Principi di navigazione satellitare 3

1) Sistemi di riferimento spaziali :

• ECI (. Earth Centred Inertial) : ha l'origine nel centro di massa della Terra, il piano xy coincide con il piano equatoriale e l'asse x è verso un punto della sfera celeste, l'asse z è verso il polo nord. Nonostante nel centro di massa il sistema non subisce accelerazioni si ha che il sistema non è inerziale in quanto il moto della Terra è irregolare ed inoltre il piano equatoriale si muove rispetto alla sfera celeste. ECI viene utilizzato per il calcolo della posizione dei satelliti.
• ECEF (. Earth Centred Earth Fixed) é un sistema come l'ECI ma ruota insieme alla Terra, l'asse x è diretto lungo la longitudine 0 mentre l'asse y è verso la direzione 90° E. ECEF viene utilizzato per il calcolo della posizione dell'utente.

Per passare da un sistema all'altro occorre definire un modello fisico per la terra.

2) Modelli fisici della Terra :

• WGS-84 (. World Geodetic System 1984) : individua un ellissoide che cerca di approssimare al meglio la superficie della Terra
• PZ-90
• Ellissoidi locali che ben approssimano soltanto una zona della Terra

3) Modi per individuare un punto sulla superficie della Terra :

• Mediante latitudine, longitudine e altezza dell'ellissoide
• Mediante le coordinate xyz

4) Geoide :

E' l'ellissoide individuato dalla superficie del mare, è una superficie equipotenziale infatti la forza di gravità è costante in ogni suo punto, le altezze rispetto al geoide sono altezze ortometriche.

5) Sistemi di riferimento temporali :

• Tempo Universale : si basa su tre riferimenti che però per diversi fenomeni fisici non sono perfettamente uniformi
• Tempo di effemeride : si basa sul moto della Terra intorno al Sole
• Riferimenti atomici : basati su orologi atomici con precisioni molto elevate
• Scale temporali composte (. UTC e USNO) aventi in ingresso una scala derivata da orologi atomici ed una basata sul movimento della Terra

6) Requisiti prestazionali di una costellazione :

• Area di servizio ossia la superficie sulla quale la costellazione espleta il servizio con determinati livelli prestazionali
• Angolo di elevazione minimo sotto il quale i satelliti debbono essere visti dall'utente al fine di garantire una certa accuratezza del servizio
• Livello di copertura ossia il numero minimo di satelliti contemporaneamente in visibilità dell'utente nell'area di copertura

7) Requisiti orbitali di una costellazione :

• Numero minimo e massimo di satelliti che si vogliono utilizzare
• Numero dei piani orbitali
• Altitudine delle orbite

8) Tipologie di guasti accettabili per la costellazione :

• A lungo termine (... si ovvia con il lancio di un nuovo satellite)
• A breve termine (... comandi da Terra attivano una parte ridondante)
• Manovre (... correggono l'assetto e la posizione del satellite)

9) Costellazione di Walker :

Individua dei piani orbitali aventi tutti la stessa inclinazione rispetto al piano equatoriale, è individuata dalla terna T/P/F essendo :

• T il numero di satelliti
• P il numero di piani orbitali
• F fase orbitale di satelliti sullo stesso piano

10) Architettura di un GNSS :

• Segmento Spaziale

  • E' costituito dalla costellazione di satelliti e dalla totalità di segnali che essi si scambiano
• Segmento di Terra
  • Segue i satelliti per determinare le effemeridi e lo shift degli orologi di bordo
  • Effettua le correzioni delle traiettorie dei satelliti ed invia il tempo di sistema da inserire nel messaggio di navigazione
  • Mantiene il sincronismo tra i satelliti ed il tempo di sistema     
• Segmento d 'utente
  • E' costituito dai ricevitori i quali effettuano misure di pseudorange e ricavano la posizione dell'utente e del tempo di sistema

11) Canale trasmissivo satellitare :

Il segnale proveniente dal satellite attraversa due regioni che ne alterano i parametri di propagazione, in particolare:

Nella ionosfera compresa tra 75Km e 500Km le radiazioni solari ionizzano i gas presenti variando il numero di elettroni e conseguentemente l'indice di rifrazione e la velocità di propagazione nel mezzo, l'effetto sul segnale si manifesta nei seguenti modi:

o  Ritardo di gruppo ed avanzamento di fase sulla portante dipendenti dal cammino percorso dall'onda

o  Scintillazioni che causano rapide variazioni della ampiezza e fase del segnale

Nella troposfera compresa tra 0Km e 15Km ci sono gas e vapore acqueo, i gas incidono per circa il 90% sul ritardo di gruppo e sono modellati, il vapore acqueo invece incide per il 10% ma è variabile e difficile da modellare se non in termini statistici. La troposfera non è ionizzata e pertanto nemmeno dispersiva.

