UNIVERSITA’ DI PISA
ACCADEMIA NAVALE
Corso di Laurea Magistrale in Scienze Marittime e Navali
TESI DI LAUREA
IN RADIONAVIGAZIONE
GPS O GALILEO: QUALE SARA’ IL FUTURO DELLA
NAVIGAZIONE AEREA?
LAUREANDO: GM Giacomo FARI’
RELATORE: CC Marzia CUOCO
CORRELATORE: TV (GM/AN) Vincenzo GIORDANO
3
Sommario
INTRODUZIONE ... 5
CAPITOLO I: IL TEMPO NEI SISTEMI DI NAVIGAZIONE SATELLITARI ... 15
1.1 L’importanza del tempo ... 15
1.2 Il BIPM e le scale temporali ... 17
1.3 Scale temporali GNSS e modalità di diffusione ... 20
1.3.1 Utilizzo dei segnali GNSS come origine dell'UTC ... 20
1.3.2 Validazione dei tempi basati su GNSS ... 21
1.3.3 Diffusione del tempo GNSS sulla rete ... 23
1.4 Uno sguardo avanti alla responsabilità ... 25
1.5 Impatto del tempo sulla vita quotidiana ... 27
1.6 Tabulazione dei dati di navigazione di GPS e GALILEO ... 27
1.6.1 Offset tra ora spaziale e ora del sistema ... 27
1.6.2 Numerazione delle settimane e ora della settimana ... 28
1.6.3 Offset tra tempo di sistema e UTC ... 29
1.6.4 Offset tra i tempi dei due sistemi ... 30
CAPITOLO II: IL SISTEMA DI NAVIGAZIONE SATELLITARE GPS ... 31
2.1 Storia ... 31 2.2 Struttura ... 32 2.2.1 Segmento spaziale ... 33 2.2.2 Segmento di controllo ... 34 2.2.3 Segmento utente ... 36 2.3 Funzionamento ... 39 2.3.1 Triangolazione ... 39 2.3.2 Errori ... 40 2.4 Segnali impiegati ... 42 2.4.1 Frequenze e modulazioni ... 43
CAPITOLO III: IL SISTEMA GALILEO ... 49
3.1 Storia ... 49
4
3.2.1 Galileo Space Segment ... 51
3.2.2 Galileo Ground Segment ... 53
3.2.3 Galileo User Segment ... 57
3.3 Funzionamento ... 59
3.4 Segnali impiegati ... 60
CAPITOLO IV: GPS E GALILEO: DUE SISTEMI A CONFRONTO ... 63
4.1 Innovazioni del Galileo rispetto al GPS ... 63
4.1.1 Un’ importante innovazione: l’integrità ... 64
4.2 Il problema del GPS ... 67
4.2.1 Impatto dei salti di frequenza sull’integrità del segnale ... 69
4.3 Possibilità di interoperabilità dei due sistemi ... 73
4.4 Politica spaziale europea ... 78
4.5 Posizione degli USA ... 82
4.6 Campi di applicazione dei due sistemi ... 85
4.6.1 Settori di utilizzo ... 87
CAPITOLO V: GPS E GALILEO A BORDO DEI VELIVOLI DELLA MMI ... 91
5.1 L’Aviazione Navale ... 91
5.2 Sistemi di navigazione a bordo degli elicotteri ... 91
5.3 Sistemi di navigazione a bordo degli aerei ... 94
5.4 GPS e GALILEO nell’epoca degli F-35 ... 95
5.5 Applicazione dei sistemi di navigazione ai droni ... 97
CONCLUSIONI ... 99
BIBLIOGRAFIA ... 109
SITOGRAFIA ... 111
5 Figura 1: Rappresentazione GPS
Figura 2: Logo GLONASS
INTRODUZIONE
Il satellite, nella nostra epoca, è di fondamentale importanza dato che è parte integrante della nostra vita quotidiana: dopo essere stato utilizzato come strumento in ambito militare e aver dato un importante contributo al mondo della ricerca e quello delle comunicazioni, il satellite ha cambiato notevolmente la nostra vita quotidiana. Infatti, lo sviluppo di sistemi satellitari sempre più tecnologici e complessi, ci ha permesso, negli ultimi anni, di viaggiare e spostarci in modo più veloce e sicuro. Tali sistemi vengono impiegati in diversi ambiti e distribuiti in diversi mercati, permettendo di svolgere numerose attività: da tutti i tipi di trasporto, alla geografia (misurazioni geodetiche, indagini sul terreno, ecc.), alla medicina (controllo a distanza dei pazienti, ecc.), alla giustizia (sorveglianza dei detenuti attraverso il braccialetto elettronico, ecc.).Questa tecnologia, controllata fino a qualche decennio fa solo dagli Stati Uniti con il sistema GPS1 e dalla Russia con il sistema GLONASS2 e gestita fin dalla sua nascita da organi militari, si rivela ogni giorno un grande successo, alimentato dalla scoperta e dall’impiego di nuove applicazioni in tutto il mondo.
I primi anni 2000 gli utenti del sistema GPS erano circa 5 milioni in Europa, mentre ora arriviamo a cifre come 250 milioni. Visti questi rapidi cambiamenti, l’Europa non poteva permettersi di fare affidamento, in settori fondamentali dell’attività produttiva dei Paesi dell’UE, soltanto su sistemi satellitari gestiti da Paesi Oltreoceano, per di più sotto controllo militare. Per questi motivi l’Europa ha investito e continua ad investire moltissimo su un importante e ambizioso programma, denominato Galileo, che aveva lo scopo di costruire un
1 Global Positioning System: è un sistema di posizionamento e navigazione satellitare militare statunitense. 2 Global'naja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema: è un sistema satellitare globale di navigazione russo.
6
Figura 3: Logo Galileo
sistema globale di navigazione satellitare in grado di ridurre, per fini economici e strategici, la dipendenza dell’Unione europea dal sistema americano GPS e dal sistema russo GLONASS, anche se, dopo il disfacimento dell’URSS3, per problemi tecnici ed economici, non garantisce più un servizio adeguato alla domanda degli utenti.
La creazione di una rete di satelliti propria, ha permesso all’Europa di acquisire autonomia nel settore della navigazione satellitare, infatti, non è un caso che gli Usa siano stati tra i più grandi oppositori di Galileo. Il Department of Defence4 di Washington ha messo in atto una
notevole pressione sui Paesi europei per convincerli ad abbandonare lo sviluppo del progetto. La paura degli Stati Uniti era quella di perdere la loro superiorità nel campo della tecnologia spaziale e sostenevano che il sistema europeo fosse solo una copia superflua di quello americano. Non riuscendo nel loro intento, cercarono di raggiungere un accordo con l’Unione Europea. Questo accordo prevedeva che anche il segnale di Galileo, come già il GPS, in tempo di crisi possa essere oscurato, in caso di necessità, in specifiche regioni del pianeta.
La sfida dell’Unione Europea è quella di sviluppare un sistema interamente “europeo” a uso civile, globale, gestito da organismi civili, in grado di garantire le esigenze strategiche europee in materia di sicurezza e di politica estera, senza costi eccessivi.
