SISTEMI SATELLITARI GLOBALI DI NAVIGAZIONE (GNSS) - Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto

SISTEMI SATELLITARI GLOBALI DI
              NAVIGAZIONE (GNSS)

Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto      1

INDICE
      UN PO’DI ME
      LE ORIGINI
      GNSS (Global Navigation Satellite System)
      NAVSTAR GPS ( NAVigation Satellite Timing An Ranging
       Global Positioning System)
      GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)
      GALILEO
      BEIDOU
      IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System)
      CONCLUSIONI
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UN PO’ DI ME
   Brig. Gen. GA (r) BORDO ROBERTO
   39,5 ANNI IN AERONAUTICA (1976-2015)
             1976 –1982: HDM AERONAUTICA - LAUREA INGEGNERIA ELETTRONICA
             1983-1986: CAPO SEZIONE TECNICA E MANUTENZIONE DEL PISQ
             1986-2015: SEGRETARIATO GENERALE DELLA DIFESA E DIREZIONE
              NAZIONALE DEGLI ARMAMENTI – CAPO SEZIONE / CAPO DIVISIONE NEI
              SETTORI: AVIONICA, GUERRA ELETTRONICA, MISSILI, SIMULATORI DI
              VOLO, ARMAMENTO DI CADUTA, SISTEMI DI SUPPORTO E SALVATAGGIO
             1998-2002: AGENZIA NAPMA (NL) IN VESTE DI CAPO SEZIONE RITORNI
              INDUSTRIALI DEL PROGRAMMA AWACS

             2009-2013: AGENZIA NETMA (GE) COME         RESPONSABILE   DEL
              SUPPORTO IN SERVIZIO DEL VELIVOLO EF2000

       ATTUALMENTE PRESIDENTE SEZIONE A.A.A. VITERBO

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LE ORIGINI (1/2)
      NAVIGAZIONE AEREA CLASSICA CON SISTEMI:
            DI RADIO-ASSISTENZA CHE UTILIZZANO STAZIONI TRASMITTENTI POSTE A TERRA
             (DECCA, LORAN, OMEGA, ECC.), CHE INVIANO UN IMPULSO RADIO DA UNA
             POSTAZIONE “MASTER”, SEGUITO DA IMPULSI DA ALTRE STAZIONI “SLAVE”.
             SULLA BASE DEL RITARDO TRA LA RICEZIONE E LA TRASMISSIONE DEL SEGNALE
             PRESSO LE STAZIONI “SLAVE”, IL RICEVITORE DETERMINA LA DISTANZA DA
             OGNUNA DELLE STAZIONI “SLAVE” E, QUINDI, UN CALCOLO DELLA POSIZIONE
            INERZIALI ED ASTRONOMICI, CHE CONSENTONO DI EFFETTUATE LA
             NAVIGAZIONE CON IL SOLO IMPIEGO DEGLI APPARATI DI BORDO

      NEL 1967 NASCE “TRANSIT”, PRIMO SISTEMA SATELLITARE (6 SATELLITI) PER
       NAVIGAZIONE AEREA CREATO DALL’ESERCITO USA – INIZIALMENTE PER
       AVIAZIONE MILITARE E QUASI SUBITO RESO DISPONIBILE ALL’AVIAZIONE
       CIVILE.
            FUNZIONAMENTO BASATO SULL’EFFETTO DOPPLER: I SATELLITI SI SPOSTAVANO
             SU ORBITE NOTE E TRASMETTEVANO I LORO SEGNALI SU UNA FREQUENZA
             SPECIFICA. LA FREQUENZE RITRASMESSE DAI RICEVITORI DIFFERIVANO DA
             QUELLE NOMINALI A CAUSA DELLO SPOSTAMENTO DEI SATELLITI RISPETTO AI
             RICEVITORI. MONITORANDO QUESTE VARIAZIONI DI FREQUENZA SU UN BREVE
             INTERVALLO DI TEMPO I RICEVITORI POTEVANO DETERMINARE LA PROPRIA
             POSIZIONE

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LE ORIGINI (2/2)
        MISURE NAVIGAZIONALI AFFETTE DA ERRORI NONOSTANTE LE CORREZIONI
         INTRODUCIBILI NELLA ELABORAZIONE DEI SEGNALI IN RICEZIONE
         (ACCETTABILI PER ALCUNI SCOPI, MA NON PER SCOPI MILITARI)
        FINO AGLI INIZI DEGLI ANNI ‘70 LO SPAZIO AEREO ASSEGNATO ALLA
         NAVIGAZIONE AEREA E’ LIMITATO
        LE MUTATE SITUAZIONI COMMERCIALE E GEO-POLITICA COMPORTONO UN
         SENSIBILE   INCREMENTO   DEL   NUMERO    DEI    VETTORI  AEREI
         CONTEMPORANEAMENTE IN MOVIMENTO NELLO SPAZIO AEREO ED UN
         CONSIDEREVOLE MIGLIORAMENTO DELLE LORO CARATTERISTICHE
         TECNICHE
        LA SICUREZZA DEL VOLO DIVENTA OGGETTO DI ATTENZIONE SPECIFICA
        NECESSITA’ DI SISTEMI DI NAVIGAZIONE DI ALTA PRECISIONE, AFFIDABILITA’
         ED EFFICIENZA

