Scolari
5th March 2010, 22:56
I sistemi di navigazione satellitare
Da sempre l’uomo si è servito del cielo per orientarsi. I fenici individuarono la stella polare come indicatore del nord valido in tutto il mondo allora conosciuto. Poi per il calcolo della posizione sulla superficie terrestre si usò il sole, ma per lungo tempo la misura della sua altezza sull’orizzonte consentì la determinazione solo della latitudine. La possibilità di calcolare anche la longitudine rimaneva subordinata alla disponibilità di orologi che consentissero di coniugare l’altezza del sole con una determinazione sufficientemente precisa del tempo.
Il primo ad occuparsene fu Galileo che nei suoi ultimi anni di vita si dedicò all’utilizzazione dell’orologio a pendolo per la soluzione del problema, ma senza pervenire a qualche risultato di applicazione pratica. Solo poco più di due secoli fa si arrivò a disporre di orologi a molla, dunque trasportabili, che consentissero la precisione necessaria per un calcolo della longitudine con una accettabile approssimazione (ancora all’inizio del ‘700 – pensate – il Parlamento inglese istituì un premio, pari a ben dieci milioni dei nostri euro, per chi avesse scoperto un metodo semplice ed efficace per stabilire la longitudine di una nave nell’oceano!).
Ma nei tempi più recenti il progresso è stato tale da rendere insufficienti le possibilità offerte dagli astri, ancorché osservati con gli strumenti più sofisticati. L’uomo ha dovuto integrarli con astri artificiali che il suo ingegno è stato capace di concepire e realizzare: i satelliti artificiali specificamente dedicati alle esigenze di calcolo del posizionamento e, dunque, alle esigenze della navigazione.
Oggi la navigazione satellitare continua questa tradizione offrendo, grazie ad una tecnologia d’avanguardia, una precisione senza confronto rispetto a quella che si ricava dall’osservazione del sole e delle stelle.
Per navigazione si intende il processo attuato autonomamente da un mezzo mobile allo scopo di governare il proprio trasferimento da un luogo di origine ad un altro di destinazione.
In particolare, i sistemi di navigazione spaziale permettono il posizionamento tridimensionale e globale di un terminale fisso o mobile, sia esso ubicato in prossimità della superficie terrestre, sia in volo aereo o nello spazio.
Tali sistemi basano il loro funzionamento sulla misurazione delle distanze da almeno quattro punti noti. Anziché misurare angoli, com’è avvenuto sino alla metà del secolo scorso, determinano la posizione misurando distanze. Dal momento che ogni punto nello spazio è caratterizzato da tre riferimenti (X, Y, Z), è necessario misurare la distanza da almeno tre punti noti.
Queste distanze, chiamate “pseudorange”, si ricavano misurando il tempo che un segnale elettromagnetico emesso da punti dei quali è nota la localizzazione impiega per raggiungere il terminale ricevente. Per questo motivo, i segnali emessi da ciascun satellite includono sempre l’informazione del suo esatto posizionamento nello spazio e dell’istante in cui sono stati emessi.
A questo fine, sui satelliti sono installati orologi atomici di altissima precisione e accuratezza, tutti sincronizzati verso un riferimento unico e comune. A sua volta, il terminale utente è anch’esso dotato di un orologio, seppure di minor precisione e accuratezza, che misura la differenza di tempo intercorsa fra la trasmissione del segnale e la sua ricezione.
Per ottenere la risoluzione delle tre incognite spaziali e di quella temporale (errore di sincronizzazione fra orologi atomici presenti sui satelliti e l’orologio del terminale utente) occorrono misure contemporanee di distanza da almeno quattro satelliti diversi: tre per la misura delle distanze e uno per il controllo del tempo.
Al fine di assicurare in ogni momento ed in qualsivoglia punto del globo la ricezione contemporanea da almeno quattro satelliti, i sistemi devono prevedere una costellazione di satelliti opportunamente distribuiti.