Vista la sua grande rilevanza strategica, alcuni Paesi extracomunitari hanno mostrato interesse per Galileo fin dai suoi primi sviluppi, per esempio il Canada, che ha fatto un notevole investimento nel progetto, la Russia, che ha fornito la sua consulenza tecnologica, e poi altri grandi Stati come Cina, India, Sud Africa, Israele e Australia.
3 Unione delle Repubbliche Socialiste Sovietiche: Stato federale che si estendeva tra Europa orientale e Asia
settentrionale, nato il 30 dicembre 1922 scioltosi ufficialmente il 26 dicembre 1991.
7
Figura 4: Satellite Sputnik 1
Figura 5: Satellite TRANSIT Figura 6: Satellite ARGOS
I sistemi di posizionamento e navigazione satellitare, non sono un'invenzione degli ultimi anni, ma già a partire dalla seconda metà del ‘900 sono iniziati i primi studi e le prime sperimentazioni in questo campo.
Il primo sistema satellitare americano diventa operativo nel 1964, il suo nome era TRANSIT5. Dopo di esso sono stati impiegati i seguenti sistemi: il sistema ARGOS6, un
sistema satellitare franco-statunitense, il COSPAS-SARSAT7, utilizzato prevalentemente
per il soccorso in mare e il sistema russo GLONASS (Global Navigation Satellite System), che è ancora oggi uno dei sistemi più utilizzati, insieme al GPS (Global Positioning System), sistema americano e più utilizzato. Entrambi questi sistemi, designati inizialmente per scopi militari, sono stati estesi al mondo civile. GPS e GLONASS sono equivalenti dal punto di vista dell’affidabilità e dell’efficacia, ma è stato fatto un uso maggiore del primo sistema per due motivi: in primis è più semplice trovare sul mercato ricevitori del primo tipo piuttosto che del secondo e, in secondo luogo, il sistema russo ha subito un forte declino negli ultimi anni.
5 Era un sistema statunitense progettato dalla US Navy diventato obsoleto nel 1996. 6 Sistema mondiale di localizzazione e raccolta dati.
7 È un sistema satellitare ideato e gestito da Canada, Francia, USA e Russia, utilizzato per localizzare vettori
8
Figura 7: Effetto multipath
I numerosi satelliti artificiali che formano il segmento spaziale riescono a coprire quasi tutte le aree del globo e vengono utilizzati per moltissime applicazioni; i 28 satelliti del sistema GPS orbitano attorno alla Terra in maniera tale che in quasi tutti i punti del globo siano visibili almeno 4 satelliti contemporaneamente per poter effettuare la triangolazione8 e, di conseguenza, conoscere la propria posizione. Questo metodo è usato da secoli per la determinazione della posizione di punti fermi e in movimento con degli errori che possono essere trascurati se le misure sono state effettuate accuratamente. I ricevitori sono formati da dispositivi che ricevono impulsi dai satelliti della costellazione satellitare e, attraverso una serie di algoritmi, ricavano la propria posizione triangolando i segnali automaticamente, utilizzando un metodo utilizzato ancora oggi, ma inventato già tantissimi anni fa dai naviganti, ovvero si rilevano almeno tre punti fissi con coordinate note e si calcola la propria posizione, che scaturisce dall'incontro delle rette passanti per detti punti. Durante il calcolo del posizionamento bisogna tener conto di numerosi errori dovuti all’hardware di cui è composto il ricevitore e il satellite, di errori causati dall’ effetto di multipath9 (deviazione
del segnale dal satellite al ricevitore) e di alcuni errori di osservazione.
La presenza di numerosissimi satelliti che oritano intorno alla Terra richiede delle stazioni a terra in grado di monitorare i loro movimenti. L’insieme di queste stazioni prende il nome di segmento di controllo ed ha il compito di gestire i vari satelliti e seguirli costantemente.
8 La triangolazione è una tecnica che permette di calcolare distanze fra punti sfruttando le proprietà dei
triangoli.
9 Nelle telecomunicazioni il multipath fading è una forma di distorsione di un segnale che giunge a
destinazione sotto forma di un certo numero di repliche, sfasate nel tempo, originate dai vari percorsi (multipath) che il segnale stesso può aver seguito durante la sua propagazione
9
Per gestire al meglio tutti i satelliti, le stazioni a terra svolgono diversi compiti, per esempio calcolano le effemeridi, si sincronizzano con gli orologi a bordo dei satelliti, in caso di guasti effettuano le dovute correzioni e molti altri.
I satelliti GPS trasmettono due portanti a radiofrequenza che prendono il nome di 1 L e 2 L. Le portanti sono modulate grazie alla combinazione di un codice, detto a spettro espanso, che è formato da una sequenza PRN10 specifica per ogni satellite, con i dati di navigazione. Grazie al codice PRN i segnali provenienti dai diversi satelliti non interagiscono tra loro e sono ben distinguibili. In ricezione, dato che le sequenze PRN non sono correlate tra di loro, i segnali possono essere distinti utilizzando la tecnica ad “accesso multiplo a divisione di codice”, la cosiddetta CDMA, Code Division Multiple Access. Le due portanti 1 L e 2 L sono modulate utilizzando tre codici diversi; il corse/acquisition code (C/A), il precision code (P) e i dati di navigazione (D).
Dato che i primi sistemi satellitari erano di origine militare, il loro utilizzo in campo civile è stato fortemente penalizzato, perché i sistemi sono stati concepiti in modo tale che le applicazioni civili godano di precisione e affidabilità piuttosto degradate. Dagli anni '90 in poi, per sopperire a tale problema, sono stati progettati e sviluppati nuovi progetti, in diverse parti del mondo sia da imprese pubbliche che da private. Tra tutti, possiamo considerare EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Servic), che sarebbe dovuto essere il primo servizio europeo nell’ambito della navigazione satellitare. L’idea con cui è stato concepito era quella di integrare le potenzialità dei sistemi GPS e GLONASS con l'aggiunta di una stazione di terra e di tre satelliti geostazionari. Il progetto EGNOS coinvolgeva ESA (European Space Agency), UE ed Eurocontrol (l'organizzazione europea per la sicurezza della navigazione aerea) e costituiva le fondamenta del GNSS11 (Global Navigation Satellite System) di prima generazione, il GNSS-1, in grado di integrare le potenzialità di EGNOS con quelle del corrispondente americano WAAS (Wide Area Augmentation System) e del corrispondente giapponese MSAS (MTSAT based Augmentation System).
Tutti questi sistemi erano sicuramente all’avanguardia e godevano di grande prestigio, ma il progetto che più vicino a noi, era GALILEO, un sistema di navigazione e posizionamento satellitare globale totalmente europeo, creato principalmente per scopi civili. Esso è stato definito dall'ESA12 assieme alla Commissione Europea e approvato dal Consiglio dei
10 Pseudorandom Noise
11 È un sistema di geo-radiolocalizzazione e navigazione terrestre, marittima o aerea, che utilizza una rete di
satelliti artificiali in orbita e pseudoliti.
