SISTEMA SATELLITARE SISTEMA SATELLITARE DI TIPODI TIPOG.P.S.G.P.S.

(GLOBAL POSITION (GLOBAL POSITION SYSTEM)SYSTEM)

- INTRODUZIONE

- CENNI DI STORIA

- STRUTTURA DEL SISTEMA GPS

- COME FUNZIONA IL GPS

- CARATTERISTICHE DEL SEGNALE GPS

- PRECISIONE DEL SISTEMA GPS

- FREQUENZE UTILIZZATE NELLE TRASMISSIONI SATELLITARI

- APPLICAZIONI DEL GPS

- LIMITAZIONI E VANTAGGI DEL GPS

INTRODUZIONE :INTRODUZIONE :

SISTEMA GPS

Ricezione segnale ovunque e con qualsiesi tempo

20000 Km di altitudine

Rete di 24 satelliti GPS o NAVSTAR(Navigation Satellite with Time and Racing)

Codice,posizione,ora,velocità,direzione, tramite triangolazione

CENNI DI STORIACENNI DI STORIA

Primo lancio nel 1978

Concepito inizialmente per usi militari dal Ministero della Difesa statunitense

Fenomeno di massa grazie alla disponibilità,precisione ed economicità.

Utilizzato all’inizio anni’80 anche per scopi civili

STRUTTURA DEL STRUTTURA DEL SISTEMA GPS :SISTEMA GPS :

I SatellitiI SatellitiIl sistema di controllo a Il sistema di controllo a terraterraIl segmento utenteIl segmento utente

I SATELLITII SATELLITI

24 satelliti, 18 operativi e 6 di riserva Altezza operativa di

20183 Km, periodo di rotazione pari a 12 ore

Vita operativa di 7 anni

A bordo: orologio atomico di estrema precisione, computer di controllo, sistema di trasmissione radio ad onde ultracorte, sistema di controllo di assetto

6 orbite di rotazione: 3 satelliti operativi e uno di riserva per orbita

IL SISTEMA DI CONTROLLOIL SISTEMA DI CONTROLLOA TERRAA TERRA

Struttura: master station in Colorado, le altre stazioni di controllo sparse lungo l’equatore

Compiti stazioni: tenere sincronizzati tra loro gli orologi dei satelliti, controllare le orbite e lo “stato di salute” dei satelliti

Stazioni collegate tra loro via radio e con tutti i satelliti in orbita

IL SEGMENTO UTENTEIL SEGMENTO UTENTERicevitore di posizione dell’utilizzatore( apparecchio GPS portatile o fisso)

Al suo interno: antenna di piccole dimensioni, orologio preciso, computer di elaborazione, ricevitore radio per il segnale trasmesso dai satelliti

Segnale modulato attraverso modulazione a spettro diffuso(Spread Spectrum Modulation)

COME FUNZIONA IL GPSCOME FUNZIONA IL GPSMisura del tempo di percorrenza Misura del tempo di percorrenza del segnale trasmesso dall’antenna del segnale trasmesso dall’antenna del satellite fino all’antenna del del satellite fino all’antenna del ricevitore ricevitore

Distinzione satelliti in base al Distinzione satelliti in base al “nome” (PRN,“nome” (PRN,Pseudo Random Pseudo Random NoiseNoise)che deve essere unico ed )che deve essere unico ed inconfondibile inconfondibile

Trasmissione a terra di un messaggio,da Trasmissione a terra di un messaggio,da parte del satellite,codificato tramite il parte del satellite,codificato tramite il suo nome e contenente i dati relativi suo nome e contenente i dati relativi alle orbite dei satellitialle orbite dei satelliti

Sincronizzazione degli orologi dei Sincronizzazione degli orologi dei satelliti con l’orologio del satelliti con l’orologio del ricevitore GPS attraverso un ricevitore GPS attraverso un computer ed un computer ed un autocorrelatoreautocorrelatoreinterni al ricevitoreinterni al ricevitore

CARATTERISTICHE DEL CARATTERISTICHE DEL SEGNALE GPSSEGNALE GPS

Trasmissione continua da parte dei satelliti di due Trasmissione continua da parte dei satelliti di due portanti a radiofrequenza :portanti a radiofrequenza :

portante L1,a 1575 portante L1,a 1575 MHzMHz,che ,che trasporta il segnale per la trasporta il segnale per la localizzazione grossolana

portante L2,a 1228 portante L2,a 1228 MHzMHz,che ,che trasporta il segnale per la trasporta il segnale per la localizzazione di precisionelocalizzazione grossolana localizzazione di precisione

Modulazione in fase delle due portanti attraverso tre Modulazione in fase delle due portanti attraverso tre diversi codici :diversi codici :

quello che trasporta i quello che trasporta i dati relativi alla dati relativi alla navigazione e altri navigazione e altri parametri di sistema

codice C/A per la codice C/A per la localizzazione localizzazione grossolana

codice P per la codice P per la localizzazione localizzazione di precisionegrossolana di precisione parametri di sistema

