GPS
GPS
Global Positioning System
(Realizzato da Daniele Rizzetto)
1 - Il satellite nella storia delle telecomunicazioni.
In un articolo apparso su ' Wireless World ' nel 1945 Arthur C. Clarke dimostrò,
senza minimamente pensare alle implicazioni rivoluzionarie delle sue tesi, che
un satellite posto in orbita circolare equatoriale ad un' altezza di 35.786 Km
dalla Terra compie una rivoluzione completa ogni 24 ore. In altre parole, un
osservatore con lenti molto particolari vedrebbe un satellite geostazionario
sempre nella medesima posizione nel cielo. Clarke provò anche che erano
sufficienti pochi satelliti in orbita geostazionaria per poter offrire servizi
di comunicazione in tutto il mondo. Dalla pubblicazione di questo articolo,
passarono poi 20 anni prima che il primo satellite geostazionario per
telecomunicazioni (servizi di telefonia), Early Bird, venisse lanciato per conto
di INTELSAT (International Telecommunications Satellite Organisation) nell'
aprile del 1965. Da quella data ad oggi sono stati messi in orbita centinaia di
satelliti geostazionari che coprono tutti i continenti del mondo e che sono in
grado di offrire, a popolazioni dalle culture e lingue delle pi¨ differenti,
servizi di telecomunicazione di base e a valore aggiunto, dalla trasmissione
dati alla telefonia, alla più recente televisione digitale. In questo quadro di
sviluppo infrastrutturale, il satellite ha rappresentato un elemento
fondamentale di sviluppo economico e culturale, favorendo la nascita di nuovi
mercati, consentendo di comunicare anche con paesi con assenza di
infrastrutture. Questo ruolo, consolidato nel corso degli ultimi due decenni,
stà per subire un ulteriore accelerazione legata alla comparsa di due elementi
nuovi nel panorama tecnologico delle telecomunicazioni: la messa in servizio nel
prossimo biennio di sistemi globali di comunicazione come Globalstar e Iridium,
e lo sviluppo di nuove infrastrutture di rete per le future autostrade dell'
informazione e dei servizi multimediali ad esse associate, a partire dal 2000.
2.1 - I nuovi mercati dei satelliti geostazionari.
Oltre alla crescita omogenea del mercato satellitare riscontrata nei paesi dell'
Europa occidentale e negli USA, si riscontra un fenomeno altrettanto importante
anche nei paesi in via di sviluppo. I paesi asiatici e latino - americani, ed in
misura minore quelli africani e dell'Europa orientale, rappresenteranno da soli
la metà circa di tutto il mercato del prossimo decennio. Al di là delle
differenze economiche dei singoli paesi, il fenomeno è riconducibile alla
crescente consapevolezza che lo sviluppo del mercato delle telecomunicazioni è
importante per quello di tutta l'economia. In questi paesi inoltre, il satellite
potrà risolvere i problemi di connettività e di comunicazione a costi
estremamente ridotti ed in tempi molto contenuti.
2.2 - Il ricambio tecnologico.
Fino ad oggi il mercato dei satelliti si è sviluppato essenzialmente grazie alla
domanda di servizi e all' introduzione di nuove tecnologie.Fra pochi anni una
forte spinta produttiva per il mercato dell'industria spaziale verrà data dalla
sostituzione di una buona parte dell' attuale "parco satelliti" (circa il 40%
dovrà essere sostituito entro il 2000 - 2002) che a sua volta creerà la nuova
esigenza degli operatori e dei fornitori di servizi di avere sempre maggiori
capacità di banda, terminali sempre più piccoli e meno costosi, antenne e
riflettori di maggiori dimensioni e a scansione elettronica ecc.. A queste
esigenze la tecnologia ha in parte già risposto negli anni e infatti il tempo di
vita medio operativo di un satellite è passato da 5 - 7 a 15 anni nel giro di
due decenni. La prossima generazione inizierà probabilmente intorno al 2000 -
2002 in coincidenza con lo sviluppo dell' autostrade dell'informazione e dei
servizi emergenti a banda larga, multimediali ed interattivi.
2.3 - Le applicazioni.
