Sistemi Satellitari di
Posizionamento
Per sistema di posizionamento si intende un sistema in grado di fornire con precisione il tempo, le coordinate geografiche, (longitudine, latitudine e quota), e la velocità di un mezzo mobile in qualsiasi punto della Terra, per l’intero arco della giornata. In questo capitolo, verranno trattati i sistemi : GPS paragrafo 1, GALILEO paragrafo 2, ed EGNOS paragrafo 3.
1.1 – Global Positioning System (GPS)
Il sistema satellitare GPS, la cui denominazione completa è NAVSTAR-GPS (NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System), è attualmente il sistema di posizionamento più utilizzato per applicazioni civili e militari.
Il progetto venne sviluppato dal U.S. Department of Defense con il lancio del primo satellite nel 1978. L’ultimo dei 28 satelliti, 4 dei quali di riserva e 24 funzionanti, venne inviato nel 1993.
Il sistema venne pensato per scopi militari, ma poco dopo ne fu permesso anche l’uso civile, benché l’accuratezza in quest’ultimo caso fu volutamente degradata; nel maggio 2000 l’ente responsabile decise di rimuovere il disturbo, con la facoltà di poterlo reinserire in qualsiasi momento, in caso di necessità e senza preavviso.
Lo scopo del sistema GPS è quello di permettere la determinazione, ovunque e in qualsiasi momento, dei 4 parametri fondamentali: latitudine, longitudine, quota e tempo. Da questi parametri sarà poi possibile risalire ad altre grandezze di interesse pratico, quali velocità, accelerazione e altro.
I 28 satelliti del sistema ruotano intorno alla Terra ad una altezza di circa 20192 km, con un periodo orbitale di 11 h 58 min, quindi, circa metà di un giorno siderale. Tenendo conto anche della rotazione della Terra, possiamo dire che ciascun satellite si troverà sulla verticale dello stesso punto della superficie dopo 24 ore. Le orbite sono piane e quasi circolari, inclinate di 55 gradi rispetto all’equatore e 60 gradi tra di loro. Si hanno in tutto 6 orbite, ciascuna delle quali ospita 4 o 5 satelliti. I 4 satelliti operativi per ogni orbita non sono equispaziati, ma sono disposti in modo tale da minimizzare gli effetti negativi sul sistema, in caso di mancato funzionamento di uno di questi. Il sistema deve essere organizzato in modo tale da assicurare la visione contemporanea di almeno 4 satelliti, da qualsiasi punto della superficie terrestre. In realtà le orbite ed il numero di satelliti presenti in ciascun piano orbitale sono tali da garantire, in ogni momento e in ciascun luogo della Terra, la visibilità di almeno 5 satelliti sopra i 15 gradi dalla linea di orizzonte per 24 ore al giorno.
Ogni satellite illumina la porzione di superficie visibile dalla propria posizione, inviando un segnale dal quale vengono derivate le 2 informazioni fondamentali cioè posizione del satellite e istante di trasmissione. Da queste si ricavano tutte le informazioni necessarie alla localizzazione dell’utente.
È d’obbligo osservare che in questo tipo di trasmissioni non si possono utilizzare informazioni provenienti da onde riflesse; deve essere disponibile, quindi, il raggio diretto LoS (Line of Sight).
Nel suo insieme il sistema è costituito da 3 distinte componenti:
• space segment;
• control segment;
• user segment.
La prima di queste componenti comprende la costellazione di tutti i satelliti operativi, precedentemente descritta.
La componente chiamata control segment, indicata anche con l’acronimo OCS (Operational Control System), rappresenta l’insieme di tutte le stazioni di terra coinvolte nel monitoraggio e nel controllo del sistema GPS. Ha il compito di mantenere i satelliti nell’orbita prestabilita, di monitorarne il corretto funzionamento, il livello di potenza delle batterie, l’assetto solare, il livello di propellente per le manovre e regolare l’attivazione dei satelliti di emergenza. L’OCS inoltre aggiorna gli orologi del satellite, le effemeridi, gli almanacchi e altri parametri del messaggio di navigazione, almeno una volta al giorno o quando necessario.