PRECISIONE DEL SISTEMA PRECISIONE DEL SISTEMA SATELLITARE GPSSATELLITARE GPS

Sistema molto affidabile e preciso ma non esente da Sistema molto affidabile e preciso ma non esente da errori, dovuti principalmente :errori, dovuti principalmente :

alla distanza angolare alla distanza angolare in cui si trovano i in cui si trovano i satelliti rispetto al satelliti rispetto al ricevitore

ai cambiamenti di ai cambiamenti di rotta dei satelliti,alla rotta dei satelliti,alla ricezione dei dati,alla ricezione dei dati,alla misurazione del misurazione del tempo tempo ecc

alle perturbazioni alle perturbazioni ionosferiche ionosferiche e e troposferichetroposferiche

ricevitoreecc

25 metri in 25 metri in orizzontale, (che orizzontale, (che equivale circa a un equivale circa a un secondo d’arco),e 5 secondo d’arco),e 5 metri in verticale

Precisione comunque buonaPrecisione comunque buona

metri in verticale

FREQUENZE UTILIZZATE FREQUENZE UTILIZZATE NELLE TRASMISSIONI GPSNELLE TRASMISSIONI GPS

Bande di frequenza riservate alle comunicazioni via Bande di frequenza riservate alle comunicazioni via satellite :satellite :

banda L banda L 11--2,4 2,4 GHzGHz

banda S banda S 2,52,5--3,5 3,5 GHzGHz

banda C banda C 3,63,6--7,2 7,2 GHzGHz

banda X banda X 88--10 10 GHzGHz

banda banda Ku Ku 1010--19 19 GHzGHz

banda K banda K 1818--26 26 GHzGHz

Banda Banda KaKa2626--40 40 GHzGHz

Divisione di ogni banda di frequenza in 2 Divisione di ogni banda di frequenza in 2 semibande semibande ::

uplinkuplink comunicazione comunicazione da terra verso da terra verso il satelliteil satellite

downlinkdownlink comunicazione comunicazione dal satellite dal satellite verso terraverso terra

Posizionamento Posizionamento di veicolidi veicoli

Sistemi di sincronizzazioneSistemi di sincronizzazione

Misurazioni geodetiche e topograficheMisurazioni geodetiche e topografiche

Tracciamento di veicoli o personeTracciamento di veicoli o persone

Usi scientifici e usi variUsi scientifici e usi vari

POSIZIONAMENTO DI POSIZIONAMENTO DI VEICOLIVEICOLI

Principio di Principio di localizzazione,(ricezione localizzazione,(ricezione ed elaborazione del ed elaborazione del segnale GPS) + segnale GPS) + presentazione presentazione cartografica = sistemi di cartografica = sistemi di navigazioni per le navigazioni per le automobiliautomobili

Strumenti : apparato elettronico per la Strumenti : apparato elettronico per la ricezione del GPS munito di un’antenna ricezione del GPS munito di un’antenna nascosta o integrata nella vettura e di un nascosta o integrata nella vettura e di un CDCD--ROM,contenente tutte le informazioni ROM,contenente tutte le informazioni relative alla zona in cui ci si trova , relative alla zona in cui ci si trova , display display grafico nell’abitacolo per la grafico nell’abitacolo per la visualizzazione delle informazionivisualizzazione delle informazioni

Possibilità,per il Possibilità,per il guidatore,di indicare guidatore,di indicare la destinazione che la destinazione che vuole raggiungere e vuole raggiungere e il sistema lo guiderà il sistema lo guiderà lungo la strada lungo la strada miglioremigliore

SISTEMI DI SISTEMI DI SINCRONIZZAZIONESINCRONIZZAZIONE

Ricezione da parte del ricevitore GPS Ricezione da parte del ricevitore GPS di un segnale orario molto preciso, di un segnale orario molto preciso, oltre alle informazioni sulla posizioneoltre alle informazioni sulla posizione

Grande applicazione del GPS: Grande applicazione del GPS: fornire un fornire un clock clock di sistema di sistema molto preciso e affidabile a molto preciso e affidabile a tutte quelle apparecchiature tutte quelle apparecchiature che devono lavorare in modo che devono lavorare in modo sincrono tra loro, come le reti sincrono tra loro, come le reti di telecomunicazionedi telecomunicazione

Precisione intrinseca Precisione intrinseca dell’orologio GPS = dell’orologio GPS = 100 100 nsecnsec

MISURAZIONI GEODETICHE MISURAZIONI GEODETICHE E TOPOGRAFICHEE TOPOGRAFICHE

GPS utilizzato per GPS utilizzato per ogni tipo di ogni tipo di misurazioni misurazioni geodetiche, dalla geodetiche, dalla misura della deriva misura della deriva dei continenti, dei continenti, all’altezza dei all’altezza dei monti….,in topografia monti….,in topografia e nel rilievo e nel rilievo ambientale in ambientale in generalegenerale

TRACCIAMENTO DI TRACCIAMENTO DI VEICOLI O PERSONEVEICOLI O PERSONE

Tracciamento di veicoli o Tracciamento di veicoli o persone tramite GPS a scopo persone tramite GPS a scopo di soccorso, di antifurto o di soccorso, di antifurto o antirapina antirapina o a scopi di o a scopi di controllo a distanza di flotte controllo a distanza di flotte di veicoli o di convogli di veicoli o di convogli ferroviariferroviari

