Le attività applicative nazionali di Navigazione satellitare e

 La Navigazione Satellitare Ing. Mario Caporale
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LA NAVIGAZIONE SATELLITARE
Sta diventando
Familiare
Nella vita di ogni giorno
Grazie al GPS
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I RICEVITORI SATELLITARI
Ricevono ed elaborano i segnali
(x,y,z)
(X,Y,Z)
p = ( X − x) 2 + (Y − y ) 2 + ( Z − z ) 2 − cdT + ε
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Navigazione, localizzazione e posizionamento
NAVIGAZIONE
E’ un processo in cui è coinvolto il movimento e la determinazione della posizione deve essere ottenuta e mantenuta su una scala temporale consistente con la velocità del mobile.
Navigazione vuol dire “conduzione di un mobile dal luogo di partenza al luogo di destinazione”
Navigare viene da: Navis: nave e Aegere: guidare
LOCALIZZAZIONE e POSIZIONAMENTO
Non è necessariamente un processo in “tempo reale”. Implica la necessità di conoscere la posizione di un mobile, per varie ragioni (traffico, controllo di flotte, ecc.). 4
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Evoluzione storica dei riferimenti per la navigazione
L’Età della Pietra: Riferimenti con punti fissi sulla terra
L’Età delle Stelle: Riferimenti con le stelle L’Età della Radio: Riferimenti con segnali radio L’Età dei Satelliti : Radionavigazione satellitare 5
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La Radionavigazione
Verso la metà del XX secolo è stata scoperta la possibilità di misurare le distanze con segnali radio. Il concetto è basato sulla misurazione del tempo che uno speciale segnale radio impiega nel viaggiare da una stazione trasmittente ad una ricevente.
Moltiplicando tale tempo per la velocità del segnale si ottiene la distanza.
La velocità dei segnali radio è quella della luce (circa 300000 Km /sec).
L’accuratezza nella misura di questo tempo è fondamentale in quanto l’errore di 1 micro­secondo equivale ad un errore di 300 metri nella misura della distanza.
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La radionavigazione satellitare
Per superare le limitazioni dei sistemi di radionavigazione terrestri sono stati concepiti dei sistemi satellitari, mettendo appunto a bordo di satelliti orbitanti intorno alla terra dei sistemi di trasmissione di segnali radio. Il concetto è simile a quello delle Televisioni locali rispetto a quelle satellitari.
In analogia ai sistemi di radionavigazione terrestre, i sistemi satellitari consentono di avere dei punti di riferimento, costituiti dai satelliti che trasmettono i segnali radio. L’accuratezza con cui è nota la posizione dei satelliti, influenza l’accuratezza della determinazione di posizione del ricevitore. Per questo motivo le posizioni dei satelliti vengono determinate con notevole precisione, istante per istante dai sistemi di controllo a terra.
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Come funziona il posizionamento satellitare
il calcolo del posizionamento
Satelliti come punti di riferimento
Tre satelliti danno la posizione
Distanza = velocità x tempo
Quattro satelliti danno posizione e tempo
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Equazioni della Posizione P1 = ( X − X 1 ) 2 +(Y −Y1 ) 2 +( Z − Z 1 ) 2 +b
P2 = ( X − X 2 ) 2 +(Y −Y2 ) 2 +( Z − Z 2 ) 2 +b
P3 = ( X − X 3 ) 2 +(Y −Y3 ) 2 +( Z − Z 3 ) 2 +b
P4 = ( X − X 4 ) 2 +(Y −Y4 ) 2 +( Z − Z 4 ) 2 +b
dove:
Pi = Lo PseudoRange misurato rispetto al satellite i­mo
Xi , Yi , Zi =La Posizione del i­mo satellite in coordinate cartesiane
X , Y , Z = La Posizione utente, in coordinate cartesiane, da risolvere
b = Il “Bias” dell’orologio utente (espresso in unità di distanza), da risolvere
Le equazioni non lineari vengono risolte iterativamente usando una stima iniziale della posizione utente, XYZ e b
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Come funziona il posizionamento satellitare
gli errori di determinazione e le relative compensazioni
Attraversamento atmosfera
Multipath nelle città
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Come funziona il posizionamento satellitare
Diluizione della Precisione (PDOP)
Il margine di errore decresce se i satelliti sono largamente spaziati
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Come funziona il posizionamento satellitare
I parametri fondamentali della Navigazione Satellitare
Accuratezza
Continuità
Indica la precisione nella
Determinazione di posizione. E’ rappresentata in forma statistica (CEP, 2sigma)
Disponibilità
Rappresenta la percentuale di tempo in cui il segnale è reso disponibile all’utenza nell’arco di un anno
Rappresenta una disponibilità del segnale in un arco temporale (e.g. 1 h, 150 s, …)
Integrità
Indica la qualità del segnale: se il segnale è idoneo ad effettuare la determinazione di posizione.