L’intera sezione è composta da una stazione di comando MCS (Master Control Station) situata nel Colorado, cinque stazioni di monitoraggio MS (Monitor Station) e tre stazioni trasmittenti GA (Ground Antenna) con il compito di inviare le informazioni correttive ai satelliti. Le MS e le GA sono situate attorno al Globo nelle vicinanze dell’equatore.
La componente denominata user segment è costituita dagli utenti civili e militari del sistema.
La prima operazione che esegue il ricevitore è la rivelazione dei segnali provenienti dai 4 satelliti, all’interno del segnale complessivo ricevuto, operazione svolta attraverso una misura di correlazione tra l’informazione complessiva e il codice
replica è disponibile in ricezione. Inoltre le proprietà dei vari codici, di essere praticamente incorrelati tra loro, garantisce la separabilità dei messaggi. Tale tecnica prende il nome di CDMA, Code Division Multiple Access, accesso multiplo a divisione di codice.
I segnali vengono trasmessi solo dai satelliti, ad eccezione dei segnali che questi ultimi ricevono dalla rete di controllo. Ciascun satellite trasmette utilizzando due diverse portanti di frequenza indicate con f (1575,42 MHz), la frequenza 1 primaria, ed f (1227,60 MHz), la frequenza secondaria. Tali frequenze sono ottenute 2 come multipli di una frequenza base derivata dagli orologi atomici e pari a 10,23 MHz, caratterizzata da una stabilità relativa intorno a 10−13:
1 2 154 10.23 MHz 120 10.23 MHz f f = × = × (1.1)
Vengono usate due frequenze per ottenere delle misure più precise in presenza di anomalie nella propagazione ionosferica e troposferica del segnale. Infatti, dalla differenza tra i tempi di transito dei segnali L , a frequenza 1 f , ed 1 L , a frequenza 2 f , 2 si può stimare il ritardo ionosferico e troposferico aggiuntivo su entrambi i segnali e procedere alla correzione dei risultati.
Il segnale L è modulato sulle componenti in fase e quadratura dai codici P (o 1 Y) e C/A, entrambi codici ad espansione spettrale rispettivamente a velocità 10,23 Mchip/s e 1,023 Mchip/s, e dal messaggio di navigazione D, a 50 bit/s. Il sistema prevede la possibilità di alterare il messaggio di navigazione destinato all’utenza civile introducendo piccoli errori sulle effemeridi del satellite e perturbando il segnale orario. Questi accorgimenti, il cui scopo è di adattare la precisione di localizzazione
alla tipologia di utente, privilegiando quello militare, sono noti come selective availability (SA).
La componente in fase del segnale L è ottenuta modulando la portante a 1 frequenza f con la somma modulo 2 del codice P (o Y) e del messaggio di 1 navigazione D, mentre la componente in quadratura viene generata modulando la stessa portante, ruotata di 90°, con la somma modulo 2 del codice C/A e del messaggio di navigazione D. La somma modulo 2 tra flussi binari aventi velocità diverse viene ovviamente eseguita sovracampionando il flusso più lento per portarlo alla cadenza dell’altro.
Il segnale L , trasmesso sulla portante a frequenza 2 f , è un segnale BPSK 2
ottenuto dalla somma modulo 2 tra il codice P (o Y) ed il messaggio di navigazione D. I due segnali L e 1 L sono quindi: 2
( )
[
]
(
)
[
]
(
)
( )
[
]
(
)
1 1 1 2 1 2 2 cos 2 / sin 2 cos 2 L t A P D f t A C A D f t L t B P D f t = ⊕ + ⊕ = ⊕π
π
π
(1.2)dove il simbolo ⊕ indica la somma modulo 2, A2 = 2A1 e 1
2 A
B= .