Utilizzo del GPS unitamente ad un Utilizzo del GPS unitamente ad un sistema di trasmissione (radio o telefono sistema di trasmissione (radio o telefono cellulare) : trasmissione del segnale di cellulare) : trasmissione del segnale di posizionamento posizionamento GPS, ricevuto dal mezzo GPS, ricevuto dal mezzo mobile, ad una centrale operativa che mobile, ad una centrale operativa che visualizza la posizione del mezzo su un PC visualizza la posizione del mezzo su un PC dotato di cartografia elettronicadotato di cartografia elettronica

USI SCIENTIFICI E USI USI SCIENTIFICI E USI VARIVARI

GPS utilizzato, in unione GPS utilizzato, in unione a sistemi di trasmissione a sistemi di trasmissione o acquisizione dati per o acquisizione dati per monitorare monitorare le migrazioni le migrazioni di grossi mammiferi di grossi mammiferi selvatici, per misurare il selvatici, per misurare il moto delle correnti moto delle correnti marine e dei venti…,e marine e dei venti…,e anche per divertimento anche per divertimento (esiste una”caccia al (esiste una”caccia al tesoro”internazionale, tesoro”internazionale, guidata tramite guidata tramite internetinternet))

LIMITAZIONI E LIMITAZIONI E VANTAGGI DEL GPSVANTAGGI DEL GPS

Costi stabiliCosti stabili

Elevata velocità Elevata velocità di trasmissionedi trasmissione

InterferenzaInterferenza

DiffusioneDiffusioneDimensioni Dimensioni delle delle stazioni di stazioni di terra

Basso tasso Basso tasso di erroredi errore AffidabilitàAffidabilitàterra

Ritardo di Ritardo di segnalesegnale

SISTEMA DI RILEVAMENTO SATELLITARE DELLA POSIZIONE

1. Introduzione 2. Cenni di storia

3. Struttura del sistema GPS 4. Come funziona il GPS

5. Caratteristiche del sistema GPS 6. Precisione del sistema GPS

7. Frequenze utilizzate nelle trasmissioni satellitari 8. Applicazioni del sistema NAVSTAR GPS 9. Limitazioni e vantaggi del sistema GPS

Tesina di: Barbi Martina Istituto Superiore Statale “G.Galilei”Mirandola (MO) Sezione tecnico- indirizzo elettronica e telecomunicazioni Classe 5C Anno Scolastico 2003/04

1. Introduzione Il GPS (Global Position System) è un sistema di individuazione della posizione basato su una rete di 24 satelliti a circa 20.000 Km di altitudine e in sei diverse rotte orbitali. I satelliti sono in continuo movimento e compiono due orbite complete intorno alla Terra in 24 ore. I satelliti GPS sono anche conosciuti come satelliti NAVSTAR(Navigation Satellite With Time And Racing) e furono originalmente concepiti per uso militare. Il primo di essi fu lanciato nel 1978; all’inizio degli anni’80 fu deciso di permetterne l’utilizzo anche per usi civili. La rotta orbitale di questi satelliti permette la ricezione del segnale ovunque nel Mondo in ogni momento e con qualsiasi tempo atmosferico. Ogni satellite GPS trasmette in continuazione tre informazioni: il proprio codice,la posizione e l’ora. Un ricevitore GPS comparando i dati trasmessi da almeno tre satelliti, (triangolazione), è in grado di definire la latitudine e la longitudine della propria posizione, oltre all’ora, alla velocità e alla direzione in cui si sta muovendo. Vari fattori possono influire sulla precisione del sistema GPS degradandone la precisione fino a circa 15 metri, ad esempio la geometria della posizione dei satelliti nel momento della rivelazione. Nel caso che i satelliti usati dal ricevitore per la triangolazione si trovino distribuiti più o meno equamente rispetto ai quattro punti cardinali la precisione sarà molto elevata; in caso contrario,ad esempio se i satelliti usati sono ravvicinati in una posizione, la precisione sarà bassa. La precisione dei satelliti è anche influenzata da ostacoli fisici come montagne e foreste, o, nelle città, da alte costruzioni che possono bloccare la ricezione del segnale. 2. Cenni di storia Gli amanti del mare già da qualche anno sembra non possano più farne a meno, ma le applicazioni del sistema GPS sono sempre più numerose anche nel settore automobilistico, per localizzare la posizione dei veicoli, e nelle telecomunicazioni, per sincronizzare temporalmente gli apparati appartenenti a una stessa rete. Il sistema di posizionamento GPS (Global Position System), noto anche con il nome di NAVSTAR, fu concepito dal Ministero della Difesa statunitense come mezzo universale per determinare con ottima precisione il punto esatto in cui un ricevitore si trova sulla Terra e per ottenere un’indicazione oraria molto precisa. Le applicazioni del sistema GPS non sono limitate al campo militare, ma sono disponibili a tutti anche per uso civile, seppure con qualche limitazione nella precisione ottenibile nelle misure.

