L’EVOLUZIONE DEL SISTEMA DI NAVIGAZIONE GNSS

A. M. Manzino

DITAG Politecnico di Torino

C.so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino

ambrogio.manzino@polito.it

IL POSIZIONAMENTO GNSS HA AVUTO UN’ EVOLUZIONE STRAORDINARIA DOVUTA ALL’ENORME

RICHIESTA DA PARTE CIVILE DEL SISTEMA GPS

questi gli aspetti peculiari della prossima innovazione GNSS a) Ripresa ed ammodernamento della costellazione Glonass ed ammodernamento di GPS.

b) Le nuove costellazioni per il posizionamento: Galileo, Compass, QZSS ecc.

IN DETTAGLIO LE MIGLIORIE SONO: 1. L’uso di tre o più frequenze per GPS /Glonass /Galileo /Compass 2. La presenza di nuovi e più precisi codici per ogni costellazione 3. La possibilità di usare frequenze comuni a più costellazioni 4. Il miglioramento del segmento a terra 5. Nuovi e migliori ricevitori.

Iniziamo a vedere meglio queste nuove caratteristiche ad iniziare dal sistema GPS

ATTESE DI NAVSTAR GPS: 30 ANNI DI VITA IL 22/2/08!!

Primi miglioramenti: la modulazione sulla frequenza L2 con un nuovo codice: L2C 6 satelliti L2C: (12, 15, 17, 31, 29,07) l’ultimo, prn 07 lanciato è operativo dal 15/3/08

Satelliti Innovazioni rispetto ai Blocchi precedenti Data di lancio

IIR-M (18 di IIR)

Secondo segnale civile (L2C) M-code (L1M e L2M) Eliminazione SA Anti-jam con “flex power” (maggiore potenza su P e M)

Iniziato settembre ‘05 Previsti 8 satelliti: ne mancano 2 in orbita il primo in primavera ed estate 2009

IIRM-L5 Uno dei tre satelliti IIRM porterà anche il segnale civile L5 come il blocco IIF

In una delle due date

IIF

Terzo segnale civile (L5) Anti-jam con “flex power” (maggiore potenza su P e M) 2 Ru, 1 Cs

Inizia nel giugno o luglio2009

IIIA

Aumento del potere anti-jam Aumento sicurezza ed accuratezza Navigazione sicura; Integrità controllata Compatibilità con i Blocchi precedenti Quarto segnale civile (L1C)

Inizia nel 2014

Continui ritardi: perché? La ragione ufficiale è la lunga vita dei vecchi GPS: il più anziano è del 1990, così dai 24 satelliti siamo a 31 satelliti il 22/1/08

IL PRIMO VERO MIGLIORAMENTO: IL BLOCCO IIF a. la terza frequenza L5 ha maggiore potenza e larghezza di banda risulta meno attaccabile rispetto al disturbo intenzionale (jamming); questo consentirà inoltre di migliorare la stima del ritardo ionosferico, specie con la combinazione L1/L5.

b. Il codice su L5 con frequenza (10.23 MHz) dieci volte maggiore del C/A. Ciò dovrebbe migliorare la precisione nell’autocorrelazione con un fattore 10 ed un probabile aumento delle prestazioni dei ricevitori rispetto al noise.

c. I nuovi codici previsti sulle frequenze L2 e L5 avranno lunghezza del chip maggiore e ciò aumenterà le prestazioni degli algoritmi di correlazione, riducendo la probabilità di errori nell’acquisizione del segnale in presenza di disturbo provocato da ostruzioni o interferenze. Sarà più semplice attenuare l’effetto del multipath su portanti e codici.

d. In termini di velocità di fissaggio delle ambiguità di fase si avranno ulteriori vantaggi. La disponibilità della nuova frequenza L5 consentirà di formare le combinazioni intere L1/L5, con λ =86 cm, (ML), e la L2/L5, λ = 5.87 m, (EWL).. L’ambiguità EWL potrebbe essere risolta anche con le sole osservazioni di codice, viste le migliori precisioni di questi ultimi.

L2c: prove Nuova navigazione

IL PRIMO VERO MIGLIORAMENTO: IL BLOCCO IIF e. Nuovo segnale CNAV più compatto e flessibile del segnale NAV. Non è un segnale a formato fisso. È parte e del progetto “Improved Clock and Ephemeris”: ICE. Che prevede di migliorare la precisione delle effemeridi, degli errori di orologio, la stima della ionosfera, e trasmettere queste informazioni nel nuovo messaggio CNAV. Ciò avverrà con un ampliamento del segmento di controllo, in collaborazione con il National Geospatial-Intelligence Agency (NGA).

f. In questi ultimi anni la precisione delle effemeridi trasmesse, valutabile dal rms dell’URE (User Range Error) è molto migliorata, passando da 3 m nel 1994 a 1m nel 2005. Si prevede, con l’avvento del blocco IIF nella fine del 2009, che possano avere precisione decimetrica, comunicata attraverso il parametro URA. ancora con parametri Kepleriani, ma si migliorerà la precisione conoscendo nuove costanti di fitting, come ad esempio la velocità di cambiamento del semiasse maggiore, o del “mean motion”, e migliorando la risoluzione degli altri parametri.

g. è previsto l’invio di un Type 35: GPS/GNSS Time Offset, contiene il valore GGTO: offset di tempo tra GPS ed altre costellazioni Global Navigation Satellite System (GNSS). Il periodo di validità di GGTO sarà almeno di un giorno.

Nuovo segmento di controllo GPS

In questi ultimi anni la precisione delle effemeridi trasmesse è molto migliorata, passando da 3 m nel 1994 a 1m nel 2005. Con il blocco IIF nel 2009, potranno avere precisione decimetrica, saranno ancora parametri Kepleriani, ma si useranno nuove costanti di fitting, come ad esempio la velocità di cambiamento del semiasse maggiore, o del “mean motion”. È previsto l’invio di un Type 35: GPS/GNSS Time Offset: contiene il valore GGTO: offset di tempo tra GPS ed altre costellazioni GNSS. Il periodo di validità di GGTO sarà almeno di un giorno.

GALILEO Il primo sistema di navigazione e posizionamento nato specificatamente per scopi civili, (ma non solo). Galileo consisterà in 30 satelliti operativi, disposti su tre piani orbitali. È sottoposto sia a servizi liberi che a servizi a pagamento ma di qualità ed integrità garantita . Il completamento del progetto era programmato per il 2012... Ha subìto un ritardo dovuto all’allontanarsi delle industrie private dal progetto. La commissione trasporti del parlamento europeo ha previsto però di stanziare 3.4 G€ per completare i segmenti spaziali e di controllo. Il primo satellite sperimentale (In-Orbit Validation Element: Giove A) è in orbita dal 26 dicembre 2005. Lanciato da Baikonur, su un missile Soyuz; ha svolto le seguenti missioni: i. assicurare l’uso delle frequenze assegnate dalla ITU (International Telecommunications Union); ii. dimostrare il funzionamento delle tecnologie di posizionamento dei futuri satelliti operativi; iii. comprendere il comportamento delle onde dalla trasmissione alla ricezione a terra del segnale. Giove A porta due piccoli orologi al rubidio, della stabilità di 10 ns al giorno e due unità di generazione dei segnali in banda L.

GALILEO Il secondo IOV: Giove B, costruito in Europa da “Galileo Industries” doveva essere lanciato nel 2006. A causa di un corto avvenuto durante i test e dell’indisponibilità del vettore Soyuz nel 2007 è stato lanciato il 14 aprile 2008 Tale missione ha lo scopo di dimostrare il possibile uso di un orologio PHM (Passive Hydrogen Maser) con stabilità migliore di 1 ns al giorno. Sulla costellazione operativa infatti vi saranno due orologi PHM e due orologi al rubidio in casi di avaria. A metà 2009 sarà lanciato Giove-A2, simile a Giove-A che avrà lo scopo di investigare le capacità di trasmissione e ricezione dei segnali MBOC (multiplex binary offset carrier). Sono previsti in tutto quattro satelliti della fase GIOVE (In-Orbit Validation: IOV). Finita questa fase inizieranno nel 2011 i lanci della fase “Full Operational Capability”: FOC.

Dal 2/2/07 è pubblico il segnale di navigazione, inoltre è pubblico ogni segnale di Giove-A: The GIOVE-A Signal-in-Space Interface Control Document (SIS-ICD) is the key document that will allow any user to build a receiver able to track GIOVE-A signals, interpret the navigation message and compute the distance between the satellite and the receiver. Following the successfully in-orbit validation mission, ESA has decided to release the SIS-ICD to the public to allow receiver manufacturers and research centres to benefit from experiments with a real Signal-in-Space for research and development purposes.

http://www.giove.esa.int/images/userpage/GIOVEA_SISICD.pdf

GIOVE-A L1 in-band spectrum GIOVE-A E5 in-band spectrum

I SERVIZI GALILEO Open Service (OS). Segnali “aperti” e gratuiti permette in maniera competitiva al GPS un “point positioning” a 4m di precisione 3D, al 95% di probabilità (95CE).