Come risultato della moltiplicazione del messaggio di navigazione per i due diversi codici si ottiene un allargamento dello spettro dei segnali; in particolare il codice C/A espande la banda del segnale L occupando una banda a RF di circa 2 MHz intorno a 1
1
f , mentre il codice P (o Y) espande entrambi i segnali arrivando ad una occupazione di banda di circa 20 MHz centrata intorno ad entrambe le frequenze portanti.
I codici C/A e P (o Y) sono sequenze PRN composte da cifre binarie generate in modo pseudo-casuale.
1.1.1 Codici C/A.
Il codice C/A, Clear Access o Corse Acquisition, è trasmesso in chiaro e permette una stima degradata della posizione del ricevitore. È unico per ciascun satellite, ha un periodo di ripetizione di 1 ms e una frequenza di 1,023 Mchip/s. Modula solo la portante L ed è fruibile da tutti i ricevitori. È un codice appartenente 1 alla famiglia dei codici di Gold.
La sequenza di codice, si ottiene come somma modulo 2 di due distinte sequenze, di lunghezza 1023 chip e generate da un registro a scorrimento a dieci stati. La seconda di tali sequenze è diversa per ogni satellite e ciascuna è ottenuta dalla sequenza base ritardata di un numero di chip che va da 1 a 32; tali ritardi sono ottenuti combinando opportunamente le uscite di 2 celle del registro a scorrimento che genera la sequenza base (fig. 1.1). Entrambi i registri a scorrimento hanno un clock di sistema pari a 1,023 MHz.
1.1.2 Codici P (o Y)
Il codice P (o Y), Protected o Precision, è un codice disponibile per i soli utenti militari, ed essendo caratterizzato da una durata del chip sensibilmente inferiore a quella del codice C/A, permette una rivelazione più precisa della posizione. È unico per ciascun satellite, ha un periodo di ripetizione di 38 settimane, opportunamente troncato ad una settimana, e una frequenza pari a 10,23 Mchip/s. Modula entrambe le portanti ed appartiene alla famiglia dei codici di Gold.
La sequenza viene suddivisa in segmenti di durata pari ad una settimana e a ciascuno di essi viene associato un satellite. Dei 38 possibili segmenti, solo 32 sono effettivamente assegnati ai satelliti, in quanto uno non è utilizzato e 5 sono utilizzati dal control segment. Alla mezzanotte del sabato di ogni fine settimana tutti i generatori di codice a bordo dei satelliti vengono resettati all’istante iniziale, per evitare che generino il PRN del satellite successivo.
Il codice P è dato dalla somma modulo 2 di due sequenze, entrambe risultato della somma modulo 2 di altre due sequenze generate da due registri a scorrimento a 12 stadi ciascuno, troncate rispettivamente a 4092 e 4093 cicli. Anche in questo caso la sequenza generata sarà unica per ciascun satellite in quanto una delle due sequenze base è ottenuta ritardando una generatrice di un numero di chip che va da 1 a 32, e ogni ritardo è associato ad un diverso satellite.
In principio il codice P poteva essere utilizzato solo in apparati militari e da utenti autorizzati. Tale protezione però fu aggirata da vari ricercatori, perciò a bordo dei satelliti di seconda generazione è stata introdotta la possibilità di generare a comando un codice Y criptato al posto del codice P. La chiave di decodifica è nota soltanto ai militari Statunitensi.
La presenza di questo sistema di codifica rende il sistema GPS in grado di fornire e gestire servizi su due livelli:
1) SPS, Standard Positioning Service, per uso civile, attraverso la ricezione del solo codice C/A;
2) PPS, Precise Positioning Service, per usi militari o speciali, attraverso la ricezione di entrambi i codici C/A e P.