I sistemi di posizionamento satellitare attualmente in uso
Le costellazioni di satelliti attualmente in orbita fanno parte della prima generazione dei sistemi di navigazione (GNSS-1, Global Navigation Satellite Systems).
Lo sviluppo di queste tecnologie fu avviato negli anni Sessanta per finalità militari nell’ambito della guerra fredda tra Stati Uniti e Unione Sovietica.
In quegli anni ciascuna delle due superpotenze militari studiò sistemi concettualmente molto simili denominati rispettivamente GPS (Global Positioning System) e GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema).
I primi satelliti sperimentali furono lanciati negli anni Settanta, ma i governi americano e russo dichiararono operativi i loro sistemi (Initial Operational Capability), a pochi mesi uno dall’altro, non prima della fine del 1993.
Il sistema GLONASS non arrivò mai al completo e operativo spiegamento della costellazione prevista dal progetto iniziale, e tuttora sono attivi meno di dieci satelliti.
I sistemi sono sotto il controllo delle istituzioni militari: il Department of Defence negli Stati Uniti ed il Russian Federation Ministry of Defence in Russia.
L’utilizzo civile di questi sistemi, specialmente in settori non strategici, è aumentato gradualmente negli anni, anche se per il sistema GLONASS è rimasto sempre piuttosto limitato, a motivo della scarsa disponibilità di terminali utente e delle modeste prestazioni consentite dai pochi satelliti in orbita.
Il sistema GPS ingloba nel segnale di navigazione due codici, di cui uno criptato e utilizzato esclusivamente per scopi militari, l’altro non criptato e dunque disponibile per scopi civili.
Per molti anni l’accuratezza ottenibile dai terminali civili fu limitata per ragioni politiche e militari a circa 100 metri, degradando intenzionalmente il segnale di navigazione (Selective Availability).
Dalla mezzanotte del 1° maggio 2000, per decisione dell’allora Presidente degli Stati Uniti d’America, Bill Clinton, la “selective availability” fu rimossa dal segnale di navigazione e l’accuratezza oggi ottenibile dai terminali civili e militari è di circa 20 metri. Le tecnologie militari disponibili permettono di bloccare la ricezione dei segnali di navigazione in aree ristrette del globo, impedendo così l’uso del GPS ad eventuali nemici.
In caso di crisi internazionali, le autorità militari che controllano i sistemi di navigazione spaziale non garantiscono la piena operatività dei sistemi stessi. Poiché né il GPS né il GLONASS inglobano un sistema di monitoraggio autonomo delle prestazioni (segnale d’integrità) necessario nelle applicazioni di carattere strategico, quali ad esempio quelle inerenti i trasporti aeronautici o ferroviari, le prestazioni degli attuali sistemi di posizionamento spaziale non soddisfano gli attuali standard di sicurezza richiesti in termini di disponibilità, accuratezza, continuità ed integrità del servizio. Di conseguenza, le applicazioni commerciali di servizi legati alla navigazione possono avvalersi del sistema di posizionamento satellitare,
ma, richiedendo un canale di comunicazione verso l’utente non integrato nei sistemi citati, postulano anche una rete di telecomunicazioni terrestre.
Per tutte queste ragioni, gli investimenti per lo sviluppo di infrastrutture e tecnologie per un consistente impiego civile di questi sistemi finora sono rimasti limitati.
Il sistema Galileo
Il sistema Galileo è un’iniziativa dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e dell’Unione Europea (UE) nell’ambito di una strategia maturata alla fine degli anni Novanta. Lo scopo è di affrancare l’Europa dal monopolio americano in un settore strategico come quello spaziale, ed in particolare in quello della navigazione.
Negli ultimi dieci anni l’industria aerospaziale europea si è sviluppata sotto ogni aspetto: manifatture, lanciatori, gestione e controllo, indotto relativo ai servizi, etc. In alcuni settori applicativi l’Europa ha conquistato posizioni di avanguardia tecnologica.
