La Navigazione Satellitare il GPS

4 ottobre 1957 lancio dello Sputnik 1 1964 Lo US Navy Astronautics Department iniziò il lancio di satelliti dedicati al posizionamento. Il primo sistema operativo prese il nome di NAVSAT (Navy NAVigation SATellite). 1967 I’ impiego del Navsat viene esteso anche al mondo civile. Fine anni 70 viene sviluppato il NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging) 1982-1993 Lancio di satelliti russi GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikova Sistema)

Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di radioposizionamento spaziale, gestito dal U.S. Department of Defence (DoD). Il GPS è stato progettato come un sistema a doppio uso, l’uso primario è quello militare, il secondario quello civile.

Il GPS è un sistema di individuazione della posizione che utilizza 24 satelliti artificiali, divisi in gruppi di 4 che ruotano attorno alla terra alla quota di circa 20200 Km, con orbite distanti tra loro circa 60° e formanti un angolo di 55° rispetto al piano equatoriale. La configurazione delle orbite consente di osservare da ogni punto della terra almeno 4 satelliti, con una altezza sull’orizzonte accettabile.

Il sistema fornisce due servizi fondametali Il PPS (Precise Positioning Service) disponibile per gli usi militari ed altri usi autorizzati dal Governo degli Stati Uniti. Tale servizio deriva dalla trasmissione del (P) code. Il servizio PPS è accreditato di una accuratezza orizzontale di 22 metri, verticale di 27,7 e di 200 nanosecondi sul tempo. L’SPS (Standard Positioning System) disponibile per tutti, deriva dal C/A code. viene degradato attraverso una tecnica conosciuta con il nome di Selective Availability (SA), che agisce sul tempo. L’accuratezza è di 100 metri orizzontali, 156 verticali e 340 nanosecondi sul tempo.

Il segmento spaziale

Segmento spaziale La parte spaziale del sistema GPS consiste di 24 satelliti (tipo Block II). In realtà I satelliti in orbita sono di più (a maggio 2006: 31 satelliti operativi e 6 di riserva – uno per orbita) Ogni satellite trasmette un messaggio di navigazione basato su dati aggiornati periodicamente dalle stazioni di terra.

Segmento spaziale I satelliti percorrono un orbita terrestre in circa 12 ore. Le orbite sono 6 distanziate di 60° con una inclinazione di 55° rispetto al piano equatoriale. Da qualsiasi punto della terra è possibile osservare da cinque a otto satelliti di cui almeno quattro con una altezza idonea al calcolo del punto nave.

Segmento spaziale I satelliti della serie Block II richiedono una interazione minima con le stazioni di terra e consentono di eseguire la maggiore parte delle manutenzione senza interruzione delle trasmissioni Gli aggiornamenti periodici dei dati possono causare una interruzione dell’emissione del segnale di navigazione della durata di 6 – 24 secondi. Durante un ciclo di manutenzione programmata il satellite può essere disattivato per 6 – 12 – 24 ore.

Segmento terrestre Il GPS Control Segment (CS) è composto da quattro elementi fondamentali: la Master Control Station(MCS) la Backup Master Control Station (BMCS) (oltre a calcolare le correzioni ed a stabilire le manutenzioni, entrambe possono monitorare ed inviare il segnale corretto alle stazioni di aggiornamento quattro Stazioni di monitoraggio ed aggiornamento basate a terra (sono le uniche a poter aggiornare i satelliti direttamente)

Segmento terrestre La MCS è ubicata a Schriever Air Force Base, Colorado Springs, ed è la centrale di controllo principale dei satelliti. L’ MCS è operativa 24 ore al giorno per tutto l’anno. La MCS è responsabile del comando e controllo dei satelliti in particolare: • Controllo dei satelliti; • Manutenzione dei satelliti e risoluzione delle avarie; • Gestione dell’ SPS performance; • Gestione dell’aggiornamento dati dei satelliti. • Scoperta e risoluzione delle avarie

Segmento terrestre Nel caso di prolungata indisponibilità della MCS, può essere attivata la BMCS, ubicata a Gaithersburg, MD. Se richiesto il personale della MCS può essere trasferito entro 24 ore alla BMCS. La BMCS viene attivata per esercitazione almeno 4 volte l’anno.

Segmento terrestre Le quattro antenne terrestri delle CS sono dedicate alla telemetria, al tracciamento e al comando (TT&C), in near real time, tra i satelliti e la MCS (aggiornamento del satellite con il segnale arrivato dalla MCS) Le stazioni di monitoraggio sono dedicate alla misura, near real-time, dei parametri dei satelliti ed al loro invio alla MCS.

La Navigazione Satellitare

Segmento terrestre Le performance standard del sistema GPS non contengono alcuna restrizione per i costruttori dei ricevitori I dettagli sulla caratteristica del segnale in banda Lima emesso dai satelliti GPS e sul codice C/A sono definiti in una pubblicazione ICD-GPS-200C.