                  NASCONO I PRIMI SISTEMI GNSS
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GNSS - DEFINIZIONE

    IL GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) E’
    UN SISTEMA SATELLITARE DI GEO-LOCALIZZAZIONE
    E NAVIGAZIONE A COPETURA GLOBALE CHE
    CONSENTE AD APPOSITI RICEVITORI ELETTRONICI
    DI DETERMINARE LE PROPRIE COORDINATE
    GEOGRAFICHE        (LONGITUDINE,    LATITUDINE,
    ALTITUDINE) SU UN QUALUNQUE PUNTO DELLA
    SUPERFICIE TERRESTRE O DELL’ATMOSFERA, CON
    ERRORI DI POCHISSIMI METRI, ELABORANDO
    SEGNALI A RADIOFREQUENZA TRASMESSI IN LINEA
    DI VISTA DAI SATELLITI

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GNSS - COMPOSIZIONE
  TUTTI I SISTEMI DI POSIZIONAMENTO SATELLITARE SONO FORMATI DA:
                 SEGMENTO SPAZIALE
                 INSIEME DI SATELLITI DISPOSTI IN MODO OPPORTUNO INTORNO ALLA
                 TERRA CHE TRASMETTONO COSTANTEMENTE I SEGNALI AI
                 RICEVITORI DEGLI UTENTI ED ALLE STAZIONI DI CONTROLLO A TERRA.

                 SEGMENTO DI CONTROLLO
                 STAZIONI A TERRA CHE RICEVONO I SEGNALI TRASMESSI DAI
                 SATELLITI, PROVVEDONO A MONITORARE COSTANTEMENTE L'ORBITA
                 E AD IMPOSTARE LE NECESSARIE CORREZIONI DI ROTTA (OGNI
                 SATELLITE HA DEI PICCOLI MOTORI PER QUESTO). INOLTRE,
                 TRASMETTONO LE “EFFIMERIDI” DI OGNI SATELLITE PER LE
                 SUCCESSIVE 24 ORE ED INVIANO DATI AGLI UTENTI

                 SEGMENTO UTENTE
                 TUTTI I RICEVITORI (DI BORDO, DEI NAVIGATORI STRADALI, DEI
                 PALMARI PER ESCURSIONISMO, DEI TELEFONINI, DEI TABLET, DEGLI
                 STRUMENTI PER RILIEVO TOPOGRAFICO, ECC.) DEL SEGNALE CHE
                 USIAMO PER LOCALIZZARE LA NOSTRA POSIZIONE.
                 AL SEGMENTO UTENTE NON E’ RICHIESTA CAPACITA’ DI
                 TRASMISSIONE.
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GNSS – FUNZIONAMENTO (1/2)
    IL SATELLITE TRASMETTE UN SEGNALE RADIO CHE CONTIENE LA
     POSIZIONE DEL SATELLITE E L’ORA DI TRASMISSIONE DEL SEGNALE,
     RICAVATA DA UN OROLOGIO ATOMICO, AL FINE DI MANTENERE LA
     SINCRONIZZAZIONE     CON     GLI    ALTRI  SATELLITI   DELLA
     COSTELLAZIONE. INOLTRE, RICEVONO E MEMORIZZANO I SEGNALI
     RITRASMESSI DALLE STAZIONI DI CONTROLLO, MANTENGONO UN
     SEGNALE DI TEMPO ED ESEGUONO CORREZIONI DELLA LORO
     ORBITA

    IL RICEVITORE CONFRONTA IL TEMPO DELLA TRASMISSIONE CON
     QUELLO MISURATO DA UN PROPRIO OROLOGIO INTERNO,
     RICAVANDO IL TEMPO IMPIEGATO DAL SEGNALE RADIO PER
     ARRIVARE DAL SATELLITE E, QUINDI, LA DISTANZA

    OGNI MISURA DI DISTANZA, INDIPENDENTEMENTE DAL SISTEMA
     USATO, INDIVIDUA UNA SFERA CHE HA PER CENTRO UN SATELLITE.
     DALL’INTERSEZIONE   DI   QUESTE   SFERE   SI  OTTIENE   IL
     POSIZIONAMENTO IN TEMPO REALE

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GNSS – FUNZIONAMENTO (2/2)
   NEL CASO DI RICEVITORI IN MOVIMENTO RAPIDO, LA POSIZIONE DEL
    RICEVITORE CAMBIA MENTRE I SEGNALI RADIO SATELLITARI VENGONO
    RICEVUTI
   I SEGNALI RADIO RITARDANO LEGGERMENTE MENTRE ATTRAVERSANO I
    VARI STRATI DELLA TROPOSFERA (0 – 9 KM) E DELLA IONOSFERA (50 KM
    ÷1.000 KM), DETERMINADO DEGLI ERRORI DEL RICEVITORE NEL
    CALCOLO     DELLA    PROPRIA  POSIZIONE.    ALTRA    COMPONETE
    DELL’ERRORE E’ IL MOVIMENTO RELATIVO TRA IL SATELLITE ED IL
    RICEVITORE (VARIA L’ANGOLO TRA RICEVITORE E SATELLITE E, QUINDI,
    LA DISTANZA PERCORSA DAL SEGNALE ATTRAVERSO LA IONOSFERA)
   PRINCIPALI METODI DI RIDUZIONE DEGLI ERRORI DA PARTE DEI
    RICEVITORI:
      USO DI COMBINAZIONI DI SEGNALI DA PIU’ SATELLITI (MAGGIORE E’ IL
       NUMERO DI SEGNALI, MIGLIORE E’ LA PRECISIONE NEL CALCOLO
       DELLA POSIZIONE) E VARI “CORRELATORI”,
      TECNICHE DI FILTRAGGIO (ES. FILTRO DI KALMAN) PER UNIRE I DATI
       AFFETTI DA “RUMORE”, PARZIALI E COSTANTEMENTE VARIABILI IN
       UNA SINGOLA STIMA DI POSIZIONE, TEMPO E VELOCITA’
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GNSS – PRINCIPIO DI LOCALIZZAZIONE (1/2)

