Struttura

Come il GPS, il Galileo è suddiviso in tre grandi segmenti che prendono il nome di: -Galileo Space Segment

-Galileo Ground Segment -Galileo User Segment

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Figura 36: Satelliti che orbitano attorno alla Terra 3.2.1 Galileo Space Segment

La costellazione di Galileo comprende 30 satelliti posti in orbita MEO54, con 10 satelliti posizionati in ciascuno dei 3 piani orbitali (a 56º di inclinazione nominale) distribuiti uniformemente attorno all'equatore. La costellazione attiva comprende 24 satelliti (Walker 24/3/1), inclusi 6 satelliti di riserva, che possono essere spostati per sostituire qualsiasi satellite guasto all'interno dello stesso piano, riducendo così l'impatto dei guasti sulla qualità del servizio. Tutti i satelliti sono identici in termini di design, capacità di prestazioni e carico di carburante. Ogni satellite trasmette segnali di temporizzazione per la navigazione insieme ai dati di navigazione, che forniscono i dati di correzione dell'orologio e delle effemeridi che sono essenziali per la navigazione.

54 _{Un'orbita terrestre media è un'orbita attorno alla Terra di altitudine compresa tra le fasce di van Allen e}

l'orbita geostazionaria, ovvero tra i 2 000 ed i 35 786 km.

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L'altitudine dell'orbita è di 23 222 km (raggio orbitale: 29994 Km) e risulta essere un’orbita che si ripete ciclicamente rispetto all'orientamento della Terra sottostante, precisamente ogni dieci giorni, durante i quali ogni satellite compie diciassette rivoluzioni. L'altitudine dei satelliti è stata scelta per evitare risonanze gravitazionali in modo che, dopo l'ottimizzazione iniziale dell'orbita, non siano necessarie manovre di mantenimento della stazione durante la vita di un satellite. L'altitudine scelta garantisce inoltre un'elevata visibilità dei satelliti. I vincoli di posizione per i singoli satelliti sono fissati dalla necessità di mantenere una costellazione uniforme, per la quale si specifica che ogni satellite dovrebbe essere entro +/- 2 ° della sua posizione nominale rispetto ai satelliti adiacenti sullo stesso piano orbitale e dovrebbe essere entro 2 ° dal piano dell'orbita. La precisione in piano è equivalente a una tolleranza relativa di oltre 1000 km ma richiede una regolazione molto attenta della velocità del satellite per garantire che il periodo di orbita di tutti i satelliti sia mantenuto esattamente lo stesso. La tolleranza trasversale consente di influenzare l'inclinazione e l'ascensione retta del nodo ascendente (RAAN55_{) di ciascun satellite al momento del lancio in modo che le}

derive naturali rimangano entro la tolleranza senza la necessità di cambiamenti del piano orbitale che richiedono una grande spesa di carburante. Il satellite di riserva in ogni piano orbitale assicura che in caso di guasto la costellazione possa essere riparata rapidamente spostando il satellite di riserva per sostituire il satellite guasto. Ciò potrebbe essere fatto in pochi giorni, invece di aspettare che venga organizzato un nuovo lancio che potrebbe richiedere molti mesi. I satelliti sono progettati per essere compatibili con una gamma di lanciatori che forniscono capacità di lancio multiple e doppie. Ci sono buone ragioni per scegliere una struttura del genere per la costellazione di Galileo. Con 30 satelliti a tale altitudine, c'è un'altissima probabilità (oltre il 90%) che chiunque, in qualsiasi parte del mondo, possa sempre essere in vista di almeno quattro satelliti e quindi sia in grado di determinare la propria posizione dai segnali trasmessi dai satelliti. L'inclinazione delle orbite è stata scelta per garantire una buona copertura delle latitudini polari, scarsamente servite dal sistema GPS statunitense. Dalla maggior parte delle posizioni, possono essere sempre visibili da sei a otto satelliti, consentendo di determinare le posizioni in modo molto accurato, entro pochi centimetri. Anche nelle città a più piani, c'è una buona probabilità che un utente della strada possa avere abbastanza satelliti sulla propria testa per calcolare la sua posizione, soprattutto perché il sistema Galileo è interoperabile con il sistema statunitense composto da 24 satelliti. Questa costellazione fornisce buone geometrie locali con una tipica