La disponibilità del segnale GPS 24 ore su 24 in ogni angolo del globo e la progressiva riduzione dei costi dei ricevitori hanno trasformato il sistema GPS addirittura in un fenomeno di massa, soprattutto nel settore della navigazione marina. Sebbene le applicazioni marine siano quelle più visibili a tutti, ne sono possibili molte altre, soprattutto nel settore automobilistico e in quello delle telecomunicazioni. Infatti, la conoscenza della posizione esatta di un veicolo è il primo passo fondamentale per realizzare sistemi di allarme e gestione flotte molto sofisticati, nonché una serie di prodotti di ausilio alla guida, generalmente realizzati accoppiando un ricevitore GPS a un sistema di elaborazione di carte stradali digitalizzate e consultate in tempo reale dal guidatore. Nelle reti di telecomunicazione, grazie alla disponibilità del segnale GPS in ogni punto del pianeta, è possibile ricavare localmente un segnale di clock che sia sincronizzato a quello generato localmente in altre località non collegate direttamente, ma che ricavano anch’esse il segnale di sincronismo dai satelliti GPS. 3. Struttura del sistema GPS Il sistema GPS si compone di tre parti, dette segmenti: • i satelliti • il sistema di controllo a terra • il segmento utente 3.1 I satelliti La costellazione di satelliti GPS è composta da 24 satelliti, 18 operativi e 6 di riserva (in realtà i satelliti operativi in orbita possono essere fino a 32) Il numero massimo di 32 satelliti è legato alla posizione dei satelliti nelle orbite e al tipo di codifica di trasmissione dei dati. I satelliti sono disposti su sei orbite, inclinate di 55° rispetto all'equatore. Su ogni orbita sono quindi disposti tre satelliti operativi e un satellite di riserva (4 satelliti x 6 orbite = 24 satelliti) I satelliti orbitano ad un'altezza operativa di 20183 Km da terra (in realtà l'altezza varia da 18000 a 22000 Km) e il loro periodo di rotazione è pari esattamente alla metà del giorno siderale (12 ore). In realtà la durata del giorno siderale non corrisponde esattamente alla durata del giorno misurato secondo il Tempo Internazionale Coordinato (UTC) e quindi, nell'arco delle 24 ore (misurate dai nostri orologi) i satelliti compiono due orbite non completamente intere. Ciò significa che, ogni giorno, ad una determinata ora, in un determinato punto della Terra, non saranno visibili sempre gli stessi satelliti, con la stessa disposizione nello spazio. I satelliti sono stati concepiti per avere una vita operativa di sette anni; a quasi 30

anni circa dai primi lanci sono ancora operativi alcuni vecchi satelliti, ecco perché i satelliti utilizzabili possono essere più di 24. Il sistema GPS è diventato completamente operativo nel 1994, quando sono diventati funzionanti i 24 satelliti previsti dalle specifiche di sistema; esso viene mantenuto in ordine con il lancio di nuovi satelliti che sostituiscono i vecchi, guasti od obsoleti. Ogni satellite porta a bordo: • un orologio atomico d'estrema precisione (che è alla base del sistema). • un computer di controllo. • un sistema di trasmissione radio ad onde ultracorte. • un sistema di controllo di assetto. 3.2 Il sistema di controllo a terra Il sistema GPS richiede l'esistenza di una serie di centrali di controllo a terra. La master station si trova nel Colorado (USA); le altre stazioni si trovano sparse lungo l'equatore, in modo da potersi collegare con tutti i satelliti in orbita. Tutte le stazioni di controllo sono collegate tra loro via radio. I compiti delle stazioni di controllo sono: • tenere sincronizzati tra loro gli orologi atomici dei satelliti. • tenere sotto controllo le orbite dei satelliti. • controllare lo "stato di salute" (guasti, malfunzionamenti) dei satelliti. La sincronizzazione degli orologi atomici dei satelliti consiste esclusivamente nel controllare quali sono le differenze temporali tra gli orologi dei vari satelliti (ad es: annotare che l'orologio del satellite 1 ha un ritardo di 2,1 miliardesimi di secondo rispetto a quello del satellite 3 etc.) Le orbite dei satelliti sono periodicamente controllate, in quanto è fondamentale per il funzionamento del sistema che le orbite siano esattamente conosciute e trasmesse all'utente a terra. Se l'orbita di progetto del satellite varia (a causa delle attrazioni della luna, a causa del vento solare o per altri motivi..), la stazione di controllo invia un segnale di correzione al satellite, che mette in moto i suoi motori di assetto e si riporta nell'orbita giusta. I satelliti possono guastarsi o avere malfunzionamenti; per assicurare un funzionamento "certo" del sistema, le stazioni di controllo monitorano lo "stato di salute" dei satelliti ed escludono dal sistema (temporaneamente o per sempre) i satelliti che mostrano malfunzionamenti. 3.3 Il segmento utente Il terzo segmento del sistema è il segmento utente, che è rappresentato dal ricevitore di posizione dell'utilizzatore (= apparecchio GPS portatile o fisso), completo di antenna. Essendo il GPS un sistema che basa il suo funzionamento sulla misura del tempo, il ricevitore dell'utente sarà collegato ad un'antenna (di piccole dimensioni) e avrà al