Ora un ulteriore e decisivo passo è costituito dallo sviluppo del sistema Galileo, vale a dire un sistema civile sotto il controllo internazionale Europeo. In particolare, è considerato dalle Istituzioni comunitarie una infrastruttura di trasporto, e come tale è posta sotto il controllo del Direttorato generale per l’energia e i trasporti.
La componente spaziale del Sistema Galileo è composta da trenta satelliti posti ad un’altezza di 27.000 chilometri che orbitano a gruppi di sei su diversi piani orbitali in modo da coprire costantemente il globo terrestre.
La progettazione di un sistema così affascinante e complesso richiede un’integrazione sinergica di molte discipline e competenze e tecnologie, alcune delle quali non affini, almeno finora, al settore aerospaziale.
Dal punto di vista tecnologico, quindi, Galileo costituisce una sfida importante e renderà l’industria europea competitiva in tutti i segmenti della catena del valore.
Gli studi già effettuati hanno dimostrato che l’indotto potrà generare nuovi posti di lavoro in una misura stimabile, per l’intera Europa, oltre le centomila unità, con evidenti benefici anche dal punto di vista sociale.
Si ipotizza che, così come oggi nessuno può fare a meno di conoscere “che ora è”, nessuno potrà fare a meno di conoscere, in un prossimo futuro, la propria esatta posizione.
Il settore dei trasporti, in particolar modo, potrà incrementare la propria efficienza e sicurezza.
I cittadini potranno avvalersi di questa tecnologia attraverso i nuovi e migliori servizi che sarà possibile rendere disponibili.
A solo titolo esemplificativo, i sussidi alla navigazione e le informazioni aggiornate sui percorsi ottimali saranno disponibili come infrastruttura di trasporto, con prevedibili e positivi impatti sulla diminuzione del traffico stradale e quindi sull’ambiente.
Giorgio Zappa.
Fonte: unipi.it
Da sempre l’uomo si è servito del cielo per orientarsi. I fenici individuarono la stella polare come indicatore del nord valido in tutto il mondo allora conosciuto. Poi per il calcolo della posizione sulla superficie terrestre si usò il sole, ma per lungo tempo la misura della sua altezza sull’orizzonte consentì la determinazione solo della latitudine. La possibilità di calcolare anche la longitudine rimaneva subordinata alla disponibilità di orologi che consentissero di coniugare l’altezza del sole con una determinazione sufficientemente precisa del tempo.
Il primo ad occuparsene fu Galileo che nei suoi ultimi anni di vita si dedicò all’utilizzazione dell’orologio a pendolo per la soluzione del problema, ma senza pervenire a qualche risultato di applicazione pratica. Solo poco più di due secoli fa si arrivò a disporre di orologi a molla, dunque trasportabili, che consentissero la precisione necessaria per un calcolo della longitudine con una accettabile approssimazione (ancora all’inizio del ‘700 – pensate – il Parlamento inglese istituì un premio, pari a ben dieci milioni dei nostri euro, per chi avesse scoperto un metodo semplice ed efficace per stabilire la longitudine di una nave nell’oceano!).
Ma nei tempi più recenti il progresso è stato tale da rendere insufficienti le possibilità offerte dagli astri, ancorché osservati con gli strumenti più sofisticati. L’uomo ha dovuto integrarli con astri artificiali che il suo ingegno è stato capace di concepire e realizzare: i satelliti artificiali specificamente dedicati alle esigenze di calcolo del posizionamento e, dunque, alle esigenze della navigazione.
Oggi la navigazione satellitare continua questa tradizione offrendo, grazie ad una tecnologia d’avanguardia, una precisione senza confronto rispetto a quella che si ricava dall’osservazione del sole e delle stelle.
