CAPITOLO 1
INTRODUZIONE AI SISTEMI DI NAVIGAZIONE SATELLITARE
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In questo capitolo descriveremo i principi di funzionamento di un sistema di navigazione satellitare e presenteremo gli aspetti più significativi del sistema GALILEO.
1.1 Sistemi
di
Posizionamento
Un sistema di posizionamento satellitare è in grado di fornire con estrema precisione le coordinate geografiche (longitudine, latitudine, quota) nonché la velocità di qualsiasi mezzo fisso o mobile in ogni punto della Terra e per l’intero arco delle ventiquattro ore. In un sistema satellitare è possibile individuare tre segmenti:
• Segmento spaziale: i satelliti.
• Segmento di controllo a terra: prevede il controllo e il monitoraggio dei satelliti in orbita e dei loro orologi.
• Segmento utente: ricevitori dei segnali satellitari.
Ciascun satellite trasmette con continuità dei segnali codificati, che contengono diverse informazioni quali i dati orbitali per il calcolo della posizione del satellite (effemeridi) ed un riferimento temporale per la determinazione degli istanti di trasmissione dei segnali stessi. Nel caso in cui il ricevitore disponesse di un orologio perfettamente sincronizzato con quello satellitare, sarebbe possibile conoscere con esattezza il ritardo di propagazione misurando il ritardo tra il segnale orario ricevuto ed il tempo indicato dall’orologio locale.
Supponendo di aver misurato il ritardo τ di propagazione, la distanza satellite-utente è ˆ
pari a:
R cˆ= τˆ (1.1.1)
dove c è la velocità della luce.
Il luogo geometrico dei punti che soddisfano questa relazione è definito sfera di posizione, e corrisponde alla sfera avente centro nella posizione occupata dal satellite nell’istante di trasmissione e raggio pari alla distanza misurata ˆR ; il ricevitore si può quindi trovare in un generico punto della sfera come mostrato in fig.1.1(a).
Figura 1.1 (a) Utente localizzato sulla superficie della sfera; (b) Utente situato sul perimetro del cerchio ombreggiato
Con due misure di distanza, e quindi utilizzando due satelliti, si individuano due sfere di posizione che si intersecano formando una circonferenza; il ricevitore si troverà quindi in un punto della circonferenza, come si evince dalla fig.1.1(b). Con una terza misura si trova un’altra sfera di posizione che, intersecandosi con le altre due, cioè con la circonferenza, darà due possibili punti per il ricevitore, come indicato in fig.1.2. Tale ambiguità rimasta tra le due posizioni è facilmente risolvibile notando che uno dei due punti si trova sulla superficie terrestre, mentre l’altro punto si trova ad una quota del tutto assurda e per questo da scartare con sicurezza in molte applicazioni.
Figura 1.2 Utente situato in uno dei due punti sulla circonferenza
Quanto detto finora è vero supponendo che l’utente disponga di un clock sincronizzato con quello del satellite; in realtà il ricevitore è in genere dotato di un orologio relativamente impreciso. Questo implica un scostamento B , detto time-bias , tra il tempo segnato c dall’orologio del ricevitore e il riferimento a bordo del satellite; tale scarto temporale crea un errore di stima della posizione pari a B c cioè rappresenta un’ulteriore incognita c insieme alle coordinate spaziali e richiede necessariamente l’utilizzo di un quarto satellite. Ciò che misura il ricevitore sono quattro stime di distanza chiamate giustamente pseudo-distanze poiché differiscono di B c dalla misura reale. c
ˆRpk =cτˆk con k = 1,2,3,4 (1.1.2) Per risolvere il problema, cioè stimare le distanze vere e il bias, è necessario fare "scorrere in avanti ed indietro" il suo riferimento temporale fino a che tutte quelle circonferenze passano contemporaneamente per uno stesso punto. Analiticamente questa procedura è equivalente alla risoluzione di un sistema non lineare di quattro equazioni in quattro incognite:
2 2 2 ˆ
x
p , p , y p sono le coordinate del ricevitore, che insieme a z B rappresentano le incognite; c
k
x , y , k z , sono le coordinate del k-esimo satellite, direttamente ricavabili dalle effemeridi k del satellite stesso e ˆR è la k-esima pseudo-distanza, cioè la distanza misurata dal pk ricevitore senza alcuna correzione del clock. [1]
1.2 GALILEO
1.2.1
Aspetti di carattere generale e confronto con i sistemi
esistenti
I sistemi satellitari esistenti sono il GPS americano e il GLONASS russo nati in piena guerra fredda per applicazioni strettamente militari e il cui utilizzo civile è subordinato alle necessità di impiego militare; da notare che negli ultimi anni il sistema GLONASS non viene più mantenuto in perfetta efficienza, per cui l’unico sistema disponibile praticamente su tutto il globo è il sistema GPS. Questo crea una situazione di monopolio che l’Europa ritiene inaccettabile; è nato quindi GALILEO, il progetto congiunto tra Comunità Europea e l’ESA (Agenzia Spaziale Europea) che ha lo scopo di dotare l’Europa di un proprio sistema di localizzazione satellitare, orientato però verso applicazioni civili. I Paesi partecipanti al progetto pensano giustamente di acquisire un grosso vantaggio competitivo attraverso lo sfruttamento commerciale di tutte le potenzialità offerte da GALILEO e l’indipendenza tecnologica, come già avvenuto per Ariane e Airbus nei rispettivi settori. Sebbene il sistema sia pensato per essere completamente indipendente ed autonomo, sarà compatibile ed interoperabile con il sistema GPS; cioè le sue caratteristiche saranno tali da non interferire con il funzionamento del GPS (compatibilità) ed esso potrà anche essere utilizzato congiuntamente con il GPS (interoperabilità).