Su entrambe le portanti inoltre viene trasmesso il messaggio di navigazione, contenente informazioni relative a:
• le effemeridi del satellite, vale a dire la posizione esatta per un certo istante e i parametri utili per il calcolo delle posizioni successive; tali dati vengono aggiornati ogni ora e trasmessi con continuità;
• il segnale orario del satellite;
• l’informazione necessaria all’acquisizione del codice P;
• i parametri per la correzione dei ritardi causati da ionosfera e troposfera.
Maggiori informazioni sul sistema GPS sono reperibili in [1].
1.1.3 Evoluzione del GPS
Prima di passare al sistema GALILEO, bisogna segnalare che, per un prossimo futuro è prevista una evoluzione del sistema GPS. Questa comporterà una diversa occupazione di banda dei segnali utilizzati, in conseguenza al miglioramento dei servizi offerti dal sistema. In Fig. 1.2 viene mostrata l’occupazione di banda del sistema GPS, prendendo in considerazione anche i nuovi segnali.
La banda L dell’attuale segnale GPS, diventerà una delle due bande previste 1 per il futuro M-Code GPS, che sarà il nuovo servizio cifrato utilizzato dalle forze armate statunitensi.
Fig. 1.2 - Occupazione di banda del sistema GPS
In Tab. 1.1 sono messi a confronto i servizi offerti e le bande utilizzate nel futuro GPS con quelli attualmente funzionanti.
GPS ATTUALE GPS FUTURO SERVIZIO BANDA UTILIZZATA SERVIZIO BANDA UTILIZZATA PROTEZIONE SPS L1 SPS L 5 in chiaro PPS L1, L2 M-Code L1, L2 cifrato
Tab. 1.1 - Variazioni ai servizi GPS
Come si vede dalla Tab. 1.1 e dalla Fig. 1.2 - Occupazione di banda del sistema GPSFig. 1.2, nell’occupazione spettrale del segnale GPS, è prevista l’espansione verso la banda L , sulla quale verrà trasmesso il servizio in chiaro che 5 attualmente interessa la banda L1. La differenza sostanziale del futuro M-Code
dalla BPSK alla BOC f
(
S/ fC)
, utilizzata anche per i servizi cifrati di GALILEO, come verrà descritto nel paragrafo successivo1.2 GALILEO
Attualmente i due sistemi di posizionamento satellitare in funzione sono il GLONASS e il GPS, entrambi ideati nel periodo della guerra fredda per scopi strettamente militari. Dal momento che il sistema Russo non ha sviluppato nel tempo alcuna applicazione civile, GALILEO offre una valida alternativa al monopolio Americano nel campo della navigazione.
Il principio di funzionamento sarà lo stesso del GPS; le differenze riguarderanno principalmente i maggiori e migliori servizi offerti, le gamme di frequenza utilizzate e alcuni particolari tecnici.
La prima sostanziale differenza tra GALILEO e GPS è che il sistema Europeo nasce per applicazioni civili. Anche se sono previsti utilizzi in campo militare attraverso servizi cifrati, sui quali sarà garantito un efficiente controllo di sicurezza.
La realizzazione del progetto è stata programmata in 3 fasi:
• fase di sviluppo, comprende la nascita di 2 – 4 satelliti e alcune basi di controllo a terra e la validazione del sistema in orbita;
• fase di avanzamento , costruzione e lancio dei rimanenti satelliti e installazione completa del segmento a terra;
• fase commerciale;
Lo sviluppo e la validazione dei segmenti spaziale e terrestre saranno portati avanti dall’ESA, in linea con quanto stabilito in collaborazione con il JU1, Joint Undertaking; la fase commerciale invece sarà portata avanti principalmente dal settore privato.