Safety of Life Service (SoL) migliora le performances del servizio OS con allarmi all’utenza in caso di mancanza di certi margini di precisione (ciò che si chiama integrity).

Commercial Service (CS) permette l’accesso a due altri segnali, E6b, che migliorano la precisione del posizionamento (point positioning a 1m 95CE). È un servizio garantito come il SoL. Tale servizio fornisce iun messaggio, proveniente dal centro servizi all’utente (di circa 500 baud).

Public Regulated Service (PRS) fornisce posizione e tempo ad utenti che richiedono elevata continuità del servizio con accesso controllato. Sono allo scopo usati due segnali di navigazione con codici crittografati (E6a, E1a).

Search and Rescue Service (SAR). Il servizio permette di trasmettere su tutto il globo un segnale di allertamento. Permetterà di migliorare il servizio internazionale COSPAS-SARSAT di ricerca e salvataggio.

LE NUOVE FREQUENZE GPS-MODERNIZZATO e GALILEO Sono modulate con nuovi codici, di diversa frequenza, fase e lunghezza del chip. La larghezza di banda varia così da pochi MHz a 90 MHz in funzione della modulazione. SONO I CODICI che modificano in maniera netta lo spettro di potenza del segnale in frequenza… … permettono di rendere compatibile la stessa frequenza con più di una costellazione … permettono di utilizzare tutta od una parte della banda (ad es. solo un picco) … rendono compatibili le appplicazioni civili/militari/commerciali su una stessa frequenza centrale Notiamo ad es. che su L1 GPS convive L1 Galileo Notiamo ad es. che il segnale E5 può essere scomposto in 2 picchi E5a =L5 nuova ed E5b.

Nome Banda

Mhz (f0*)

GPS Galileo Open Altri servizi

L1 (E1) 1575.42 154 X X Co-Re-Sa E6 1278,75 125 Co-Re L2 1227.60 120 X E5b 1207.14 118 X Co-Sa L5 (E5a)

1176.45 115 X X Co-Sa

GLI SPETTRI DI POTENZA DELLE FREQUENZE GPS-MODERNIZZATO e GALILEO

Spettri delle nuove frequenze Galileo (sopra) e GPS (sotto)

Ad es.: GPS su L1: ha un picco centrato dovuto alla modulazione C/A (del tipo BPSK), un 2° picco, più basso e diffuso in frequenza, dovuto alla modulazione con il codice P, e due picchi simmetrici dovuti al codice militare M. La corrispondente frequenza Galileo ha due picchi (L1B),

centrati sulla L1 che, per le ragioni accennate non danneggiano il segnale GPS dovuti alla modulazione del codice BOC(1,1). Vi sono altri due picchi (L1A), minori ma più diffusi, con frequenze abbastanza distinte dovuti al codice BOC cos(15, 2.5). Le “ombre” sulla prima f. Galileo sono segnali in quadratura (L1C), presenti anche su L5, su E5 e su E6. Nella banda L1 ed E1 la EC (European Commision) e gli Stati Uniti d'America hanno deciso ora di trasmettere entrambe dei segnali che avessero come spettro quello definito da una MBOC(6,1,1/11)

LE NUOVE MODULAZIONI BOC DEI CODICI Gran parte delle migliorie su codici e fasi derivano dal tipo di modulazione dei segnali. Una delle più conosciute per tali pregi è la modulazione BOC (Binary Offset Carrier). I vantaggi, rispetto alla classica modulazione FSKP (detta anche BPSK) sono così riassumibili: o i codici sono più precisi (errore accidentale <) e le fasi estraibili con migliore affidabilità; o permettono un uso della stessa frequenza centrale (ad es. L1) con altre costellazioni o hanno uno spettro di larghezza progettabile in banda (nel caso della AltBOC circa 50 MHz) o a parità di algoritmi di reiezione, i codici BOC sono molto meno sensibili ai multipath; o richiedono in genere (non sempre!) ricevitori meno esosi di energia. Il concetto è semplice: consiste nel modulare un codice PRN (noto o incognito) con un’onda quadra. Il risultato numerico binario è il prodotto dei due codici. Ad es: il codice GPS militare M è del tipo BOC(10,5). Ogni chip del codice, in questo caso incognito, che è di 5 Mcps (5 Mega chip al secondo) è modulato con un’onda quadra di 10 periodi di onda all’interno di 1 chip. È questo che rende più “fine” ed, in definitiva più preciso il codice.

5 Mcps 10 periodi per ogni chip

LE NUOVE MODULAZIONI BOC DEI CODICI Con lo stesso stratagemma, la potenza del segnale viene distribuita in banda, non necessariamente al centro e ciò permette di usare una stessa frequenza centrale per trasmettere più segnali di codice.

Spettri di potenza nel caso in cui il segnale civile sia modulato con BOC(1,1) o BOC(5,1) sulla L1 GPS. In entrambi i casi si ha compatibilità con il segnale militare, migliore nel secondo caso, ma nel primo caso è sufficiente un ricevitore di 4MHz di banda, nel secondo caso serve un ricevitore di 12MHz di banda.

BOC(1,1) BOC(5,1)

LE NUOVE MODULAZIONI DEI CODICI: da BOC a MBOC ! (CBOC oTMBOC)

modulazione CBOC che viene già impiegata dal satellite GIOVE B e che sarà la modulazione impiegata da Galileo sulla banda E1. Iniziamo da MBOC: significa Multiplexed BOC. È una strategia con la quale si alloca parte della potenza di segnale verso frequenze più elevate combinando (multiplexando) due sottoportanti BOC a rate diversi al fine di aumentare la robustezza ai Multipath e migliorare le prestazioni degli anelli di tracking all'interno dei ricevitori e quindi di migliorare le misure di pseudo-range. Nella banda L1 ed E1 la EC (European Commision) e gli Stati Uniti d'America hanno deciso di trasmettere entrambe dei segnali che avessero come spettro quello definito da una MBOC(6,1,1/11), dove praticamente il termine 6,1 denota la presenza di una BOC(6,1) aggiunta ad una BOC(1,1) sempre presente per motivi di compatibilità con quanto già fatto per Galileo mentre il termine 1/11 denota il contributo di potenza nello spettro da imputare alla BOC(6,1). In pratica lo spettro complessivo di una MBOC(6,1,1/11) è costitutito per 10/11 da quello di una BOC(1,1) e per 1/11 da quello di una BOC(6,1).

Una MBOC(6,1,1/11) può essere ottenuta in diversi modi, due sono gli approcci proposti in letteratura la TMBOC Time Multiplexed BOC e la CBOC Composite BOC. Nella TMBOC la BOC(1,1) e la BOC(6,1) vengono multiplexate nel tempo (si trasmetter un pò di BOC(1,1) e un pò di BOC(6,1), mentre nella CBOC la BOC(1,1) e la BOC(6,1) vengono sempre trasmesse ma con ampiezze diverse.

COMPASS /BEIDOU La Cina dispone già per il posizionamento di 5 satelliti geostazionari (Beidou) che trasmettono a 2491.75 MHz per il posizionamento Il 14 aprile 2007 è stato lanciato il primo di 30 satelliti MEO della costellazione Compass o Beodou-2 denominato Compass M1 ad una altezza media di 21500 km.

FREQUENZE Nome Banda

Mhz (f0*)

GPS

Galileo

Compass

Bandwidth MHz

PRN Mcps Chip rate

Open B1-2 1589.742 ±2.046 QPSK 2.046 GSO500 L1 (E1) B1-Boc

1575.42 154 X X X ±8.184 MBOC (6,1,1/11)

1.023 GSO500

B1 1561.098 X ±2.046 QPSK 2.046 GSO500 E6 1278,75 125 Co-Re B3 1268.52 ±12 QPSK 10.23 GSO500 B3-Boc 1268.52 ±17.9025

BOC(15,25) 1.023

L2 1227.60 120 X E5-B2 1207.14 118 X X ± 12 QPSK 10.23 GSO500 B2-Boc 1207.14 X ± 15.345 BOC

(10,5) 5.115 GSO500

L5 (E5a)

1176.45 115 X X X ± 12 QPSK 10.23 NGSO50

I segnali Compass hanno una minima potenza di ricezione di -163 dBW. Il segnale di navigazione su B1, B1-2, B2, B3 è in fase nel formati GSO (a 500 bps) e nel formato NGSO (a 50 bps) Su queste frequenze è presente il segnale di navigazione GSO anche in quadratura Su tutte le altre frequenze è presente il segnale di navigazione in fase a 50bps

Compass: Interface Control Document presto disponibile? China will release details of its Compass (or Beidou 2) program “soon,” including an Interface Control Document (ICD) for the GNSS system’s open civil service and a launch schedule for additional satellites, according to representatives of the China Satellite Navigation Engineering Center speaking at the Shanghai Navigation Forum (NaviForum) in Shanghai on December 2007.

