Progetto preliminare di una missione multisatellite di osservazione della Terra con propulsione elettrica compatibile con il lanciatore VEGA
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IL SISTEMA DI NAVIGAZIONE
11.1 Introduzione
Tradizionalmente, il mantenimento orbitale ed il controllo sono eseguiti a Terra. Le operazioni da effettuare che vengono prima calcolate e poi tradotte in una serie di comandi che è successivamente inviata al satellite, infine viene inviato il co-mando relativo al tempo di inizializzazione della manovra gestito dall’orologio inter-no del satellite. In questo modo è possibile eseguire comandi anche quando il satelli-te non è in vista.
In passato non esistevano valide alternative a questo tipo di approccio, ora, invece, è possibile dotare il satellite di sistemi di navigazione e controllo a bordo re-lativamente economici e affidabili che permettono il controllo del satellite in tempo reale.
Per quanto riguarda la determinazione della posizione orbitale esistono diver-si approcci posdiver-sibili riportate qui di seguito.
• Determinazione dell’orbita tramite rilevazioni effettuate a Terra: questo è il metodo più semplice e consiste nel derivare l’orbita del satellite tramite tre successive rilevazioni eseguite da una stazione a Terra. Metodo semplice ed adatto a missioni di basso profilo in cui non ci sono grossi requisiti di posi-zionamento del satellite.
• Sistemi a Orizzonte Stellare: questi sistemi sono stati concepiti per sfruttare l’interazione tra la luce stellare e la Terra o, meglio, sfruttando la rifrazione di queste con l’orizzonte terrestre, come questo viene visto dal satellite. In realtà sono stati sviluppati solo parzialmente e nessun sistema ha mai volato.
• Sistemi Collegamento Incrociato: questi sistemi vanno a valutare la posizione relativa del satellite rispetto a gli altri satelliti della costellazione visibili dalla sua posizione. Il problema principale di questi sistemi è che comunque
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sitano di un apparato esterno che permetta di valutare la velocità e la posizio-ne di almeno uno dei satelliti della costellazioposizio-ne
• Tracciamento a Terra: questi sistemi, relativamente molto semplici da im-plementare, sfruttano proprio le immagini inviate a Terra dai sensori per rica-vare la posizione del satellite; in realtà non sono stati mai utilizzati in quanto risulta molto difficile garantire una esatta corrispondenza tra le immagini e la posizione del satellite in condizioni di tempo avverso
• Rilevamento del Sole e della Terra: il sistema ricava la distanza e la velocità rispetto alla terra utilizzando un sistema inerziale coincidente con le stelle fis-se; questo tipo di approccio necessità, però, di calcolatori adatti alle comples-se operazioni di calcolo associate.
• Sistemi di navigazione esterni: vi sono numerosi sistemi di navigazione commerciali e militari che, grazie all’uso di costellazioni di satelliti, fornisco-no la posizione e la velocità di qualsiasi oggetto dotato di un opportufornisco-no rice-vitore e posizionato ad una qualsiasi quota al di sotto della costellazione. Tra di questi il più famoso è sicuramente il GPS ma esistono numerosi sistemi al-ternativi come il Russo Glonass o il futuro sistema Europeo Galileo.
Nel paragrafo 5.7 sono già stati discussi i requisiti imposti sul posizionamen-to e sul controllo di ogni singolo satellite della nostra costellazione. A questi vanno aggiunte le seguenti considerazioni:
• Le manovre vanno eseguite quando il satellite non è in eclisse evitan-do le potenziali perdite di potenza che si avrebbero nel caso in cui la potenza derivi dalle batterie.
• Le manovre di correzione, inoltre, devono essere eseguite sufficien-temente prima della fase di acquisizione.
Appare chiaro quindi dalle precedenti che l’ipotesi di utilizzare delle stazioni a terra per il tracciamento del satellite viene subito scartata in quanto non consenti-rebbe di ricollocare il satellite nella giusta posizione nel caso in cui la stazione di controllo si trovi immediatamente dopo la zona d’acquisizione. La nostra scelta cade quindi nell’utilizzare il sistema Galileo, un prodotto totalmente Europeo che sarà di-sponibile per il 2008, le cui caratteristiche principali sono elencate nel successivo pa-ragrafo.