1 La GALILEO Joint Undertaking è una compagnia nata con lo scopo di completare la fase di sviluppo e validazione del progetto. Assicura un unico corpo manageriale e rende possibile l’utilizzo di fondi
Il nucleo del sistema GALILEO è costituito dal segmento spaziale, Galileo Space Segment, una costellazione di 30 satelliti, denominata Walker Constellation, dei quali 27 effettivamente funzionanti e 3 di riserva, disposti in orbita media intorno alla Terra ad un’altezza di 23616 km; i piani orbitali saranno tre e inclinati di circa 56° rispetto al piano dell’equatore. Su ciascun piano orbitale quindi saranno disposti 10 satelliti, di cui uno di riserva, i quali impiegheranno circa 14 ore per compiere un giro intorno alla Terra. Il segnale di navigazione del sistema GALILEO garantirà un’ottima copertura anche a latitudini superiori ai 75°.
Il segmento spaziale consentirà la radiodiffusione dei messaggi di navigazione e del segnale di timing, generati attraverso il NSP (Navigation Signal Processor) che ha come ingressi i messaggi di navigazione trasmessi ai satelliti in banda S dal segmento di terra, i codici PRN generati localmente, e il riferimento temporale derivato direttamente dagli orologi atomici equipaggiati a bordo delle vetture spaziali. I satelliti diffonderanno anche messaggi d’integrità che saranno generati sotto forma di pacchetti dall’EIDS (European Integrity Determination System) o dal NEIDS (Non European Integrity Determination System). Tali pacchetti verranno poi incorporati nelle trame dei messaggi di navigazione e trasmessi agli utenti in tempo reale.
I collegamenti per la telemetria, per il controllo e la correzione dell’orbita, cioè per le operazioni di TT&C (Tracking, Telemetry, Command) e per i messaggi di navigazione ricevuti in uplink, saranno effettuati attraverso un trasponder in banda S, su una singola portante uplink modulata BPSK/PM (2034,747 MHz) e su una singola portante downlink modulata BPSK/PM (2209,68 MHz).
Tutti i servizi offerti da GALILEO saranno caratterizzati da un miglioramento delle prestazioni rispetto ai sistemi di posizionamento satellitare esistenti; si arriverà ad una copertura delle aree urbane al 95%, contro il 50% del GPS; il sistema inoltre permetterà un calcolo della posizione con un errore che si manterrà sotto i 4 metri, contro i 22 del GPS nel caso PPS e i 100 nel caso SPS.
Sarà inoltre predisposta una rete di controllo a terra, il Galileo Ground Segment la quale comprende due infrastrutture principali denominate rispettivamente GCS (Ground Control System) ed EIDS.
Il corpo principale del GCS è il GCC (Galileo Control Center) che si occuperà dell’elaborazione dei messaggi di navigazione (effemeridi, almanacchi, calcolo delle variazioni tra i clock dei satelliti e l’UTC2, che coincide con il clock di terra), del trasferimento ai satelliti dei messaggi di navigazione opportunamente corretti, del calcolo del parametro SISA (Signal In Space Accuracy) per ogni satellite. Inoltre, per aumentare il grado di ridondanza, è previsto che il sistema GALILEO abbia due centri di controllo separati, entrambi posizionati entro i confini Europei.
Il compito del GCC sarà supportato da una serie di stazioni remote interconnesse tra di loro, che possono essere così classificate:
• stazioni TT&C che si occupano della trasmissione dei dati di navigazione e del monitoraggio dei satelliti;
• stazioni OSS (Orbitography and Synchronization Station), che si occuperanno di acquisire i segnali trasmessi dai satelliti in vista, e di trasmettere i dati in essi contenuti insieme alle informazioni meteo locali al GCC che provvederà ad elaborarli.
L’EIDS sarà composta da due centri di controllo ridondanti denominati ICC (Integrity Control Center) che si occuperanno dell’elaborazione dei dati provenienti da una rete di stazioni remote, le IMS (Integrity Monitoring Station), in modo da tenere continuamente sotto controllo l’integrità dei segnali provenienti dai satelliti e calcolare per ognuno di essi il cosiddetto IF (Integrity Flag) che viene trasmesso ai satelliti attraverso un’altra rete di stazioni dette IULS (Integrity Up-Link Station) e poi ritrasmesso agli utenti .
