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Il posizionamento satellitare, passato, presente e futuro

Reading Time: 9 minutes

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livello elementare
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ARGOMENTO: NAUTICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: satelliti, posizionamento, GPS

 

Nel 1957 alcuni scienziati, monitorando il primo satellite, lo Sputnik I, scoprirono che, analizzando lo spostamento doppler del suo segnale rispetto ad una posizione fissa sulla Terra, potevano tracciare con precisione l’orbita del satellite.

Determinando con precisione le orbite dei satelliti, sarebbe stato quindi possibile identificare con grande precisione una posizione sulla Terra usando semplicemente le informazioni provenienti dallo spazio.

Satellite U.S. NAVSTAR Global Positioning System (GPS) in orbita sulla Terra, mostrato nella concezione di un artista. Per gentile concessione della Lockheed Martin Corporation

Eravamo negli anni della guerra fredda per cui questa ricerca scientifica era portata avanti soprattutto in campo militare ed era mirata dalla necessità di stabilire la posizione dei missili balistici.

Fu cosi che le due superpotenze, Stati Uniti e Unione Sovietica (CCCP), incominciarono, negli anni ’60 e fino all’inizio degli anni ’70, a sviluppare i primi sistemi di posizionamento basati su dati satellitari. Non essendo i sistemi di posizionamento elettronico esistenti (Decca, Loran e Omega) in grado di fornire dati sufficientemente precisi per la guida dei missili balistici, le due superpotenze decisero quindi di  sviluppare due complessi sistemi: il NAVSTAR (GPS) statunitense ed il GLONASS sovietico, progettati per usi militari, e restarono per molto tempo nell’ambito della Difesa.  La possibilità di ottenere dati di posizione precisi su scala globale divenne presto di interesse del mondo civile, per gli usi commerciali e scientifici. Le applicazioni si moltiplicarono e, se oggi possiamo godere di tanti servizi sui nostri smartphone, dobbiamo ringraziare proprio  gli studi effettuati in quegli anni. 

NAVSTAR – Global Positioning System (GPS)
Questo sistema utilizza una costellazione minima di 24 satelliti, con quattro satelliti geostazionari distribuiti in ciascuna delle sei orbite. Senza entrare nei particolari, l’architettura del sistema comprende un sottosistema spaziale costituito da:

– i singoli satelliti (28),  dotati di un proprio sistema di propulsione per il loro posizionamento;

– un sottosistema terrestre di utilizzazione (un ricevitore GPS, un navigatore terrestre o nautico, o anche un comune smartphone);

– un segmento di comando e di controllo composto da cinque stazioni MS di monitoraggio, dislocate in aree diverse della Terra;

– una stazione di controllo  principale (Master Control   Station – MCS) con il compito di valutare i dati delle MS, di ricalcolare le effemeridi dei satelliti ovvero le coordinate spaziali necessarie per il calcolo delle misure, e di elaborare i messaggi di correzione agli orologi impiegati dal sottosistema spaziale;

– tre stazioni per la trasmissione dei dati di modifica delle orbite ai satelliti.

Il GPS impiega nella trasmissione delle onde radio ad emissione continua e non saturabile. I segnali vengono emessi su due frequenze (L1  = 1575,42 MHz ed L2 = 1227,6 MHz), e codificati in modo da poterli distinguere da satellite a satellite. Essendo perfettamente sincronizzati, consentono al ricevitore di misurare i tempi intercorsi fra la partenza e l’arrivo del segnale e, quindi, di determinare le “distanze” tra satellite ed Utente.

Ad un tempo to prestabilito il satellite genera un codice (detto pseudo random code) e lo trasmette sulla Terra. Nello stesso tempo, anche il ricevitore GPS genera lo stesso identico codice. Quando il segnale dal satellite viene ricevuto, il ricevitore lo riconosce  e, leggendo la differenza di tempo di ricezione, calcola il tempo impiegato per arrivare. Questo valore temporale moltiplicato per la velocità della luce (300.000 km/s) consente di ottenere la distanza istantanea tra il satellite ed il ricevitore GPS.

La geometria ci insegna che il luogo dei punti nello spazio con ugual distanza (LDP) da un determinato punto P è una sfera in quanto tutti i punti sulla sfera sono sempre alla stessa distanza da P (in questo caso la posizione del ricevitore). L’intersezione di più sfere (ottenute da più satelliti) fornisce la posizione del ricevitore. Sempre in geometria, sappiamo che l’intersezione di due sfere fornisce,  come luogo dei punti di ugual distanza un cerchio; nel caso di tre sfere  otteniamo un segmento. Con  quattro  o più sfere si ottiene un punto di sempre maggiore precisione (ovvero ricevendo più distanze da rapportare la precisione aumenta). Nel caso di tre distanze, si applica in pratica una trilaterazione dei dati ottenuti. I ricevitori, in caso di incertezze nella misura, possiedono degli algoritmi che scartano le misure eccedenti la media (misure aberranti).