suo interno un orologio preciso (ovviamente), un computer di elaborazione (il segnale radio ha bisogno di una decodifica particolare per essere utilizzato) e un semplice ricevitore radio per il segnale trasmesso dai satelliti. Il sistema di trasmissione radio dei satelliti GPS è un sistema militare e quindi il tipo di modulazione del segnale è una modulazione a spettro diffuso (Spread Spectrum Modulation). Questo tipo di modulazione fa sì che il segnale trasmesso si confonda con il rumore di fondo elettromagnetico e quindi sia difficilmente captabile da chi non possieda gli apparati appositi e sia difficilmente disturbabile. 4. Come funziona il GPS Il funzionamento del sistema GPS è (relativamente) semplice e si basa sulla misura del tempo di percorrenza del segnale trasmesso dall'antenna del satellite fino all'antenna del ricevitore utente a terra. Innanzitutto ogni satellite ha un proprio nome (chiamato: PRN). Il "nome" (= la sequenza in codice che caratterizza ogni satellite) è unico ed inconfondibile e ogni satellite può portare uno solo dei 32 "nomi" consentiti dal sistema. I "nomi" (codici di identificazione) sono sempre gli stessi per i satelliti in orbita e ogniqualvolta un satellite esce definitivamente dalla costellazione al termine della sua vita utile, il satellite che viene messo in orbita in sostituzione "eredita" il suo nome. Ogni satellite trasmette a terra un messaggio, codificato tramite il suo "nome"; questo messaggio, chiamato almanacco contiene i dati relativi alle orbite dei satelliti (effemeridi) ed altri dati caratterizzanti il satellite (tempo della settimana GPS, stato del satellite ecc.). Ricordiamo qui che ogni satellite ha, a bordo, un accuratissimo orologio atomico, sincronizzato agli orologi di tutti gli altri satelliti tramite i segnali elaborati dai centri di controllo a terra. Il ricevitore GPS(qualsiasi ricevitore GPS) ha - al suo interno - un orologio preciso (non così preciso come un orologio atomico, in quanto è un comune orologio elettronico al quarzo). Riuscendo a sincronizzare l'orologio atomico di un satellite con l'orologio contenuto all'interno del ricevitore GPS ottengo che: • il ritardo di sincronizzazione tra l'orologio del satellite e l'orologio del ricevitore GPS mi dà il tempo di percorrenza del segnale dall'antenna del satellite all'antenna del ricevitore GPS a terra. Moltiplicando questo tempo per la velocità delle onde elettromagnetiche e della luce nel vuoto (la costante c della famosa equazione di Einstein: E=mc2) che all'incirca è uguale a 300000 Km/sec, ottengo la distanza del satellite dal ricevitore a terra. Non tutto il percorso delle onde radio si compie nel vuoto; gli ultimi chilometri si compiono nella ionosfera e nella troposfera. Ciò è causa di un errore, che comunque è prevedibile e modellizzabile.

Se io conosco anche i dati dell'orbita del satellite (cioè conosco in maniera approssimata in quale punto dello spazio si trova il satellite), io posso ricavare la posizione esatta dell'antenna del mio ricevitore GPS rispetto al centro di massa della Terra (tutti i satelliti orbitano intorno al centro di massa della Terra). Con una semplice operazione trigonometrica (compiuta dal computer interno ad ogni ricevitore GPS) è possibile spostare il posizionamento dal centro alla superficie della Terra. Questa misura, riferita ad un solo satellite, mi darebbe un errore di posizionamento grossolano, pari a qualche centinaio di chilometri; se però io ripeto la misura su più satelliti (almeno tre per un posizionamento su latitudine e longitudine, almeno quattro se voglio conoscere anche la quota del punto in cui mi trovo) ottengo la mia posizione con un errore di circa una decina di metri. Come faccio a sincronizzare gli orologi dei satelliti con l'orologio del ricevitore GPS? L'operazione viene compiuta con i seguenti passi: • il computer interno al ricevitore GPS genera di continuo delle copie dei "nomi" dei satelliti. • il segnale ricevuto dallo spazio viene captato dall'antenna del ricevitore GPS, "ripulito" e fatto passare in un blocco funzionale (interno al ricevitore GPS), chiamato autocorrelatore. • l'autocorrelatore confronta i "nomi" dei satelliti generati dal computer interno del ricevitore GPS con i "nomi" dei satelliti captati dall'antenna del ricevitore stesso. Quando due dei nomi coincidono (= sono costituiti dallo stesso blocco di codice) il computer del ricevitore GPS dice all'orologio interno di marcare il tempo. • il tempo marcato dall'orologio del ricevitore (= il tempo impiegato dall'autocorrelatore per riconoscere che i due codici - quello satellitare e quello generato dal ricevitore - sono uguali) indica che è stata effettuata una sincronizzazione tra l'orologio del satellite e l'orologio del ricevitore ed equivale al tempo di percorrenza del segnale dall'antenna del satellite all'antenna del ricevitore a terra. 5. Caratteristiche del segnale GPS Ciascuno dei satelliti in orbita trasmette in continuazione due portanti a radiofrequenza:

- la portante L1, a 1575,42 MHz, che trasporta il segnale per la localizzazione grossolana (“coarse acquisition”) e il segnale di tempo; - la portante L2,a 1227,60 MHz, che trasporta il segnale per la localizzazione di precisione. Le due portanti sono modulate in fase utilizzando tre diversi codici pseudo-casuali (PRN, Pseudo Random Noise): - il codice C/A, che serve per la localizzazione grossolana; - il codice P, che serve per la localizzazione di precisione; - quello che trasporta i dati relativi alla navigazione, cioè quei bit che descrivono

l’orbita del satellite, le correzioni al suo segnale di clock e altri parametri di sistema.

Il codice comune di acquisizione dati (C/A) ha una frequenza di 1023MHz, un periodo di un millisecondo (ms) ed è usato principalmente per l’acquisizione del codice P. Il codice di precisione (P) ha una velocità di lavoro di 10.23 MHz, un periodo di sette giorni ed è il principale codice variabile di navigazione. Il C/A è disponibile sulla frequenza L1 ed il P-code è disponibile invece sia su L1 che su L2. I vari satelliti trasmettono sulle stesse frequenze, L1 e L2, ma con un singolo codice di individuazione, il PRN ,come sopra detto, il quale viene modulato usando la tecnica BPSK (Binary Phase Shift Keying). Ciascun satellite emette un segnale di navigazione contenente gli elementi della sua orbita, informazioni sul funzionamento dell’orologio, sul sistema temporale e sul suo stato. Inoltre, è provvisto anche di un elenco che fornisce i dati approssimativi per ogni satellite, il quale permette all’utente di trovare tutti i satelliti dopo averne localizzato uno. 6. Precisione del sistema GPS Il sistema GPS è un sistema molto affidabile e preciso, ma naturalmente non è esente da errori. Innanzi tutto la precisione dipende dalla distanza angolare in cui si trovano i satelliti rispetto al ricevitore, in quanto non essendo geostazionari cambiano continuamente le loro posizioni e la loro presenza nella parte visibile di cielo. Inoltre ci sono gli errori dovuti alle perturbazioni ionosferiche e troposferiche che i segnali inviati dai satelliti subiscono nell’attraversare l’atmosfera. Vi sono poi errori dovuti ai cambiamenti di rotta dei satelliti, alla ricezione dei dati (rumore nel segnale), alla misurazione del tempo, ai componenti interni del nostro ricevitore e alle sue caratteristiche di funzionamento, ecc. Si tratta di errori piccoli, all’origine, ma che possono far sentire il loro peso nei dati finali. La precisione che si ricava è comunque buona: migliore di 25 metri in orizzontale, che alle nostre latitudini equivale più o meno ad un secondo (1”) d’arco (più

precisamente 1” di latitudine corrisponde a circa 31 metri e 1” di longitudine corrisponde a circa 22 metri) e di 5 metri in verticale. Con opportuni accorgimenti e utilizzando il codice di precisione il GPS può essere molto preciso (addirittura la precisione di un metro) e utilizzato anche per determinazioni geodetiche, altrimenti lascia un po’ a desiderare. In pratica, però, i dati ricavati dai satelliti sono comunque sufficientemente precisi per la maggior parte degli usi civili, e l’errore indotto non dovrebbe far superare mai i 100 metri orizzontali e i 150 metri verticali.

7. Frequenze utilizzate nelle trasmissioni satellitari

Alle comunicazioni satellitari sono riservate alcune bande di frequenza, allocate nello spettro di frequenza superiore rispetto alle frequenze VHF e UHF (per esempio, quelle della radio e della televisione). Bande di frequenza riservate ai sistemi satellitari sono: Banda L 1-2,4 GHz (Sistemi Iridium, Odyssey, Globalstar, GPS) Banda S 2,5-3,5 GHz (Sistemi, Odyssey, Globalstar) Banda C 3,6-7,2 GHz (Sistemi Globalstar) Banda X 8-10 GHz (Uso militare) Banda Ku 10-19 GHz (Sistemi Intelsat) Banda K 18-26 GHz (Uso commerciale) Banda Ka 26-40 GHz (Sistemi Italsat, Iridium, Odyssey, Teledesic) Ogni porzione di frequenza destinata a questo uso è divisa in due semibande separate, una per la comunicazione da terra verso il satellite (uplink), l’altra per la comunicazione dal satellite verso terra (downlink). Questa separazione è tipica dei sistemi satellitari per evitare che i segnali trasmessi dal satellite verso terra possano disturbare segnali ricevuti a bordo e pregiudicare le operazioni del satellite stesso. Le frequenze di uplink assegnate dalla ITU (International Telecommunicatio Unit) alle comunicazioni via satellite sono leggermente più elevate rispetto a quelle di downlink perché, dato che, a parità di distanza, a frequenze maggiori è richiesta una maggiore potenza in trasmissione, è più semplice generare potenza RF (in radiofrequenza) in una stazione a terra piuttosto che a bordo del satellite, dove il peso e la potenza sono necessariamente limitati. La potenza di un amplificatore usato in una stazione di terra è dalle 10 alle 100 volte superiore a quella di un amplificatore a bordo del satellite. Anche per questi aspetti, le bande maggiormente sfruttate sono quelle a frequenze inferiori (banda L, S e C). Attualmente, grazie ai progressi tecnologici, le bande utilizzate per le trasmissioni tra terminali di terra e satelliti dai sistemi odierni e in fase di attivazione sono quelle a frequenze superiori, in particolare la Ka, molto ampia e non condivisa con altri servizi terrestri.