2 UTC è una scala temporale composita. Comprende una scala derivata dagli orologi atomici, la TAI, International Atomic Time, e una riferita alla velocità di rotazione della Terra, la UT1, Universal Time 1. Quest’ultima definisce l’attuale orientazione del sistema di coordinate ECEF ed è la principale scala
Per il sistema GALILEO sono previsti 5 diversi servizi:
1) OS (Open Service), sarà un servizio gratuito, utilizzato per applicazioni pubbliche e private da tutti gli utenti. È il corrispondente del servizio SPS per uso civile del GPS, con la differenza di essere di più alta affidabilità e qualità.
2) SoL (Safety of Life Service), questo servizio sarà caratterizzato da un’alta qualità ed elevata integrità per poterne usufruire in applicazioni critiche dal punto di vista della sicurezza. L’accuratezza garantita sarà la stessa dell’OS, con la differenza che il SoL verrà utilizzato in applicazioni critiche, quali l’aviazione e la marina mercantile e necessiterà perciò di una più elevata integrità.
3) CS (Commercial Service),servizio cifrato e a pagamento, indirizzato ad applicazioni che richiedono prestazioni migliori rispetto ai due servizi analizzati precedentemente. Avrà lo scopo di facilitare lo sviluppo di applicazioni professionali.
L’accesso sarà controllato a livello del ricevitore mediante l’uso di speciali chiavi.
4) SAR (Search And Rescue Service), rappresenta il contributo Europeo per far fronte alle emergenze nel campo degli aiuti umanitari. Consisterà nella ricezione, da parte dei satelliti GALILEO, dei segnali di richiesta di aiuto, trasmessi da un qualsiasi punto della superficie terrestre. Tali richieste saranno trasmesse alle stazioni di Terra per un intervento il più tempestivo possibile. Il servizio è stato definito in collaborazione con COSPAR – SARSAT, fornendo a questo sistema un segmento spaziale più efficiente in quanto dotato di 30 satelliti in orbita media da aggiungere ai 4 satelliti in orbita bassa e ai 3 satelliti geostazionari che compongono tale sistema.
5) PRS (Public Regulated Service), sarà un servizio cifrato e particolarmente resistente al blocco da parte delle possibili interferenze, volontarie o involontarie. Sarà riservato principalmente ad usi autorizzati, quali interventi da parte della protezione civile e per la sicurezza nazionale. Diventerà ad esempio uno strumento fondamentale nella battaglia alle esportazioni, importazioni e immigrazioni illegali. La necessità di un servizio cifrato è dovuto all’estrema vulnerabilità dei segnali in chiaro nei confronti delle interferenze e delle manipolazioni. Per tali caratteristiche sarà utilizzato dalle forze armate sotto il controllo dell’Unione Europea.
(Per ulteriori informazioni si veda [2]).
Fig. 1.3 – Disposizione frequenziale dei segnali Galileo
Per quanto riguarda gli aspetti trasmissivi, il SIS comprende tre portanti principali denominate rispettivamente E , 5 E e 6 E (Fig. 1.3). Sulla portante 1 E si usa 5 un particolare tipo di modulazione, tale da creare 2 sottoportanti indicate con E e 5a
5b
facendo uso della tecnica CDMA. I segnali spread spectrum sono trasmessi introducendo differenti codici di ranging per ciascun componente del segnale, per ciascun segnale, per ogni frequenza e per ogni satellite Galileo. I codici di ranging per Galileo sono costruiti dai codici primari (p) e secondari (s), usando una tecnica di costruzione a strati. I codici di spreading possono essere: sequenze pseudo-casuali create tramite registri a scorrimento reazionati oppure sequenze pseudo-casuali ottmizzate. I codici secondari sono usati per modificare successive ripetizioni del codice primario, in modo tale che il periodo della sequenza pseudo-casuale risultante sia elevato quanto più possibile.