12 European Space Agency: è un'agenzia internazionale fondata nel 1975 incaricata di coordinare i progetti
10
Figura 8: Logo Thales Alenia Space
Ministri alla fine del 2000. Il costo del progetto è stato sostenuto per il 50% dall’ ESA, mentre i privati hanno finanziato la restante metà. Tra i partner che aderiranno al nuovo sistema c’è anche la Cina che ha sottoscritto con l'UE un accordo in base al quale avrebbe partecipato alle fasi di definizione del progetto con un ammontare di circa 200 milioni di euro; anche l'India ha dimostrato interesse e Nuova Delhi ha espresso l'intenzione di impegnarsi con una cifra di circa 300 milioni di euro. C’erano anche dei Paesi europei che avevano molti interessi verso il progetto, per esempio Svizzera e Norvegia. Galileo è un sistema all’avanguardia e tecnologicamente molto avanzato, infatti offre prestazioni migliori, per quanto riguarda precisione e affidabilità, rispetto ai sistemi GPS e GLONASS. Con lo sviluppo di tale sistema si pensava già al GNSS di seconda generazione, il GNSS-2. Questo era ed è tutt’oggi un progetto internazionale che coinvolge in prima persona il nostro Paese, dato che un’importante azienda italiana è interessata al progetto, la Alenia Spazio, leader nazionale nel settore aerospaziale. L’Italia partecipa al programma grazie alla coordinazione del Ministero dei Trasporti e dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).
Tra i vari programmi europei, Galileo era quello con più alta priorità strategica. L’aumento continuo dei mezzi di trasporto sulle nostre strade, sul mare e in aria ha reso necessaria l’implementazione dei sistemi di monitoraggio e controllo già in uso per garantire una maggiore sicurezza. Galileo, sfruttando anche i sistemi di navigazione satellitare esistenti, doveva essere in grado di migliorare notevolmente la gestione dei trasporti per aria, terra, mare. Inoltre, ha avuto un importante impatto anche sulla sicurezza di tutti i tipi di trasporti, infatti, grazie alla sua accuratezza e precisione, permette di diminuire il numero di incidenti e può fornire un valido aiuto per snellire il traffico fornendo informazioni e percorsi alternativi ai vari conducenti.
Questi miglioramenti permettono di ridurre notevolmente i tempi di percorrenza anche sulle strade più trafficate e, conseguentemente, diminuiscono il consumo di carburante e l’inquinamento. Proprio grazie a queste peculiari caratteristiche Galileo è stato inserito nel progetto ITS13 (Intelligent Transport System) che è stato varato nel 2001. In ambito nautico,
13 L'integrazione delle conoscenze nel campo delle telecomunicazioni, elettronica, informatica con
l'ingegneria dei trasporti, per la pianificazione, progettazione, esercizio, manutenzione e gestione dei sistemi di trasporto
11
inoltre, c'è l'integrazione di questo progetto con il sistema Cospas-Sarsat, che viene utilizzato per ricevere più rapidamente un segnale di soccorso da un’imbarcazione e conoscere la sua posizione.
Come abbiamo visto, i benefici di tale sistema sono apprezzabili in ambito terrestre e marittimo, ma anche l'aviazione civile è in prima linea per godere di tali vantaggi. Infatti, impiegando Galileo si può aumentare il numero di voli diretti riducendo rischi di collisione grazie ad un controllo da terra molto più efficiente. Proprio per tali motivi gli enti nazionali di assistenza al volo dei Paesi europei, come ENAV14 per l’Italia, hanno mostrato un grade interesse fin da subito al progetto.
Per quanto riguarda il funzionamento, i satelliti Galileo trasmettono utilizzando le stesse bande di frequenza e, per discriminare i segnali in ricezione, è utilizzata la tecnica CDMA, la stessa impiegata dal GPS. Quindi, con il sistema americano già operativo da diverso tempo ci sono delle cose in comune, ma Galileo è nato con l’idea di migliorare i servizi già presenti e apportare notevoli cambiamenti, tra cui la possibilità di offrire una molteplicità di servizi, per esempio:
-Servizio aperto (OS), con un posizionamento preciso al metro, il servizio aperto liberamente accessibile si rivolge al mercato di massa ed è destinato alla navigazione di veicoli a motore e ai servizi di telefonia mobile basati sulla posizione. Gratuito per l'utente, fornisce informazioni di posizionamento e sincronizzazione destinate ad applicazioni di radionavigazione satellitare ad alto volume;
- Commercial Service (CS): un servizio che completa il sistema operativo fornendo un segnale di navigazione aggiuntivo e servizi a valore aggiunto in una diversa banda di frequenza. Il segnale CS può essere criptato per controllare l'accesso ai servizi Galileo CS; -Servizio pubblico regolamentato (PRS): il servizio pubblico regolamentato è riservato agli utenti autorizzati dal governo, per applicazioni sensibili che richiedono un elevato livello di continuità del servizio. È crittografato e progettato per essere più robusto, con meccanismi anti-jamming e rilevamento affidabile dei problemi. Questo servizio è destinato alla sicurezza e alle infrastrutture strategiche (es. Energia, telecomunicazioni e finanza);
-Servizio di ricerca e soccorso (SAR): il servizio mondiale di ricerca e soccorso di Galileo aiuta a inoltrare i segnali di soccorso a un centro di coordinamento dei soccorsi rilevando i segnali di emergenza trasmessi dai beacon e trasmettendo loro i messaggi.
12
Figura 9: Servizi offerti da Galileo
-Safety of Life: Migliora il servizio OS avvertendo tempestivamente gli utenti quando l’OS non raggiunge certi margini di accuratezza o di continuità (integrità). Si prevede che sia fornita la garanzia del servizio.
Tutti questi servizi hanno un unico nucleo, costituito dal GCC (Galileo Control Centre), che è il centro nevralgico del sistema e svolge tutte le funzioni di controllo ed elaborazione. I centri di controllo sono due e sono separati geograficamente per garantire il corretto funzionamento del sistema in caso di malfunzionamento di uno dei due. Per garantire il monitoraggio costante, ci sono anche una serie di stazioni remote, oltre al centro di controllo, che ricevono le informazioni dai satelliti GALILEO. Tali stazioni sono composte da 5 S-band TT&C Station, 10 C-S-band Mission Up-link Station (ULS) e 35 Galileo Sensor Station (GSS) e hanno il compito di ricevere e demodulare i segnali trasmessi dai satelliti sulle quattro portanti. Tutte le informazioni ricevute devono essere elaborate attraverso il GCC. Differentemente dal GPS, i segnali del Galileo utilizzano 3 diverse portanti per trasmettere a cui corrispondono 3 bande diverse denominate 5 E, 6 E ed 1 L; un’altra banda viene utilizzata per ricevere solo il segnale di emergenza SAR chiamata 6 L. Per garantire l’interoperabilità con il GPS, alcune bande sono sovrapposte.
Abbiamo analizzato tutti i vantaggi di questo nuovo progetto, ma come mai nasce l’idea di sviluppare un nuovo sistema se ne era già presente uno all’avanguardia? Una delle motivazioni, forse la più importate, è legata al fatto che i vecchi sistemi erano gestiti interamente da organi militari, invece c’era il bisogno di adottare dei sistemi prettamente
13
Figura 10: Satellite Giove-B Figura 11: Orologio atomico
civili, che garantissero una maggiore sicurezza ed affidabilità e rendessero l’Europa indipendente dal colosso americano in questo campo.
