La Navigazione
Satellitare
il GPS
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• 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)
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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.
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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.
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• 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
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nanosecondi sul tempo.
Il
segmento
spaziale
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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.
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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.
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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.
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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)
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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
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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.
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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.
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La Navigazione
Satellitare
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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navigazione completo è di 12,5 minuti.
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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.
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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.
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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.
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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
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Principio di funzionamento
RICEVITORE DI AEROMOBILE
RICEVITORE DI NAVE
(o con una certa quota)
(o sul livello del mare)
Una sola misura di distanza è
insufficiente per la determinazione
del punto.
Una sola misura di distanza è
insufficiente per la determinazione
del punto.
Anche con due satelliti non posso
Anche con due satelliti non posso
determinare il punto, infatti
determinare il punto, infatti
l’intersezione di due sfere da luogo
l’intersezione di due circonferenze
ad un cerchio e non ad un punto.
dà luogo a due punti distinti.
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
Tre satelliti, ovvero tre circonferenze
identificano un punto (ma i tre
satelliti possono non essere
sincronizzati)
Con quattro satelliti posso
determinare univocamente un
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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Errori dovuti al rumore
• Rumore legato al segnale
trasmesso dal satellite
(1metro)
• Rumore interno al ricevitore
(1 metro)
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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)
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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.
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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
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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.
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45
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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.
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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
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Problema Geodetico
ED 50
133
metri
WGS 84
WGS 72
161 metri
11 metri
136 metri
OSGB 36
49
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.
50
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.
51
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.
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Problema Geodetico
Carte UKHO pubblicate divise per datum
Astro 1956 (2)
Camacupa (Angola) 1
Arc 50 (Africa) 5
Australian Geodetic 160
Bathurst (Gambia) 2
Bissau 6
Bukit (Indonesia) 6
Campo 5
Castelo 1
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
Monte Mario (1940) 109
OSGB (1936) 295
Undetermined 2071
Undetermined Bessel 2
WGS 72 48
WGS 84 1285
Totale 6772 carte pubblicate
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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.
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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.
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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).
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Il GPS differenziale (DGPS)
GPS msg type n°
Title
Glonass msg n°
1
2
3
Differential GNSS correction
31
Reference station parameters
32
4
5
6
Datum used
7
9
Radio-beacons almanacc
Constellation health
Null frame (no informatiopn)
Sub-set differential GNSS
correction
15
Ionospheric correction
16
Special message
33
34
35
34
36
58
Il GPS differenziale (DGPS)
Station
name
Position
Tx fx
Cape
Ferret
44°38’.77N
001°15’.87W
310 khz
La Hague
49° 34’ N
001° 46’W
Wustrow
54°20’.1N
012° 22’.5E
Tx rate
Reference
station
Transitting
station
100
466
366
299 Khz
100
460
314.5 Khz
200
820 821
491
Range
status
Type
message
97
operational
13579
97
Planned
13579
operational
3 5 7 9 16
100
Integrity
monitoring
no
59
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.
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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.
61
La Navigazione
Satellitare
62