satelliti per la navigazione

Missione Galileo

GNSS e GPS: tutto ciò che c'è da sapere

Storia dei satellitida navigazione

Come funzionano?

Cosa sono i satelliti?

Indice

I satelliti artificiali sono degli apparecchi realizzati per sopperire a varie necessità, e vengono messi in orbita intorno alla Terra o ad altri pianeti.I satelliti per la navigazione fanno parte della categoria dei satelliti scientifici, in quanto i satelliti applicativi hanno scopi militari e/o commerciali.Per far sì che il satellite orbiti intorno al corpo celeste bisogna usare questa formula, secondo la quale la forza centrifuga (che allontana il satellite) e quella gravitazionale (che lo attira) devono equivalersi:

s. m. [dal lat. satelles -lĭtis, con il sign. 1 a, trasferito all’ambito astronomico da J. Kepler (1610)].

satèllite

I quattro satelliti infatti svolgono ognuno funzioni diverse: calcolo di altitudine, longitudine, latitudine e della quantità di tempo impiegato per raggiungere il ricevitore.Ogni satellite si contraddistingue con una sorta di codice, il ricevitore ha installati tutti i codici che identificano i satelliti in modo da aumentare l'accuratezza della geolocalizzazione.

Il segnale che un satellite invia è una microonda radio contenente la posizione del satellite al momento dell'invio e la sua posizione in quel determinato momento.Siccome essa viaggia alla velocità della luce, basta calcolare quanto tempo passa tra il momento della trasmissione e quello della ricezione, permettendo così di individuare la distanza precisa dal ricevitore.Per una precisione maggiore, per individuare la posizione dell'utente ci si serve di più segnali inviati da più satelliti, il numero minimo è tre (anche se quasi sempre ne sono utilizzati quattro).

by: esa

Come funziona un satellite di navigazione

1957

1958

1960

1972

1974

1976

1977

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1985

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1995

2000

Osservazioni della Terra dallo spazio

GNSS, ovvero "sistema globale di navigazione satellitare", è un termine globale che comprende tutti i sistemi di navigazione basati su satellite utilizzati per vari scopi, come determinare la posizione, l’ora e l’elevazione. Ogni sistema GNSS nello spazio ha una costellazione diversa di satelliti, che appartengono anche a paesi e unioni diverse. Il funzionamento di un GNSS può essere diviso in tre segmenti:1. Segmento spaziale Costellazione di satelliti in orbita2. Segmento di controlloStazioni di controllo, monitoraggio e caricamento dati3. Segmento utenteDispositivi e apparecchiature che ricevono i segnali satellitari

GNSS: che cos'è?

Info

Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione satellitare di proprietà del governo degli Stati Uniti. Inizialmente sviluppato dal dipartimento di difesa degli USA negli anni 70' per scopi puramente militari.

Sistema di navigazione satellitare GPS

perchè a volte i gps sbagliano?

I segnali radio inviati dal satellite viaggiano alla velocità della luce 299 792 km/s ≈ 300.000 km/sE' come se il satellite e il ricevitore "cantassero la stessa canzone": emettono infatti le stesse radiofrequenze. Per calcolare il tempo impiegato dal segnale occore quindi calcolare il ritardo delle frequenze emesse dal segnale rispetto a quelle del ricevitore.

Distanza= velocità x tempo

Come può un GPS misurare la distanza da un satellite con tale precisione? Facile!

ma come fa il gps a sapere la nostra esatta posizione?

Info

Sistema di navigazione satellitare GPS

perchè è stato ideato Galileo?

Si tratta di un’infrastruttura indipendente e non assoggettata a esigenze e proprietà militari.

Galileo, interamente concepito per usi civili, è in grado di offrire un’accuratezza inferiore ai 10 centimetri nel posizionamento.

Galileo è il sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) dell’Unione europea progettato per inviare segnali radio per il posizionamento, la navigazione e la misurazione del tempo. La sua entrata in servizio, inizialmente prevista per la fine del 2019, è stata anticipata al 15 dicembre 2016.

Info

Galileo: il GPS europeo

cos'è la missione GIOVE?

I segnali emessi dal sistema, i SIS, forniscono servizi che possono essere utilizzati per svariati settori, come quello dei trasporti, dell’agricoltura, del rilevamento topografico, della cartografia, ecc.Galileo è inoltre impiegato sempre più dai droni per garantire una navigazione fluida nelle operazioni di ricerca e soccorso per salvare vite.