La banda Ka è ritenuta una delle chiavi tecnologiche vincenti del satellite multimediale e per le comunicazioni personali. I problemi di propagazione che hanno limitato l’uso di tale banda a causa del disturbo rappresentato dall’atmosfera (circa 20 GHz) possono oggi essere risolti grazie a percorsi alternativi che aggirino il maltempo o attenuati grazie alla maggiore direzionalità delle antenne attuali.

8. Applicazioni del sistema NAVSTAR GPS

8.1 Posizionamento di veicoli: La funzione principe del sistema GPS è di identificare univocamente la posizione del ricevitore. Le prime applicazioni del sistema GPS sono state nel settore della navigazione. Il progresso della microelettronica ha permesso di realizzare ricevitori che anche i dipartisti si possono permettere, senza spendere un capitale. I sistemi per la navigazione marina sono spesso predisposti anche per la ricezione e l’elaborazione del segnale GPS differenziale emesso dalle stazioni fisse costiere esistenti in molte nazioni. Lo stesso principio della localizzazione unito alla presentazione cartografica è alla base anche dei sistemi di navigazione pensati per le automobili, attualmente offerti come opzione su alcune vetture di prestigio, ma che molti credono possano diventare un mercato di massa nei prossimi anni. Tutte le maggiori case automobilistiche e i loro fornitori di componentistica sono attualmente impegnati nello sviluppo di sistemi di navigazione di nuova generazione, che siano più economici e con i quali si possa creare un completo sistema di “assistenza” al guidatore e ai passeggeri. Infatti, il guidatore automobilistico più che alla semplice informazione istantanea sulla sua posizione, è interessato a conoscere la via da percorrere per arrivare al meglio alla sua destinazione finale, nonché conoscere eventualmente altre informazioni sull’ambiente circostante, ad esempio a che distanza è il successivo distributore di carburante oppure dove si trova la pizzeria più vicina. I sistemi di navigazione per auto, quindi, sono generalmente più complessi di quelli per barche, non tanto nella tecnica di ricezione del segnale GPS, ma nella presentazione e integrazione del dato misurato con tutta una serie di informazioni supplementari.

Attualmente tutti i sistemi di navigazione per auto utilizzano un apparato elettronico per la ricezione del sistema GPS che, oltre all’antenna nascosta o integrata nella vettura, dispone di un lettore di CD-ROM. Generalmente installato nel vano bagagli, il CD-ROM contiene tutte le informazioni cartografiche e di contorno relative alla zona in cui si trova. Le informazioni per il guidatore vengono riportate su un display grafico nell’abitacolo ed eventualmente ripetute tramite un sintetizzatore vocale per non distogliere l’attenzione del guidatore dalla strada. Per raggiungere un elevato grado di precisione e affidabilità anche nei centri urbani, dove talvolta la ricezione del segnale GPS è ostacolata dalla presenza di edifici alti nei dintorni, i sistemi di navigazione per auto usano anche dei sensori odometrici e dei giroscopi per stimare con più precisione la posizione esatta del veicolo. Il guidatore ha la possibilità di indicare la destinazione che vuole raggiungere e il sistema lo guiderà istante per istante lungo la strada migliore. 8.2 Sistemi di sincronizzazione Oltre alle informazioni sulla posizione, un ricevitore GPS dal satellite ricava un segnale orario molto preciso e, soprattutto, garantito e disponibile in tutto il mondo. Ne consegue che l’altra grande applicazione del sistema GPS è quella di fornire un clock di sistema molto affidabile e preciso a tutte quelle apparecchiature che devono lavorare in modo sincrono tra loro, come moltissime reti di comunicazione. Alcune aziende si sono specializzate nella realizzazione di ricevitori GPS che forniscono in uscita non la loro posizione, che in genere è nota negli impianti fissi, ma un precisissimo segnale di clock che viene sincronizzato automaticamente con quello del satellite, a sua volta generato da degli orologi atomici che vengono corretti periodicamente dal centro di controllo del sistema GPS. La precisione intrinseca dell’orologio GPS è di circa 100 ns per cui un opportuno modulo ricevitore GPS può costituire un ottimo metodo per mantenere accurati gli orologi primari usati nelle reti di sincronizzazione. 8.3 Misurazioni geodetiche e topografiche Il GPS può essere usato con profitto per ogni tipo di misurazioni geodetiche, dalla misura della deriva dei continenti, all’altezza dei monti.. Proficuo è anche il suo uso in topografia e nel rilievo ambientale in generale. L’utilizzo del sistema GPS in questo tipo di applicazioni impone di correggere l’errore cospicuo di posizionamento con tecniche particolari di DGPS (= GPS Differenziale) che riducono l’errore di posizionamento ad alcuni centimetri o, addirittura, ad alcuni millimetri. 8.4 Tracciamento di veicoli o di persone