China will also continue participating in the Galileo program but now consider Compass to be proceeding on a faster track than the European GNSS project in which they have a €200 million investment.

Reconfirming earlier reports, NaviForum speakers said that Compass will include 30 middle Earth orbit (MEO) satellites and 5 geostationary (GEO) satellites with an initial operational capability for China and the East Asia region in place by 2009 and a full global capability later.

In the most extensive public presentation on the Chinese satellite navigation initiative to date, officials expressed their desire for a “compatible and interoperable” GNSS system of systems that also includes the U.S. Global Positioning System and Russia’s GLONASS, but anticipate rigorous negotiations around a Compass frequency plan that overlaps crucial Galileo and GPS bands.

Yang added that “an ICD document will be provided on our official website in the very near future,” free of charge, noting the satellite navigation center’s website is “still under construction.” He said that “no entrance or authorization

LE CARATTERISTICHE DEI CODICI GPS-MODERNIZZATO e GALILEO Serv. Segnale Frequenza Lunghezza

del codice Chip rate

(Mcps)

Tipo di Modulazione

Dati navigazione

(sps)

Precisione (cm) In condizioni peggiori

GALILEO OS L1c 8192 1.023 MBOC(6,1,1/11) Pilot 15 OS L1b 4096 1.023 MBOC (6,1,1/11) Si (250) 15 PRS L1a - 2.5575 BOC cos(15,2.5) Si 8 CS E6b-Q - 5.115 BPSK(5) Pilot 10 CS E6b-I - 5.115 PBSK(5) Si (1000) 10 PRS E6a - 5.115 BOC cos(10,5) Si 10 OS E5b-Q 10230 10.23 ALTBOC(15,10) Pilot 10 OS E5b-I 10230 10.23 ALTBOC(15,10) Si (250) 10 OS E5a-Q 10230 10.23 ALTBOC(15,10) Pilot 10 OS E5a-I 10230 10.23 ALTBOC(15,10) Si (50) 10

GPS MIL L1M - 5.115 BOC (10,5) - - MIL L1P 7 giorni 10.23 BPSK(10) Si (50) - CIV L1 C/A 1023 1.023 MBOC(6,1,1/11) Si (50) 30 MIL L2M - 5.115 BOC(10,5) - - MIL L2P 7 giorni 10.23 BPSK(10) Si (50) CIV L2C CM:10230

CL 767250 0.5115 BPSK(1) CM: Si,(50)

CL: Pilot 15

CIV L5-Q 10230 10.23 BPSK(10) Pilot 10 CIV L5-I 10230 10.23 BPSK(10) Si (1000) 10

LE CARATTERISTICHE DI CODICI/FASI di GPS-MODERNIZZATO e GALILEO

La maggior precisione dei nuovi codici è legata in parte alla lunghezza ed al chip rate, ma anche al tipo di modulazione. In condizioni peggiori, arriviamo ad rms di 10, 15 cm contro i 30 cm del codice C/A. Sono valori realistici nelle condizioni di misura peggiori: in laboratorio gli rms arrivano a valori che vanno dai 1-2 cm ai 10 cm al massimo per i codici e a meno di mezzo mm per le fasi. Non si dispongono di dati sulla precisione che riguarda i codici militari. Le fasi saranno “migliori” anche 1) per la possibilità di estrarle con procedure codeless, 2) per la maggior potenza del segnale ; 3) per la migliorata tecnologia di satelliti e ricevitori; 4) possibilità di “recupero” automatico per brevi cycle slips (pilot sygnal)

PARAMETRI SATELLITARI E CONSIDERAZIONI INERENTI

GPS GLONASS GALILEO QZSS Numero di satelliti

31 a dicembre 08 21+3 nominali (20 alla data odierna)

27+3 nominali 3 IGSO

Piani orbitali 6 (si va verso 3) 3 3 3 Tempo medio di vita

IIR: 10 anni GLONASS: 3 anni GL-M: 7 anni GL-K: 10-12 anni

>12 anni 12 anni

Massa IIR: 2000kg GLONASS e GL-M: 1415kg GL-K: 850 kg

680 kg ?

Accesso al segnale

CDMA (Code Division Multiple Access)

FDMA + CDMA 2010 (Frequence division…)

CDMA CDMA

Frequenze 3: L1, L2, L5 Una per ogni satellite antipodale

4: L1 (E1), E6, E5a (L5), E5b

4 L1, L2, E6, E5a (L5)

Numero di codici Uno per servizio (e satellite)

Uno per servizio e frequenza (banda)

Uno per servizio (e satellite)

Uno per servizio (e satellite)

Altezza da terra 20200 km 19100 km (11h 15m 44s)

23200 km 36000 km circa

Link tra satelliti Si GLONASS: No GL-M, GL-K: Si

No No

Inclinazione 55° 64.8° 56° 45° Uso Duale o Civile

D D D (D per il PRS) C

Servizio commerciale

No No Si Si

Integrity No (si con GPS III) No (Si con GL-K) Si Si Fondi Pubblici Pubblici Pubblici e privati Pubblici

PARAMETRI SATELLITARI E CONSIDERAZIONI INERENTI

1. I piani orbitali di Glonass e Galileo sono solo tre, rispetto a 6 di GPS. Ciò ha un’implicazione pratica sui parametri DOP di progetto in funzione in particolar modo della latitudine.

2. Il tempo medio di vita dei nuovi satelliti è notevolmente allungato e si spinge sopra i 10 anni. Tranne Glonass, gli altri sistemi si basano su frequenze fisse e su codici che indicano il satellite tracciato.

3. Galileo non prevede l’intertracciabilità fra satelliti ma, diversamente da GPS e Glonass fornisce un servizio di integrità (e di salvataggio). Infine, il peso dei satelliti Galileo è notevolmente ridotto rispetto a quelli GPS o Glonass.

COME SARANNO CALCOLATE CONTROLLATE E TRASMESSE LE EFFEMERIDI GALILEO?

� Il calcolo e la trasmissione avviene per mezzo del segmento di controllo a Terra. È fisicamente suddiviso in due sottosegmenti dedicati rispettivamente alle due funzioni, di Segmento di Controllo e Segmento di Missione.

� Le effemeridi sono calcolate da una rete di 30 stazioni uniformemente distribuita su tutto il Globo (GCS: Ground Control Segment), di queste la metà vengono utilizzate come riferimento e l’altra metà per il monitoraggio.

� Il messaggio di navigazione è accessibile nei segnali Open Service all’interno della banda E5a, un messaggio di navigazione con controllo di integrità è presente nelle bande E5b ed E1b.

� Il messaggio include la correzione tra il tempo Galileo e quello GPS. Non si conosce al momento ancora la precisione con la quale verranno fornite queste orbite.

L’AMMODERNAMENTO GLONASS

Glonass è duale: C+M. Nel 2001 il governo approvò il programma per il ripristino e l’ammodernamento. Entro fine 2009 è previsto il completamento della costellazione di 24 satelliti. Al 31/12/08 vi sono 20 satelliti operativi di cui solo 3 del 2003 e 2004. (ultimi 3 lanciati il 25 /12/08) I nuovi satelliti dovrebbero avere una vita media di 7 anni, più di due volte superiore ai precedenti. Nel 2010 sarà lanciato il primo satellite test della costellazione K, con vita media di 10 anni. Il blocco M ha un consumo minore di energia, orologi cinque volte più stabili (1*10-13 al giorno), un segnale civile sulla seconda frequenza. Per il blocco K si prevede una terza frequenza con un segnale di integrità. Le effemeridi avranno precisione sub metrica. È prevista una modernizzazione del segmento di controllo a terra, ed un sistema di certificazione per applicazioni salvavita e, come per Galileo, l’implementazione di un servizio “Search and Rescue”. Da tempo è possibile disporre in un unico sistema di riferimento (ora è IGS05) le effemeridi precise di GPS e Glonass, grazie ai calcoli forniti dall’IGS delle numerose stazioni permanenti R&G La precisione finale delle effemeridi, calcolate con latenza quindicinale è migliore od uguale a 10 cm

Attualmente il punto debole del sistema è la precisione delle effemeridi broadcast, comparate con quelle GPS. Nel 2005, senza includere gli errori di orologio, arrivava anche ad una decina di metri.

Per il blocco K è prevista la trasmissione nelle broadcast di un ritardo tra R & G. Questo ritardo, ∆τGPS, già oggi è valutato con precisione di 15ns, pari in lunghezza a circa 4.5m. Similmente al GPS sarà trasmesso un valore di precisione URA, (User Range Accuracy) ora previsto ma non usato.