55 _{La longitudine del nodo ascendente è uno degli elementi orbitali usati per descrivere l'orbita di un oggetto}

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Figura 38: Stazioni di terra di Galileo

diluizione verticale della precisione (VDOP56) di 2,3 e una diluizione orizzontale della precisione (HDOP57) intorno a 1,3. Un ulteriore vantaggio della geometria della costellazione è il numero limitato di aerei, che consente un dispiegamento più rapido e costi di manutenzione ridotti della costellazione grazie alla capacità di lanciare più satelliti con un unico lanciatore.

3.2.2 Galileo Ground Segment

Il segmento di terra GALILEO comprende due centri di controllo, una rete globale di stazioni di trasmissione e ricezione che implementano funzioni di monitoraggio e controllo e una serie di strutture di servizio che supportano la fornitura dei servizi Galileo.

Il cuore del segmento di terra GALILEO sono i due centri di controllo Galileo (GCC). Ogni centro di controllo gestisce le funzioni di controllo supportate da un Segmento di controllo Galileo (GCS) e le funzioni di missione, supportate da un Segmento di missione Galileo dedicato (GMS): Il GCS gestisce le pulizie dei veicoli spaziali e la manutenzione delle costellazioni mentre il GMS gestisce il controllo del sistema di navigazione.

GCS e GMS interfacciano i satelliti con una rete mondiale di stazioni di terra implementando funzioni di controllo e monitoraggio:

56 _{Precisione verticale sull'altezza da un determinato livello (superficie o livello sul mare), altezza.} 57 _{Precisione orizzontale sulla superficie, coordinate2D.}

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Figura 39: Flusso di informazioni nel sistema Galileo

-Galileo Sensor Stations (GSS), responsabile della raccolta e dell'invio in tempo reale delle misurazioni dei dati di Galileo SIS.

-Galileo Uplink Stations (ULS), responsabile della distribuzione e dell'uplink dei dati della missione alla costellazione Galileo.

-Stazioni di telemetria, monitoraggio e controllo (TT&C), responsabili della raccolta e dell'invio dei dati di telemetria generati dai satelliti Galileo e anche della distribuzione e dell'uplink dei comandi di controllo necessari per mantenere i satelliti e la costellazione Galileo.

Il segmento di terra comprende anche una serie di terminali utente locali (MEOLUT) in orbita media terrestre che servono il servizio di ricerca e salvataggio di Galileo.

Ora analizziamo nello specifico il segmento di controllo Galileo (GCS). Tale segmento è responsabile di un'ampia gamma di funzioni per supportare il controllo e la gestione delle costellazioni di satelliti Galileo. Lo scopo di questa funzionalità include il controllo e il monitoraggio dei satelliti e del carico utile, le funzioni di pianificazione e automazione che consentono lo svolgimento di operazioni sicure e corrette e il supporto delle operazioni relative al carico utile mediante collegamenti di stazioni di monitoraggio e controllo telemetrico (TT&C58_{). Il GCS fornisce la telemetria, il telecomando e la funzione di}

controllo per l'intera costellazione di satelliti Galileo. I suoi elementi funzionali sono distribuiti all'interno dei Centri di controllo Galileo (GCC) e delle sei stazioni di

58 _{Queste stazioni sono responsabili della raccolta e dell'invio dei dati di telemetria generati dai satelliti}

Galileo e anche della distribuzione e dell'uplink dei comandi di controllo necessari per mantenere i satelliti e la costellazione Galileo.

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monitoraggio e controllo della telemetria (TT&C) distribuite a livello globale. Per gestirlo, il GCS utilizza le stazioni TT&C per comunicare con ogni satellite secondo uno schema che combina contatti regolari e programmati, campagne di test a lungo termine e contatti di emergenza.