La realizzazione del progetto è stata programmata in tre fasi:
• fase di sviluppo (2002-2005): comprende la nascita di 2-4 satelliti , alcune basi di controllo a terra, la validazione del sistema in orbita e del lancio del primo satellite sperimentale alla fine del 2005;
• fase di avanzamento (2006-2007): costruzione e lancio dei satelliti rimanenti e l’istallazione del segmento di terra completo.
• fase commerciale (2008).
Come abbiamo già detto i sistemi attualmente esistenti GPS e GLONASS sono stati sviluppati e tuttora gestiti dai rispettivi Dipartimenti della Difesa di Stato per un loro utilizzo in applicazioni di tipo militare. Tuttavia da quando tali sistemi sono entrati in piena operatività, potendo contare su una costellazione di satelliti completa (in realtà questo è successo solo per il GPS), hanno cominciato a svilupparsi applicazioni in ambito civile. L’oscuramento totale del sistema (e quindi la non disponibilità) rappresenta, di fatto, il rischio maggiore per gli utilizzatori del GPS; anche evitando questo scenario limite dobbiamo comunque notare alcuni elementi negativi del GPS:
• Una precisione mediocre e mutevole a seconda dei luoghi e dei momenti.
• Nessuna garanzia di continuità del servizio (il Dipartimento della Difesa americano non segnala lo "spegnimento" del sistema e neanche un oscuramento parziale con introduzioni intenzionali di errori per scopi bellici in determinate regioni del globo). • Bassa copertura nelle aree urbane.
Proprio per questi motivi GALILEO si prefigge di rispondere ai requisiti di precisione, affidabilità e sicurezza:
• Precisione superiore: calcolo della posizione con errore al di sotto dei 4 metri.
• Affidabilità superiore: ottima copertura anche a latitudini superiori ai 75° e delle aree urbane (95% contro il 50% del GPS) ; invio del “messaggio di integrità” che avverte immediatamente l’utente di eventuali errori.
• Alte percentuali di disponibilità del segnale (availability) e di continuità del servizio (continuity).
1.2.2 I Servizi
Il sistema GALILEO proporrà molte tipologie di servizio in chiaro o cifrate:
• OS, Open Service: è un servizio di base disponibile gratuitamente a tutti gli utenti destinato in particolare ad applicazioni per il pubblico ed a servizi di
di permettere l’utilizzo di entrambi i sistemi; GALILEO avrà comunque una più alta affidabilità e qualità. OS non offre il servizio di integrità.
• SOL, Safety of Life Service: è un servizio di altissima qualità nato per applicazioni concernenti la vita umana, come la navigazione aerea o marittima. Ha la stessa accuratezza del OS ma in più include la conferma dell’esattezza del segnale ricevuto (informazione di integrità) e la garanzia del servizio. Tale servizio rende disponibile un messaggio che permette di determinare se l’informazione satellitare ricevuta è affidabile: ciò è indispensabile in molti settori dove occorre una garanzia giuridica ed un elevato tasso di sicurezza. Sebbene disponibile gratuitamente, questo servizio richiede l’uso di ricevitori più sofisticati.