GGPPSS GGLLOONNAASSSS

[[mm]]

GLONASS FDMA: LE FREQUENZE VARIANO DA SATELLITE A SATELLITE:

ECCO LE FREQUENZE: )(4375.01246

)(5625.01602

2

1

MHzkf

MHzkf

+=+=

Il rapporto fra le frequenze si mantiene sempre di f1/f2= 9/7. k corrisponde al numero del canale, dal 2005, varia tra –7 e +8,

Le nuove frequenze vengono in gergo chiamate “negative”. È possibile usare più di 24 satelliti perchè lo stesso k viene usato sempre da satelliti antipodali. La terza frequenza, centrata su 1201.5 MHz sarà introdotta con la costellazione K, e sarà utilizzabile con il suo codice anche per scopi civili. Si avrà per ogni satellite:

4/3*13 ff = Il primo dei 27 satelliti del blocco K sarà disponibile verso fine 2009- 2010.

La compatibilità CDMA dei nuovi satelliti del blocco K A February 15, 2008, government decree on new GLONASS requirements calls for open CDMA signals with a binary offset carrier or BOC (2,2) signal structure centered at 1575.42 MHz and a BOC (4,4) signal centered at 1176.45 MHz — essentially corresponding to the center points of GPS signals at the L1 and L5 frequencies and nearby Galileo and Compass signals. An additional GLONASS FDMA signal will be located at L3 frequencies (1197.648–1212.255 MHz), just below the GPS M-code at L2. Russia will implement the new signals on the next-generation GLONASS-K satellites, with the first launch currently expected in late 2010 with flight testing the following year. Use of FDMA GNSS techniques, in which the same code is used to broadcast navigation signals on different frequencies, and the placement of civil GLONASS transmissions on frequencies between 1598.0625 and 1606.5 MHz well above the GPS L1 band, have complicated the design of combined GLONASS/GPS receivers, particularly low-cost equipment for mass market applications. The new performance requirements and modernization plans were described in an April 7 presentation at the Moscow International Satellite Navigation Forum, addressing an April 23 plenary session at the European Navigation Conference 2008 in Toulouse, France. Under the new plan, Russia will continue expansion of its ground control network, including establishment of new monitoring stations outside Russia’s borders for the first time. Improved timing and orbit determination are planned to enable the system to match GPS system performance by 2012.

Orb. pl.

Orb. slot RF chnl # GC Launched Operation

begins Life-time (months)

Satellite health status Comments

In almanac In ephemeris

(UTC)

I

2 01 728 25.12.08 0.5 Commissioning Phase

3 05 727 25.12.08 0.5 Commissioning Phase

4 06 795 10.12.03 29.01.04 61.1 + + 16:26 09.01.09 In operation

6 01 701 10.12.03 08.12.04 61.1 + + 10:42 09.01.09 In operation

7 05 712 26.12.04 07.10.05 48.5 + + 12:27 09.01.09 In operation

8 06 729 25.12.08 0.5 Commissioning Phase

II

9 -2 722 25.12.07 25.01.08 12.5 + + 13:55 09.01.09 In operation (L1 only)

10 04 717 25.12.06 03.04.07 24.5 + + 15:46 09.01.09 In operation

11 00 723 25.12.07 22.01.08 12.5 + + 16:41 09.01.09 In operation

13 -2 721 25.12.07 08.02.08 12.5 + + 16:27 09.01.09 In operation

14 04 715 25.12.06 03.04.07 24.5 + + 10:43 09.01.09 In operation

15 00 716 25.12.06 12.10.07 24.5 + + 12:00 09.01.09 In operation

III

17 -1 718 26.10.07 04.12.07 14.5 + + 16:06 09.01.09 In operation

18 -3 724 25.09.08 26.10.08 3.5 + + 16:26 09.01.09 In operation

19 03 720 26.10.07 25.11.07 14.5 + + 16:26 09.01.09 In operation

20 02 719 26.10.07 27.11.07 14.5 + + 16:40 09.01.09 In operation

21 -1 725 25.09.08 05.11.08 3.5 + + 10:28 09.01.09 In operation

22 -3 726 25.09.08 13.11.08 3.5 + + 11:44 09.01.09 In operation

23 03 714 25.12.05 31.08.06 36.5 + + 13:27 09.01.09 In operation

24 02 713 25.12.05 31.08.06 36.5 + + 14:51 09.01.09 In operation

LE TRE FREQUENZE DEI SATELLITI CDMA - PRECISIONI Il miglioramento di precisione è dovuto, in entrambi i sistemi, all’introduzione della terza frequenza ed al miglioramento della precisione di codici e fasi. le due costellazioni non renderanno obsoleto il posizionamento RTK e neppure renderanno inutile reti di stazioni permanenti per il tempo reale. Le reti, a maglie forse + larghe, serviranno a migliorare e a rendere ancora più affidabile la precisione delle coordinate. Alcuni autori propongono un posizionamento all’interno di una rete con trasmissione nelle correzioni dei soli bias (non più codici e fasi), valide per una vasta area. Tale posizionamento viene chiamato da alcuni con la sigla PPP-RTK.

QUALI SONO TEORICAMENTE, NEL POSIZIONAMENTO DI PRECISIONE A PUNTO SINGOLO LE MIGLIORIE.

Simulazioni partendo dalle quattro o sei equazioni scritte nella modalità geometry free. I risultati si partono dai valori teorici di precisione per ogni epoca e validi anche per il RT.

( ) ( )p p p p p p p Pk k k L GD L k k Lk LP L cdT c dt T I Tρ α α δ ε= − + + + + + +

( )p p p p p p pk k k L k k L k L Lk LL cdT cdt I T Nρ α δ λ εΦ ΦΦ = − + − + + + +

GPS L1 = 154 f0 L2 =120 f0 L5= 115 f0 CODICI ATTUALI 30 cm 40 cm - FASI ATTUALI 2 mm 2.6 mm - CODICI FUTURI 30 cm 15 cm 10 cm FASI FUTURE 1 mm 1 mm 1 mm Galileo L1 (E1) = 154 f0 E6=118 f0 E5=115 f0 CODICI 15 cm 10 cm 10 cm FASI 1 mm 1 mm 1 mm

Attualmente ogni epoca, senza le misure doppler vi sono nel GPS attuale 4 misure e 4incognite Nel GPS moderno e in Galileo abbiamo 6 misure in 5 incognite che sono: Range e troposfera

Ionosfera, Ambiguità (differenze doppie di)

PRECISIONI TEORICHE NEL POSIZIONAMENTO A PUNTO SINGOLO Risolvendo il sistema si ricavano le precisioni teoriche per epoca:

GPS Attuale

1 2( ) 0.98 ; ( ) 0.77 ; ( ) 9.16 .; ( ) 9.17 .T m I m N c N cσ ρ σ σ σ∆∇ + ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = GSP moderno

1 2 3( ) 0.67 ; ( ) 0.39 ; ( ) 5.6 .; ( ) ( ) 5.4 .T m I m N c N N cσ ρ σ σ σ σ∆∇ + ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ =Correlazioni prossime al 100% Galileo

1 6 5( ) 0.36 ; ( ) 0.22 ; ( ) 3.0 .; ( ) ( ) 2.9 .T m I m N c N N cσ ρ σ σ σ σ∆∇ + ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ = ∆∇ =Correlazioni prossime al 100% Si ha un forte miglioramento delle precisioni delle cinque incognite, rispetto alle precisioni GPS, principalmente dovuto alla migliore precisione dei codici, non tanto all’unica diversa frequenza (E6) di Galileo rispetto a GPS.

Come ridurre correlazioni o errori sistematici e aumentare le probabilità di fissaggio? LE NUOVE COMBINAZIONI

Le combinazioni intere (fj-fi), cioè con costanti moltiplicative +1 e –1 sono solo tre, sia per Galileo che per il GPS ammodernato: wide lane, (WL) medium lane, (ML) extra wide lane (EWL). Nelle simulazioni se ne usano due, la terza è la frequenza della λ maggiore o più precisa. Nel caso GPS scegliamo le λ GPS λw1= 86 cm, λw2 = 5.86 m. Propagando la varianza si ottiene: 1 2( ) 0.21 .; ( ) 0.015 .w wN c N cσ σ∆∇ = ∆∇ = . Tali sqm corrispondono a 18 cm e a 9 cm. La matrice di correlazione presenta valori del 31% e del 4% della 1^con la 2 ̂ combinazione e della 2 ̂con 1 ̂ambiguità. Rimane una correlazione dell’93% dell’ ambiguità su L1 con la 1 .̂

Anche per Galileo si generano λw1= 81 cm, ed addirittura λw2 = 9.77m. Si ottiene: 1 2( ) 0.11 .; ( ) 0.009 .w wN c N cσ σ∆∇ = ∆∇ = ; che corrispondono entrambi a 9 cm. La matrice di correlazione ha valori del 23% e 25% della 1 ̂con la 2 ̂ combinazion e della 2 ̂con la 1 .̂ Ambiguità. Rimane una correlazione dell’80% dell’ ambiguità L1/E1 con la prima combinazione.