Realizzare il Progetto Galileo, tuttavia, non è stato così semplice, infatti, ci sono stato diverse difficoltà, ad esempio ci sono state delle controversie tra Italia e Germania perché entrambe volevano avere la leadership sul progetto. Dopo avere avviato questo importantissimo Progetto, gli Stati Uniti hanno messo in evidenza una serie di criticità su diversi aspetti del progetto. Prima di tutto hanno fatto emergere la contrapposizione tra la gratuità del GPS e il carattere commerciale di Galileo. Infatti, a causa degli aspetti economici e strategici, gli USA hanno tentato di ostacolare per lungo tempo il progetto, tentando di mantenere il monopolio su questo tipo di tecnologia e con importanti ripercussioni sul piano economico e strategico. Numerosi studi affermano che le ricadute a livello globale in ambito di crescita tecnologica, indipendenza europea e concorrenza tra Galileo e GPS si aggirano attorno ai 1000 miliardi di euro. Per tutti questi motivi, il nuovo sistema Galileo ha spinto gli USA ad entrare in competizione, iniziando un processo di innovazione e sviluppo del proprio sistema GPS, creando nuove versioni (GPS 2 e 3).
Quindi Galileo presenta notevoli vantaggi soprattutto in termini di accuratezza e precisione, ma ora analizziamo una caratteristica peculiare e unica di questo sistema, ovvero l’integrità. Questa caratteristica permette all’utente di avere una misura sulla confidenza verso la posizione calcolata, in modo da valutare l’errore che deriva dal sistema. Galileo ha introdotto anche un nuovo tipo di orologi impiegabili sui satelliti, ovvero l’orologio atomico15 all’idrogeno, mandato in orbita con il secondo satellite, GIOVE-B, il 27 aprile 2008.
15 L'orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza
14
È stato scelto questo orologio perché è molto preciso e stabile grazie all’oscillazione degli atomi, infatti, essi oscillano molto velocemente e sempre alla stessa frequenza. Inoltre, gli atomi non sono influenzati dall’ambiente esterno, quindi non subiscono alcuna variazione a causa degli sbalzi di temperatura, cosa che invece accade per gli orologi al quarzo utilizzati dal GPS.
Per garantire il corretto funzionamento di tutto questo sistema si ha bisogno di codici più lunghi, in quanto sono presenti più segnali appartenenti a quattro portanti (E5a, E5b, E6, e L1) e, di conseguenza, impone l’utilizzo di più decodificatori. Quindi l’hardware di questo sistema è molto complesso, considerando anche che i ricevitori devono gestire sia i segnali GPS sia i segnali Galileo per garantire l’interoperabilità16.
16 È la capacità di un sistema o di un prodotto informatico di cooperare e di scambiare informazioni o servizi
con altri sistemi o prodotti in maniera più o meno completa e priva di errori, con affidabilità e con ottimizzazione delle risorse.
15
Figura 12: L'equazione della relatività ristretta che utilizza il GPS per non sbagliare le indicazioni che ci fornisce.
CAPITOLO I: IL TEMPO NEI SISTEMI DI NAVIGAZIONE
SATELLITARI
1.1 L’importanza del tempo
Un tempismo preciso è essenziale per il funzionamento di qualsiasi sistema di navigazione satellitare globale (GNSS). Gli stessi GNSS fanno parte delle infrastrutture critiche nazionali in settori chiave dell'economia come la distribuzione di elettricità, le telecomunicazioni e tutti i modi di trasporto, che richiedono tempi precisi e affidabili per funzionare efficacemente. In tutti questi settori, le informazioni sul tempo richieste possono essere ottenute dai segnali GNSS, sostenute dall'infrastruttura internazionale per la metrologia del tempo e della frequenza. Ma cos’è il sistema di metrologia globale per il cronometraggio? Come vengono elaborate le informazioni sul tempo fornite dal GNSS? Perché è così importante la tracciabilità nella misurazione?
Secondo il sito web GPS ufficiale del Governo degli Stati Uniti: "Oltre a longitudine, latitudine e altitudine, il Global Positioning System (GPS) fornisce una quarta dimensione critica: il tempo. Ogni satellite GPS contiene più orologi atomici che forniscono dati temporali molto precisi ai segnali GPS. I ricevitori GPS decodificano questi segnali, sincronizzando efficacemente ciascun ricevitore con gli orologi atomici. Ciò consente agli utenti di determinare il tempo entro 100 miliardesimi di secondo (100 nanosecondi), senza il costo di possesso e funzionamento di orologi atomici ".
16
Il termine "tempo" viene utilizzato con almeno due connotazioni: intervallo di tempo e ora del giorno. In molti Paesi, leggi o decreti prescrivono l'uso di determinate unità come il Secondo del Sistema Internazionale delle Unità17 (o SI) per l'intervallo di tempo e il suo inverso, l'Hertz, per la frequenza.
Nell'uso ufficiale, un collegamento agli standard temporali nazionali mantenuti negli Istituti nazionali di metrologia18 (NMI), come il National Physical Laboratory (NPL) nel Regno Unito e Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania, è essenziale se le misurazioni vengono effettuate con una certa pretesa di accuratezza. Molti Paesi hanno una "legge sul tempo" che prescrive il rispetto di una certa scala temporale come tempo legale, e spesso la NMI, o talvolta un altro istituto, è incaricata esplicitamente della sua diffusione. In pratica, la scala temporale globale comune, Coordinated Universal Time (UTC), fornisce il riferimento sottostante in tutti i Paesi, con il fuso orario appropriato e gli offset dell'ora legale applicati.
Da un punto di vista puramente tecnico, i segnali GNSS sono in grado di fornire le informazioni temporali richieste. Tutte le scale temporali del sistema GNSS si basano sulla scala temporale di riferimento internazionale, Coordinated Universal Time19 (UTC). Esistono due tipi di offset tra queste scale temporali di sistema e UTC. Ci sono offset di secondi interi perché i secondi intercalari sono stati introdotti in UTC, ma non in GPS, Galileo System Time (GST) o BeiDou. Inoltre, a livello di nanosecondi, esistono offset "piccoli".
Ma quando si tratta di una causa giuridica, possono essere poste domande come "Chi ha detto all'orologio satellitare che ora è?" oppure "L'ora del giorno e l'unità di tempo fornite dal GNSS sono riconducibili a UTC?". La tracciabilità è un concetto chiave in metrologia e richiede una catena ininterrotta di confronti o calibrazioni tra un risultato di misurazione e uno standard di riferimento, con incertezza di misurazione assegnata a ciascuna fase. Esiste un vero e proprio Vocabolario Internazionale di Metrologia20 (noto con la sua abbreviazione VIM), che contiene tutte le parole e le definizioni che riguardano la
17 È il più diffuso sistema di unità di misura.
18 Sono enti pubblici con il compito di svolgere e promuovere attività di ricerca scientifica nel settore della
metrologia.
19 È il fuso orario scelto come riferimento globale, a partire dal quale sono calcolati tutti i fusi orari del
mondo.
20 È un vocabolario, sviluppato a livello internazionale dalle più importanti organizzazioni normative, di
metrologia e di accreditamento di Laboratori, che riporta i termini correlati ai concetti fondamentali e generali della metrologia, con numerosi esempi in diversi settori applicativi.
17
misurazione del tempo basata sui segnali satellitari GNSS ricevuti e menziona qualsiasi altra procedura di misurazione.
