Global Positioning System Il primo sistema di localizzazione che viene analizzato è il GPS Global Positioning System , ideato e realizzato dal Dipartimento della Difesa USA si propone di consentire la determinazione di posizione, velocità e tempo in ogni punto del mondo ed in ogni situazione temporale. Purtroppo i segnali che giungono a terra sono fortemente attenuati il che determina sia necessaria la visibilità con i satelliti , il che spesso in ambiante urbano e soprattutto all’interno di abitazioni non è possibile. Il sistema si compone di 3 segmenti. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Segmento spaziale GPS 21 satelliti operativi per il 98% del tempo. Ogni satellite è dotato di 2 clock al cesio e 2 al rubidio. In orbita ci sono anche dei satelliti di scorta oltre alle vecchie generazioni ancora funzionanti. Il segmento spaziale del sistema GPS si compone di 24 satelliti di cui 21 operativi per il 98% del tempo, essi sono disposti in gruppi di 4 su 6 piani orbitali inclinati a 55° e spaziati tra loro di 60°, le orbite sono circolari e locate a 20200Km dalla superficie della terra, ciò determina un periodo orbitale di 11h 58’ . La precisione del clock è molto importante per il funzionamento del sistema pertanto tutti i satelliti sono equipaggiati con 2 clock al cesio e 2 al rubidio. Reti Mobili e Multimediali

Segmento di controllo GPS Il Dipartimento della Difesa USA controlla il sistema GPS mediante 5 stazioni di terra esse acquisiscono dati dai satelliti in orbita e li inviano ogni 15 minuti alla Master Control Station che determina l’eventuale necessità di un riposizionamento dei satelliti, tale informazione è poi reinviata ai satelliti tramite le tre stazioni più vicine al piano equatoriale. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Segmento d’utente GPS Tale segmento è composto esclusivamente dal ricevitore il quale deve ricevere segnali da almeno 4 satelliti al fine di poter determinare posizione, velocità e tempo. Ci sono due tipologie di servizi offerti all’utente GPS : SPS è lo Standard Positioning Service Precisione orizzontale 100 m Precisione verticale 156 m Precisione temporale 340 ns * PPS è il Precise Positioning Service Precisione orizzontale 22.0 m Precisione verticale 27.7 m Precisione temporale 200 ns Pur essendo il sistema GPS gratuito e disponibile per tutti, il Dipartimento della Difesa USA si è riservato la possibilità di consentirne l’uso al massimo delle potenzialità in termini di precisione soltanto ad entità autorizzate, naturalmente il provvedimento ha caratteristiche strategighe per fini militari, basti pensare che il sistema GPS è stato utilissimo nel corso della Guerra del Golfo. Dal 1 maggio 2000 anche il PPS è stato reso disponibile gratuitamente a tutti in maniera indiscriminata. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Trilaterazione (X1-Ux)^2+(Y1-Uy)^2+(Z1+Uz)=(t1 c)^2 (X2-Ux)^2+(Y2-Uy)^2+(Z2+Uz)=(t2 c)^2 (X3-Ux)^2+(Y3-Uy)^2+(Z3+Uz)=(t3 c)^2 (X4-Ux)^2+(Y4-Uy)^2+(Z4+Uz)=(t4 c)^2 c è la velocità della luce Ux, Uy, Uz sono le coordinate del satellite X, Y, Z sono le coordinate del ricevitore GPS E’ illustrato il concetto della trilaterazione che è alla base del funzionamento del GPS , infatti dalla misura pseudo range di ogni satellite si invididua una sfera centrata sul satellite stesso, l’intersezione di tre sfere individua 2 punti di cui uno soltanto è valido , nel lucido è anche presentato il sistema di equazioni da risolvere al fine di determinare la posizione del ricevitore. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Dati di navigazione Le informazioni che ogni satellite invia a terra sono raccolte in trame da 1500 bit inviate a terra ogni 30 secondi, ogni trama è composta da 5 sottotrame da 300 bit. La trama 1 contiene informazioni sull’ora a bordo del satellite, mentre le trame 2 e 3 contengono informazioni sulla posizione del satellite, la trama 4 e la 5 contengono informazioni che possono ridurre il tempo di acquisizione della posizione all’atto dell’accensione del ricevitore. Un Navigation Message è composto da 25 trame ed è inviato ogni 12,5 minuti. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Codici GPS C/A è una sequenza PRN che si ripete ogni 1023 chip ossia 1ms considerando un chip rate di 1023MHz. Essa è resa disponibile per la SPS. P è una sequenza che si ripete ogni 1014 chip corrispondenti a 267 giorni se si considera un chip rate di 10,23MHz , si tratta di un codice unico per ogni satellite e che viene resettato ogni settimana. Il Navigation Message viene codificato e poi modulato in BPSK Il Navigation Message viene codificato in modo che ad 1 corrisponda 1 e allo 0 corrisponda –1 , in tal modo infatti la somma logica con la sequenza PRN si riduce alla inversione o meno della stessa. Successivamente semplicemente moltiplicando questa sequenza per la portante si ottiene un segnale modulato in BPSK. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Segnali GPS Il Navigation Message viene codificato sia con la sequenza C/A che con la sequenza P, la somma logica va poi a modulare la portante L1 che come la portante L2 è ottenuta come multiplo della frequenza di riferimento 10.23MHz sincronizzata mediante il cesio o il rubidio. E’ da osservare che il C/A code agisce soltanto su L1 mentre il P code agisce anche sia su L1 che su L2 questo perché con 2 portanti si riesce ad ovviare agli errori introdotti dal ritardo di propagazione atmosferico che è variabile e selettivo in frequenza. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Ricevitore GPS Consideriamo la determinazione della distanza da un solo satellite sul canale L1 , si ha che il ricevitore preamplifica e filtra il segnale a polarizzazione circolare proveniente dall’antenna e lo converte ad una frequenza più bassa, il segnale IF ottenuto viene mandato su un minimo di 4 canali corrispondenti ai 4 diversi satelliti necessari per fissare la posizione. In ogni canale il segnale IF batte con una replica locale del codice C/A corrispondente al satellite di interesse, tale copia è generata mediante un NCO in quanto il segnale ricevuto ha subito un deterioramento nel percorso pertanto è necessaria una controreazione per rimanere agganciati al codice. Reti Mobili e Multimediali