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11.2 Il sistema GALILEO
Il GALILEO è un iniziativa europea, sotto il controllo di enti civili, per un moderno sistema di navigazione satellitare, in grado di fornire elevate ed accurate prestazioni in termini di determinazione della posizione di qualsiasi sistema navale, terrestre o aerospaziale. Il GALILEO, inoltre, sarà completamente interfacciabile con il GPS e il GLONASS (gli altri due sistemi di controllo della posizione attualmente in orbita), pur mantenendo una sua completa autonomia. Il GALILEO garantirà pre-cisioni dell’ordine del metro, prestazioni attualmente non disponibili per utenze civili o commerciali, e sarà inoltre in grado di funzionare nelle peggiori condizioni, infor-mando, con ampi margini di tempo, gli utenti relativamente ad eventuali guasti o malfunzionamenti delle rete satellitare.
L’intero progetto GALILEO sarà implementato in 3 fasi: • Sviluppo (2002-2005).
• Messa in orbita (2006-2007). • Inizio operatività (2008).
Il sistema GALILEO assicurerà 5 tipi di sevizi:
• livello base dedicato a utenze di tipo generale gratuito (Open Service, servizio aperto). Sevizio prettamente destinato ad applicazioni di massa, gratuito per tutti gli utenti che saranno dotati di un opportuno strumento di ricezione. • Livello più elevato per usi in cui la sicurezza dei passeggeri è critica (Safety
of Live Service, servizio di sicurezza in diretta). Questo livello sarà utilizzato per tutti i sistemi di trasporto, dove ci possano essere pericoli per la vita nel caso di degradamento delle prestazioni del sistema. In realtà questo livello of-fre le stesse prestazioni del servizio aperto tranne che per un elevata integra-zione a livello globale del servizio.
• Livello ad accesso ristretto, dedicato ad applicazione commerciali e profes-sionali (Commercial Service, servizio commerciale). Questo servizio sarà a pagamento, ma offrirà delle prestazioni sensibilmente migliori. La trasmis-sione dei dati verrà criptata tramite algoritmi del tipo chiave pubblica - chiave privata. Sempre a pagamento si potranno richiedere servizi aggiuntivi come modelli accurati della stato della ionosfera.
• Livello riservato a enti governativi (Public Regulated Service, servizio pub-blico regolato). Nonostante il GALILEO sia un sistema prettamente civile,
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traverso questo servizio può essere usato da enti di polizia, sempre sotto le regole d’accesso imposte dall’Unione Europea.
• Livello dedicato ad operazioni umanitarie (Search and Rescue, ricerca e sal-vataggio). Questo livello sarà di grosso aiuto per operazioni tipo ricezione di segnali di soccorso (al giorno d’oggi la precisione per questi servizi è di 5 km), o per monitoraggio di disastri naturali. Sarà predisposto anche per la ri-cezione di segnali di ritorno per diminuire i casi di falsi allarmi.
I dati tecnici del sistema sono riportati in tabella 11.2-1.
tabella 11.2-1 Prestazioni di GALILEO
Il GALILEO sarà costituito da ben 30 satelliti posti ad un quota di circa 24000 km dalla superficie terrestre e da un network di stazioni a terra; in realtà ,come si vede dalla tabella 11.2-1, esistono altri due sotto livelli di accesso, Locale e Globa-le, ma è solo con il primo che si potranno raggiungere le prestazioni migliori.
tabella 11.2-2 Pro e contro della configurazione adottata
Scelta effettuata Vantaggi Svantaggi
Sistema di navigazione esterno
Prestazioni assolutamente non raggiungibili da sistemi tradizionali
Maggiori costi as-sociati
OS CS PRS SoL
Copertura Globale Globale Locale Globale Locale Globale Accuratezza Orizzontale Verticale h = 4 m v = 4 m < 1 m < 10 cm h = 6.5 m v = 12 m 1 m 4-6 m Disponibilità 99.8% 99.8% 99.9% 99.8%