1.2 Il BIPM e le scale temporali
L'International Bureau of Weights and Measures (BIPM) è l'organizzazione intergovernativa che organizza e sostiene il lavoro congiunto degli Stati membri firmatari della Convenzione sui contatori su questioni relative alla metrologia e agli standard di misurazione. Il BIPM, che si trova a Parigi, in Francia, è supervisionato dal Comitato Internazionale per i Pesi e le Misure21 (CIPM), composto da 18 rappresentanti eletti dagli NMI. Il CIPM ha anche una
serie di comitati consultivi che forniscono una guida e un coordinamento più dettagliati di aree specifiche della metrologia, compreso il Comitato Consultivo per il Tempo e la Frequenza (CCTF). La supervisione globale e la formulazione della strategia sono fornite dalla Conferenza Generale sui Pesi e le Misure (CGPM), formata da delegati dei 58 Stati membri che si incontrano ogni quattro anni.
Il BIPM ha il particolare compito di generare e diffondere la scala temporale di riferimento internazionale UTC, nello specifico si occupa il Reparto Tempo. UTC è una scala temporale post-elaborata, cioè è il risultato della cooperazione mondiale di 78 Istituti (a Marzo 2017), principalmente NMI, ma include anche alcuni osservatori astronomici e centri di ricerca che utilizzano orologi atomici di alta qualità e apparecchiature per il trasferimento del tempo, che si chiamano collettivamente “centri di temporizzazione”.
I dati relativi agli orologi e al trasferimento dell'ora vengono regolarmente segnalati al BIPM, che calcola l'UTC all'inizio di ogni mese di calendario dai dati relativi al mese precedente. I risultati delle elaborazioni sono pubblicati nella Circolare BIPM T. L'UTC è quindi una scala temporale “cartacea” ed è fisicamente rappresentata dalle realizzazioni delle scale temporali UTC, note come scale temporali UTC (k), detenute dai 78 centri di temporizzazione. L'UTC fornisce il riferimento per tutte le misurazioni e trasmissioni precise di tempo e frequenza in tutto il mondo, comprese le scale temporali del sistema GNSS. Ogni circolare T mensile riporta le differenze di orario UTC - UTC (k) a intervalli di 5 giorni, con incertezze specificate. A titolo di esempio, che illustra l'accuratezza raggiunta oggi e
21 Il suo compito principale è quello di assicurare l'uniformità in tutto il mondo delle unità di misura
18
Figura 13: Scale di riferimento del tempo per GPS (Gialla), GLONASS (rossa) e Galileo (verde) comparate con l’UTC in un anno
l'importanza per GNSS, le differenze rispetto a UTC nell’arco di un anno di tre scale temporali che servono come riferimento per i tempi del sistema GNSS sono illustrate nella Figura 13.
UTC (USNO) è realizzato presso l'osservatorio navale degli Stati Uniti, a Washington D.C., e funge da riferimento temporale per il GPS. UTC (SU) è realizzato presso l'Istituto Russo VNIIFTRI, a Mendeleevo, nella Regione di Mosca, e funge da riferimento temporale per GLONASS. UTCE è la media di cinque scale temporali UTC (k) realizzate presso istituti di cronometraggio europei e funge da riferimento temporale per Galileo.
È importante notare che molti, anche se non tutti, degli istituti che mantengono le scale temporali UTC (k) sono NMI firmatari del Mutual Recognition Arrangement22 (MRA) stabilito dal CIPM. L'MRA fornisce un quadro per gli NMI per dimostrare l'equivalenza dei loro standard e servizi di misurazione. Pertanto, la tracciabilità all'UTC può in teoria essere ottenuta in modo equivalente da qualsiasi NMI firmatario del CIPM MRA. Tuttavia, c'è un ostacolo: USNO non è un NMI e quindi non ha firmato l'MRA, quindi non è in grado di dimostrare la tracciabilità formale all'UTC attraverso la sua scala temporale UTC (USNO) basata sulle sue capacità di misurazione interne. Gli altri istituti coinvolti sono NMI e sono coperti dall'MRA. Sono quindi necessarie ulteriori misure per ottenere la tracciabilità all'UTC in senso stretto mediante la ricezione di segnali GPS.
22 È un accordo internazionale con il quale due o più Paesi si impegnano a riconoscere vicendevolmente i
19
La metrologia in tutto il mondo è coordinata attraverso le Organizzazioni Metrologiche Regionali (RMO), con appartenenze basate sugli NMI dei Paesi rappresentati. Attualmente ci sono sei RMO, come mostrato nella Figura 14.
Figura 14: Organizzazioni Meteorologiche Regionali in tutto il mondo
L'Associazione Europea degli Istituti Nazionali di Metrologia, nota come EURAMET23, è l'RMO che copre l'Europa. Coordina le attività di cooperazione degli NMI in Europa in settori quali la ricerca metrologica, la tracciabilità delle misurazioni alle unità del SI, il riconoscimento internazionale degli standard di misurazione nazionali e la certificazione delle Capacità di Taratura e Misurazione (CMC) dei suoi membri. Il lavoro di EURAMET è organizzato in 12 Comitati Tecnici (TC), di cui uno si occupa di Tempo e Frequenza (TC-TF). Il sito web di EURAMET elenca gli istituti che partecipano a TC-TF, che sono gli istituti responsabili del tempo e della frequenza in ogni paese, e le persone di contatto attuali. Uno studio sui regolamenti e le pratiche legali in materia di tempo in tutta Europa è stato pubblicato da EURAMET TC-TF nel 2011 ed è disponibile per il download dal sito web EURAMET. Tale studio ha rivelato ampie variazioni nelle procedure adottate dai diversi Paesi. Ad esempio, poco più della metà dei 34 Paesi partecipanti all'indagine ha il proprio tempo legale definito nella legislatura nazionale, ma con diversi livelli di dettaglio. In 11 di questi Paesi l'NMI è responsabile della realizzazione del tempo legale, ma la diffusione del tempo legale è una responsabilità dell'NMI in 20 Paesi. In tutti gli Stati, tuttavia, l'UTC è in pratica la scala temporale di riferimento, con il fuso orario appropriato e gli offset dell'ora legale applicati.
23 Lo scopo dell'associazione è quello di ottenere una maggiore efficienza attraverso il coordinamento e la
20
1.3 Scale temporali GNSS e modalità di diffusione
Lo scopo principale di qualsiasi GNSS è quello di fungere da sistema di posizionamento e navigazione. Ma ogni sistema si basa su un tempismo accurato e le misurazioni di pseudorange effettuate da un ricevitore vengono combinate con i dati riportati nel messaggio di navigazione GNSS per fornire, tra gli altri parametri, il tempo agli utenti che lo richiedono. I dettagli delle proprietà del segnale e delle configurazioni a bordo dei satelliti nel GNSS esistente sono ben documentati e spiegati ulteriormente nei libri di testo che trattano il GNSS, incluso il manuale pubblicato dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (2010). I messaggi di navigazione includono l'almanacco, i parametri orbitali e i parametri che mettono in relazione l'ora dell'orologio del satellite individuale con l'ora del sistema GNSS sottostante. I dettagli del formato dei dati sono forniti nella cosiddetta "Tabulazione
dei dati relativi al tempo di Galileo e messaggi di navigazione GPS". Come spiegato nel contesto della Figura 13, i tempi di sistema sono orientati verso la
realizzazione dell’ UTC, ad eccezione degli offset di secondi interi che derivano da diverse scelte fatte in precedenza e da scale temporali di sistema (diverse da quella di GLONASS) che non applicano aggiustamenti del secondo intercalare.