COME RIDURRE LE CORRELAZIONI O GLI ERRORI SISTEMATICI ? LE NUOVE COMBINAZIONI INTERE

Fra le :::: combinazioni intere quali riducono sia la dispersione delle ambiguità, sia gli errori ionosferici? Ad es. la combinazione (1, -2, 1) nel GPS riduce l’errore ionosferico e mantiene una buona precisione geometrica. La stessa (1, -2, 1) per Galileo, pur avendo buone proprietà ionosferiche, non mantiene tale la precisione geometrica. Qual è la migliore matrice Z di dimensione 3x3 (Combinazioni sulle ambiguità) che permette di ricavare al meglio sia le ambiguità intere sia ionosfera e posizione? Per le ambiguità, la risposta è fornita da Teunissen secondo il metodo denominato Lambda. La matrice intera Z deve avere inversa appartenente ancora alle matrici intere e determinante unitario. Si può determinare anche in fase di simulazione, facendo delle ipotesi ragionevoli sulle precisioni dei codici e delle fasi e sull’influenza della ionosfera e della troposfera. Teunissen ha ricavato nel caso Galileo, per basi corte, (si trascura l’incognita ionosferica) o lunghe con ipotesi (molto scadenti) Φσ =3mm; Pσ =30 cm:

−−−

−−=

011

522

143

Z

−−−

−−=

011

132

15162146

Z

Con 3 frequenze esistono combinazioni sia iono che geometry free?

Partiamo dalle eq dei codici, ma si estende anche alle fasi. ( ) ( ) ( )p p p p p p

k k k L GD k k L GDP L cdT cdt T I T T Iρ α ρ α= − + + + + = + ∆ + + Raduniamo in ∆∆∆∆ tutti i termini non dipendenti dalla frequenza. Vogliamo ricavare combinazioni dette geometry free nelle quali cioè scompare il termine ρ. A due frequenze queste sono tutte le combinazioni nelle quali

1 2(1) (2) ( )( )GDxP yP x y T Iα α+ = + + basta avere: x+y=0. Si possono trovare combinazioni iono free, combinazioni cioè nelle quali

(1) (2) ( )( )xP yP x y ρ+ = + + ∆ basta avere: xα1+yα2=0 A 2 f non esistono combinazioni che siano iono e geometry free a meno di usare x=y=0. Con 3 f ciò non avviene più, anzi, : combinazioni sono iono e geometry free:

1 2 3(1) (2) (3) ( )( ) ( )( )GDxP yP zP x y z x y z T Iρ α α α+ + = + + + ∆ + + + +

con 0x y z+ + = ed anche 1 2 3 0x y zα α α+ + = Sono un sistema di 2 EQ in 3 INC. Si può fissare a piacere una di queste incognite, ad es:.

2 2 2 2 2 23 2 1 3 2 1( ); ( ); ( )x y zλ λ λ λ λ λ= − = − = − oppure, per il GPS,

L’INDIVIDUAZIONE DEL MULTIPATH

2 2

2 2

2 2

(115 120 ) 1175

(154 115 ) 10491

(120 154 ) 9316

x

y

z

= − = −

= − = = − = −

In questo modo si annullano i range, e anche tutti i biases. Rimane solo un bias: il multipath. Con tale combinazione si ricava una combinazione dei multipath: Novità: con tre frequenze si individuare “ad una via” il multipath di fase, mentre ora tale bias è ricavato con una combinazione di mp di codice e di fase.

1 2 3 1 2 3P P PxP yP zP x y zδ δ δ+ + = + +

Stesso ragionamento può essere fatto sulle fasi e sulle misure Doppler. Usando i numeri appena ricavati si avrà

1 2 3 1 2 3 1 2 31175 10491 9316x y z x y z N N Nϕ ϕ ϕϕ ϕ ϕ δ δ δ+ + = + + − + − La quantità ricavata è, a meno del multipath sulle fasi, una costante In assenza di salti di fase e, se il MP fosse nullo è una costante intera.

LE NUOVE PIÙ NOTE MODALITÀ DI FISSAGGIO GPS E GALILEO Le probabilità di fissaggio dipendono anche da dove sono allocate le frequenze, ma anche dalle precisioni dei nuovi codici. La generica procedura può essere divisa in tre passi: a partire dalle eq. linearizzate delle misure.

y Aa Bb e= + + na Z∈ = ambiguità; le altre incognite al vettore b.

1. Si cerca una soluzione reale, dimenticando la natura intera delle ambiguità (float solution). 2. Tali ambiguità, con la loro dispersione, sono usate per cercare un insieme di a. intere ammissibili. 3. Fissate ad intero, vengono usate per ricavare la rimanente parte b (le coordinate di solito).

Quest’ultimo passo può essere anche eseguito ricavando le coordinate dalle ( )1

ˆ ˆˆˆ ˆaba

b b Q Q a a−= − −( (

In definitiva può essere seguito un approccio detto “geometry free model” nel quale le incognite geometriche possono anche non comparire subito. Solo dopo aver fissato (correttamente) le ambiguità, le incognite geometriche si risolvono con una seconda procedura ai minimi quadrati. L’alternativa a questo approccio è denominato “geometry based model” nel quale si fanno ipotesi sia sulle ambiguità (che siano intere) che sulle coordinate (ad esempio che queste non cambino o seguano una certa dinamica) e si risolvono contemporaneamente.

GEOMETRY FREE O GEOMETRY BASED MODEL? Il primo approccio ha il vantaggio (e svantaggio nello stesso tempo) di ricavare l’ambiguità in maniera indipendente dalla geometria a terra e dei satelliti. Anche con una sola coppia di satelliti può essere scritta un’equazione in grado di migliorare la rigidità del sistema. Alla lunga però, dopo cioè un certo numero di epoche, la geometria vincola abbastanza la soluzione: migliora la precisione con cui possono essere ricavate ambiguità e posizioni, ed è da preferirsi. È chiaro che la soluzione geometrica dipende fortemente dal fatto che si è fissato più o meno correttamente le ambiguità. Per fare ciò esistono svariate modalità. La più grezza, in genere mai utilizzata, è quella definita “nearest integer”. Si blocca cioè ciascuna ambiguità al valore intero più prossimo, indipendentemente dalla precisione delle componenti di questo vettore.

La procedura più fine ed universalmente accettata, è quella LAMBDA.

TECNICHE “BOOTSTRAP” O “CONDITIONAL INTEGER ROUNDING”. Funziona grossomodo così:

Fra n ambiguità, si parte dalla più precisa e si fissa al più prossimo valore intero. Da tale valore ricaviamo nuovi valori reali delle rimanenti n-1 ambiguità e le loro dispersioni. La più precisa fra queste viene anch’essa fissata all’intero più prossimo Son ricavati valori reali e dispersioni delle rimanenti n-2 ambiguità. Così via sino a che le ambiguità sono tutte fissate o sino a che non è affidabile fissare un’ambiguità intermedia al suo valore intero più prossimo. Le tecniche più note proposte per l’uso con le tre frequenze sono derivate e denominate: Galileo: TCAR (Three-Carrier Ambiguity Resolution). GPS CIR (Cascade Integer Resolution).

Entrambe iniziano con l’approccio geometry free.

TCAR funziona così: Si parte con la combinazione ewl (9.77m). L’ambiguità è risolta partendo dalla soluzione float ed arrotondando all’intero più prossimo o con il metodo bootstrap. A partire dalle combinazioni fissate ad intero, si risolvono le ambiguità di λ=81 cm. Risolte e fissate, l’ultimo passo consiste nel risolvere le ultime ambiguità, solitamente nella prima frequenza portante. CIR funziona allo stesso modo: si parte dalla extra wide lane z1=(a2-a3) λ=5.86m. Dopo aver risolto queste ambiguità si tenta di risolvere la combinazione wide lane: z2=(a1-a2) con λ2= 86 cm ed infine quella sulla terza ambiguità: z3=a3.

PREVISIONI DI FISSAGGIO È possibile fare previsioni sul fissaggio per basi corte o lunghe con uno o più costellazioni. Si può ad esempio usare il SW chiamato VISUAL (Delft) con l’approccio geometry free. Può lavorare con le costellazioni GPS e Galileo dopo aver inserito un certo numero di parametri sulle orbite, le precisioni di segnali di codice e di fase. Abbiamo impostato queste ipotesi: il calcolo di una base GNSS di circa 20 km con due ricevitori in modalità statica. Fissata la giornata di misura: 26/06/2006 dalle 0:00 alle 24:00, cut-off di 15° e posizione: (ϕ=45° λ= 7° Est h= 300 m) Dal software abbiamo richiesto questi due parametri: a) MDB (Minimal Detectable Bias) con sole misure di codice; b) Success Rate, cioè la probabilità della determinazione corretta delle ambiguità di fase ad una certa epoca.