Una rete di comunicazione ibrida interconnette le stazioni remote (stazioni ULS, GSS e TT&C) con il GCC mediante diversi mezzi di comunicazioni radio standard e speciali, dati cablati e comunicazioni vocali, assicurando la comunicazione tra tutti i siti. I due Ground Control Center (GCC) costituiscono il nucleo del Ground Segment. Ci sono due elementi ridondanti situati a Fucino (Italia) e Oberpfaffenhofen (Germania).

Le stazioni TTC includono antenne da 13 metri che operano nelle bande di frequenza delle operazioni spaziali a 2 GHz. Durante le normali operazioni, viene utilizzata la modulazione a spettro esteso, simile a quella utilizzata per il monitoraggio e le applicazioni di trasmissione dati del sistema satellitare, TDRSS59 e ARTEMIS60, per fornire un funzionamento robusto e senza interferenze. Tuttavia, quando il sistema di navigazione di un satellite non è in funzione (durante il lancio e le prime operazioni in orbita o durante un'emergenza), l'uso della modulazione TTC standard comune consente di utilizzare stazioni TTC non ESA.

59 _{È una rete satellitare di telecomunicazioni statunitense. Il sistema è costituito da un insieme di satelliti e di}

stazioni terrestri impiegate dalla NASA per le comunicazioni spaziali.

60 _{È un programma di volo spaziale con equipaggio in corso portato avanti principalmente dalla NASA, dalle}

aziende di voli spaziali commerciali statunitensi e da partner internazionali come l'Agenzia spaziale europea (ESA), la JAXA e la Canadian Space Agency (CSA) con l'obiettivo di far sbarcare "la prima donna e il prossimo uomo" sulla Luna, in particolare nella regione del polo sud lunare, entro il 2024.

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Figura 41: Ground Mission Control Center (Telespazio)

Di pari passo con il GCS c’è il Galileo Mission Segment (GMS), il quale è costituito da strutture dispiegate nei due Galileo Control Center (GCC) più una serie di Mission Up-Link Stations (ULS) e Galileo Sensor Stations (GSS) distribuite in siti remoti dislocati in tutto il mondo. Il GMS è responsabile della determinazione e dell'uplink dei messaggi relativi ai dati di navigazione necessari per fornire i dati di navigazione e di temporizzazione. A tal fine, utilizza una rete globale di Galileo Sensor Stations (GSS) per monitorare i segnali di navigazione di tutti i satelliti su base continua, attraverso una rete di comunicazioni completa che utilizza satelliti commerciali e collegamenti via cavo in cui ogni collegamento è duplicato per ridondanza.

Il GMS comunica con i satelliti Galileo attraverso una rete globale di Mission Up-Link Stations (ULS), installate in cinque siti, ciascuno dei quali ospita un certo numero di antenne di 3 metri. Gli ULS operano nella banda satellitare di radionavigazione a 5 GHz (Terra- spazio).

Il GMS utilizza la rete GSS in due modi indipendenti. La prima è la funzione Orbitography Determination and Time Synchronization (OD&TS), che fornisce l'elaborazione batch ogni dieci minuti di tutte le osservazioni di tutti i satelliti per un periodo prolungato e calcola l'orbita precisa e l'offset dell'orologio di ciascun satellite, inclusa una previsione delle variazioni previste (SISA - Signal-in-Space Accuracy) valido per le ore successive. I risultati di questi calcoli per ciascun satellite vengono caricati su quel satellite nominalmente ogni 100 minuti utilizzando un contatto programmato tramite una stazione di collegamento della missione.

L'operazione OD&TS monitora quindi i parametri a lungo termine dovuti a gravitazionali, termiche, invecchiamento e altre degradazioni.

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Figura 42: Rappresentazione sistema GNSS 3.2.3 Galileo User Segment

Il Segmento Utente Galileo è composto da tutti i ricevitori e dispositivi compatibili che raccolgono i segnali Galileo, determinano pseudorange (e altri osservabili) e risolvono le equazioni di navigazione per ottenere le loro coordinate e fornire una sincronizzazione temporale precisa. Esistono diverse comunità di utenti a seconda dell'applicazione e coprono una vasta gamma, dal trasporto alle applicazioni di temporizzazione.