1
E è un segnale a libero accesso trasmesso nella banda L , che comprende un 1 canale dati E1 B− e uno pilota E1 C− . Esso ha codici di ranging non criptati e dati di navigazione, accessibili a tutti gli utenti. Il flusso dati di E1 B− contiene anche messaggi d’integrità non criptati e dati commerciali criptati. Il segnale E supporta i 1 servizi OS, CS e SoL.
6
E è un segnale ad accesso commerciale trasmesso nella banda E che include, 6
come il precedente E , un canale dati 1 E6 B− e uno pilota E6 C− . I suoi codici di ranging e dati sono criptati. Il segnale E è dedicato per supportare il servizio CS. Il segnale 6
6 A
E − ha le stesse funzionalità di quello E1 A− , fornendo inoltre la proprietà di
anti-spoofing e altre caratteristiche di sicurezza.
5a
E è un segnale ad accesso libero, trasmesso nella banda L che include un 5 canale dati e uno pilota. Il segnale E contiene codici e dati non criptati, che sono 5a accessibili da tutti gli utenti. Esso trasmette dati basilari in supporto alla navigazione e al timing e supporta il servizio OS. E ha le stesse proprietà di 5b E ed in più contiene 5a messaggi di integrità non criptati e dati commerciali criptati, supportando i servizi OS, CS e SoL.
In Tab. 1.2 sono sintetizzati i principali parametri dei segnali Galileo, includendo le tecniche di accesso e modulazioni del segnale.
Banda frequenziale E1/L1 E6 E5/L5
Nome del segnale Galileo
E1
Galileo E6
Galileo
E5a Galileo E5b Frequenza della portante (MHz) 1575.42 1278.75 1176.45 1207.14
Tecnica di accesso multiplo CDMA CDMA CDMA CDMA
Larghezza di banda del segnale (MHz) 24.552 40.92 51.15 a
3
Servizi OS, CS,
SoL, PRSb CS, PRSb OS OS, CS, SoL
Rate dei codici PRN (Mcps) 1.023 5.115 10.23 10.23
Lunghezza dei codici PRN 4092 (p),
25 (s)c n/a
10230 (p) 20 (s)d
10230 (p) 4 (s)d
Dati messaggio NAV (bps) 125 n/a 25 125
Simboli messaggio NAV (sps) 250 1000 50 250
Modulazione CBOC BPSK AltBOC(15,10)a
Tab. 1.2 - Principali caratteristiche dei segnali GALILEO
Una particolarità dei segnali GALILEO rispetto a quelli utilizzati dal GPS è la presenza di una modulazione nota come BOC (Binary Offset Carrier). Un segnale
( )
s t viene moltiplicato per un’onda quadra a frequenza f , che separa lo spettro del s segnale in due componenti posizionate a destra e a sinistra della frequenza portante
c
f , come indicato in Fig. 1.4. Il segnale modulato è:
3 a
I segnali E5a e E5b sono modulati su un’unica portante E5 usando una tecnica notacome AltBOC(15,10) . La larghezza di banda risultante è 51.15 MHz.
b Solo per utenti autorizzati. c Solo per i canali pilota (senza dati).
( ) ( )
sin 2(
)
s s
s t =s t ⋅sign π f t (1.3)
x
sin(
ω
t
)
Fig. 1.4 - Schema di modulazione BOC
il cui spettro ha la seguente espressione (trascurando componenti di ordine superiore):
( )
( )
(
) (
)
s s s
S f ≈ ⋅α S f ⊗δ f − f −δ f + f (1.4)
La modulazione BOC si indica come BOC( ,m n ), e consiste nel moltiplicare la sottoportante con frequenza fs = ⋅m fref per una sequenza di codice con chip rate pari a fc = ⋅n fref .