Demodulazione del Navigation Message La distanza del ricevitore dal dato satellite GPS si calcola a partire dal ritardo temporale necessario per sincronizzare la sequenza C/A ricevuta con quella generata localmente. Affinchè si realizzi l’aggancio tra le due sequenze si utilizza un NCO al quale viene applicato un segnale d’errore generato mediante la componente in fase e quella in quadratura, si ha l’aggancio quando la correlazione è massima, lo stesso segnale demodulato viene poi decifrato per quel che riguarda il navigation message. Reti Mobili e Multimediali

Reti Mobili e Multimediali Sorgenti d’errore Gli errori orbitali vengono corretti sotto il comando della master control station La Selective Availability non è più operativa dal 1 maggio 2000 I ritardi di propagazione dovuti all’atmosfera dipendono dalla frequenza quindi possono essere eliminati utilizzando sia L1 che L2 L’errore che senza dubbio era predominante sino al 1° maggio 2000 era la Selective Availability suddivisa nella componente Dither ossia manipolazione del clock di trasmissione e nella componente Epsilon ossia alterazione dei dati presenti nel Navigation Message. La ionosfera inoltre determina una alterazione del tempo di ritardo dipendente dalla concentrazione di elettroni la quale a sua volta è legata a moltissimi fattori. Attualmente la fonte d’errore maggiore è che le orbite sono calcolate utilizzando le leggi di Keplero ed il satellite attratto solamente da un campo gravitazionale terrestre sferico, nella realtà questo è vero solo in prima approssimazione. Reti Mobili e Multimediali