• CS, Commercial Service: disponibile a pagamento attraverso un canale cifrato per gli utenti che richiedano prestazioni di navigazione superiori e dati addizionali. Permetterà lo sviluppo di applicazioni a scopi professionali ed offrirà prestazioni più elevate rispetto al servizio di base, soprattutto in termini di garanzia del servizio. L’accesso sarà controllato a livello del ricevitore mediante l’uso di chiavi speciali.
• PRS, Public Regulated Service: servizio governativo cifrato e resistente ad oscuramenti ed interferenze, riservato soprattutto alla necessità delle istituzioni pubbliche in materia di protezione civile, sicurezza nazionale e rispetto del diritto. Tali applicazioni richiedono requisiti stringenti per la robustezza del segnale rispetto alle interferenze ed una grande continuità. Il servizio PRS è concepito per aumentare la probabilità che utenti autorizzati dal governo (essenzialmente organismi di polizia e sicurezza) in caso di minacce o in periodi di crisi, possano disporre di un segnale continuo nello spazio e nel tempo.
• SAR, Search And Rescue Service: servizio di ricerca e salvataggio destinato a migliorare sensibilmente il sistema esistente. Si tratta dell’integrazione con il sistema russo-americano Cospas-Sarsat per la gestioni allarmi e la localizzazione di utenti in pericolo al fine di assistere le operazioni di soccorso. Cospas-Sarsat è basato sulla localizzazione del vettore, sia esso terrestre, marittimo o aereo che, dotato di uno speciale trasmettitore, si trovi in situazione di pericolo e necessiti di
soccorso. Il segnale d’allarme lanciato da tali trasmettitori viene captato da uno dei satelliti del sistema e inviato a terra: qui una rete di stazioni riceventi lo elabora fino ad ottenere l’indicazione delle coordinate del luogo d’invio del segnale stesso. Il sistema sinora disponibile assicura però una copertura limitata, un tempo di attesa elevato (dell’ordine dell’ora) ed una localizzazione approssimativa (nel raggio di 5 chilometri) , inoltre trasmette frequentemente informazioni errate. GALILEO migliorerà sensibilmente le prestazioni di questo sistema da molti punti di vista garantendo una copertura planetaria, una ricezione quasi in tempo reale (10 minuti di ritardo massimo) ed una localizzazione precisa al metro, in modo che i servizi di salvataggio siano in grado di avviare rapidamente ed efficacemente le operazioni di recupero. Open Service ( OS ) Commercial Service ( CS ) Public Regulated Service ( PRS ) Safety of Life Service ( SOL ) Coverage Global Global Local Global Local Global
Accuracy horizontal (h) vertical (v) h = 4m v = 8m (dual freq) h = 15m v = 35m (mono freq) < 1m (dual freq) < 10cm (locally augumented signals) h = 6.5m v = 12m 1m (locally augumeted singnals) 4 – 6m (dual freq) Availability 99.8 % 99.8 % 99 – 99.9 % 99.8 %
Integrity No Value-added service Yes Yes
1.2.3
L'Architettura
Vediamo in dettaglio i tre segmenti del sistema GALILEO:
1. Segmento Spaziale: ha la funzione di irradiare a terra i segnali corrispondenti ai servizi di base forniti dal sistema. Esso è costituito da una costellazione di 30
satelliti, denominata Walker Constellation, disposti ad un altezza di circa 24000 Km, distribuiti su 3 piani orbitali distinti (10 satelliti per piano); i piani orbitali sono inclinati di un angolo di 56° rispetto al piano equatoriale terrestre. In realtà i satelliti operativi sono in totale 27 (9 per ogni piano orbitale), mentre i 3 rimanenti (1 per piano) sono satelliti di riserva, pronti ad entrare in funzione in caso di guasto di un satellite operativo.
2. Segmento di Terra: funzionalmente questo segmento è diviso in due sottosistemi logici: il segmento di controllo (GCS, Ground Control Segment) ed il segmento di missione (GMS, Ground Mission Segment).
Prima di spiegare il funzionamento dei due segmenti illustreremo una panoramica delle varie strutture presenti.
Il cuore dell’intera struttura è il GCC (GALILEO Control Centre), dove si trovano tutti gli elementi di controllo e processamento come:
• SCF, Satellite Control Facility: monitorizza e controlla tutti i satelliti in orbita e supporta le operazioni.
• MCF, Mission Control Facility: supervisiona i servizi di integrità e navigazione.
• MGF, Message Generation Facility: ha il ruolo di multiplexare in un singolo flusso i dati generati nell’GCC (o da esso ricevuti).