Una applicazione che sta prendendo sempre più piede è quella del tracciamento di veicoli o persone tramite GPS a scopo di soccorso, di antifurto o antirapina o a scopi di controllo a distanza di flotte di veicoli o di convogli ferroviari. Questa tecnica implica l’utilizzo del GPS insieme ad un sistema di trasmissione (radio o telefono cellulare). Il segnale di posizionamento GPS, ricevuto dal mezzo mobile, viene trasmesso (tramite GSM, ad es..) ad una centrale operativa che visualizza la posizione del mezzo su un PC dotato di cartografia elettronica. Applicazioni del sistema di tracciamento GPS si trovano anche nelle flotte di mezzi pubblici (autobus, ad es..) 8.5 Usi scientifici e usi vari Nell’ambito delle applicazioni scientifiche i ricevitori GPS possono essere usati, in unione a sistemi di trasmissione o acquisizione dati, per monitorare le migrazioni di grossi mammiferi selvatici, per misurare il moto delle correnti marine e dei venti.. Il GPS può essere anche usato per divertimento: esiste “una caccia al tesoro” internazionale, guidata tramite Internet, i cui concorrenti debbono trovare oggetti nascosti dei quali si conoscono le coordinate del nascondiglio. 9. Limitazioni e vantaggi del sistema GPS Le comunicazioni satellitari hanno alcune caratteristiche uniche che le distinguono dalle altre tecnologie di telecomunicazioni. In molti casi, la recente evoluzione da “prima” a “seconda” generazione, ha modificato significativamente il divario tra reti “di terra” e satellitari. In particolare il sistema satellitare presenta i seguenti vantaggi e svantaggi: ---- ccoossttii ssttaabbiillii: il costo di trasmissione attraverso un satellite è lo stesso indipendentemente dalla distanza tra le stazioni trasmittente e ricevente. In aggiunta, tutti i segnali satellitari sono irradiati (broadcast), quindi il costo di una trasmissione satellitare rimane il medesimo, indipendentemente dal numero di stazioni che ricevono quella trasmissione. ---- eelleevvaattaa vveelloocciittàà ddii ttrraassmmiissssiioonnee: la trasmissione satellitare sfrutta una banda molto larga di frequenze, quindi di grande capacità, cui si affiancano oggi algoritmi di compressione più potenti. -- ddiiffffuussiioonnee: un sistema via satellite raggiunge con il proprio segnale chiunque sia posizionato all’interno dell’area di copertura e che sia dotato di un terminale adatto. In pratica, con il lancio di un solo satellite si servono potenzialmente tutti gli utenti che sono illuminati dalle sue antenne di bordo. Questo è estremamente vantaggioso per la realizzazione di connessioni in tempi rapidi e a basso costo in aree dove le reti tradizionali non sono ancora ben distribuite sul territorio.

-- aaffffiiddaabbiilliittàà: in caso di disastri naturali e non (conflitti bellici) l’affidabilità è molto importante in una rete di telecomunicazioni. Le comunicazioni via satellite, grazie alla sicurezza di avere il proprio mezzo trasmissivo nello spazio, sono insensibili ai disastri e garantiscono le comunicazioni, in particolare quelle di emergenza, in ogni situazione. ---- bbaassssoo ttaassssoo ddii eerrrroorree: gli errori sui bit trasmessi in un canale satellitare sono distribuiti in modo casuale; questo permette di applicare con successo algoritmi statistici per il riconoscimento e la correzione d’errore in maniera efficiente e affidabile. -- rriittaarrddoo ddii sseeggnnaallee: la grande distanza tra la terra e i satelliti in orbita geostazionaria (fino a 36 mila Km) implica un ritardo di propagazione di circa 250 ms. Questo ritardo è distintivamente percepibile nelle comunicazioni vocali. L’utilizzo di orbite circolari più basse ha ridotto notevolmente l’inconveniente, che diviene trascurabile con l’applicazione delle più recenti tecniche di trasmissione. -- ddiimmeennssiioonnii ddeellllee ssttaazziioonnee ddii tteerrrraa: al diminuire delle distanze tra satellite e terra è possibile diminuire proporzionalmente la potenza delle stazioni di terra. Oggi si possono cosi utilizzare antenne e terminali più piccoli, con consumo ridotto e più facili da installare. -- ll’’iinntteerrffeerreennzzaa: nei sistemi in uso finora, la banda di frequenze utilizzate è molto sensibile al cattivo tempo e all’interferenza di segnali a microonde utilizzate a livello terrestre, specialmente in are densamente popolate.