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IL SISTEMA AMERICANO GPS E’ una costellazione di 24 satelliti che orbitano intorno alla terra a circa 20000 Km.(su 6 piani orbitali) Il Sistema GPS fornisce un servizio civile denominato SPS (Standard positioning Service) la cui accuratezza di posizionamento è dell’ordine di 25 metri.
Due tipi di segnali vengono emessi:
La frequenza L1 (1'575.42 MHz), che porta il messaggio di navigazione SPS.
La frequenza L2 (1'227.60 MHz), che è usata nel servizio PPS (Precision Positioning Service ) militare. 13
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IL SISTEMA RUSSO GLONASS Il Sistema Russo vide il primo satellite in orbita nel 1982. La costellazione fu completata agli inizi del 1996. La costellazione completa è di 24 satelliti, localizzati su tre piani orbitali, posti a 120 gradi. Per ogni piano, gli 8 satelliti sono egualmente spaziati.
Comunque ad oggi la costellazione GLONASS è alquanto incompleta: 12 satelliti sono operativi in orbita.
L’uso combinato di GLONASS e GPS ha dimostrato notevoli applicazioni ad alta accuratezza.
GLONASS ha due tipi di segnali: SP – Standard Precision e HP – High Precision. SP è disponibile per tutti gli utenti civili, con capacità di accuratezza nella determinazione di posizione di 57 –70 m.
I segnali radio sono emessi su 48 frequenze in banda L, su 25 canali separati da intervalli di 0,5625 MHz in due bande di frequenza:
L1 = 1'602.5625 ­ 1'615.5 MHz and L2 = 1'240 ­ 1'260 MHz.
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IL SISTEMA Europeo GALILEO
• Sarà il primo sistema mondiale per esigenze civili. • Costellazione di 30 satelliti in orbita a 23222 km d'altitudine (su tre piani orbitali)
• Il Programma è partito nel 1999. • Si trova ora nella fase di Sviluppo. Il Primo satellite di test è stato lanciato a Dicembre del 2005: GIOVE­A. A settembre 2006 verrà lanciato un altro satellite di test: GIOVE­B.
• I primi 4 satelliti della Costellazione saranno in orbita tra il 2008 e il 2009.
• L’intera costellazione sarà operativa nel 2011.
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IL SISTEMA Europeo GALILEO
Galileo introdurra’ ben 10 segnali, rispetto al singolo segnale civile che oggi emette il GPS.
Alcuni segnali Galileo saranno gratuiti, come e’ ora il GPS. Altri segnali, più sofisticati, saranno a pagamento.
Galileo fornirà inoltre una capacità di ricerca e soccorso che in 10 min. sarà in grado di identificare il disperso e attivare i soccorsi
Inoltre Galileo fornirà integrità del Segnale e garanzia del servizio.
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Il Sistema Cinese COMPASS
Il Sistema COMPASS è un sistema di navigazione satellitare della Repubblica Cinese, pianificato entrare in operazioni nel 2011.
Esso consisterà di una costellazione di 30 satelliti non­geostazionari (27 MEO su 3 piani orbitali inclinati di 55° e 3 IGSO in orbite geostazionarie inclinate) e 5 satelliti geostazionari.