1.3.1 Utilizzo dei segnali GNSS come origine dell'UTC
Sono stati sviluppati due tipi distinti di ricevitori di tempo GNSS. I ricevitori "scientifici" più sofisticati, a volte chiamati ricevitori a trasferimento di tempo, determinano lo pseudorange di ciascun satellite in vista rispetto ai segnali provenienti da un orologio di riferimento locale collegato al ricevitore, e utilizzano le informazioni contenute nel messaggio di navigazione per fornire dati in uscita nella forma dell'orologio di riferimento locale meno l'ora GNSS. BIPM e CCTF hanno standardizzato i formati di file, le formule e i parametri per la valutazione dei dati. Per un utilizzo più ampio, in particolare per il posizionamento e la navigazione, il formato “Receiver Independent Exchange”, RINEX24, è
stato sviluppato nell'ambito del lavoro del Servizio GNSS Internazionale (IGS). I ricevitori più rilevanti sono quelli progettati per adattare la frequenza del loro oscillatore al quarzo 24È un formato di file per la memorizzazione di dati provenienti da sistemi satellitari di navigazione. Lo standard RINEX permette la memorizzazione e lo scambio dei dati indipendentemente dal ricevitore usato per effettuare la misura.
21
integrato (o standard di frequenza atomica al rubidio) al tempo GNSS e per fornire un segnale in uscita che rappresenta il tempo GNSS ad una frequenza standard (tipicamente 10 megahertz) e un impulso al secondo (1 PPS). Un dispositivo che funziona solo con il segnale GPS è spesso chiamato Oscillatore Disciplinato GPS25 (GPSDO) ed è ampiamente utilizzato nei laboratori di calibrazione, nell'industria e ovunque sia richiesta una frequenza precisa. Un'altra classe di strumenti emette le informazioni sull'ora del giorno, convertite dal messaggio di navigazione, mostrate dal display dell'orologio, in codici temporali elettrici standard come IRIG e può agire come un server Network Time Protocol26 (NTP) per la diffusione dell'ora in rete.
EURAMET TC-TF ha elaborato una guida tecnica per i laboratori di taratura che utilizzano i GPSDO come fonte di tracciabilità della frequenza o del tempo rispetto a UTC, è stata pubblicata nel 2016 ed è disponibile per il download online. La guida discute in dettaglio i requisiti che un laboratorio di calibrazione dovrebbe soddisfare per rivendicare la tracciabilità formale all'UTC quando si utilizza un GPSDO. Le notevoli variazioni dei regolamenti in tutta Europa hanno creato alcune complicazioni, ma c'era un accordo su una serie di requisiti fondamentali. In particolare, la calibrazione del GPSDO è raccomandata se si dichiarano basse incertezze (migliore di 1 microsecondo per il tempo, o 1 parte su 1011 per la frequenza), ed è necessario un metodo per verificare il corretto funzionamento quando il GPSDO è in uso, ad esempio monitorandone i parametri di controllo interni o confrontandolo con un secondo standard indipendente.
1.3.2 Validazione dei tempi basati su GNSS
La Figura 15 illustra i passaggi dalla generazione del segnale GNSS nel segmento di terra GNSS (GS), attraverso il segmento spaziale (SS), all'applicazione dell'utente.
25 È una combinazione di un ricevitore GPS e un oscillatore stabile di alta qualità come un oscillatore al
quarzo o al rubidio la cui uscita è controllata per concordare con i segnali trasmessi dal GPS o da altri satelliti GNSS.
26 È un protocollo per sincronizzare gli orologi dei computer all'interno di una rete a commutazione di
22
Figura 15: Flusso di informazioni e segnali tra un Segmento di Terra e un Segmento Spaziale di un GNSS, attraverso il Signal in Space e il ricevitore, fino ad arrivare all’applicazione finale
All'interno del perimetro delle operazioni GNSS sono certamente numerosi i controlli incrociati per verificare le proprietà dell'ora del sistema GNSS ed i parametri del messaggio di navigazione. Ciascun operatore GNSS ha creato un portale web pubblico con informazioni su anomalie, interruzioni del segnale, ecc. Nel caso di Galileo, il Centro servizi GNSS
europeo fornisce "Notice Advisories to Galileo Users" 27 (NAGU). Ma queste informazioni non rappresentano una verifica pubblicamente disponibile del
contenuto del segnale satellite per satellite o un mezzo per stabilire la tracciabilità delle misurazioni basate sui segnali GNSS secondo gli standard nazionali o internazionali. La situazione al confine tra lo spazio e i segmenti utente (SS-US in Figura 4) è diventata un tema caldo: come proteggersi dallo spoofing e come verificare o autenticare i segnali che arrivano al ricevitore? L'argomento è stato recentemente trattato approfonditamente in un articolo di Gianluca Caparra chiamato “et alia” (2016). In alcuni mercati GNSS, compresi l'aviazione civile e il settore marittimo, la certificazione è diventata pratica comune o addirittura obbligatoria. La certificazione copre le prestazioni del ricevitore, garantendo proprietà ben definite del segnale ricevuto al confine SS-USA (come il rapporto di densità portante-rumore, livello di multipath e segnali di interferenza nelle bande di frequenza
adiacenti). Questo argomento è stato affrontato in un articolo di Jules McNeff28 (2012). Un tipo di certificazione utilizza un simulatore di segnale certificato come sorgente di segnali
da inviare direttamente al ricevitore. Questo, ovviamente, copre solo una parte del problema. Un test completo di certificazione dovrebbe prendere in considerazione l'antenna, comprese le sue condizioni ambientali e il suo cavo. Nella comunità dei tempi, tali procedure formali sono rare. I 78 laboratori in tutto il mondo gestiscono circa 200 ricevitori di temporizzazione
27 Ha lo scopo di informare su qualsiasi attività o evento del sistema Galileo che possa impattare sul Signal in
Space o sul livello prestazionale come previsto dal Documento di Definizione dell’Open Service.
23
GNSS di almeno cinque diversi produttori commercialmente indipendenti. Esiste quindi una certa varietà sia di hardware (front-end, elaborazione del segnale, ecc.) che di software proprietario per fornire output di dati, consentendo di costruire la fiducia nelle loro prestazioni attraverso confronti incrociati. Questa rete di ricevitori può essere considerata un meccanismo di verifica delle proprietà di temporizzazione dei segnali GNSS. I bollettini di monitoraggio GNSS pubblicati gratuitamente da diversi NMI, compresi NPL e PTB, forniscono un mezzo immediatamente disponibile per confermare che i segnali di temporizzazione GNSS trasmessi siano corretti. I bollettini supportano la dimostrazione della tracciabilità tra le misurazioni effettuate utilizzando i segnali spaziali, ad esempio quando si utilizza un GPSDO, e la scala temporale UTC (k) dell'NMI emittente. Per essere più precisi, possiamo considerare la situazione in PTB. Negli ultimi anni sono stati utilizzati fino a otto ricevitori GNSS di quattro diversi produttori e le loro osservazioni vengono confrontate quotidianamente. I file di osservazione quotidiana, nei formati descritti nel documento di Pascale Defraigne e Gérard Petit (2015) e, per quanto possibile, in formato RINEX, sono disponibili pubblicamente il giorno precedente. Questi file forniscono un riferimento diretto a UTC (PTB) per l'utente esperto. Per il pubblico, un settimanale Time Service Bulletin (TSB) è pubblicato su un’altra pagina web. I servizi quasi in tempo reale che verificano anche il contenuto completo dei dati del messaggio di navigazione non sono ancora disponibili, ma tali servizi possono essere configurati utilizzando i servizi in tempo reale forniti da l'IGS.