Il sistema Galileo è basato su 30 satelliti (27 attivi e 3 di riserva) disposti su tre orbite MEO (Medium Earth Orbit) circolari inclinate di 56° sull’Equatore ad una altezza di 23.616 km, con un periodo di circa 14 ore, in modo da dare una copertura ottimale della terra fino a latitudini di 75° Nord.

Composizione e funzionamento

satelliti Galileo durante la sperimentazione

Negli anni successivi al lancio dei primi satelliti, non essendo i sistemi di radio-posizionamento dell’epoca in grado di fornire dati sufficientemente precisi per la guida dei missili, gli USA e l'URSS decisero di sviluppare due complessi sistemi basati su dati satellitari: il NAVSTAR (GPS) statunitense ed il GLONASS sovietico.Il prototipo del satellite GPS Navstar, in particolare, fu messo in orbita nel 1974.I primi risultati furono alquanto deludenti e i suoi orologi fallirono poco dopo il lancio.

1974 - GPS Navstar

Nel 2002 in preparazione del completamento di GALILEO, l'ESA ha avviato la missione GIOVE (Galileo In-Orbit Validation Element) al fine di effettuare esperimenti utili al futuro sviluppo del sistema e migliorare le capacità tecniche delle aziende coinvolte. Per la missione sono stati lanciati due satelliti (GIOVE-A e GIOVE-B, in foto) ed è stato realizzato il relativo segmento di terra.

missione GIOVE

• Da questo momento, ciascun satellite lanciato sotto il programma Sputnik porterà nuove conoscenze fondamentali in campo spaziale, politico, militare, tecnologico e scientifico
• Il tracciamento della Terra ad opera di Sputnik I, in particolare, fornì informazioni sulla densità dell'atmosfera superiore e sulla ionosfera

1957: lancio di Sputnik I

la posizione del ricevitore GPS non può essere determinata solo in base alla distanza da un singolo satellite. Questo perché la posizione del ricevitore potrebbe essere uno qualsiasi dei punti presenti sulla circonferenza che ha come centro il satellite e come raggio la distanza calcolata.

La nostra posizione è individuata in base alla nostra distanza da tre diversi satelliti.

la trilangolazione

• Fu il primo satellite lanciato dagli USA, il terzo lanciato dall'uomo
• Ha permesso la scoperta delle fasce di Van Allen, zona toroidale all'interno della magnetosfera terrestre, in cui si accumulano particelle cariche, in genere derivate dal vento solare e trattenute dal campo magnetico terrestre

1958: lancio di Explorer I

Il 30 ottobre 2000, la Cina lanciò il primo satellite del progetto BeiDou, il sistema di Navigazione Satellitare Globale cinese. All'indomani della Guerra del Golfo, infatti, era risultato evidente quanto i sistemi di navigazione satellitare rappresentassero un vantaggio sul campo di battaglia. Nel 1994 il governo cinese approvò il progetto BeiDou, che divenne operativo con il primo lancio nel 2000.Essendo BeiDou-1 stato progettato per scopi prettamente mlitari, fu solo con l'introduzione del sistema satellitare BeiDou-2 nel dicembre 2011 che cominciò ad essere impiegato anche per sopi commerciali. I servizi furono inoltre estesi non solo alla Cina e alle regioni limitrofe, ma anche alla regione Asia-Pacifico.

2000: il progetto BeiDou

Dal 2018 poi, è attivo BDS-3, con un totale di 55 satelliti, i quali offrono copertura globale completa come previsto dal progetto Compass

1977: lancio del Navigational Technology Satellite 2

Il 1977 rappresenta una data importante per lo svluppo del sistema GPS: infatti, il lancio del GPS-2 rappresentò un grande passo avanti sul piano della qualità delle informazioni rilevate a livello satellitare. Questo risultato fu ottenuto principalmente grazie alle migliorie applicate agli orologi del satellite, ora alquanto precisi, soprattutto se confrontati con quelli decisamente meno prestanti del primo GPS

Nel 1972, fu sviluppato il primo sistema cartografico globale, WGS 72, padre del WGS 84 oggi impiegato da tutti i GPS.