   SE   SI   CONOSCE   SOLO   LA
    DISTANZA D DA UN SATELLITE, IL
    RICEVITORE PUÒ TROVARSI IN UN
    PUNTO QUALSIASI DELLA SFERA DI
    RAGGIO     D  CENTRATA    SUL
    SATELLITE

   SE SONO NOTE LE DISTANZE D1 E
    D2   DA   DUE   SATELLITI,  IL
    RICEVITORE PUÒ TROVARSI IN UN
    PUNTO     QUALSIASI     DELLA
    CIRCONFERENZA INTERSEZIONE

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GNSS – PRINCIPIO DI LOCALIZZAZIONE (2/2)

  SE SONO NOTE LE DISTANZE D1, D2 E D3
   DA TRE SATELLITI, IL RICEVITORE PUÒ
   TROVARSI IN UNO DEI DUE PUNTI
   OTTENUTI COME INTERSEZIONE

  PER RISOLVERE L’AMBIGUITA’ ED AVERE
   UN’IDENTIFICAZIONE UNIVOCA BISOGNA
   CONOSCERE      LE   DISTANZE    DEL
   RICEVITORE DA QUATTRO SATELLITI

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GNSS - CALCOLO DELLA DISTANZA

                                                       Utente

                 NOTA:
  Essendo i satelliti in movimento, le
  loro coordinate spaziali sono                                                                        Note:
  funzione del tempo. Se anche il                                           - ∆t0 tiene conto dell’errore temporale del ricevitore, delle
  ricevitore si muove, anche le sue                                           ambiguità atmosferiche e degli errori degli orologi
                                                                              satellitari (noti come “parametri di distorsione”, che
  coordinate sono funzione del tempo                                          differenziano il range geometrico dallo pseudorange)
                                                                            - il valore di ∆t0 = 0ms all’inizio della trasmissione del
                                                                              segnale satellitare e, al momento della ricezione, è
                                                                              diverso a seconda del sistema GNSS considerato. Per il
                                                                              GPS è ∆t0 = 67,3ms (satellite allo zenith del ricevitore) +
                                                                              3,33µs/km

          Di = Range geometrico – Può essere misurato attraverso misure di fase o di codice

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GNSS – STRUTTURA DEL SEGNALE

                                               Ogni satellite può essere
                                               univocamente determinato
                                               tramite il codice trasmesso

          PORTANTE                      fp specifica del sistema

           CODICE
                                       fc specifica del sistema

             DATI
                                        fd = 50 Hz

                    Sr
                                       - Misure di codice: almeno 4 satelliti
                                       - Misure di fase: almeno 5 satelliti

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GNSS – PROPAGAZIONE DEL SEGNALE

                                        I   SEGNALI    SATELLITARI GNSS  VIAGGIANO
                                         INIZIALMENTE ALLA VELOCITA’ DELLA LUCE (≈
                                         300.000 Km/S nel vuoto)
                                        NELL’ATTRAVERSARE L’ATMOSFERA IL SEGNALE
                                         RALLENTA LA SUA VELOCITA’. STIMARE IL RITARDO
                                         CHE NE DERIVA E’ ESSENZIALE PER IL
                                         POSIZIONAMENTO
                                          GLI STRATI DELL’ATMOSFERA CHE HANNO
                                           MAGGIOR INFLUENZA SULLA PROPAGAZIONE
                                           DEL SEGNALE GNSS SONO LA TROPOSFERA E
                                           LA IONOSFERA
                                          IL RITARDO TROPOSFERICO PUO’ ESSERE
                                           VALUTATO NELLA STAZIONE DI TERRA IN
                                           FUNZIONE DI TEMPERATURA, PRESSIONE E
                                           UMIDITA’
                                          IL RITARDO IONOSFERICO VARIA MOLTO CON LA
                                           FREQUENZA, PER CUI PUÒ ESSERE STIMATO IN
                                           MANIERA PIÙ EFFICACE SE IL SEGNALE E’
                                           TRASMESSO CONTEMPORANEAMENTE SU DUE
                                           FREQUENZE DIVERSE (IN RICEZIONE OCCORRE
                                           UN RICEVITORE A DOPPIA FREQUENZA)

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GNSS – CAUSE DI ERRORE (1/3)
  PROPAGAZIONE IONOSFERICA
       QUANDO IL SEGNALE DEL SATELLITE
        PASSA ATTRAVERSO LA IONOSFERA
        PUÒ ESSERE RALLENTATO.
                                                         ALTA ELEVAZIONE

       POSSIBILI CAUSE SONO:
                                                                                BASSA ELEVAZIONE

                                                  D1
         − STATO DI IONIZZAZIONE DELLA
           IONOSFERA (ORA, MACCHIE SOLARI,
                                                                           D2

           ECC.),                                      D2 > D1

         − UMIDITÀ ATMOSFERICA
         − ELEVAZIONE DEL SATELLITE
           RISPETTO AL RICEVITORE
       IL RITARDO INTRODUCE UN ERRORE
        NEL CALCOLO DELLA POSIZIONE A
        CAUSA    DELLA   VARIAZIONE DI
        VELOCITÀ DEL SEGNALE
       IL RITARDO PUÒ ESSERE CORRETTO
        CONOSCENDO LA VELOCITÀ MEDIA, OPPURE
        COMBINANDO LE LETTURE DEL TEMPO DI
        PROPAGAZIONE DEI SEGNALI TRASMESSI ALLE
        DUE FREQUENZE f1 ED f2