12) Segmento spaziale del GPS :

Ci sono 24 satelliti in orbita MEO a 20200Km disposti su 6 piani, come riferimento spaziale adotta il WGS-84 mentre come riferimento temporale l'UTC. Almeno 4 satelliti con un angolo di elevazione maggiore di 15° sono visibili in ogni punto dell'area di servizio, nella pratica ce ne sono almeno 5 e di consueto 6 o 7 satelliti.

13) Segnali originati dai satelliti GPS :

Si ha un clock atomico a 10.23MHz, da esso si originano :

• La portante L1 a 1575.42MHz (. x 154) è modulata in BPSK da :
• un codice C/A (.Coarse Acquisition) a 1,023MHz
• un codice P (.Precision) a 10,23MHz
• La portante L2 a 1227.60MHz (. x 120) è modulata in BPSK da :
• un codice P (.Precision) a 10,23MHz

14) Segmento di Controllo del GPS :

Ha i seguenti compiti :

• tracciare ed aggiornare la posizione dei satelliti
• predirre la posizione del satellite per le seguenti 24 ore in modo che tale informazione possa essere inviata dal satellite stesso a tutti i ricevitori in modo che possano sapere dove poter trovare il satellite
• calibrare e sincronizzarne i clock dei satelliti

i dati dei satelliti vengono letti nelle 4 stazioni monitor, convogliate verso la stazione master situata a Colorado Springs dove vengono elaborati al fine di determinare le correzioni che poi vengono rinviate alle stazioni monitor e successivamente caricate sui satelliti.

15) Codice C/A nel GPS :

Sono codici lunghi 1023 bit ciascuno dei quali viene detto chip, i codici sono noti a tutti  e completamente ortogonali tra di loro, inoltre sono emanati a 1,023Mchip/s pertanto ciascun codice ha una durata di 1ms.

16) Codice P nel GPS :

Sono codici disponibili soltanto a pochi come i militari USA e NATO, il chip rate è di 10,23Mchip/s , sono molto lunghi ed il tempo di ripetizione è di 7 giorni ma utilizzando completamente i 4 registri da 12 bit si può giungere ad un tempo di ripetizione pari a 38 settimane.

17) Segnale di navigazione nel GPS :

E' costituito dalla portante, dal codice e dai dati di navigazione aventi un bit rate di 50bit/s, il messaggio di navigazione è cosi composto :

• 125 trame di navigazione per un totale di 12,5 minuti
• ogni trama di navigazione è lunga 1500 bit e viene trasmessa ogni 30 secondi
• ogni trama di navigazione è suddivisa in 5 subtrame da 300 bit di cui:
• La subtrama 1 contiene le correzioni del clock
• Le subtrame 2 e 3 contengono i dati orbitali
• Le subtrame 4 e 5 sono utilizzate per inviare delle informazioni di sistema

18) Tecniche per la misura della distanza :

• Aggancio di codice : si confronta il segnale ricevuto e traslato in banda base con una copia del codice relativo al satellite preso in considerazione, noto l'istante temporale in cui la correlazione è massima esso individua il tempo impiegato dal segnale per propagarsi, moltiplicando per la velocità della luce si ottiene la distanza, tuttavia si tratta di uno pseudorange in quanto la misura è affetta da errori nel clock del satellite e da errori introdotti dalla propagazione. Da quattro o più pseudorange si ottiene la posizione del ricevitore.
• Aggancio di portante : il ricevitore ricostruisce una portante sincronizzata col tempo di sistema e la confronta in fase con la portante proveniente dal satellite, si ha il problema della ambiguità di fase che però può essere risolto con tecniche differenziali, si giunge a risoluzioni di circa 19cm.

19) Potenze in trasmissione e ricezione nel GPS :

La potenza inviata in antenna è di 50W di cui la metà è per il segnale civile, considerando un angolo di elevazione maggiore di 5° , gli utenti a Terra debbono ricevere almeno i seguenti livelli di potenza :

• -160dBW per i segnali in codice C/A
• -163dBW per i segnali in codice P sulla portante L1
• -166dBW per i segnali in codice P sulla portante L2

20) Selective Availability :

E' una degradazione intenzionale dei segnali inviati dal satellite ottenuta mediante le seguenti tecniche :

• Vacillamento del clock del satellite che si tramuta in un disturbo nel tempo delle misure di pseudorange, il periodo va da 4 a 12 minuti e produce un errore sino a 70m
• Introduzione di errori nei dati di navigazione

21) Sviluppi futuri del GPS :

• Un segnale civile C/A su L2 oltre al già presente codice P militare
• Nuovo segnale civile L5 a 1176,45MHz
• Due codici militari M i quali utilizzano lo stesso spettro assegnato ad L1 ed L2 ma sono spettralmente distinguibili, essi utilizzeranno una migliore crittografia e localmente anche potenze più elevate rispetto ai codici P
• Aumento del numero delle stazioni di controllo a Terra
• Errore dovuto alle effemeridi ed ai clock di sistema verrà ridotto del 50% mediante una nuova tecnica ALL utilizzando dati provenienti da stazioni di monitoraggio addizionali.