Ogni satellite trasmetterà le stesse 4 frequenze per i segnali di navigazione:
1164­1215 MHz, 1215­1300 MHz, 1559­1610 MHz e 5010­5030 MHz L’ITU ha ricevuto nel Gennaio 2006 la richiesta di frequenze per I segnali del sistema COMPASS.
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Il Sistema Giapponese : Quasi­Zenith Satellite System
Quasi­zenith
Geo­Stationary orbit
EL of Geo Sat
About ４５ °
EL > 80°
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Il Sistema Indiano: Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS)
L’India ha recentemente richiesto disponibilità di frequenze nella banda L5 per un sistema Indiano denominato IRNSS consistente di 7 satelliti: 3 Geostazionari e 4 in orbite geostazionarie inclinate.
Il Sistema IRNSS utilizza inoltre una seconda frequenza nella banda S a 2483.5 – 2500 MHz. 19
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Tecniche di Correzione Differenziale GPS (DGPS)
Le correzioni differenziali consentono di raggiungere accuratezze nell’ordine di metri, o, in alcuni casi, di centimetri.
Tali tecniche sono basate sulla correzione degli errori di “bias” di una determinazione di posizione, attraverso la misurazione di tali “bias” in una posizione nota con precisione.
Un ricevitore di riferimento, situato in una stazione base, calcola le correzioni per ogni segnale.
Nel ricevitore di riferimento è presente un software per calcolare le correzioni individuali per ogni satellite in visibilità. Queste correzioni sono passate ai ricevitori remoti che devono essere in grado di applicarle alla determinazione della propria posizione.
Le correzioni possono essere trasmesse via link radio, o link satellitari.
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I Sistemi di “Augmentation” Al fine di rispettare i requisiti per i trasporti cosiddetti “Safety of Life” (che richiedo elevate accuratezza, disponibilità, integrità e continuità) , l’Europa, L’America del Nord e il Giappone hanno sviluppato tre sistemi indipendenti ma interoperabili denominati Satellite Based Augmentation Systems: chiamati, WAAS, EGNOS e MSAS.
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I Sistemi WAAS, EGNOS e MSAS Il WAAS (Wide Area Augmentation System) è un sistema americano, sviluppato da FAA (Federal Aviation Administration) e copre l’aera CONUS, Canada e Messico. E’ basato su una rete a terra di 25 stazioni di riferimento. Migliora l’accuratezza del GPS a circa 7 metri e ne fornisce l’integrità
Il Sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) è il sistema Europeo, sviluppato da Unione Europea, L’Agenzia Spaziale Europea e Eurocontrol. Ha come obiettivo di fornire servizi di miglioramento dei segnali GPS e GLONASS nell’area geografica denominata ITU­R Region 1. Entrerà in operazioni nel 2004.
Il sistema MTSAT Satellite Based Augmentation System (MSAS), è un sistema giapponese, sviluppato dalla Aviazione Civile. Test di interoperabilità tra EGNOS/MSAS and EGNOS/WAAS sono stati realizzati con successo nel periodo 1998, 1999 and 2000.
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I Sistemi Locali di “ Augmentation”
I Sistemi locali (es. LAAS­ Local Area Augmentation) rappresentano sistemi di incremento delle caratteristiche del segnale Globale navigazione, al fine di supportare le operazioni che richiedono alta precisione (es. Approccio aeronautico CAT II and III). Il sistema LAAS consiste di:
•Stazioni di Riferimento dell’Area locale;
•Stazioni di Processamento di area; •Trasmettitori dati per l’area;
•Pseudolite locali.
Le stazioni di riferimento, localizzate i posizioni ben precise, ricevono i dati Globali di navigazione satellitare. Questi sono processati dalle Stazioni di Processamento al fine di determinare gli errori e le correzioni vengono trasmesse agli aerei in fase di approccio all’aereoporto (atterraggio, decollo e operazioni di superficie).
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