Gli elementi base di un generico ricevitore GNSS sono un'antenna con preamplificazione, una sezione di radiofrequenza in banda L, un microprocessore, un oscillatore di precisione intermedia, una sorgente di alimentazione, una memoria per l'archiviazione dei dati e un'interfaccia con l'utente. La posizione calcolata è riferita al centro di fase dell'antenna. Un ricevitore Galileo è un dispositivo in grado di determinare la posizione dell'utente, la velocità e il tempo preciso (PVT) elaborando il segnale trasmesso dai satelliti Galileo. 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

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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 questi compiti 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. I dati di navigazione contengono tutti i parametri che consentono all'utente di eseguire il servizio di posizionamento. I tipi di dati necessari per eseguire il posizionamento sono:

-Effemeridi necessarie per calcolare la posizione del satellite sul ricevitore dell'utente. -Parametri di correzione dell'ora e dell'orologio necessari per calcolare gli offset dell'orologio satellitare e le conversioni dell'ora.

-Parametri di servizio con salute dei satelliti.

-Il modello dei parametri ionosferici, necessario per gli utenti a singola frequenza.

-Almanacco che permette un calcolo meno preciso della posizione di tutti i satelliti nella costellazione per facilitare l'acquisizione iniziale dei segnali da parte del ricevitore

Per i ricevitori a frequenza singola, sono necessari anche i ritardi di gruppo di trasmissione. Nel 2010 c'erano solo tre produttori di chipset che producevano prodotti pronti per Galileo. Da allora il mercato si è evoluto e oggi è pronto per Galileo.

Il Centro servizi GNSS europeo (GSC) mira a fornire un'interfaccia unica tra il sistema Galileo e gli utenti Galileo Open Service (OS) e Commercial Service (CS) per la fornitura di servizi specifici oltre il segnale nello spazio trasmesso dai satelliti. L'SGC garantisce la condivisione delle conoscenze, la valutazione personalizzata delle prestazioni, la diffusione di informazioni e il supporto alla fornitura di servizi a valore aggiunto che sono abilitati dai servizi di base Galileo OS e CS.

La funzionalità e i servizi di GSC quando saranno completamente sviluppati copriranno quanto segue:

-Supporto helpdesk che ha lo scopo di rispondere alle domande degli utenti del sistema operativo su Galileo OS SIS, GSC OS Support Services e dal ricevitore del sistema operativo e dagli sviluppatori di applicazioni.

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-Informazioni sullo stato del sistema Galileo (Galileo Almanacchi ed effemeridi, stato della costellazione e fornitura di avvisi di servizio Galileo)

-Notifiche alla pubblicazione degli utenti che include informazioni generali sulla costellazione e sullo stato dei veicoli spaziali (pubblicate mediante avviso di avviso per i messaggi degli utenti di Galileo - NAGU) e anche relazioni relative agli indicatori delle prestazioni di navigazione del servizio aperto Galileo e alle prestazioni GSC.

-Documentazione di riferimento del programma e informazioni generali incluse in una libreria elettronica.

-Interfaccia con i fornitori di servizi GNSS.

-Supporto su argomenti come GNSS Simulation and Testing Infrastructure (GSTI) per gli sviluppatori GNSS.

-Il monitoraggio della soddisfazione degli utenti in merito a Galileo (ovvero valutazioni delle prestazioni personalizzate, rapporti per comunità specifiche e supporto per lo sviluppo dei servizi Galileo per comunità e domini diversi)

La Commissione europea è impegnata in 6 settori prioritari identificati nella valutazione d'impatto che accompagna il suo piano d'azione sulle applicazioni GNSS:

-applicazioni per microtelefoni individuali e telefoni cellulari (LBS); -trasporto stradale;

-aviazione;

-trasporto marittimo;

-agricoltura di precisione e tutela dell'ambiente; -protezione civile e sorveglianza.