Il dispiegamento di tutti i satelliti GPS è stato completato nel 1994 e comprende aggiornamenti continui e il mantenimento di numerosi satelliti di riserva in orbita. Ogni satellite trasporta quattro orologi atomici con una precisione di un nanosecondo. Poiché le orbite dei satelliti sono mantenute in modo molto preciso dai controllori di terra e i segnali di tempo da ciascun satellite sono estremamente accurati, gli utenti con un ricevitore GPS possono determinare la loro distanza da ciascuno di un minimo di quattro satelliti e, da queste informazioni, individuare la loro posizione esatta in tre dimensioni con una precisione di circa 18 metri (59 piedi) in orizzontale e 28 metri (92 piedi) in verticale. La precisione ovviamente aumenta aumentando il numero dei satelliti. 

I satelliti della serie GPS sono arrivati alla terza generazione, GPS-III, con una nuova stazione di controllo a terra, OCX, particolarmente resistenti ad eventuali attacchi cyber che potrebbero far impazzire i centri di controllo, mandando navi ed aerei fuori rotta.

Ma il GPS non è il solo strumento disponibile e sempre nuovi sistemi satellitari di posizionamento si affacciano all’orizzonte.

GLONASS
Abbiamo citato nell’introduzione il GLONASS. Questo sistema fu sviluppato nell’Unione Sovietica, nel 1976. A partire dal 12 ottobre 1982, furono lanciati periodicamente i primi satelliti, fino al completamento della sua costellazione satellitare avvenuta nel 1995. Dopo un calo di capacità alla fine degli anni ’90, nel 2001, il presidente russo Vladimir Putin pose il ripristino del sistema come priorità del governo russo, aumentando in maniera sostanziale il finanziamento del programma GLONASS, che era ancora il più costoso dell’Agenzia spaziale federale russa.

Nel 2010 l’Agenzia russa impiegò un terzo del suo bilancio per gli ammodernamenti necessari. Nel 2010, GLONASS raggiunse la totale copertura del territorio della Russia e nell’ottobre 2011 fu ripristinata la costellazione orbitale completa di 24 satelliti, consentendo una copertura globale completa. I progetti dei satelliti GLONASS hanno subito nel tempo diversi aggiornamenti, con l’ultima versione GLONASS-K2, di cui è prevista l’entrata in servizio all’inizio del 2022. 

il GLONASS K2, inizialmente previsto per il 2018, è stato ora ritardato al 2022

Si ritiene che i nuovi satelliti potranno migliorare la precisione.

Una curiosità
Il sistema GLONASS utilizza un riferimento di coordinate denominato “PZ-90” (Parametri Terra 1990 – Parametria Zemli 1990), in cui la posizione precisa del Polo Nord è data come media della sua posizione dal 1990 al 1995. Ciò è in contrasto con le coordinate del GPS, che si riferiscono ad un sistema WGS 84  utilizzante  la posizione del Polo Nord.  A partire dal 17 settembre 2007 il dato PZ-90 è stato aggiornato alla versione PZ-90.02 che differisce da WGS 84 meno di 40 cm. Dal 31 dicembre 2013 viene trasmessa la versione PZ-90.11, che è allineata al Sistema di riferimento internazionale terrestre a livello centimetrico.

Uno strumento per tutti?
Come abbiamo accennato, nonostante l’origine militare dei sistemi GPS e GLONASS, gli utenti civili sono nel tempo proliferati. Non solo per scopi di navigazione e di posizionamento ma anche per gestire il flusso di informazioni internet grazie ai loro precisissimi orologi. L’accuratezza della posizione ottenibile è stata portata a pochi centimetri combinando i segnali GPS con sistemi differenziali

principio di funzionamento di un sistema differenziale (GPS)

Nonostante gli Stati Uniti abbiano dichiarato di offrire il servizio GPS gratuitamente a tutti gli utenti, mantenendo sempre aggiornato il sistema, la  preoccupazione che sensibili attività civili, come il controllo del traffico aereo, debbano dipendere da un sistema controllato da forze militari di un unico Paese, portò i Paesi europei a sviluppare, alla fine degli anni ’90, un proprio sistema di navigazione satellitare, chiamato Galileo, con un uso quasi completamente civile.  

Confronto tra geostazionari, GPS, GLONASS, Galileo, Bussola (MEO), Stazione spaziale internazionale, Telescopio spaziale Hubble e orbite della costellazione dell’Iridio, con le cinture di radiazione di Van Allen e la Terra per ridimensionare. [A] L’orbita della Luna è circa 9 volte più grande rispetto all’orbita geostazionaria.  cliccate qui per evidenziare i movimenti

Galileo è un sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) sviluppato dall’Unione europea attraverso l’Agenzia spaziale europea (ESA). ESA ha sede a Praga (Repubblica ceca) ed ha due centri operativi di controllo di terra: Oberpfaffenhofen, vicino a Monaco di Baviera in Germania, e al Fucino in Italia. Il progetto, da cinque miliardi di euro, prende il nome dall’astronomo italiano Galileo Galilei e, a febbraio 2020, il sistema era composto da 22 satelliti operativi, due utilizzati solo per test, due non operativi e due ritirati dal servizio. Come abbiamo premesso l’obiettivo forse più importante di Galileo è di fornire un sistema satellitare di posizionamento ad alta precisione in modo da rendere indipendenti  le nazioni europee dai sistemi GLONASS russi o GPS statunitensi in caso venissero disabilitati o degradati in precisione in un qualsiasi momento dai loro operatori. Una volta completato il sistema fornirà un grado di accuratezza di alcuni centimetri nelle tre direzioni. 