Abbiamo confrontato questi scenari: 1) GPS (L1+L2) così come è; 2) Galileo (E1+E5a+E5b): Open Service. 3) Le 2 costellazioni moderne ma l’uso delle sole frequenze comuni GPS (L1+L5) + Galileo (E1+E5a). Lo scenario 3) sarà la situazione più probabile per i ricevitori economici per scopi geodetici.

MBD e PREVISIONI DI FISSAGGIO Per quanto riguarda la probabilità di fissaggio il miglioramento è ancor più evidente, specie sui valori minimi che dal 60% e 90% sono sempre superiori al 99% in ogni ora del giorno.

Success Rate solo con la nuova costell. GPS (G)

Success rate con la sola costellazione Galileo (E)

MBD e PREVISIONI DI FISSAGGIO MBD: sembra in apparenza che la sinergia delle costellazioni non abbia un grande giovamento. Non è così: l’uso di entrambe migliora i valori massimi MDB, da quasi 3 m a poco meno di 2 m.

MDB [metri] Min Max

G 2.126 2.772

E 1.976 2.266

G + E 1.824 1.915

Success Rate Min Max

G 0.594 0.993

E 0.898 0.999

G + E 0.994 1.000

Valori di MDB e Success Rate

Success rate con GPS+Galileo (G+E)

LE NUOVE PIÙ NOTE MODALITÀ DI FISSAGGIO GPS E GALILEO Le probabilità di fissaggio dipendono anche da dove sono allocate le frequenze, e che quindi è possibile formare combinazioni sintetiche particolari, ma anche dalle precisioni dei nuovi codici. La generica procedura può essere divisa in tre passi: a partire dalle eq. linearizzate delle misure.

y Aa Bb e= + + na Z∈ = ambiguità; le altre incognite al vettore b.

4. Si cerca una soluzione reale, dimenticando la natura intera delle ambiguità (float solution). 5. Tali ambiguità, con la loro dispersione, sono usate per cercare un insieme di a. intere ammissibili. 6. Fissate ad intero, vengono usate per ricavare la rimanente parte b (le coordinate di solito).

Quest’ultimo passo può essere anche eseguito ricavando le coordinate dalle ( )1

ˆ ˆˆˆ ˆaba

b b Q Q a a−= − −( (

In definitiva può essere seguito un approccio detto “geometry free model” nel quale le incognite geometriche possono anche non comparire subito. Solo dopo aver fissato (correttamente) le ambiguità, le incognite geometriche si risolvono con una seconda procedura ai minimi quadrati. L’alternativa a questo approccio è denominato “geometry based model” nel quale si fanno ipotesi sia sulle ambiguità (che siano intere) che sulle coordinate (ad esempio che queste non cambino o seguano una certa dinamica) e si risolvono contemporaneamente.

GEOMETRY FREE O GEOMETRY BASED MODEL? Il primo approccio ha il vantaggio (e svantaggio nello stesso tempo) di ricavare l’ambiguità in maniera indipendente dalla geometria a terra e dei satelliti. Anche con una sola coppia di satelliti può essere scritta un’equazione in grado di migliorare la rigidità del sistema. Alla lunga però, dopo cioè un certo numero di epoche, la geometria vincola abbastanza la soluzione: migliora la precisione con cui possono essere ricavate ambiguità e posizioni, ed è da preferirsi. È chiaro che la soluzione geometrica dipende fortemente dal fatto che si è fissato più o meno correttamente le ambiguità. Per fare ciò esistono svariate modalità. La più grezza, in genere mai utilizzata, è quella definita “nearest integer”. Si blocca cioè ciascuna ambiguità al valore intero più prossimo, indipendentemente dalla precisione delle componenti di questo vettore.

La procedura più fine ed universalmente accettata, è quella LAMBDA.

TECNICHE “BOOTSTRAP” O “CONDITIONAL INTEGER ROUNDING”. Funziona grossomodo così: Fra n ambiguità, si parte dalla più precisa e si fissa al più prossimo valore intero. Da tale valore ricaviamo nuovi valori reali delle rimanenti n-1 ambiguità e le loro dispersioni. La più precisa fra queste viene anch’essa fissata all’intero più prossimo Son ricavati valori reali e dispersioni delle rimanenti n-2 ambiguità. Così via sino a che le ambiguità sono tutte fissate o sino a che non è affidabile fissare un’ambiguità intermedia al suo valore intero più prossimo. Le tecniche più note proposte per l’uso con le tre frequenze sono derivate e denominate: Galileo: TCAR (Three-Carrier Ambiguity Resolution). GPS CIR (Cascade Integer Resolution). Entrambe iniziano con l’approccio geometry free. Per basi corte si ha:

( ) LP L Iρ α∆∇ = ∆∇ + ∆∇

( ) L L LL I Nρ α λ∆∇Φ = ∆∇ − ∆∇ + ∆∇ TCAR funziona così: Si parte con la combinazione extra wide lane (9.77m). L’ambiguità è risolta partendo dalla soluzione float ed arrotondando all’intero più prossimo o con il metodo bootstrap. A partire dalle combinazioni già fissate ad intero, si risolvono le ambiguità di λ=81 cm. Risolte e fissate, l’ultimo passo consiste nel risolvere le ultime ambiguità, solitamente nella prima frequenza portante. CIR funziona allo stesso modo: si parte dalla extra wide lane z1=(a2-a3) λ=5.86m. Dopo aver risolto queste ambiguità si tenta di risolvere la combinazione wide lane: z2=(a1-a2) con λ2= 86 cm ed infine quella sulla terza ambiguità: z3=a3.

PREVISIONI DI FISSAGGIO È possibile fare previsioni sul fissaggio per basi corte o lunghe con uno o due sistemi. Si può ad esempio usare il SW chiamato VISUAL (Delft) con l’approccio geometry free. Può lavorare con le costellazioni GPS e Galileo dopo aver inserito un certo numero di parametri sulle orbite, le precisioni di segnali di codice e di fase. Abbiamo impostato queste ipotesi: il calcolo di una base GNSS di circa 20 km con due ricevitori in modalità statica. Fissata la giornata di misura: 26/06/2006 dalle 0:00 alle 24:00, cut-off di 15° e posizione: (ϕ=45° λ= 7° Est h= 300 m) Dal software abbiamo richiesto questi due parametri: c) MDB (Minimal Detectable Bias) con sole misure di codice; d) Success Rate, cioè la probabilità della determinazione corretta delle ambiguità di fase ad una certa epoca.

Abbiamo confrontato questi scenari: 1) GPS (L1+L2) così come è; 2) Galileo (E1+E5a+E5b): Open Service. 3) Le 2 costellazioni moderne ma l’uso delle sole frequenze comuni GPS (L1+L5) + Galileo (E1+E5a). Lo scenario 3) sarà la situazione più probabile per i ricevitori economici per scopi geodetici.

MBD e PREVISIONI DI FISSAGGIO Per quanto riguarda la probabilità di fissaggio il miglioramento è ancor più evidente, specie sui valori minimi che dal 60% e 90% sono sempre superiori al 99% in ogni ora del giorno.

Success Rate solo con la nuova costell. GPS (G)

Success rate con la sola costellazione Galileo (E)

MBD e PREVISIONI DI FISSAGGIO MBD: sembra in apparenza che la sinergia delle costellazioni non abbia un grande giovamento. Non è così: l’uso di entrambe migliora i valori massimi, da quasi 3m a poco meno di 2m.

MDB [metri] Min Max

G 2.126 2.772

E 1.976 2.266

G + E 1.824 1.915

Success Rate Min Max

G 0.594 0.993

E 0.898 0.999

G + E 0.994 1.000

Valori di MDB e Success Rate

Success rate con GPS+Galileo (G+E)

IL FISSAGGIO GLONASS Prima che Galileo divenga operativo e che il sistema GPS venga ammodernato, si avranno a disposizione un numero di satelliti Glonass via via sempre maggiore e di migliore tecnologia. Già attualmente i ricevitori geodetici delle principali case costruttrici acquisiscono questa costellazione. GPS e Galileo sono CDMS (Code Division Multiple Access) e consentono l’interoperabilità del segnale, Glonass è FDMA (Frequency Division Multiple Access) è interoperabile solo a livello di sistema.

I PROBLEMI NEL TRATTAMENTO DI QUESTI DATI: o nelle doppie differenze, a causa delle frequenze diverse dei satelliti, non si cancellano gli errori di orologio dei ricevitori,

o è complesso miscelare correttamente dati GPS e dati Glonass, Molti programmi commerciali ed i programmi presenti sui ricevitori RTK preferiscono risolvere separatamente i due insiemi di differenze doppie.

