedaggio, ecc.

-Rilevamento e mappatura: il limite principale delle tecniche di rilevamento tradizionali è il requisito di una linea di vista tra i punti di rilevamento. Utilizzando la posizione precisa

44 _{Differential-GPS: È un sistema che permette di migliorare il posizionamento basato sul GPS. Questa}

tecnica si basa sulla combinazione dei dati osservati contemporaneamente da due (o più) ricevitori GPS, ottenendo l'eliminazione o la significativa riduzione dei principali errori nel posizionamento GPS.

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fornita dal rilevamento GPS e dai risultati della mappatura è possibile ottenere più rapidamente e con un costo inferiore.

2.3 Funzionamento

Il GPS consente di avere due tipi di misure a seconda dello scopo per cui devono essere utilizzate, quelle di pseudorange e quelle di fase. Le prime, meno accurate, sono utilizzate per la navigazione, mentre le seconde per rilievi topografici.

Per determinare la posizione bisogna risolvere un sistema lineare di quattro equazioni in quattro incognite, ovvero:

· Latitudine. · Longitudine. · Altitudine. · Tempo.

Per procedere occorre avere quattro segnali generati da altrettanti satelliti, ma bisogna assicurarsi che siano segnali diretti (LOS-Line Of Sight). Infatti, calcolando il tempo impiegato dal segnale per fare il percorso ricevitore-satellite, è possibile conoscerne anche a distanza. Ovviamente tale misura non sarà esatta, ma sarà affetta da errori a causa delle condizioni meteorologiche, delle imprecisioni del clock e altri fattori. Perciò non si parla di distanza, ma di pseudodistanza.

2.3.1 Triangolazione

Figura 22: Schematizzazione del concetto di triangolazione

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Il principio alla base delle capacità di navigazione senza precedenti del GPS è la triangolazione. Per triangolare, un ricevitore GPS misura con precisione il tempo impiegato da un segnale satellitare per compiere il suo breve viaggio verso la Terra, meno di un decimo di secondo. Quindi moltiplica quel tempo per la velocità di un'onda radio, 300.000 km (186.000 miglia) al secondo, per ottenere la distanza corrispondente tra essa e il satellite. Questo pone il ricevitore da qualche parte sulla superficie di una sfera immaginaria con un raggio uguale alla sua distanza dal satellite. Quando i segnali di altri tre satelliti vengono elaborati in modo simile, il computer integrato del ricevitore calcola il punto in cui tutte e quattro le sfere si intersecano, determinando in modo efficace la longitudine, la latitudine e l'altitudine correnti dell'utente. (In teoria, tre satelliti fornirebbero normalmente un fix tridimensionale univoco, ma in pratica almeno quattro sono usati per compensare l'imprecisione nell'orologio del ricevitore.) Inoltre, il ricevitore calcola la velocità corrente (velocità e direzione) misurando la velocità istantanea, spostamenti dell'effetto Doppler creati dal movimento combinato degli stessi quattro satelliti.

2.3.2 Errori

L'analisi degli errori calcolati utilizzando il Global Positioning System è importante per capire come funziona il GPS e per sapere quale entità degli errori ci si dovrebbe aspettare. Il Global Positioning System effettua correzioni per errori di clock del ricevitore e altri effetti, ma ci sono ancora errori residui che non vengono corretti. Il Global Positioning System (GPS) è stato creato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DOD) negli anni '70. È diventato ampiamente utilizzato per la navigazione sia dalle Forze Armate statunitensi che dal pubblico in generale. La posizione del ricevitore GPS viene calcolata in base ai dati ricevuti dai satelliti.

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Figura 23: Differente posizione geometrica dei satelliti

Figura 24: Effetti della ionosfera sul segnale satellitare

Figura 25: Alberi che coprono il cielo

Gli errori dipendono da diversi fattori, tra cui: - la diluizione geometrica della precisione45;

- le condizioni atmosferiche;

-la copertura del cielo;

45 _{È un termine usato nella navigazione satellitare e della geomatica per specificare l'effetto moltiplicativo}

42 Figura 26: Effetto multipath

-l’effetto multipath;

-le effemeridi incomplete o troppo vecchie.

2.4 Segnali impiegati

Il GPS è un sistema che trasmette segnali in una sola direzione, ovvero dal satellite al ricevitore, ad eccezione dei segnali di controllo che il satellite riceve dalle stazioni a terra. Per questo motivo viene considerato un one-way ranging system (sistema a sola andata). Vista questa configurazione, il segnale deve contenere molte più informazioni rispetto a quelli impiegati dai sistemi che utilizzano segnali di andata e di ritorno. In questo caso i satelliti trasmettono due segnali portanti chiamati 1 L e 2 L. Le portanti sono modulate con la combinazione dei dati di navigazione e un codice univoco per ogni satellite, il PRN. Questo codice serve per diminuire le interferenze tra i segnali provenienti dai diversi satelliti.