L’uso dei servizi Galileo di base (a bassa precisione) è gratuito ed aperto a tutti. Le funzionalità di posizionamento con precisioni più elevate (intorno ad un metro) sono invece disponibili a pagamento per tutti gli utenti commerciali. Una interessante funzione è quella di ricerca e salvataggio globale (SAR) come parte del sistema METEOSAR. La Commissione UE ha già assegnato gli appalti per la parte infrastrutturale: al momento la spesa prevista è di circa 3,4 miliardi di euro. Il programma di lancio, con razzi Soyuz e Ariane, è iniziato il 21 ottobre 2011 con la partenza dei primi due satelliti dalla base di Kourou nella Guyana Francese ed è proseguito con il lancio della seconda coppia, IOV 3 e IOV 4, a ottobre 2012. La messa in orbita dei primi quattro satelliti costituisce la configurazione minima necessaria per poter validare il segnale (fase “IOV”), cominciare a fornire i primi servizi di navigazione e procedere a testare la piena funzionalità dei segmenti spaziali e di terra. La sua entrata in servizio prevista per la fine del 2019 fu anticipata al 15 dicembre 2016. Il sistema una volta completato potrà contare su 26 satelliti (24 operativi più 2 di scorta) in orbita su 3 piani inclinati rispetto al piano equatoriale terrestre di circa 56°,  ad una quota di circa 23.925 km.

Le orbite che saranno seguite dai satelliti sono quelle MEO (medium Earth Orbit). A luglio 2018 si trovano in orbita 26 satelliti, ma non tutti sono completamente operativi. Una volta in servizio il sistema fornirà un grado di accuratezza di alcuni centimetri nelle tre direzioni. L’Agenzia del GNSS europeo (GSA) ha comunicato che dal 15 di luglio 2019 Galileo ha  avuto un’interruzione totale del sistema a causa di un “incidente tecnico relativo alla sua infrastruttura di terra”. La parte di ricerca e salvataggio di Galileo è rimasta però  funzionale. Gli utenti finali del sistema Galileo disporranno di una vasta gamma di terminali riceventi in funzione dei segnali diffusi dai satelliti e relativi ai diversi servizi di base offerti compresi dei ricevitori GNSS in grado di lavorare contemporaneamente con più costellazioni satellitari in modo da poter sfruttare in pieno l’inter-operabilità dei sistemi (in particolare con GPS). Questo potrebbe permettere  di ottenere prestazioni migliori rispetto a quelle ottenibili tramite l’uso di un solo sistema. Un’ulteriore tipologia di ricevitore sarà richiesta per il servizio SAR. 

BEIDOU

copertura di BeiDou 2 … presto sarà globale per servire in maniera indipendente navi ed aerei cinesi – da wikipedia

Non ultimo, un breve cenno al sistema cinese, BEI DOU. All’inizio del XXI secolo, la Cina iniziò a sviluppare un proprio sistema, chiamato BEI DOU (bussola), che sebbene inizialmente progettato per un impiego regionale, sta implementando altri satelliti per ottenere una copertura globale. Dal dicembre 2012 è già operativo in alcune aree della regione dell’Asia Pacifica, ed il suo completamento a livello globale è previsto per il 2020. Quando sarà completata la costellazione dei satelliti sarà composta da 35 satelliti, di cui 5 in orbita geostazionaria per mantenere la compatibilità con quelli della prima serie BEI DOU I di cui  27 in orbita terrestre media e 3 in orbita geosincrona inclinata,  assicurando così una copertura globale. Nel novembre 2014, il Comitato per la sicurezza marittima dell’Organizzazione marittima internazionale  (IMO) ha approvato l’uso del sistema BEI DOU nella navigazione marittima a pari dei sistemi GPS e GLONASS. Il sistema offrirà due tipi di servizio: uno ad alta precisione, con un’accuratezza di 10 centimetri, il cui uso sarà riservato alle forze armate cinesi ed a quelle pakistane, ed uno con una precisione di 10 metri, che sarà aperto all’uso civile. Ma in oriente i cinesi non sono soli, anche Giappone e India stanno sviluppando sistemi per un’uso regionale.

La lotta per il controllo dello spazio esterno è iniziata. Chi controllerà lo spazio controllerà le economie mondiali … e questo fa paura. Incominciano a nascere Comandi Spaziali che avranno compiti  ancora non molto chiari … incluso quello di tenere in ordine lo spazio esterno dai satelliti sempre più numerosi. Tra satelliti militari, di navigazione, meteorologici e scientifici, dovremo presto incominciare a pensare come ripulire lo spazio da quelli non più operativi. Sarà la professione del futuro?

 

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