Per navigazione si intende il processo attuato autonomamente da un mezzo mobile allo scopo di governare il proprio trasferimento da un luogo di origine ad un altro di destinazione.
In particolare, i sistemi di navigazione spaziale permettono il posizionamento tridimensionale e globale di un terminale fisso o mobile, sia esso ubicato in prossimità della superficie terrestre, sia in volo aereo o nello spazio.
Tali sistemi basano il loro funzionamento sulla misurazione delle distanze da almeno quattro punti noti. Anziché misurare angoli, com’è avvenuto sino alla metà del secolo scorso, determinano la posizione misurando distanze. Dal momento che ogni punto nello spazio è caratterizzato da tre riferimenti (X, Y, Z), è necessario misurare la distanza da almeno tre punti noti.
Queste distanze, chiamate “pseudorange”, si ricavano misurando il tempo che un segnale elettromagnetico emesso da punti dei quali è nota la localizzazione impiega per raggiungere il terminale ricevente. Per questo motivo, i segnali emessi da ciascun satellite includono sempre l’informazione del suo esatto posizionamento nello spazio e dell’istante in cui sono stati emessi.
A questo fine, sui satelliti sono installati orologi atomici di altissima precisione e accuratezza, tutti sincronizzati verso un riferimento unico e comune. A sua volta, il terminale utente è anch’esso dotato di un orologio, seppure di minor precisione e accuratezza, che misura la differenza di tempo intercorsa fra la trasmissione del segnale e la sua ricezione.
Per ottenere la risoluzione delle tre incognite spaziali e di quella temporale (errore di sincronizzazione fra orologi atomici presenti sui satelliti e l’orologio del terminale utente) occorrono misure contemporanee di distanza da almeno quattro satelliti diversi: tre per la misura delle distanze e uno per il controllo del tempo.
Al fine di assicurare in ogni momento ed in qualsivoglia punto del globo la ricezione contemporanea da almeno quattro satelliti, i sistemi devono prevedere una costellazione di satelliti opportunamente distribuiti.
I sistemi di posizionamento satellitare attualmente in uso
Le costellazioni di satelliti attualmente in orbita fanno parte della prima generazione dei sistemi di navigazione (GNSS-1, Global Navigation Satellite Systems).
Lo sviluppo di queste tecnologie fu avviato negli anni Sessanta per finalità militari nell’ambito della guerra fredda tra Stati Uniti e Unione Sovietica.
In quegli anni ciascuna delle due superpotenze militari studiò sistemi concettualmente molto simili denominati rispettivamente GPS (Global Positioning System) e GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema).
I primi satelliti sperimentali furono lanciati negli anni Settanta, ma i governi americano e russo dichiararono operativi i loro sistemi (Initial Operational Capability), a pochi mesi uno dall’altro, non prima della fine del 1993.
Il sistema GLONASS non arrivò mai al completo e operativo spiegamento della costellazione prevista dal progetto iniziale, e tuttora sono attivi meno di dieci satelliti.
I sistemi sono sotto il controllo delle istituzioni militari: il Department of Defence negli Stati Uniti ed il Russian Federation Ministry of Defence in Russia.
L’utilizzo civile di questi sistemi, specialmente in settori non strategici, è aumentato gradualmente negli anni, anche se per il sistema GLONASS è rimasto sempre piuttosto limitato, a motivo della scarsa disponibilità di terminali utente e delle modeste prestazioni consentite dai pochi satelliti in orbita.
Il sistema GPS ingloba nel segnale di navigazione due codici, di cui uno criptato e utilizzato esclusivamente per scopi militari, l’altro non criptato e dunque disponibile per scopi civili.
Per molti anni l’accuratezza ottenibile dai terminali civili fu limitata per ragioni politiche e militari a circa 100 metri, degradando intenzionalmente il segnale di navigazione (Selective Availability).