1972: WGS 72

Fu nel 1985 che la prima costellazione di satelliti GPS fu completata.Essa comprendeva 11 elementi ed assicurava una certa copertura a livello globale, pur essendo ancora interamente destinata a scopi militari.Nel 1991 gli USA aprirono al mondo il servizio per usi civili con il nome SPS (Standard Positioning System), con specifiche differenziate da quello riservato all'uso delle forze militari USA denominato PPS (Precision Positioning System). Il segnale civile era intenzionalmente degradato attraverso la Selective Availability (SA) che introduceva errori intenzionali nei segnali satellitari allo scopo di ridurre l'accuratezza della rilevazione, consentendo precisioni dell'ordine di 900–950 m. Questa degradazione del segnale è stata disabilitata nel mese di maggio 2000 grazie a un decreto del presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione attuale di circa 10–20 m, pur mantenendo alcune differenze tra i due sistemi.

1985: 11 satelliti GPS

• Giallo: SAR antenna -> Antenna per il servizio di Search And Rescue, riceve i segnali da radiofari a terra da utenti che necessitano di soccorso e li manda a terra dove vengono processati dalle stazioni di soccorso
• Nero: S-band antenna -> è la cosiddetta antenna TT&C, Telemetry, Tracking and Control, con cui si "parla" continuamente con il satellite mandandogli comandi e scaricando le telemetrie sullo stato di tutti i componenti del satellite

Com'è fatto un satellite Galileo?

Le parti

• Blu: C-band antenna-> il satellite riceve i dati di missione da trasmettere agli utenti a terra
• Rosso: sensori di orizzonte terrestre, servono per determinare l'assetto rispetto alla Terra
• Verde: L-band antenna -> antenna di navigazione, l'antenna più importante che manda i segnali a terra per gli utenti

Illustrazione di una costellazione di satelliti Galileo in cui ognuna delle 3 orbite è inclinata di 56° rispetto al piano dell'equatore.

Rappresentazione artistica della costellazione Galileo con 30 satelliti.

Analogamente al GPS statunitense, i Russi svilupparono nel 1976 un proprio sistema satellitare, il GLONASS. Il programma iniziò ai tempi dell’Unione Sovietica e, a partire dal 12 ottobre 1982, furono lanciati i primi satelliti

1976: la nascita del GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System)

I problemi del GPS

Il sistema è stato ideato a causa delle limitazioni del sistema americano relative alla precisione e all'affidabilità. Per ovviare a questi limiti tecnici, l’Unione Europea ha preso la decisione di sviluppare un proprio sistema GPS.

Una "costellazione" di satelliti

A partire dagli anni ’60, la Marina degli Stati Uniti iniziò a sviluppare un programma satellitare per comunicazioni e navigazione per soddisfare le esigenze delle navi in mare e dei sottomarini. Un risultato di questo programma fu la serie di satelliti Transit, progettata e costruita secondo le specifiche della Marina dal Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University nel Maryland. Il primo di questi satelliti fu mandato in orbita nel 1960, mentre il sistema, composto da 7 satelliti, fu reso operativo nel 1962.

1960: lancio del primo satellite Transit

cause principali

• Effetti atmosferici che alternano la velocità di propagazione del segnale;
• eccessiva vicinanza dei satelliti tra loro;
• il segnale rimbalza su una o più superfici prima di raggiungere il ricevitore aumentando così il tempo di ricezione del segnale e causando errori di interpretazione;
• il segnale assume un'orbita diversa da quella prevista

Nel 1995 avvenne il completamento della costellazione satellitare GLONASS.Dopo un calo nelle prestazioni alla fine degli anni ’90, nel 2001, il presidente russo Putin stabilì che il programma era prioritario, aumentandone in maniera sostanziale il finanziamento. Nel 2010, GLONASS aveva raggiunto una copertura del 100% del territorio della Russia e nell’ottobre 2011 fu ripristinata la costellazione orbitale completa di 24 satelliti, consentendo una copertura globale completa. I progetti dei satelliti GLONASS hanno subito numerosi aggiornamenti, e l’ultima versione, GLONASS-K2, è entrata in servizio nel 2019. Un annuncio prevede lo spiegamento di un gruppo di satelliti di comunicazione e di navigazione entro il 2040.

1995: completamento GLONASS