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Il ricevitore, per discriminare i vari segnali utilizzano la tecnica di accesso a divisione di codice, ovvero CDMA (Code Divisione Multiple Access), quindi anche il ricevitore deve essere in grado di riprodurre gli stessi segnali ricevuti.

2.4.1 Frequenze e modulazioni

Nel sistema GPS, ogni satellite trasmette i propri segnali di navigazione su due frequenze: 1575,42 megahertz (militare / civile) e 1227,6 megahertz (militare). Queste onde portanti sono modulate da due treni di impulsi binari pseudo-casuali: un codice C / A civile da 1 megabit al secondo (codice di acquisizione grossolana) e un codice P militare da 10 megabit al secondo (codice di precisione). Tre nuovi segnali civili sono previsti a 1176,45, 1227,6 e 1575,42 MHz. Fino al 2000, una funzione nota come disponibilità selettiva (S / A) ha intenzionalmente degradato l'accuratezza del segnale civile; Il S / A è stato interrotto in parte a causa di problemi di sicurezza legati al crescente utilizzo del GPS da parte di navi e aeromobili della marina civile.

Ora analizziamo nello specifico le portanti utilizzate.

GPS L1 Band

La banda GPS L1 (1575,42 MHz) è diventata la banda più importante ai fini della navigazione. Infatti la maggior parte delle applicazioni nel mondo oggigiorno si basano sui segnali trasmessi a questa frequenza. Tre segnali vengono trasmessi al momento dal GPS in L1: codice C / A, codice P (Y) e codice M. In futuro verrà trasmesso anche un nuovo segnale civile aggiuntivo, noto come L1C.

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Di tutti i segnali sopra, il codice C / A è il più noto poiché la maggior parte dei ricevitori che sono stati costruiti fino ad oggi si basano su di esso. Il Codice C / A è stato aperto fin dall'inizio a tutti gli utenti, ma è stato utilizzato senza limitazioni solo a partire dal 1 maggio 2000, data in cui è stato interrotto il servizio SA, come detto precedentemente. Come abbiamo già accennato, il codice C / A è stato pensato per essere un aiuto per il codice P (Y) (per realizzare un'acquisizione grossolana). Il codice M è l'ultimo segnale militare introdotto nel GPS.

Per molto tempo sono state prese in considerazione diverse strutture di segnale per il codice M essendo i segnali in codice Manchester (BPSK46) e la portante binario offset (BOC47) segnala i due candidati favoriti. Entrambe le soluzioni risultano dalla modulazione di un codice di diffusione del rumore pseudocasuale non ritorno a zero (NRZ48_{) da parte di una}

sottoportante ad onda quadra. Mentre il codice di Manchester ha un codice di diffusione del tasso uguale a quello dell'onda quadra, il segnale BOC non deve necessariamente essere così, essendo l'unico vincolo che il tasso del codice di diffusione deve essere inferiore alla frequenza della sottoportante.

L'aspetto interessante di questi segnali è che, come la modulazione della sottoportante convenzionale, la forma d'onda presenta uno zero alla frequenza della portante a causa della sottoportante ad onda quadra. In effetti, i loro spettri di potenza suddivisa facilitano chiaramente la compatibilità del segnale M-Code militare GPS con il codice C / A e il codice P (Y) esistenti.

46 _{Consiste nell'associare alle due cifre binarie 1 e 0 due valori diversi di fase della portante, come per}

esempio 0° e 180°.

47 _{Questa tecnica è stata sviluppata da John Betz, al fine di consentire l'interoperabilità dei sistemi di}

navigazione.

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Figura 30: Spettro del segnale GPS in L2 Figura 29: Caratteristiche tecniche del segnale GPS L1

GPS L2 Band

Il GPS sta trasmettendo nella banda L2 (1227,60 MHz) un segnale civile modernizzato noto come L2C insieme al codice P (Y) e al codice M. Il codice P (Y) e il codice M sono stati già descritti brevemente nel capitolo precedente e le proprietà ei parametri sono quindi simili a quelli della banda L1. Inoltre, per i blocchi IIR-M, IIF e successivi blocchi di SV, verranno trasmessi due codici di portata PRN aggiuntivi. Sono il codice L2 Civil Moderate (L2 CM)

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Figura 31: Schema di modulazione di un segnale GPS L2

e il codice L2 Civil Long (L2 CL). Questi due segnali sono multiplati49 nel tempo in modo che la velocità di impulso risultante sia doppia rispetto a quella di ogni singolo segnale.