Il segnale di partenza, ossia la sequenza di codice, avrebbe uno spettro di tipo sinc
( )
⋅ dovuto al suo andamento rettangolare nel tempo. La presenza della BOC modifica lo spettro, provocando la separazione del lobo principale in due lobi secondari simmetrici rispetto la frequenza di centro banda (Fig. 1.5Fig. 1.4).Sulla portante E in realtà si utilizza una modulazione indicata con AltBOC 5 (alternate BOC) che risulta essere una sorta di modulazione BOC modificata e che comporta una semplice traslazione dello spettro.
Mentre sulla portante E lo schema di modulazione adottato è quello 1 denominato CBOC (Composite BOC), che consiste in una combinazione di due BOC con diverso rate per le rispettive sottoportanti, in particolare di 1,023 MHz per la componente a) e 6,138 MHz (sei volte la prima per la componente b) del segnale.
Per ulteriori dettagli sul sistema Galileo si rimanda a [3].
Fig. 1.5 - Effetto della BOC sullo spettro
1.3 EGNOS
Il sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) è un progetto realizzato dall’ESA (European Space Agency) in collaborazione con EC (European Commission) e con Eurocontrol, rappresenta il primo sistema di navigazione satellitare Europeo e può essere considerato come il precursore del
sistema Galileo (trattato nel paragrafo 1.2). Tale sistema migliora i servizi offerti dai due sistemi di navigazione satellitari attualmente operativi, GPS e GLONASS, e del GALILEO, quando lo diverrà, rendendoli utilizzabili anche in condizioni particolarmente sfavorevoli, nel caso di applicazioni critiche per la sicurezza.
E’ costituito da tre satelliti geostazionari e da una rete di stazioni di terra che ritrasmettono i segnali GPS e GLONASS. Il sistema EGNOS inoltre, trasmette un segnale contenente informazioni sull’affidabilità e sull’accuratezza dei segnali di positioning inviati dai due sistemi di navigazione globale, permettendo così agli utenti che si trovano in Europa, e non solo, di determinare la loro posizione con un errore di circa 2 metri, che risulta notevolmente inferiore a quello ottenibile col solo sistema GPS o GLONASS.
Il segnale EGNOS viene trasmesso da tre satelliti geostazionari: due satelliti Inmarsat-3 , posti rispettivamente sopra la parte orientale dell’Atlantico e sull’Oceano Indiano, e uno ESA Artemis posto sopra l’Africa. I tre satelliti del sistema EGNOS, a differenza di quelli GPS, GLONASS e GALILEO, non hanno un generatore di segnale a bordo.
Il sofisticato segmento di terra, consiste di 34 RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations), quattro MCC (Master Control Center) e sei uplink station (Fig. 1.6). Le RIMS misurano la posizione di ciascun satellite EGNOS e confrontano l’accurata misura della posizione di ogni satellite GPS con la misura ottenuta dal segnale del satellite stesso, infine inviano questi dati ai MCC.
I centri di controllo determinano l’accuratezza del segnale GPS/GLONASS/GALILEO ricevuto da ciascuna stazione ed individuano l’errore sulla stima della posizione causata da disturbi nella propagazione del segnale. Tali informazioni, vengono successivamente inviate alle uplink station, ampiamente diffuse per tutta l’Europa, le quali infine inviano il segnale ai tre satelliti EGNOS, che poi lo trasmettono agli utenti GPS/GLONASS/GALILEO dotati di ricevitore EGNOS.
Grazie alla considerevole ridondanza insita all’interno del sistema EGNOS, il servizio, può essere fornito praticamente in qualsiasi istante.
E’ doveroso precisare che, ad ogni istante, viene utilizzato un solo MCC, mentre gli altri rimangono in stand-by pronti ad intervenire in caso di guasto, ed infine solo tre delle sei uplink station sono impegnate nella trasmissione del segnale.
Per ulteriori informazioni si rimanda a [4].