Segmento terrestre Il Governo degli Stati Uniti ha stabilito che tale pubblicazione rappresenta l’unico documento ufficiale che definisce i parametri tecnici del segnale GPS necessari per la definizione degli interfaccia tra i satelliti ed i ricevitori GPS.

I segnali GPS I satelliti GPS trasmettono un messaggio in codice binario con un ritmo di 50 bit/sec (50Hz) che viene emesso su due frequenze: Frequenza L1 (1575.42Mhz) Frequenza L2 (1227.60Mhz) Le due radiofrequenze vengono modulate con codici binari pseudo-casuali, il codice P (precision code) e il codice C/A.

I segnali GPS I due codici servono fondamentalmente per i seguenti scopi: Identificazione dei satelliti, in quanto le sequenze dei codici sono esclusive per ciascuno di essi. Misura del tempo di propagazione dei segnali di navigazione, in base alla quale si ricava la distanza tra satellite ed utente. Il codice C/A (Coarse Acquisition) modula la portante L1. Ogni satellite ha un proprio codice C/A. Il codice C/A è la base del servizio SPS. Il P-code che modula sia la portante L1 che la portante L2. Il P-code è criptato nello Y-code. Il codice P(Y) è la base del servizio PPS.

I segnali GPS Il codice P è un codice di precisione, con una sequenza di lunghezza molto elevata e di difficile acquisizione. Essa è costituita da un ritmo binario pseudo – casuale a 10.23 Mhz e permette di effettuare misure molto precise sia del tempo che degli altri parametri navigazionali. La durata della sequenza ripetibile ed esclusiva per ciscun satellite del codice P è di una settimana, ma questa non è altro che la frazione di una sequenza più lunga, avente la durata di 267 giorni.

I segnali GPS Il codice C/A è un codice molto breve con un ritmo binario di 1.023 Mhz ed una sequenza della durata di 1 millisecondo. E’ quindi molto più facile da acquisire, ma consente di ottenere misure meno precise rispetto al codice P. L’utente per ricevere il messaggio di navigazione si aggancia prima al codice C/A dopo al codice P.

Il segnale GPS Ogni satellite trasmette i dati necessari alla processazione della posizione. I dati trasmessi includono le informazioni necessarie per la determinazione di: • Tempo di trasmissione del satellite • Posizione del satellite • Efficienza del satellite • Correzione dell’orologio del satellite • Effetto del ritardo della propagazione • Situazione della costellazione

Il messaggio di navigazione Il messaggio di navigazione è costituito dai dati relativi a tutti quei parametri che consentono all’utente di effettuare le operazioni e i calcoli per ottenere l’esatto punto di posizione in cui si trova.

Il messaggio di navigazione Il messaggio di navigazione è suddiviso in 5 sottogruppi della durata di 6 secondi ciascuno. I 5 sottogruppi formano una sequenza della durata di 30 secondi. Un frame di dati consiste di 1500 bits, tale frame è diviso in 5 sub-frame di 300 bits. Ogni sottogruppo inizia con una sigla di telemetria TLM e una sigla di trasferimento HOW, necessari per passare l’agganciamento dal codice C/A al codice P.

Il messaggio di navigazione I subframe contengono: Subframe 1 (correzioni del tempo) Subframe 2 e 3 ( effemeridi del satellite) Subframe 4 e 5 (dati vari detti “almanacco”) Poiché i dati di almanacco completi eccedono le capacità del sottogruppo in cui sono allocati,questi vengono inseriti a blocchi di lunghezza di un sottogruppo in ogni messaggio di navigazione. Il messaggio di navigazione completo è quindi composto da un set di 25 frames (125 subframes). La durata di trasmissione del messaggio di navigazione completo è di 12,5 minuti.

Posizione e Tempo GPS Il ricevitore GPS riproduce il codice C/A e/o il codice P(Y). Il generatore di codice C/A ripete ogni millisecondo la sequenza. Il ricevitore sposta il codice generato, in tempo, fino a sovrapporlo esattamente a quello ricevuto dal satellite. Effettuata la sovrapposizione viene decodificato il segnale di navigazione.

Posizione e Tempo GPS Lo shift necessario per la sovrapposizione corretto della differenza di tempo tra l’orologio del satellite e quello del ricevitore consente il calcolo del tempo impiegato dal segnale a percorrere la distanza satellite – ricevitore.

Principio di funzionamento I satelliti sono dotati di orologi atomici al cesio e al rubidio che vengono sincronizzati dalla MCS ogni volta che vi passano sopra. I satelliti trasmettono agli utenti le proprie coordinate X Y e Z e l’istante esatto di trasmissione del segnale. I dati del satellite vengono confrontati dal ricevitore dotato di orologio al quarzo di grande precisione.