Dalla mezzanotte del 1° maggio 2000, per decisione dell’allora Presidente degli Stati Uniti d’America, Bill Clinton, la “selective availability” fu rimossa dal segnale di navigazione e l’accuratezza oggi ottenibile dai terminali civili e militari è di circa 20 metri. Le tecnologie militari disponibili permettono di bloccare la ricezione dei segnali di navigazione in aree ristrette del globo, impedendo così l’uso del GPS ad eventuali nemici.
In caso di crisi internazionali, le autorità militari che controllano i sistemi di navigazione spaziale non garantiscono la piena operatività dei sistemi stessi. Poiché né il GPS né il GLONASS inglobano un sistema di monitoraggio autonomo delle prestazioni (segnale d’integrità) necessario nelle applicazioni di carattere strategico, quali ad esempio quelle inerenti i trasporti aeronautici o ferroviari, le prestazioni degli attuali sistemi di posizionamento spaziale non soddisfano gli attuali standard di sicurezza richiesti in termini di disponibilità, accuratezza, continuità ed integrità del servizio. Di conseguenza, le applicazioni commerciali di servizi legati alla navigazione possono avvalersi del sistema di posizionamento satellitare,
ma, richiedendo un canale di comunicazione verso l’utente non integrato nei sistemi citati, postulano anche una rete di telecomunicazioni terrestre.
Per tutte queste ragioni, gli investimenti per lo sviluppo di infrastrutture e tecnologie per un consistente impiego civile di questi sistemi finora sono rimasti limitati.
Il sistema Galileo
Il sistema Galileo è un’iniziativa dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e dell’Unione Europea (UE) nell’ambito di una strategia maturata alla fine degli anni Novanta. Lo scopo è di affrancare l’Europa dal monopolio americano in un settore strategico come quello spaziale, ed in particolare in quello della navigazione.
Negli ultimi dieci anni l’industria aerospaziale europea si è sviluppata sotto ogni aspetto: manifatture, lanciatori, gestione e controllo, indotto relativo ai servizi, etc. In alcuni settori applicativi l’Europa ha conquistato posizioni di avanguardia tecnologica.
Ora un ulteriore e decisivo passo è costituito dallo sviluppo del sistema Galileo, vale a dire un sistema civile sotto il controllo internazionale Europeo. In particolare, è considerato dalle Istituzioni comunitarie una infrastruttura di trasporto, e come tale è posta sotto il controllo del Direttorato generale per l’energia e i trasporti.
La componente spaziale del Sistema Galileo è composta da trenta satelliti posti ad un’altezza di 27.000 chilometri che orbitano a gruppi di sei su diversi piani orbitali in modo da coprire costantemente il globo terrestre.
La progettazione di un sistema così affascinante e complesso richiede un’integrazione sinergica di molte discipline e competenze e tecnologie, alcune delle quali non affini, almeno finora, al settore aerospaziale.
Dal punto di vista tecnologico, quindi, Galileo costituisce una sfida importante e renderà l’industria europea competitiva in tutti i segmenti della catena del valore.
Gli studi già effettuati hanno dimostrato che l’indotto potrà generare nuovi posti di lavoro in una misura stimabile, per l’intera Europa, oltre le centomila unità, con evidenti benefici anche dal punto di vista sociale.
Si ipotizza che, così come oggi nessuno può fare a meno di conoscere “che ora è”, nessuno potrà fare a meno di conoscere, in un prossimo futuro, la propria esatta posizione.
Il settore dei trasporti, in particolar modo, potrà incrementare la propria efficienza e sicurezza.
I cittadini potranno avvalersi di questa tecnologia attraverso i nuovi e migliori servizi che sarà possibile rendere disponibili.
A solo titolo esemplificativo, i sussidi alla navigazione e le informazioni aggiornate sui percorsi ottimali saranno disponibili come infrastruttura di trasporto, con prevedibili e positivi impatti sulla diminuzione del traffico stradale e quindi sull’ambiente.
Giorgio Zappa.
Fonte: unipi.it