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GNSS – CAUSE DI ERRORE (2/3)
 MULTIPATH
      GENERATO DALLA CONTEMPORANEA RICEZIONE
       DEL SEGNALE SATELLITARE ED ALTRI SEGNALI
       RIFLESSI DA SUPERFICI CIRCOSTANTI L’ANTENNA
       RICEVENTE (SUPERFICI D’ACQUA, EDIFICI, ALBERI,
       ECC.), TIPICAMENTE A DISTANZE NON SUPERIORE
       AI 30m

      L’EFFETTO E’ TANTO PIÙ RILEVANTE QUANTO PIÙ E’
       BASSO L’ANGOLO DI INCIDENZA DEI SEGNALI
       RIFLESSI

      L’EFFETTO IMMEDIATO E’ LA DETERMINAZIONE DI
       UNA FALSA MISURA IN QUANTO IL RICEVITORE
       RILEVA PIÙ DISTANZE DIFFERENTI RELATIVE ALLO
       STESSO SATELLITE

      DA UN PUNTO DI VISTA ANALITICO, L’EFFETTO SI
       EVIDENZIA IN UN SENSIBILE PEGGIORAMENTO DEL
       RAPPORTO S/R

      L’EFFETTO PUÒ ESSERE RIDOTTO USANDO DELLE
       ANTENNE GPS SPECIALI CIRCOLARI PIATTE (CHOKE
       RING) IN GRADO DI EVITARE CHE I SEGNALI
       RIFLESSI A BASSA ELEVAZIONE RAGGIUNGANO
       L’ANTENNA DEL RICEVITORE

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GNSS – CAUSE DI ERRORE (3/3)

    DILUITION OF PRECISION (DOP)
     GDOP – GEOMETRIC DOP
      MISURA   LA   DEGRADAZIONE    DEL
      SEGNALE NELLA POSIZIONE 3D E NEL
      TEMPO (GDOP2 = PDOP2 + TDOP2)
     PDOP - POSITIONAL DOP
      MISURA   LA    DEGRADAZIONE       DEL
      SEGNALE NELLA POSIZIONE 3D
     VDOP - VERTICAL DOP
      MISURA    LA  DEGRADAZIONE   DEL
      SEGNALE       NELLA    DIREZIONE
      VERTICALE.
     HDOP - HORIZONTAL DOP
      MISURA   LA   DEGRADAZIONE   DEL
      SEGNALE       NELLA    DIREZIONE
      ORIZZONTALE

     TDOP – TIME DOP
      MISURA LA DEGRADAZIONE           NELLA
      SINCRONIZZAZIONE

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GNSS – APPLICAZIONI
      NAVIGAZIONE AEREA, MARITTIMA E TERRESTRE

      AUSILIO ALL’ARMAMENTO DI PRECISIONE (ES. GUIDA MISSILI E
       BOMBE)

      SERVIZIO DI RICERCA E SOCCORSO

      GEOFISICA

      APPLICAZIONI TOPOGRAFICHE E CATASTALI

      MACHINE   AUTOMATION            (ES.   MOVIMENTO   TERRA   ED
       AGRICOLTURA)

      MONITORAGGIO FAUNA

      ANTIFURTO

      ECC.
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GNSS – SISTEMI PRINCIPALI
        USA: NAVSTAR GPS, PIENAMENTE OPERATIVO DAL 1994

        RUSSIA: GLONASS, PIENAMENTE OPERATIVO DAL 2011

        UE: GALILEO, IN SERVIZIO DAL 2016 - PIENA OPERATIVITA’
             DAL 2020

        INDIA: IRNSS, OPERATIVO DAL 2016

        CINA: BEIDOU, OPERATIVO LOCALMENTE – OPERATIVITA’
         GLOBALE DAL 2020

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NAVSTAR GPS
           NEL 1973 IL GOVERNO USA VARA IL PROGRAMMA SATELLITARE
            NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite System Time And Ranging) E
            GARANTISCE I RELATIVI STANZIAMENTI

                                                                 1994

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GPS – STRUTTURA DEL SEGNALE (1/3)

        I QUATTRO OSCILLATORI A BORDO FORNISCONO UN SEGNALE
         ELETTROMAGNETICO CONTINUO CON FREQUENZA FONDAMENTALE
         f0 = 10,23 MHz (clock)

        A PARTIRE DALLA f0 SI OTTENGONO LE TRE FREQUENZE DELLE ONDE
         PORTANTI

           f1 = 154 x f0 = 1.575,42 MHz    λ1 = 19 cm (Banda di frequenza L1)

           f2 = 154 x f0 = 1.227,602 MHz   λ2 = 24 cm (Banda di frequenza L2)

           f3 = 118 x f0 = 1.207,14 MHz (Banda di frequenza L5 – Per servizi SOF,
                                          Safety Of Life)

        TRAMITE LE DUE PORTANTI f1 ED f2,VENGONO INVIATI ALL’UTENTE TRE
         TIPI DI CODICI BINARI PSEUDO-CASUALI: CA (Coarse Acquisition), PE
         (Precision Encrypted), D (Data)
           AL CODICE CA E’ ASSOCIATO IL TRASPORTO DEL SEGNALE PER LA
            LOCALIZZAZIONE GROSSOLANA ED IL SEGNALE DI TEMPO
           AL CODICE PE E’ ASSOCIATO IL TRASPORTO PER LA LOCALIZZAZIONE DI
            PRECISIONE
           AL CODICE D E’ ASSOCIATO IL TRASPORTO DEI DATI DI NAVIGAZIONE
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GPS – STRUTTURA DEL SEGNALE (2/3)

                   Sr

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GPS – STRUTTURA DEL SEGNALE (3/3)