Principio di funzionamento Noto l’istante T1 trasmesso dal satellite e l’istante T2 di ricezione del segnale, è possibile calcolare il tempo impiegato dal segnale per percorrere la distanza satellite – ricevitore. Conoscendo la velocità di propagazione del segnale ed il tempo necessario per il suo arrivo al ricevitore, è possibile calcolare la distanza ricevitore satellite .. D=c(T1-T2) Il luogo di posizione è quindi una sfera di raggio D

Principio di funzionamento RICEVITORE DI AEROMOBILE (o con una certa quota) Una sola misura di distanza è insufficiente per la determinazione del punto. Anche con due satelliti non posso determinare il punto, infatti l’intersezione di due sfere da luogo ad un cerchio e non ad un punto. Tre satelliti, ovvero tre sfere identificano due punti Con quattro satelliti posso determinare univocamente un punto. Il quarto satellite serve anche a determinare la quarta incognita ovvero a sincronizzare RICEVITORE DI NAVE (o sul livello del mare) Una sola misura di distanza è insufficiente per la determinazione del punto. Anche con due satelliti non posso determinare il punto, infatti l’intersezione di due circonferenze dà luogo a due punti distinti. Tre satelliti, ovvero tre circonferenze identificano un punto (ma i tre satelliti possono non essere sincronizzati) Con quattro satelliti posso determinare univocamente un punto e fare la sincronizzazione.

Calcolo della posizione Lo shift necessario per la sovrapposizione corretto della differenza di tempo tra l’orologio del satellite e quello del ricevitore consente il calcolo del tempo impiegato dal segnale a percorrere la distanza satellite – ricevitore.

Calcolo della posizione La posizione ottenuta in X, Y e Z è convertita nel ricevitore in latitudine longitudine e altezza sul datum geodetico. Normalmente il datum utilizzato è il WGS 84, tuttavia alcuni ricevitori consentono la trasformazione in altri datum. La velocità è ottenuta dal cambio della posizione in funzione del tempo o sfruttando l’effetto doppler.

Calcolo del tempo Ogni satellite è dotato di quattro orologi atomici, due al cesio e due al rubidio. Il tempo di ogni satellite è monitorizzato dalle stazioni di controllo terrestri e talvolta viene aggiornato per essere mantenuto entro un millisecondo dal tempo GPS. Il segnale del satellite aggiorna il tempo del ricevitore.

Calcolo del tempo Il tempo GPS è differente dal tempo UTC in quanto talvolta il tempo UTC viene aggiornato, questo renderebbe discontinuo il servizio GPS.

Errori Errori dovuti al rumore Errori dovuti al bias (parola inglese che significa “influenza” – nel caso specifico “errore sistematico”) Errori dovuti a sbagli (errore accidentale)

Errori dovuti al rumore Rumore legato al segnale trasmesso dal satellite (1metro) Rumore interno al ricevitore (1 metro)

Errori dovuti al bias Errore dovuto alla Selective Availability (SA). E’ un errore introdotto dalla DoD per degradare l’accuratezza del servizio SPS da 30 metri a 100 metri. Viene prodotto alterando la percisione del segnale di tempo. La SA è differente da satellite a satellite pertanto il suo valore è funzione dei satelliti impiegati. Errori di tempo (1 metro)

Errori dovuti al bias Errori nelle effemeridi (1 metro) Errore dovuto alla troposfera (1 metro). Dovuto alla differente temperatura pressione e umidità della troposfera in funzione del cambiamento del tempo. Errore dovuto alla ionosfera (10 metri) Multipath (0,5 metri). Il multipath è provocato dalla riflessione dei segnali GPS contro le superfici vicine al ricevitore.

Errori dovuti alla ionosfera e alla atmosfera La correzione dovuta alla troposfera può essere valutata matematicamente. L’errore residuo è di circa 10 metri A causa della variabilità delle condizioni della ionosfera, non è possibile l’impiego di un modello matematico. L’errore è di circa 1 metro

Errori dovuti a sbagli Errori legati al segmento di controllo dovuti a computer o fattori umani (da 1 a centinaia di chilometri) Uso non corretto del sistema per esempio datum errato (da 1 metro a centinaia di metri) Errori dovuti a malfunzionamento del ricevitore.

Problema Geodetico Negli anni recenti l’accuratezza della navigazione è stata incrementata dall’uso dei satelliti. L’aumento della accuratezza rende non più irrilevante il problema geodetico ovvero la differenza che si ha tra il dato di posizione letto sul ricevitore e il dato di posizione della carta. Il problema nasce dal fatto che spesso la carta e il ricevitore non utilizzano lo stesso datum.