Le principali applicazioni attualmente supportate dai satelliti geostazionari
per telecomunicazioni e diffusioni TV variano da quelle convenzionali per
telefonia alla diffusione di canali televisivi. La divisione del mercato dei
servizi è fortemente legata alla regione considerata: nei paesi del Nord America
e dell' Europa occidentale c'è una forte prevalenza di servizi televisivi via
satellite (DBS , Direct Broadcasting Satellite) mentre le percentuali cambiano
drasticamente nei paesi in via di sviluppo. Nei paesi del Nord America e dell'
Europa occidentale la trasmissione di segnali video include diverse applicazioni
e servizi: broadcasting televisivo a reti terrestri via cavo (trunking, tipico
degli USA) e a casa delle singole famiglie (DTH, Direct To Home), trasmissione
di servizi giornalistici da stazioni trasportabili verso gli studi centrali,
videoconferenza.Questa prevalenza della diffusione di canali televisivi và
collegata alla maturità raggiunta dai due mercati citati e allo sviluppo delle
infrastrutture fisse di terra che raggiungono ormai livelli di penetrazione tali
da rendere economicamente ingiustificato l'uso dei satelliti per servizi di
telefonia. In regioni come il Sud - Est asiatico, i paesi dell' Est europeo e
del Sud America, la mancanza di infrastrutture di terra idonee a soddisfare il
crescente bisogno di servizi di telefonia internazionale e locale ha spinto gli
operatori locali a scegliere la soluzione satellitare piuttosto che destinare
ingenti somme di denaro pubblico per soluzioni terrestri, più onerose
economicamente e con tempi di installazione della rete più lunghi.
2.4 - Le 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: Banda L 1 - 2 ,4 GHz (Sistemi Iridium, Odyssey,
Globalstar, GPS) Banda S 2,5 - 3,5 GHz (Sistemi Globalstar, Odyssey) 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 quest'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 da satellite verso terra possano
disturbare segnali ricevuti a bordo e anche pregiudicare le operazioni del
satellite stesso. Le frequenze di uplink assegnate dalla ITU (International
Telecommunication Unit) alle comunicazioni via satellite sono leggermente più
elevate rispetto a quelle di downlink perchè , dato che, a parità di distanza, a
frequenze maggiori e richiesta una maggiore potenza in trasmissione, è più
semplice generare potenza RF (in radiofrequenza) in una stazione di 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). Mentre queste considerazioni
restano validissime per le trasmissioni mobile-satellitari , in questo caso per
venire incontro alle ersigenze di portatilità e autonomia del terminale mobile,
attualmente, grazie anche ai proressi 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, fino a oggi, hanno limitato l'uso di
tale banda a causa del disturbo rappresentato dall'atmosfera, che risulta
massimo proprio attorno ai 20 GHz, possono oggi essere "aggirati" grazie a
percorsi alternativi che aggirino il maltempo (la pioggia è infatti l'elemento
più fastidioso per la banda Ka) o attenuati grazie alla maggiore direzionalità
delle antenne attuali.
3.1 - Sistemi di comunicazione via satellite.
Dall'inizio degli anni ottanta quando i primi circuiti per telefonia furono
offerti ad imbarcazioni di media e grande stazza per trasporto merci ed attività
di pesca in alto mare, il mercato dei sistemi di comunicazioni per radiomobili
via satellite ha subito una forte spinta. Servizi di comunicazione (voce e dati)
per terminali mobili e/o trasportabili vengono al momento forniti da satelliti
in orbita geostazionaria.In questa configurazione orbitale si riesce ad avere
una copertura globale attraverso tre soli satelliti ma si incorre nel problema
del ritardo legato al tempo necessario al segnale a percorrere due volte la
distanza satellite - terra, pari a circa 80.000 Km per le latitudini italiane.
Considerando che il segnale viaggia alla velocità della luce (ca. 300.000 Km/s)
si arriva ad un ritardo temporale di circa 260 ms che sommato a quello generato
da vari processi di commutazione intermedi può anche arrivare ai 300 ms, troppi
per una sufficiente qualità della comunicazione. La crescita vertiginosa del
mercato della telefonia mobile e la neccessità di fornire servizi su scala
globale hanno portato allo sviluppo di costellazioni di statelliti in orbita
bassa (LEO, Low Earth Orbiting) od intermedia (MEO, Medium Earth Orbiting). I
satelliti dei sistemi LEO orbitano circolarmente intorno alla Terra da altezze
variabili tra i 700 ed i 1400 Km (Globalstar, Iridium o Teledesic) mentre quelli
in configurazione MEO, viaggiano intorno ai 10.000 Km (ICO e Odyssey). I ritardi
temporali in gioco per questi sistemi sono di ordini di grandezza inferiori a
quelli di sistemi geostazionari. Nel frattempo un numero maggiore di satelliti
viene richiesto per assicurare una copertura globale. La scelta dell'orbita
nasce da una complessa analisi di fattibilità dove entrano in gioco elementi
come il cono di visibilità a terra, le dimensioni del satellite e del terminale
d'utente, la quantità di propellente solido a bordo, il tempo di vita medio del
singolo satellite, la vicinanza alle fasce ionizzanti di Van Allen e così via.
3.2 - Globalstar: il complemento alle reti terrestri di
telecomunicazione.
Globalstar rappresenta l'evoluzione nel campo dei satelliti per
telecomunicazione, abbinata all'avvento di nuove tecnologie, le più
significative delle quali sono l'accesso multiplo CDMA (Code division multiple
access) e l' uso di un terminale intelligente (Rake) che ottimizza la ricezione
del segnale satellitare in presenza di riflessioni e ostacoli di varia natura.