  CODICE CA
   TRASMESSO SOLO SULLA PORTANTE f1
   SEQUENZA “PSEUDO-RANDOM” (PRN) DI bit GENERATA CON
    FREQUENZA DI 1,023 MHz
   OGNI SATELLITE TRASMETTE UN PROPRIO CODICE
    IDENTIFICATIVO BINARIO DI 1.023 bit (chips), EMESSI A 1.023
    b/ms PER FAVORIRE UN RAPIDO AGGANCIO SUL RICEVITORE
   IL CODICE E’ RIPETUTO 20 VOLTE. QUESTO GRUPPO, CHE
    DURA 20 ms, COSTITUISCE UN bit DI INFORMAZIONE (DATO)
   LA POLARITA’ DEI chips VIENE CAMBIATA A SECONDA DEL
    DATO DA TRASMETTERE
   POICHÉ I DATI SONO TRASMESSI A 50 bit/s (20 ms/bit), PER
    TRASMETTERE     LE   INFORMAZIONI SUDDETTE         SONO
    NECESSARI 12,5 MINUTI
   IL CODICE C/A E’ “OPEN SOURCE” ED E’ IMPIEGATO IN
    APPLICAZIONI CIVILI

  CODICE PE
   TRASMESSO SULLE PORTANTI f1 ED f2
   SEQUENZA “PSEUDO-RANDOM” DI bit GENERATA CON
    FREQUENZA DI 10,23 MHz (VELOCITA DI GENERAZIONE 10
    VOLTE SUPERIORE A QUELLA DEL CODICE CA)
   MAGGIORE    PRECISIONE             NELLA   LOCALIZZAZIONE   E
    POSIZIONAMENTO
   PER USI MILITARI (CODICE SEGRETATO)

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GPS – IL LANCIO

         https://www.webnews.it/2018/12/24/spacex-lancia-satellite-gps-militare-video/

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GPS – SEGMENTO SPAZIALE (1/2)

           COSTELLAZIONE SATELLITARE
 24 SATELLITI OPERATIVI + 7 SATELLITI DI SCORTA
  (APPARTENENTI A CINQUE DIVERSE GENERAZIONI) –
  ALMENO 4 SATELLITI SEMPRE IN LINEA DI VISTA
 6 PIANI ORBITALI, CON INCLINAZIONE DI 55°RISPETTO
  ALL’EQUATORE
 4 SATELLITI PER ORBITA (ESTENDIBILI A 5)

 SISTEMA ORBITALE DI RIFERIMENTO: WGS84 (WORD
  GEODETIC SYSTEM 1984 – MODELLO MATEMATICO CHE
  APPROSSIMA LA SUPERFICIE TERRESTRE)
 DISTRIBUZIONE SIMMETRICA DEI SATELLITI (MAGGIORE
  PRECISIONE)
 OGNI SATELLITE VISIBILE PER ALMENO 5h
 ALTITUDINE ORBITA: 20.180 KM
 PERIODO ORBITALE: 11h 58m
 COPERTURA GLOBALE H24 PER 365 GIORNI ALL’ANNO,
  IN QUALUNQUE CONDIZIONE METEO

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GPS – SEGMENTO SPAZIALE (2/2)

          CARATTERISTICHE DEI SATELLITI
   MASSA IN ORBITA: ≈ 1.000 KG

   DIMENSIONI: 2m (7m INCLUSI I PANNELLI)

   VELOCITA’ ORBITALE: ≈ 3,86 Km/s (≈ 19,000 Km/h)

   VITA MEDIA: ≈ 15 ANNI (SATELLITI DI ULTIMA
    GENERAZIONE)

   4 OROLOGI ATOMICI (2 AL CESIO + 2 AL RUBIDIO)
    ERRORE: 1 SECONDO OGNI 30.000÷1.000.000
    ANNI

   POTENZA TRASMESSA DAL SATELLITE ≈ 22W
    (POTENZA PERVENUTA AI RICEVITORI ≈ 5*10-16 W
    5 DIECIMILIONESIMI DI MILIARDO)

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GPS – SEGMENTO DI CONTROLLO

COMPOSIZIONE

 1   STAZIONE   DI  CONTROLLO
  PRINCIPALE (COLORADO SPRINGS)

 5 STAZIONI DI MONITORAGGIO

 4 ANTENNE TERRESTRI

 6 STAZIONI DI MONITORAGGIO NGA
  (National Geospatial - Intelligence
  Agency) CONTROLLATE DAL DOD

 OSSERVAZIONE MOVIMENTO SATELLITI + CALCOLO E CORREZIONE DELLE ORBITE
 PREDIZIONE ORBITA SATELLITI PER LE SEGUENTI 24 ORE (INFORMAZIONE DISPONIBILE
  PER I RICEVITORI)
 MONITORAGGIO GUASTI E SINCRONIZZAZIONE OROLOGI ATOMICI DEI SATELLITI
 RITRASMISSIONE I DATI ORBITALI PRECISI DI OGNI SATELLITE (EFFEMERIDI) E
  RITRASMISSIONE DEI DATI ORBITALI APPROSSIMATI DI TUTTI I SATELLITI (ALMANACCO)
 RITRASMISSIONE INFORMAZIONI SULLO STATO DI SALUTE DEI SATELLITI, SUGLI ERRORI DI
  CLOCK, SULLA PROPAGAZIONE IONOSFERICA, ECC.
 POSSIBILITÀ ATTUAZIONE “SELECTIVE AVAILABILITY” (DISTORSIONE DEL SEGNALE PER
  DEGRADARE L’ACCURATEZZA DI POSIZIONE NEGLI USI CIVILI)
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GPS – SEGMENTO UTENTE
     COMPRENDE CHIUNQUE USI UN RICEVITORE GPS PER
      RICEVERE IL SEGNALE GPS E DETERMINARE LA SUA
      POSIZIONE E/O IL TEMPO.