1.3.3 Diffusione del tempo GNSS sulla rete
La distribuzione del tempo nelle reti locali utilizzando il Network Time Protocol (NTP) o il Precision Time Protocol29 (PTP) è diventata ben consolidata e un'ampia varietà di apparecchiature è disponibile sul mercato per soddisfare le diverse esigenze. Per motivi di sicurezza, i server utilizzati spesso non sono connessi a Internet. Invece di ottenere l'ora tramite NTP dai server pubblici, le informazioni sull'ora incluse nel SIS GNSS vengono tradotte nei messaggi NTP o PTP. La riga etichettata REC-APPL nella Figura 15 indica che la trasmissione di informazioni sull'ora da un ricevitore a un'applicazione è un altro processo la cui correttezza deve essere valutata attentamente per verificare la tracciabilità. Un'opzione,
29 È un protocollo di livello applicativo utilizzato per la sincronizzazione di dispositivi industriali o di
strumentazione di laboratorio all'interno di una rete a commutazione di pacchetto, quindi con tempi di latenza variabili ed inaffidabili.
24
implementata in alcune apparecchiature, è il controllo incrociato delle informazioni sull'ora dei segnali GNSS con i segnali dell'ora ricevuti tramite un secondo riferimento, che in genere è composto da una frequenza standard dedicata e un servizio di trasmissione dell'ora, come DCF77 in Germania e MSF nel Regno Unito. In Europa, i nuovi regolamenti redatti dall'autorità di regolamentazione dei servizi finanziari, l'Autorità europea degli strumenti finanziari e dei mercati30 (ESMA), specificano che a partire dal 3 gennaio 2018, tutte le negoziazioni automatizzate sono contrassegnate dall'orario UTC con un'incertezza non superiore a 100 microsecondi. Dopo la consultazione, l'ESMA ha concluso che il GPS e altri servizi GNSS possono essere utilizzati come fonte dell'ora, a condizione che siano messe in atto misure per dimostrare la tracciabilità e che il ricevitore funzioni correttamente. Le borse e le sedi di negoziazione devono pertanto modificare o aggiornare la loro infrastruttura di sincronizzazione per fornire prove della tracciabilità UTC in ogni momento in cui si svolgono le negoziazioni, anche se distribuiscono già il tempo attraverso le loro reti da una fonte GNSS. Con tali normative in vigore nel settore finanziario e requisiti di tempistica simili che compaiono in altri settori come le reti intelligenti e l'uso efficiente delle energie rinnovabili, la questione della responsabilità degli operatori GNSS in caso di utenti che sostengono costi significativi a causa di errori nei segnali ricevuti sull'interfaccia SS-US (vedi Figura 16) è diventato piuttosto attuale.
Figura 16: Intestazione di in file di navigazione dal giorno 310 dell’anno 2016 da un ricevitore GNSS che operava a PTB
I cosiddetti documenti di controllo dell'interfaccia (ICD), sono i riferimenti primari in qualsiasi controversia. Se i segnali generati nel segmento spaziale sono conformi alle
30 È un organismo dell'Unione europea che, dal 1º gennaio 2011, ha il compito di sorvegliare il mercato
25
specifiche degli ICD, l'operatore del GNSS ha svolto bene il suo lavoro. Il 27 Gennaio 2016 l’Aeronautica Militare Statunitense segnalò un’anomalia con la dicitura "GPS Ground System Anomaly"31. Nel suo comunicato stampa ufficiale ha dichiarato: "Il 26 gennaio alle 00:49 MST, il 2 ° squadrone delle operazioni spaziali Space Wing, Schriever Air Force Base, Colorado, gli utenti verificati stavano riscontrando problemi di temporizzazione GPS. Ulteriori indagini hanno rivelato un problema nel software di terra del sistema di posizionamento globale che ha influito solo sul tempo dei segnali in banda L. Questo cambiamento si è verificato quando il veicolo più vecchio, SVN 2332, è stato rimosso dalla costellazione. Mentre i sistemi di navigazione di base funzionavano normalmente, il segnale di temporizzazione universale coordinato era spento da 13 microsecondi, il che superava le specifiche di progetto". Le informazioni pubblicamente disponibili, derivate dall'analisi dettagliata dell'evento fornita dagli atti di ION GNSS+ 2016, indicano che i parametri A0 e WNOT (vedi Tabella 4) sono stati trasmessi in modo errato da un numero crescente di satelliti per diverse ore. Tuttavia, l'ICD afferma che tali dati dovrebbero essere considerati non validi se WNOT è molto diverso dall'epoca attuale (qui più di due anni). Se una qualsiasi applicazione utente era interessata da questa anomalia - interessava solo gli utenti che utilizzavano servizi di temporizzazione, non i servizi di posizionamento – i software che valutavano i messaggi SIS non seguivano sufficientemente l'ICD di riferimento. Sembra quindi improbabile che l'operatore GNSS possa essere ritenuto responsabile per eventuali perdite subite in questo o in casi simili, sebbene non sarà possibile rilasciare dichiarazioni definitive fino a quando un caso del genere non sarà stato esaminato in tribunale.
1.4 Uno sguardo avanti alla responsabilità
Ora analizziamo l'aspetto della responsabilità in tale contesto. Se in futuro un evento dovesse causare perdite o danni ingenti agli utenti delle applicazioni temporali GNSS, il trattamento legale dei reclami si troverebbe ad affrontare enormi complessità. Sebbene le parti coinvolte svolgano tutte le indagini necessarie per identificare la causa principale del problema, gli utenti interessati dovrebbero anche fornire la prova del difetto e del danno causato. Poiché agli utenti mancano le informazioni necessarie riguardanti la complessa catena alla base delle applicazioni temporali GNSS, fornire una prova valida potrebbe essere molto difficile.