LE EQUAZIONI DELLE MISURE GLONASS Partiamo dalle equazioni di misura per la sola prima frequenza, (tre in futuro):

( ( ) ) ( )p p p p p p p pk k k GD k

pkkpP cdT c dt T I Tρ α λ α λ γλ= − + + ++ +

1( )p p p p p p p

k k k k k kp p pp pk k

c cdT dt I T Nϕ ρ α λ

λ λγ ω

λ= − + − + ++ +

Compaiono termini nuovi, γ ed ω . γ è il bias intercanale del ricevitore e dipende dalla frequenza del segnale ricevuto. (No in CDMA) ω è la fase iniziale dipendente dall’hardware e dalle frequenze tracciate. Per tracciare due satelliti Glonass vengono usate due diverse eterodine che hanno, in genere, sfasamenti diversi. Le case costruttrici, stanno studiando strategie per ridurre sempre più questo errore. Se si usano le differenze doppie in modo separato: GPS-GPS e Glonass-Glonass, questo termine, assume valore massimo di 1 mm, perchè tutte le frequenze R sono molto prossime e può essere trascurato.

Se se si desidera usare le equazioni di codice assieme a quelle dei codici GPS, occorre considerare che il ritardo di gruppo TGD dipende anche dall’errore di orologio inter-sistema σσσσ.... In questo modo le equazioni si possono anche scrivere:

( )p p pk

p p pk

p p pk k k k kP cdT cdt I Tρ α λσ λ γ= − + + +++

DIFFERENZE PRIME E SECONDE GLONASS p p

kmp p p p p

km km km k kP cdT I Tρ α λ γ+= − + +

1p p p p p p pkm km km km km kmp

p pkm kmf dT I T Nϕ ρ α

λγ ω+ += − − + +

Il termine pkσ si annulla se consideriamo solo differenze tra satelliti Glonass

Il modo più semplice per modellare il termine pkmγ è quello lineare con la frequenza: una parte

costante ed una seconda dipendente da f p. Le differenze seconde di fase possono scriversi:

( ) ( )1 1pq p q p q p p q q pq p pqkm km km km km km km km kmp p

f f dT I I T Nϕ ρ ρ α α γλ λ

= − − − − − + + +

Modellando così γγγγ, la sua parte costante scompare nelle differenze doppie, mentre il termine lineare con la frequenza può essere raccolto con ( )p qf f− Si ottiene così:

( ) ( )1 1pq p q p p p q q pq pqkm km km km km kmp

qkm kmp

I Id Nf f Tτϕ ρ ρ α αλ λ

− −= − − − + +

Il termine τ τ τ τ ora non rappresenta solo gli errori di orologio e dell’elettronica. Le eq. di fase, scritte in questa forma, pττττreservano ancora la natura intera delle ambiguità, ma non scompaiono, come nel caso GPS gli errori ττττ, che chiameremo ancora di orologio dei ricevitori. Le varie case costruttrici modellano ττττ in vario modo (sia in PP che in RT): i valori debbono essere determinati con precisione se si desidera che le misure di fase forniscano risultati precisi.

Glonass:Strategie per eliminare l’incognita freq. dipendente I vari SW (post processing o sul rover: real time RTK), si differenziano molto in funzione delle strategie adottate per risolvere ed eliminare questa incognita. Quattro i metodi principali: 1) utilizzare le equazioni dei codici alle differenze prime per determinare posizione ed errori di orologio dei ricevitori, o meglio i valori di kmdτ a meno di una costante. In questa prima fase il posizionamento può essere fornito anche dalla sola costellazione GPS se i satelliti Glonass sono insufficienti. Questi valori di bias vengono poi introdotti nelle differenze doppie. Svantaggio di risentire, per le fasi, della bassa precisione delle misure di codice e del loro multipath. 2) scalare tutte frequenze ad una frequenza principale, ad esempio quella L1 GPS. Se si trascurano i ritardi inter-canale e le fasi iniziali, gli errori di orologio sono apparentemente eliminati. Svantaggio: le ambiguità delle misure di fase Glonass non sono più considerabili numeri interi. 3) cancellare gli errori di orologio e preservare la natura intera delle ambiguità, usando delle lunghezze d’onda molto piccole, sottomultipli interi di ciascuna frequenza Glonass. Svantaggio: la lunghezza d’onda minima è in tal caso di 1.26mm. Il fissaggio è praticamente confinato all’interno di un gran numero di numeri interi, dipendente dalla precisione delle misure.

Glonass:Strategie per eliminare l’incognita freq. dipendente 4) Simile al primo ma iterativo, usa le differenze prime di fase per calcolare kmdτ a meno di una costante. La matrice è singolare e vengono utilizzati dei valori interi a priori per ciascuna ambiguità alle d. singole. Calcolati i parametri, le ambiguità sono poi risolte alle doppie. A ogni iterazione sono formate tutte le possibili doppie e fissate solo quelle per cui l’errore formale lo consente. Questi nuovi valori vengono riutilizzati ancora con le differenze prime per un calcolo migliore dei parametri ecc. sino a che non è possibile fissare con correttezza alcun’altra ambiguità: in tal caso, si mantiene reale.

Errori di orologio su una stazione in 24 ore di misura. Giallo= Glonass, Blu=GPS

I FUTURI RICEVITORI

Già ora vi sono ricevitori che promettono di tracciare Galileo, GPS e Glonass. es: − Topcon® ha annunciato il ricevitore G3 a 72 canali “universali” − Javad® ha annunciato un ricevitore equivalente di nome GeNiuSS; − NovAtel® ha annunciato un ricevitore in grado di tracciare due f. GPS e due Galileo, − Septentrio® il ricevitore AsteRx1 in grado di tracciare le costellazioni FDMA. − Trimble e Leica hanno annunciato la loro disponibilità. ecc.

Perché parlare dei “futuri” ricevitori? − Non esistono ancora le nuove costellazioni. − Il mercato proporrà una vasta fascia di ricevitori per 4 applicazioni.

1) i ricevitori geodetici di alta precisione, tipicamente per stazioni permanenti, 2) i ricevitori geodetici per applicazioni RTK, 3) i ricevitori per applicazioni GIS; 4) i ricevitori da includersi in ricevitori telefonici o usabili sulle autovetture.

I RICEVITORI GEODETICI DI ALTA PRECISIONE

(DA STAZIONE PERMANENTE)

È chiaro che i ricevitori più costosi e più precisi saranno in grado di tracciare le tre frequenze GPS, Glonass e le tre frequenze Galileo aperte a tutti. Tali ricevitori sono già tecnicamente disponibili sul mercato a costi, tuttavia, tre volte superiori a quelli di un ricevitore GPS geodetico. L’applicazione ideale è proprio per stazioni permanenti, L’ideale accessorio è un orologio al rubidio. Il beneficio che potrà dare alla comunità intera è l’unificazione dei tre sistemi di riferimento spazio temporali GNSS. Ovviamente saranno utilizzati ancora all’interno di reti di stazioni permanenti per il posizionamento in tempo reale.

I RICEVITORI GEODETICI RTK I ricevitori per RTK potrebbero essere più semplici ed economici. Perché? Solo GPS + Galileo. 1. Le tecniche di acquisizione di questi ricevitori a 2 costellazioni (CDMA) sono molto simili e più semplici rispetto ai ricevitori Glonass (FDMA) e i ricevitori sono molto più economici.

2. I segnali Galileo sono migliori degli attuali GPS ed in parte migliori anche di GPS ammodernato; 3. Ciascun segnale Galileo include un cosiddetto “segnale pilota” che può essere acquisito indipendentemente. Ciò ha un positivo impatto proprio nelle applicazioni RTK: in caso di perdita di contatto (cycle slip) la riacquisizione della fase, contrariamente al GPS, è pressochè immediata.

A sfavore: Le frequenze che dovrebbero tracciare sono solo 4, con due frequenze in comune: L1 con E1 e L5 con E5, ma consentirebbero di non usare schemi indiretti di tracciamento L2. (codeless o semicodeless) Altre motivazioni a favore: Le frequenze comuni, non le altre, sono riservate all’Aeronautica: sono protette; Tali bande hanno la max separazione e consentono una buona stima della ionosfera all’interno delle distanze tipiche del posizionamento RTK (che potrebbero essere aumentate a una ventina di km). Le antenne in questo caso sarebbero molto semplici da costruire. Questa strada, è seguita da Septentrio e da NovAtel con il ricevitore 15-a.

I RICEVITORI GEODETICI RTK I ricevitori 2G mantengono il vantaggio di tracciare un alto numero di satelliti, utile in città o in zone boscose. E la probabilità di fissaggio per basi di circa 20 km? È possibile fare previsioni sul fissaggio per basi corte o lunghe con uno o due sistemi. Si può ad es. usare il SW chiamato VISUAL (Delft) con l’approccio geometry free.

In rosso il success rate (>99%) per Galileo a 3F, in verde il numero di satelliti

In rosso il success rate (>99%) per 2GPS+2Galileo in verde il numero di satelliti

I risultati 3frequenze Galileo (3-GAL) e 3 frequenze GPS sono molto simili Il risultato 3 frequenze GPS e 3 Galileo è praticamente identico al risultato 2G.