     FUNZIONI PRINCIPALI DEL RICEVITORE SONO:
       ACQUISIZIONE FREQUENZA DOPPLER E RICERCA FASE
        DEL SEGNALE CODICE PER OGNI SATELLITE
       INSEGUIMENTO E AGGANCIAMENTO DEL CODICE E DELLA
        FASE DELLLE PORTANTI
       NAVIGAZIONE: USO FASE E CODICE DELLE PORTANTI PER
        IL CALCOLO DELLA POSIZIONE DEL RICEVITORE

     FRA LE APPLICAZIONI TIPICHE DEL SEGMENTO UTENTI CI
      SONO RICEVITORI PER:
       NAVIGAZIONE AEREA, MARITTIMA E TERRESTRE
       RILIEVI TOPOGRAFICI
       MONITORAGGIO DI EVENTI
       MONITORAGGIO FAUNA
       ECC.

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GPS – PARAMETRI DOP

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GPS – VISIBILITA’ E DOP (1/2)

                             VISIBILITA’

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GPS – VISIBILITA’ E DOP (2/2)

Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto                   31

GPS ASSISTITO

I dati ricevuti sono usati
dal ricevitore per
ridurre la sue finestre di
ricerca dei codici e
delle fasi delle portanti,
minimizzando i tempi di
acquisizione                                                                                                                     Determina
                                                                                                                                 solamente i
                                                                                                                                 codici di
                                                                                                                                 inseguimento
                                                                                                                                 e le fasi delle
                                                                                                                                 portanti

       Il tempo di decodifica di un frame del messaggio di navigazione (contenente
       un set di effemeridi) = 30 s – Tempo elevato per ottenere la posizione quando
       si accende un ricevitore GPS                                                    Informazioni sulle effemeridi disponibili in 1 sec.

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GLONASS - RUSSIA
                           27 SATELLITI (24 OPERATIVI + 3 DI RISERVA) DISTRIBUITI SU 3
                            PIANI ORBITALI INCLINATI DI 65°RISPETTO ALL’EQUATORE

                           DISPONIBILITA’ MINIMA DI 5 SATELLITI H24 OVUNQUE SULLA
                            TERRA

                           VITA SATELLITI: 10 ANNI (ULTIMA GENERAZIONE)

                           ALTITUDINE ORBITA: 19.130KM

                           PERIODO DI RIVOLUZIONE: = 11h e 16m

                           SISTEMA DI RIFERIMENTO SPAZIALE: PZ-90

                           3 FREQUENZE DI TRASMISSIONE DEL SEGNALE SATELLITARE
                            − f1 = 1.602MHz + K*0,5625MHz (BANDA G1)
                            − f2 = 1.246MHz + K*0,4375MHz (BANDA G2)
                            − f3 = 1.201,5MHz + K*0,4375MHz (BANDA G3)
                            − K COSTANTE PROPRIA DI OGNI SATELLITE (VALORE DI K
                              UGUALE PER SATELLITI CHE STANNO AGLI ANTIPODI, NON
                              TRACCIABILI CONTEMPORANEAMENTE)
                            − 2 CODICI (SP E HP, RISPETTIVAMENTE LIBERO E CRIPTATO)

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GLONASS – VISIBILITA’ + DOP

                           VISIBILITA’

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GLONASS + GPS
                           VISIBILITA’

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GALILEO - UNIONE EUROPEA

Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto      36

https://www.youtube.com/watch?v=Ohxt-B5CjTE

                                 GALILEO – IL LANCIO

   https://www.youtube.com/watch?v=Ohxt-B5CjTE
   https://www.youtube.com/watch?v=NS4uDVZH6fs
   http://www.anagnia.com/video/lancio-di-ariane-5-es-galileo-foc-m7-satellite
   http://www.askanews.it/video/2018/07/25/spazio-4-nuovi-satelliti-completano-la-costellazione-di-galileo-20180724_video_18073720/

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GALILEO – COMPONENTE GLOBALE (1/2)
  COSTELLAZIONE
   30 SATELLITI IN ORBITA MEO (27 OPERATIVI + 3
    RISERVE ATTIVE)
   VITA OPERATIVA: ≈ 10 ANNI
   3 PIANI ORBITALI CON 56°DI INCLINAZIONE
    RISPETTO ALL’EQUATORE
   ALTITUDINE ORBITA: 23.616 KM
   PERIODO DI RIVOLUZIONE: 14h 5m
   5 FREQUENZE DI TRASMISSIONE
    − f1 = 1.575,42 MHz (BANDA E1)
    − f2 = 1.278,75 MHz (BANDA E6)
    − f3 = 1.191,795 MHz (BANDA E5)
    − f4 = 1.176,45 MHz (BANDA E5a)
    − f5 = 1.207,14 MHz (BANDA E5b)

  Nota: le bande di frequenza E1 e E5b corrispondono
        rispettivamente alle bande L1 e L5 del GPS,
        garantendo la interoperabilità dei due sistemi

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GALILEO – COMPONENTE GLOBALE (2/2)

     SEGMENTO TERRESTRE
      1 RETE GLOBALE DI 20 GSS
       (GROUND SENSOR STATIONS)
      2   GCC   (GROUND    CONTROL
       CENTRES) DI GALILEO REALIZZATI
       SU TERRITORIO EUROPEO
      15 STAZIONI DI UP-LINK
      INTERFACCIA CON I “CENTRI DI
       SERVIZIO” (COMMERCIALI, SAR …)
      INTERFACCIA      CON            RETI
       REGIONALI DI INTEGRITA’

Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto           39

GALILEO – COMPONENTE REGIONALE

       LA COMPONENTE REGIONALE INCLUDE:
        SEGMENTI NON EUROPEI, SPECIFICAMENTE MIRATI A
         FORNIRE I DATI DI INTEGRITA’ A LIVELLO REGIONALE

        IL SISTEMA EGNOS (PADRE DI GALILEO), CHE FORNISCE I
         DATI DI INTEGRITA’ E LE CORREZIONI DIFFERENZIALI PER I
         SISTEMI GPS E GLONASS, A LIVELLO REGIONALE

Brig. Gen. GA (r) BORDO Ing. Roberto                              40

GALILEO – COMPONENTE LOCALE

     MIRA A MIGLIORARE LOCALMENTE:
          ACCURATEZZA
          INTEGRITA’
          DISPONIBILITA’  (COMPRESO    IL            TEMPO      DI
           ACQUISIZIONE E RIACQUISIZIONE)

     E’ POSSIBILE INCREMENTARE LOCALMENTE IL SERVIZIO
      DI GALILEO AGGIUNGENDO:
           DATI COMMERCIALI
           POSIZIONAMENTO MIGLIORATI CON UNITA’ MOBILI
            GSMC (Global System for Mobile Communications) E
            UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
           PSEUDOLITI (contrazione di "pseudo-satellite“ -
            trasmettitori GPS installati a terra, prevalentemente in
            modo stabile)

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GALILEO – SEGMENTO UTENTE

     RICEVITORI GALILEO NON ANCORA DISPONIBILI – PRIMO
      BREADBOARD DI RICEVITORE GALILEO SVILUPPATO
        IN FRANCIA DA THALES NAVIGATION E IN ITALIA DA
        LABEN (una breadbord, detta anche basetta
        sperimentale, è uno strumento utilizzato per creare
        prototipi di circuiti elettronici senza saldature)

     RICEVITORI INTEGRATI GPS/GALILEO

     RICEVITORI INTEGRATI CON UNITA’ MOBILI GMSC E UMTS

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GALILEO – SERVIZI
     OS – Open Service: PER APPLICAZIONI RIVOLTE AD UN VASTO
      MERCATO DI MASSA ED A MERCATI PROFESSIONALI

     CS – Commercial Service: COME PER OS, MA CON
      INFORMAZIONI CRIPTATE PER SERVIZI COMMERCIALI A
      VALORE AGGIUNTO

     SOL – Safety Of Life: PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE,
      MARITTIME E TERRESTRI CRITICHE DAL PUNTO DI VISTA
      DELLA SICUREZZA

     SAR – Search And Rescue: RICEZIONE DI MESSAGGI DI
      EMERGENZA PER RICERCA E SOCCORSO

     PRS – Public Regulated Service: FORNISCE, IN CASO DI CRISI,
      CONTINUITA’ DI SERVIZIO A GRUPPI DI UTENTI PUBBLICI
      AUTORIZZATI

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BEIDOU - CINA

                                          COPERTURA
                                       COPERTURA ATTUALE
                                           ATTUALE

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BEIDOU – IL PROGRAMMA
    BEIDOU (BIG DIPPER – ORSA MAGGIORE) NASCE PER USO MILITARE - NEL
     2014 APERTURA AD USO COMMERCIALE
    3 FASI:
           BEIDOU 1 (COMPLETATO NEL 2005)
               SISTEMA REGIONALE CON 3 SATELLITI IN ORBITA GEOSTAZIONARIA
               COPERTURA E PRECISIONE LIMITATA

           BEIDOU 2 (COMPLETATO NEL 2012)
              SISTEMA REGIONALE CON 20 SATELLITI, 3 IN ORBITA GEOSTAZIONARIA + 17 IN
               ORBITA GEOSINCRONA
              COPERTURA ELEVATA E PRECISIONE ACCURATA
              PHASE-OUT BEIDOU 1

            BEIDOU 3 (COMPLETAMENTO NEL 2020)
              SISTEMA GLOBALE CON 35 SATELLITI (32 OPERATIVI + 3 DI RISERVA), 5 IN ORBITA
               GEOSTAZIONARIA, 3 IN ORBITA GEOSINCRONA INCLINATA E 27 IN ORBITE MEDIE
               DISTRIBUITE SU TRE PIANI
              25 SATELLITI IN ORBITA A FINE 2018
              FREQUENZE DELLE PORTANTI SEGNALI DI NAVIGAZIONE: 1,1÷1,6 GHz
              COPERTURA TOTALE E PRECISIONE MOLTO ACCURATA
               (posizione: 10m, velocità: 0,2m/s, sincronizzazione temporale: 50ns)
              PHASE-OUT BEIDOU 2
              DUE TIPI DI SERVIZIO: S (Standard, per tutti gli utenti), E P (Precision, criptato e
               disponibile solamente per “entità” autorizzate)

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IRNSS - INDIA
  INIZIALMENTE, L’INDIA SI AVVALE
   DEL NAVSTAR GPS AMERICANO,
   IL CUI ACCESSO NON E’
   GARANTITO     IN    CASO     DI
   SITUAZIONI OSTILI

  APPROVAZIONE GOVERNATIVA,
   NEL 2006, PER LO SVILUPPO DI
   UN    SISTEMA     AUTONOMO
   LOCALE DI NAVIGAZIONE

  NASCE      IRNSS     (INDIAN
   REGIONAL       NAVIGATIONAL
   SATELLITE SYSTEM)