31 AIR FORCE OFFICIAL PRESS RELEASE - GPS GROUND SYSTEM ANOMALY, 27 Gennaio 2016
26
Secondo un’analisi svolta recentemente, nessuna responsabilità contrattuale potrebbe essere evocata se la causa principale risiede nelle prestazioni di uno dei sistemi GNSS. La responsabilità extracontrattuale è limitata dalla dottrina dell'immunità e dalle Leggi nazionali applicabili sulla responsabilità dello Stato. Sia il governo degli Stati Uniti che quello russo negano qualsiasi responsabilità legale per le prestazioni del sistema GPS o GLONASS e, di conseguenza, del segnale. Inoltre, neanche la Cina ha assunto alcuna posizione a tale riguardo. Per quanto riguarda Galileo, l'Unione europea (UE) come proprietario del sistema e l'Agenzia europea del GNSS (GSA) come fornitore di servizi per l'utente, teoricamente hanno la responsabilità extracontrattuale ai sensi dell'articolo 340 del Trattato sul Funzionamento dell'Unione europea33 (TFUE). Tuttavia, il risarcimento deve essere effettuato "in conformità con i principi generali comuni alle Leggi degli Stati membri", il che lascia un livello di incertezza significativo. Inoltre, la Commissione europea ha recentemente pubblicato i cosiddetti “Documenti di Definizione del Servizio” per i servizi Open Service e Search and Rescue. Entrambi i Documenti contengono termini e condizioni per l'utilizzo di questi servizi, inclusa una clausola di esclusione di responsabilità piuttosto ampia. L'UE e le altre entità coinvolte non offrono alcuna garanzia in merito alla disponibilità, continuità, accuratezza, integrità, affidabilità e idoneità dei servizi. Non possono essere ritenuti responsabili per eventuali danni derivanti dall'uso del servizio, se non ai sensi dell'articolo 340 TFUE. Anche per Galileo, gli utenti interessati dovranno affrontare notevoli barriere giuridiche per ricevere un risarcimento. A livello internazionale, non esistono strumenti giuridici specifici che disciplinano la responsabilità per segnali e servizi GNSS. Per più di 15 anni, la questione è stata discussa all'interno dell'Organizzazione Marittima Internazionale (IMO), dell'Organizzazione dell'Aviazione Civile Internazionale (ICAO) e dell'Istituto Internazionale per l'Unificazione del Diritto Privato34 (UNIDROIT). Tuttavia, tutti questi sforzi non hanno portato ad alcuna soluzione comune o allo sviluppo di alcuna proposta per uno strumento giuridico. Nel complesso, gli utenti avranno quindi enormi difficoltà a ricevere un risarcimento per la loro perdita o danno derivante dal malfunzionamento dei servizi orari GNSS.
33 È, accanto al trattato sull'Unione europea (TUE), uno dei trattati fondamentali dell'Unione europea (UE).
Assieme costituiscono le basi fondamentali del diritto primario nel sistema politico dell'UE.
34 È un'organizzazione internazionale che persegue l'armonizzazione del diritto internazionale privato e nel
27
Tabella 1: Parametri di correzione del clock SV di Galileo 1.5 Impatto del tempo sulla vita quotidiana
Il tempo preciso è fondamentale per una grande varietà di attività economiche in tutto il mondo. I sistemi di comunicazione, le reti elettriche e le reti finanziarie fanno tutti affidamento su tempi precisi e affidabili per la sincronizzazione e l'efficienza operativa. La disponibilità gratuita del tempo GPS ha consentito enormi risparmi sui costi per le aziende che dipendono da un tempo preciso e ha portato a significativi progressi nelle loro capacità. Le aziende di tutto il mondo utilizzano il GPS per contrassegnare con data e ora le transazioni commerciali, fornendo un modo coerente e accurato per conservare i movimenti e garantire la loro tracciabilità. Le principali istituzioni finanziarie utilizzano il GPS per ottenere l'ora precisa per l'impostazione degli orologi interni utilizzati per contrassegnare le transazioni finanziarie. Grandi e piccole imprese si stanno rivolgendo a sistemi automatizzati in grado di tracciare, aggiornare e gestire più transazioni effettuate da una rete globale di clienti. Questo processo richiede informazioni precise sui tempi, ricavabili tramite GPS e da altri GNSS nei prossimi anni.
1.6 Tabulazione dei dati di navigazione di GPS e GALILEO
Ora descriviamo i dati relativi al tempo dei messaggi di navigazione di Galileo e GPS, che sono quasi identici per formato e contenuto.
1.6.1 Offset tra ora spaziale e ora del sistema
La correzione tra l'ora del satellite individuale e l'ora del sistema GNSS in un dato momento viene calcolata dai parametri trasmessi, qui mostrati per Galileo nella Tabella 1.
28
Tabella 2: Parametri di riferimento
Per quanto riguarda il GPS, invece, i parametri per la correzione del clock sono contenuti nei bits da 9 a 24 della parola otto, nei bits da 1 a 24 della parola nove e bit da 1 a 22 della parola dieci. La tabella 2 riassume tali parametri.
1.6.2 Numerazione delle settimane e ora della settimana
La settimana GPS numero zero (0) è iniziata a mezzanotte UTC (USNO) tra il 5 gennaio 1980 e il 6 gennaio 1980. La settimana zero di Galileo corrisponde alla settimana GPS 1024, che dopo il roll-over35 è stata riportata come settimana zero. L'epoca di inizio del GST era alle 00:00 UTC di domenica 22 agosto 1999. A quell'epoca, GST era avanti di 13 secondi rispetto a UTC. Poiché 12 bit sono riservati per il numero della settimana, il roll-over si verifica solo dopo circa 78 anni. La Tabella 3 elenca i parametri.
35 Il conteggio del tempo GPS è limitato a cicli da 0 a 1023 settimane. Giunti alla settimana 1024 il ciclo si
29
Tabella 3: Parametri GST
1.6.3 Offset tra tempo di sistema e UTC
Sia il GPS che Galileo forniscono parametri per stimare l'ora UTC partendo dall'ora di sistema per una data epoca. I parametri comprendono l'offset dei secondi interi dovuti ai secondi intercalari in UTC e i coefficienti di offset e di velocità per la previsione accurata della differenza (a livello di ns). Sono elencati nella Tabella 4.
Tabella 4: Parametri di conversione da GST a UTC
Come affermato in precedenza, offset da UTC significa offset da UTC (USNO) nel caso di GPS e offset da una previsione di UTC, basata su UTCE, nel caso di Galileo. Si può notare dalla Figura 13 che, almeno per il periodo coperto, le differenze sono marginali, ma non nulle e non identiche. Le tabelle 3 e 4 rappresentano i mezzi per determinare con precisione l '"ora del giorno" in UTC tramite segnali GNSS.
30 1.6.4 Offset tra i tempi dei due sistemi
A sostegno dell'interoperabilità, GPS e Galileo riportano lo scostamento temporale previsto tra i due orari del sistema, denominato GGTO36, nel messaggio di navigazione. La differenza tra le scale temporali di GPS e Galileo viene calcolata utilizzando questa equazione:
Con:
• A0G termine costante
• A1G velocità di cambiamento del Δtsystems
• t0G tempo di riferimento per i dati GGTO
• tGalileo GST time (s)
• tGPS GPS time (s)
• WN GST Numero della Settimana
• WN0G Numero della Settimana del GGTO
I ricevitori GNSS che generano file nel formato RINEX versione 3.01 e successive riportano queste quantità. Come esempio, si può vedere l'intestazione di un file di navigazione (Figura 16) recuperato da un ricevitore di tempo GNSS, gestito a PTB. Il file è stato generato il giorno 310 dell'anno 2016, giorno 6 della settimana GPS 1921 (WN), che inizia con il secondo 518400 (TOW). Le quantità di interesse sono mostrate nelle linee rosse. GPGA rappresenta GGTO come appena definito, sebbene l’espressione del segno possa essere un po' ambigua.
31
Figura 17: Evoluzione satelliti GPS
CAPITOLO II: IL SISTEMA DI NAVIGAZIONE SATELLITARE GPS
2.1 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
32
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.
33
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
34
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,
35
-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.
36
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
37
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