I RICEVITORI “UNIVERSALI”

Perchè i ricevitori di fascia elevata sono già oggi disponibili sul mercato, mentre quelli di fascia minore, salvo due eccezioni, non sono presenti? a. Hanno costi che compensano l’alta tecnologia e il basso numero di esemplari prodotti b. Usano la tecnica di costruzione FPGA (Field Programmable Gate Array). Questa tecnica permette di costruire ricevitori il cui firmware è completamente programmabile attraverso opportuno software. Ciò consente di costruire ricevitori dotati di “generic / universal channel”, cioè di canali in grado di tracciare un generico segnale di una generica costellazione, quindi già pronto in teoria, a tracciare segnali non ancora disponibili. Ad es. il NovAtel 15-a dispone di 16 canali in tutto, ma questi canali possono essere utilizzati, a seconda del desiderio dell’utente, in cinque configurazioni diverse. Nella configurazione numero 4 ad esempio si prevedono 6 canali GPS L1, cinque per Galileo L1 e cinque per Galileo E5a.

I RICEVITORI “INTEGRATI” Una novità, non solo una tendenza, è l’inserimento in questi strumenti per RTK di accelerometri triassiali e giroscopi che rendono lo strumento un vero e proprio sistema di navigazione inerziale. Il beneficio maggiore di questa sinergia si ha quando i due tipi di misura sono strettamente accoppiati (tightly coupled). L’unità di calcolo deve essere in grado di trattare, assieme alle accelerazioni e alle velocità angolari non le posizioni, ma le osservabili grezze di fase e di codice. Solo in questo modo è possibile “ricucire” eventuali cycle slips e tener conto in maniera più fine degli errori sistematici presenti in entrambi i tipi di misura.

Verso ricevitori RTK integrati? Otteniamo migliori risultati se ci dirigiamo verso un PPK “integrato”.

Già 3 case hanno progettato nei loro ricevitori sistemi tightly coupled per il posizionamento di precisione, usando e trattando, codici, fasi GPS, accelerazioni e velocità di rotazione angolare. Si parla dell’inserimento di accelerometri triassiali addirittura in ricevitori GPS utilizzati abitualmente per autovetture.

I RICEVITORI GIS E PER TELEFONIA

GIS: Molto simili a quelli RTK, molto meno costosi perchè senza capacità di calcolo RTK, ma solo quelle necessarie a lisciare i codici o, al più, ricavare il posizionamento differenziale “float”. Sapranno tracciare entrambe le costellazioni FDMA per permettere di ricevere un ampio numero di satelliti anche in condizioni sfavorevoli, dotati al solito di un ampio schermo per visualizzare la cartografia esistente ed inserire in mappa le entità rilevate. GNSS per telefonia: (la gran parte del mercato): Inseriti nei telefoni cellulari o nelle automobili. Anche in Italia, all’Istituto Superiore Mario Boella (http://www.ismb.it/) si stanno studiando chip di dimensioni adatte ai telefonini, in grado di costare non più di 5 US$. È privilegiato Galileo, a motivo del fatto che è un sistema civile e che è dotato di un messaggio di integrità sui codici. Si useranno i codici delle due frequenze più separate.

I SISTEMI DI RIFERIMENTO E L’INTEROPERATIVITÀ:LUCI ED OMBRE

Per la piena interoperabilità serve un comune RS, implicitamente trasmesso dalle effemeridi. Purtroppo così ora non avviene.

1. Per GPS il sistema è WGS84 nella sua ultima versione G873, risalente al 1996, coerente con ITRF (International Terrestrial Reference Frame) a circa 10cm.

2. Per Glonass si utilizza ora il sistema PZ90, 3. Per Galileo è previsto un GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) come realizzazione ITRS (International Terrestrial Reference System) ed una versione europea del TAI (Temps Atomique International).

Qual’è la soluzione tecnicamente migliore? Il sistema ITRS. Realizzato e mantenuto da IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service). Attualmente l’ultima realizzazione è ITRF2005, molto simile alla precedente ITRF2000… Ma: ITRS è calcolato a partire da vari tipi di dati, non solo le misure delle stazioni permanenti GPS. Non potrà essere completamente coincidente con un sistema definito da sole misure GNSS. Galileo inoltre non potrà adottare lo stesso sistema del GPS anche per mantenere l’indipendenza. Per l’unità di tempo: Galileo System Time (GST) e GPS time saranno (purtroppo) due realizzazioni dello

stesso UTC = Universal Time Coordinated TAI (Atomic Time).

I VARI SISTEMI DI RIFERIMENTO: CONSEGUENZE Per il post processing il problema si supera con una trasformazione tra i sistemi di riferimento. Per il tempo reale: anche se gli USA, la Russia e l’UE sono interessati a rendere le effemeridi trasmesse sempre più coerenti con il sistema ITRF, rimangono delle discordanze. Per la scala dei tempi è previsto nel messaggio navigazionale delle tre costellazioni di inserire un valore di ritardo temporale ∆τ che permetta il collegamento almeno con la scala GPS. ∆τ sarà dell’ordine di 10-9s=30 cm (ok per basse precisioni) e si recupera al costo di una osservazione ad un satellite nel point positioning. Per quanto riguarda l’accoppiamento GPS e Galileo, GTRF sarà compatibile con ITRF entro 3 cm. Dello stesso ordine di grandezza (3-6 cm), si prevede la coerenza con i sistemi IGbxx o IGcxx. Nel posizionamento differenziale di precisione, i ∆τ sono praticamente eliminati e, per basi sufficientemente corte (RTK), sono insensibili anche le modeste differenze dei sistemi di riferimento. Queste discordanze sono attentamente da considerare ad esempio (in parte come note ed in parte fra le incognite) nel caso di posizionamento di precisione ad una via (Precise Point Positioning), che è

uno strumento ideale per il calcolo dei numerosi effetti sistematici.

LE STAZIONI PERMANENTI NEL NUOVO SCENARIO Le nuove stazioni multi-costellazione, rappresentano il modo di unificare i vari sistemi di riferimento. È avvenuto per il progetto IGLOS all’interno di IGS e può avvenire anche per Galileo. La IAG (International Association of Geodesy) lavora con l’IGS per lo studio delle sinergie attendibili da una rete di stazioni permanenti GNSS per il mantenimento del sistema di riferimento. I benefici apportati da reti di stazioni permanenti di questo tipo non si limitano alla sola unificazione del sistema di riferimento, ma sono numerosi e importanti. Citiamo solo quelli nuovi: − Possibilità di monitorare, quasi in tempo reale, la quantità di vapore precipitabile, grazie ai numerosi satelliti tracciabili contemporaneamente fra le tre costellazioni.

− Una conoscenza più accurata della ionosfera

− Una miglior precisione delle quote ellissoidiche

− Disponibilità di servizi “certificati” similmente al segnale ricevuto

− Possibilità di operare con nuovi tipi di posizionamento (ad es. PPP in rete)

CONCLUSIONI (1/2) Tre aspetti rivelano le strade che si percorreranno negli anni a venire: 1) Enorme interesse sull’utilizzo civile del sistema GNSS; ciascun sistema sarà molto

più preciso e dotato di almeno tre frequenze civili. Alta richiesta di servizi. 2) La forte e maggiore integrazione del sensore GNSS con altri (INS, Stazione

totale, telefonini, accelerometri ecc.) permettono l’uso in campi mai pensati. 3) Il più grande beneficio si avrà se i sistemi saranno inter-operabili.

Cosa consente l’inter operabilità è l’enorme utilizzo? Prodotti e servizi COMUNI

Cosa sono, Chi li fornisce e Cosa necessita per averli? Cosa sono: Un riferimento che unifichi gli attuali tre o più sistemi. Calcoli il sistema, definisca le coordinate e le velocità, fornisca effemeridi, moto del polo ecc. comuni a livello globale. Chi li fornisce: IGS globalmente, Euref nel continente, un’Autorità preposta in una Nazione sviluppata. Cosa necessita: Stazioni permanenti che tracciano più costellazioni, coerenti con standard IGS che forniscano ad essa dati.

CONCLUSIONI : Prodotti e servizi COMUNI Cosa sono: Un ente che fornisca servizi per DGPS, RTK, varie forme di mobilità, e-government ecc. Chi li fornisce: La dimensione opportuna per servizi di precisione sembra essere quella regionale, per ser-vizi di minor precisione (decimetrica) potrebbe essere nazionale o continentale (EGNOS) Cosa necessita: Stazioni permanenti multi costellazione, gerarchicamente coerente nell’inquadramento con gli standard globali e nazionali. Software per il calcolo, anche in tempo reale. Uffici che curino l’aspetto geodetico e l’aspetto del servizio al pubblico.

− Non spariranno le stazioni permanenti, anzi, avranno maggiore rilievo. − Dal punto di vista operativo maggiore attenzione verrà dedicata ai nuovi e multiformi servizi che sarà possibile offrire al pubblico.