Problema Geodetico A seconda del datum utilizzato uno stesso punto sulla superficie terrestre ha differenti coordinate. Come esempio si riportano le coordinate del faro di South Foreland inghilterra. 51° 08’.39 N – 001° 22’.37E OSGB 36 51° 08’.47 N – 001° 22’.35E ED50 51° 08’.42 N – 001° 22’.26E WGS 72 51° 08’.42 N – 001° 22’.27E WGS 84

Problema Geodetico ED 50 133 metri WGS 84 161 metri WGS 72 11 metri OSGB 36

Problema Geodetico Esistono solo due metodi per eliminare questo errore: Ricostruire le carte con rilievi effettuati con il GPS Ricalcolare le carte attraverso algoritmi di conversione tra un datum e l’altro. Questa seconda via teoricamente più semplice, talvolta è impossibile per la mancanza di un algoritmo.

Problema Geodetico E’ quindi necessario effettuare delle campagne intese a misurare e confrontare i diversi datum. Rimangono molte aree del mondo dove queste misure non sono state effettuate e pertanto nulla si sa della differenza tra il datum usato nella carta e il WGS 84.

Problema Geodetico Ove è stato possibile sono state effettuate misure e le correzioni relative per passare dalle coordinate della carta a quelle WGS 84 sono riportate nel titolo della carta stessa. Si tratta di valori medi validi per tutta la carta. L’errore che si commette è generalmente inferiore ai 10 metri. Nel pacifico sono stati apportati shift di 7 miglia.

Carte UKHO pubblicate divise per datum Problema Geodetico Carte UKHO pubblicate divise per datum Astro 1956 (2) Monte Mario (1940) 109 Camacupa (Angola) 1 OSGB (1936) 295 Arc 50 (Africa) 5 Undetermined 2071 Australian Geodetic 160 Undetermined Bessel 2 Bathurst (Gambia) 2 WGS 72 48 Bissau 6 WGS 84 1285 Bukit (Indonesia) 6 Campo 5 Castelo 1 Totale 6772 carte pubblicate Cape Datum SA 25 Castania 1 Correge 30 Guadalcanal 30 ED 50 856 ETSR89 539 Fiji (1986) 17 Fiji (1956) 11 Geodetic datum (1949) 15

Problema Geodetico Alcuni costruttori di ricevitori satellitari hanno inserito dei software in grado di convertire i dati GPS in altri datum. Tuttavia si deve osservare che le correzioni, per esempio da WGS 84 a ED 50 necessarie in Norvegia sono molto differenti da quelle che si devono utilizzare in Egitto. Tali software possono quindi in taluni casi apportare ulteriori errori oltretutto sconosciuti.

Il GPS differenziale (DGPS) L’idea alla base del GPS differenziale è quella di correggere l’errore bias in una zona calcolando l’errore rispetto ad una stazione nota. La correzione viene calcolata per ogni satellite. La stazione nota invia le correzioni all’utente che deve essere dotato di un ricevitore in grado di elaborare le correzioni ed applicarle al messaggio di navigazione del satellite.

Il GPS differenziale (DGPS) L’invio di correzioni può essere effettuato sia in tempo reale che per il post processing. Le correzioni in real time sono trasmesse via radio secondo un segnale standard elaborato dall’RTCM (Radio Technical Commission Marine).

Il GPS differenziale (DGPS) GPS msg type n° Title Glonass msg n° 1 Differential GNSS correction 31 2 3 Reference station parameters 32 4 Datum used 5 Constellation health 33 6 Null frame (no informatiopn) 34 7 Radio-beacons almanacc 35 9 Sub-set differential GNSS correction 15 Ionospheric correction 16 Special message 36

Il GPS differenziale (DGPS) Station name Position Tx fx Tx rate Reference station Transitting station Range Integrity monitoring status Type message Cape Ferret 44°38’.77N 001°15’.87W 310 khz 100 466 366 97 operational 1 3 5 7 9 La Hague 49° 34’ N 001° 46’W 299 Khz 460 Planned Wustrow 54°20’.1N 012° 22’.5E 314.5 Khz 200 820 821 491 no 3 5 7 9 16

Il GPS differenziale (DGPS) Il GPS differenziale rimuove gli errori comuni alla stazione di riferimento e all’utente. Rimangono non eliminabili gli errori di multipath e quelli che derivano dal disturbo del ricevitore. Per distanze inferiori a 100 km dalla stazione DGPS, si riescono ad ottenere precisioni dell’ordine di 1-10 metri con DGPS basati sul codice C/A dell’SPS.

Limiti Ls disponibilità e l’accuratezza del servizio GPS può essere modificata senza preavviso. Non esiste la possibilità di allertare l’utente in tempo reale sul malfunzionamento di un satellite. Il Dipartimento della Difesa (DoD) Statunitense ribadisce che l’uso primario del GPS è militare pertanto il segnale può essere intenzionalmente modificato senza preavviso.

La Navigazione Satellitare