  SVILUPPO  E    PRODUZIONE
   COMPLETAMENTE IN INDIA

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IRNSS - COMPOSIZIONE
   SEGMENTO SPAZIALE:
     7 SATELLITI (3 IN ORBITA GEOSTAZIONARIA E 4 IN ORBITA
      GEOSINCRONA INCLINATA DI 29° RISPETTO AL PIANO
      EQUATORIALE
     LA DISPOSIZIONE ORBITALE CONSENTE A TUTTI E 7 I
      SATELLITI DI ESSERE SEMPRE VISIBILI DALLE STAZIONI DI
      CONTROLLO
     MASSA SATELLITE: 1.330 Kg

   SEGMENTO TERRESTRE:
     1 CENTRO DI CONTROLLO PRINCIPALE (MCC - Master
      Control Center) CHE DETERMINA LE POSIZIONI DI TUTTI I
      SATELLITI, EFFETTUA LE CORREZIONI DEGLI ERRORI
      DEGLI OROLOGI E QUELLI DOVUTI ALLA IONOSFERA
     STAZIONI DI TERRA PER TRACCIARE E CALCOLARE LE
      ORBITE, MONITORARE LE CONDIZIONI DEI SATELLITI ED
      EMETTERE I COMANDI RADIO PER I SATELLITI

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IRNSS – QUALCHE DATO
        FREQUENZE PORTANTI DEI SEGNALI DI NAVIGAZIONE: 2÷4 GHz

        ACCURATEZZA DATI DI POSIZIONE: 20m IN INDIA ED IN UN
         INTORNO DI 1.500 Km

        DUE TIPI DI SERVIZIO:

            RS (Restriestricted Service), CRIPTATO        E   DISPONIBILE
             SOLAMENTE PER “ENTITÀ” AUTORIZZATE

            SPS (Standard Positioning Service), PER TUTTI GLI UTENTI

        MOLTI ICDs (Interface Control DocumentS) FORNITI GRATUITAMENTE
         CON LO SCOPO DI FACILITARE LA RICERCA ED AIUTARE L’USO
         COMMERCIALE DEL SISTEMA

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IRNSS - COPERTURA

                                         AREA DI SERVIZIO PRIMARIA
                                           MASSIMA PRECISIONE

                                        AREA DI SERVIZIO ESTESA
                                       PRECISIONE MENO ACCURATA

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GNSS – ALLOCAZIONE SPETTRO

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GNSS – TABELLA COMPARATIVA
      SISTEMA               GPS         GLONASS      GALILEO             BEIDOU             IRNSS
                                                      UNIONE
    PROPRIETA’              USA          RUSSIA                           CINA              INDIA
                                                     EUROPEA
    SISTEMA DI
   RIFERIMENTO
                          WGS84          PZ-60        WGS84               -----             ------
    GEODETICO
     (DATUM)
  ERRORE MINIMO            2 cm           5m            1m                10 m              20 m
    ALTITUDINE
                         20.180 km     19.130 km     23.616 km         21.150 km         36.000 km
     ORBITALE
     PERIODO
                        11 h 58 min    11 h 16 min   14 h 5 min       12 h 38 min        23 h 56 min
     ORBITALE
    SATELLITI IN
                             31            27           24                 25                 7
      ORBITA
     SATELLITI
                             24            24        30 (2020)          35 (2020)             7
     PREVISTI
       STATO            OPERATIVO      OPERATIVO     OPERATIVO         OPERATIVO         OPERATIVO
    COPERTURA                                                          LOCALE
                         GLOBALE        GLOBALE      GLOBALE                               LOCALE
      ATTIVA                                                         GLOBALE 2020
                                                                  Dati aggiornati a fine dicembre 2018
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GNSS – CONCLUSIONI

        I SISTEMI GNSS SI SONO DIMOSTRATI AUSILIO INDISPENSABILE ALLA
         NAVIGAZIONE DI PRECISIONE ED IN ALTRI INNUMEREVOLI AMBITI

        ISISTEMI GNSS SONO CAPACI DI OPERARE IN MODALITA’ “STAND-ALONE”,
         MA ……

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GNSS

           GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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GSS – SISTEMA DI RIFERIMENTO WGS-84

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GNSS – SISTEMI ORBITALI

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GNSS – DEFINIZIONE ORBITE
       ORBITA GEOSINCRONA: QUALSIASI ORBITA         SINCRONA
       ATTORNO ALLA TERRA. I SATELLITI IN ORBITA GEOSINCRONA
       SONO CARATTERIZZATI DA UN PERIODO ORBITALE PARI AL
       GIORNO SIDERALE TERRESTRE (TEMPO IMPIEGATO DALLA
       TERRA PER ESEGUIRE UN’INTERA ROTAZIONE ATTORNO AL
       PROPRIO ASSE). I SATELLITI IN ORBITA GEOSINCRONA NON
       MANTENGONO SEMPRE, NECESSARIAMENTE, LA MEDESIMA
       POSIZIONE NEL CIELO DELLA TERRA.

       ORBITA GEOSTAZIONARIA (GEO - GEOSTATIONARY EARTH
       ORBIT): UNA QUALSIASI ORBITA CIRCOLARE ED EQUATORIALE
       SITUATA AD UN’ALTEZZA TALE CHE IL PERIODO DI RIVOLUZIONE
       DI UN SATELLITE CHE LA PERCORRE COINCIDE CON IL
       PERIODO DI ROTAZIONE DELLA TERRA INTORNO AL SOLE. I
       SATELLITI IN ORBITA GEOSTAZIONARIA MANTENGONO SEMPRE
       LA STESSA POSIZIONE RELATIVA RISPETTO ALLA SUPERFICIE
       PLANETARIA APPARENDO COSÌ FERMI PER UN OSSERVATORE A
       TERRA.

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GNSS – SATELLITI COMMERCIALI

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