• OSPF, Orbitography & Synchronisation Processing Facility: determina i parametri di navigazione dei satelliti
• PTF, Precision Timing Facility: fornisce un riferimento temporale stabile ed affidabile.
• SPF, Service Product Facility: gestisce la comunicazione con le entità esterne che scambiano traffico con il GCC.
segmento terrestre.
• KMC, Key Management Centre: si occupa della gestione e della distribuzione delle chiavi di sicurezza per i servizi ad accesso controllato.
Ci sono inoltre le stazioni remote di telemetria e telecomando TT&C (Tracking Telemetry & Control), stazioni che fungono da sensori GSS (Galileo Sensor Station) e le stazioni per le trasmissioni verso i satelliti, dette ULS (Up-Link Station).
Il compito del segmento di controllo, il GCS, è quello di monitorare costantemente lo stato dei satelliti; SCF, tramite le 5 stazioni TT&C, riceve le telemetrie dai satelliti ed invia a quest’ultimi i telecomandi necessari per variare la configurazione delle apparecchiature interne del satellite e/o per correggere l’assetto e l’orbita .
Il controllo di missione, il GMS, si occupa principalmente dell’implementazione di una serie di funzioni le quali concorrono alla generazione del messaggio di navigazione che porta all’utente tutte le informazioni di navigazione e di tempo, calcolo dell’integrità, broadcast di dati commerciali. Il funzionamento è il seguente: le 29 stazioni GSS ricevono continuamente i segnali trasmessi dai satelliti, elaborano delle informazioni e le inviano al OSPF, che calcola le orbite dei satelliti e la sincronizzazione temporale del sistema e all’ IPS (Integrity Processing Facility) che calcola l’informazione di integrità. I risultati di queste elaborazioni sono inviati all’MCF nel quale viene generato il messaggio di navigazione. Quest’ultimo viene trasmesso alle 10 stazioni di uplink (ULS) che hanno il compito di inviarlo ai satelliti, quest’ultimi gli inseriscono il tempo di riferimento generato dagli orologi atomici di bordo e lo immettono nel segnale di navigazione che viene trasmesso a terra verso gli utenti.
E’ da notare che il segmento spaziale e quello di terra costituiscono il cosiddetto GALILEO Global Component; oltre a questo GALILEO prevede anche l’uso di componenti Locali. Quest’ultimi sono costituiti da infrastrutture a terra dimensionate ad hoc per soddisfare specifiche esigenze di utenti che richiedono, per aree geografiche limitate, prestazioni più spinte d’accuratezza e integrità rispetto a quelle che GALILEO è in grado di offrire a livello globale, pensiamo, per esempio, ad un aereo in fase di atterraggio o una nave all’interno di un porto.
GCC
TT&C ULS GSS
GCS GMS
5 siti 10 siti 29 siti
2 centri Galileo Space Segment
S-Band C-Band L-Band
External Regional Integrity Systems
SAR Return Link Service Provider
Service Center Mission Mngmt.
Office
Figura 1.3 Il segmento di Terra di GALILEO
3. Segmento Utente: gli utenti del sistema GALILEO avranno a disposizione una vasta gamma di terminali riceventi in funzione dei segnali diffusi dai satelliti e relativi ai diversi servizi di base offerti. In aggiunta a ciò, si avranno anche terminali in grado di lavorare contemporaneamente con i segnali GALILEO e GPS, capaci di sfruttare l’interoperabilità dei due sistemi per conseguire delle prestazioni migliori rispetto a quelle ottenibili tramite l’uso di un solo sistema. Un ulteriore tipologia di terminale sarà richiesta per il servizio SAR, già illustrato precedentemente.
1.2.4 I Segnali
I satelliti trasmettono continuamente 10 segnali, più un undicesimo (SAR forward-link) usato per l’invio del messaggio di Search&Rescue.
Le bande occupate sono: 1164-1215 MHz per E . 5 1260-1300 MHz per E . 6 1559-1591 MHZ per L . 1
Da notare la sovrapposizione della banda L di GALILEO con quella del GPS e ancora 1 quella tra E5−A ed L ; i tipi di modulazioni usati rendono i due sistemi compatibili e il fatto 5 che la frequenza centrale sia la stessa per entrambi, dà la possibilità all’utente di accedere ad entrambi con un minimo incremento della complessità e di conseguenza dei costi del ricevitore.
Rimandando ai capitoli successivi l’analisi specifica del formato dei segnali, riportiamo in fig.1.4 una illustrazione sulla allocazione delle frequenze.
Figura 1.4 Disposizione frequenziale dei segnali GALILEO