L'obbiettivo di Globalstar è quello di offrire servizi digitali mobili e fissi
di telecomunicazioni di alta qualità, a basso costo e su scala globale,
attraverso una costellazione di 48 satelliti (8 di back-up) in orbita bassa,
integrando i servizi terrestri già disponibili. I satelliti saranno disposti su
traiettorie circolari alla quota di 1400 Km, con inclinazione di 52° rispetto
all'equatore; il sistema realizzerà la copertura di oltre il 98% della
popolazione mondiale. Ogni satellite disporrà di 2808 canali full-duplex in
grado di coprire 16 zone differenti. Le comunicazioni utilizzeranno la banda L
(1610 - 1626,5 GHz). Tutte le trasmissioni relative ai servizi offerti da
Globalstar transiteranno attraverso reti terrestri fisse (PSTN, Public Switched
Telephone Network) e per radio mobili (PLMN, Public Land Mobile Network) , sia
private che pubbliche. Questo consentirà alle singole autorità nazionali di
mantenere il controllo sulle comunicazioni. Globalstar risponde perciò ad
esigenze di integrazione con la rete fissa commutata (PSTN) e con quella mobile
(PLMN); tale obbiettivo viene raggiunto tramite l'instradamento delle chiamate e
dei messaggi attraverso stazioni di terra, le Gateways. Il roaming, cioè la
possibilità per un utente di poter usufruire del servizio passando da una cella
di copertura ad un'altra, su scala globale viene garantito attraverso l'uso di
terminali mobili dual-mode (Globalstar/GSM o Globalstar/AMPS). Il mercato di
riferimento per Globalstar è quello della telefonia per utenza fissa, in aree o
paesi dove le infrastrutture di telecomunicazione sono obsolete o carenti, e
mobile, al fine di estendere l'area di copertura del servizio dove le reti
cellulari terrestri non arrivano o vi è incompatibilità di standard (es. GSM e
AMPS).
3.3 - Iridium: una rete di telecomunicazione a 700 Km dalla terra.
Iridium, al contrario degli altri sistemi Big LEO's , è del tutto indipendente
dalle infrastrutture terrestri di telecomunicazione fisse o mobili. Le 66 unità,
saranno distribuiti su 6 piani orbitali, ciascuno contenente 10 satelliti
operativi e uno di scorta e la vita della costellazione è prevista tra i 5 e gli
8 anni. Ogni satellite disporrà di una capacità di 3168 circuiti full-duplex con
banda 4,8 Kbps (2,4 Kbps per i canali dati) e potrà coprire contemporaneamente
un totale di 48 zone differenti. I canali di connessione intersatellitari ad
alta velocità (25 Mbps) saranno realizzati attraverso link microonde in banda Ka
(22,55 - 23,55 GHz). Ogni satellite potrà realizzare 4 di queste connessioni,
due con satelliti che percorrono la stessa orbita, due con satelliti in piani
orbitali differenti. L'instradamento del traffico viene infatti gestito
attraverso canali di comunicazione inter-satellite (ISL) e commutazione a bordo
(OBP). I satelliti della costellazione, che si trovano su piani adiacenti,
dovrebbero infatti essere in grado di dialogare tra di loro; l'indirizzamento
dei pacchetti della singola trama TDMA (Time Division Multiple Access) verso il
destinatario finale viene effettuato in base a delle matrici di instradamento (routing)
elaborate ed aggiornate periodicamente a terra, trasmesse poi verso tutti i
satelliti della costellazione. Anche nel sistem Iridium c'è un segmento di terra
con Gateways, solo che al contrario di Globalstar, dove tutto il traffico in
ingresso e in uscita viene gestito e canalizzato tramite esse, le Gateways di
Iridium hanno come finalità quello di interfacciare le reti terrestri TLC fisse
e mobili solo per il traffico destinato a o in partenza da utenti non
sottoscrittori dei servizi offerti da Iridium (es. chiamate generate o in arrivo
ad un apparecchio telefonico domestico).
3.4 - I sistemi Little LEO's.
Accanto ai servizi Big LEO's, ve ne sono molti altri che nonostante siano stati
progettati solo per fornire servizi dati a bassa velocità e non in tempo reale
continuano ad attrarre l'attenzione di investitori. Sono i Little LEO's, che si
contraddistinguono per una massa del singolo satellite della costellazione
notevolmente inferiore a quella dei sistemi Big LEO's (nell'ordine di 50 - 150
Kg). I servizi forniti da tali sistemi sono principalmente di messaggistica,
seppur non in tempo reale (NRT), e di trasferimento dati con tecniche di tipo
S&F (Store and Forward); alcuni di essi offrono anche radiolocalizzazione. I
campi di applicazione possono essere vari (es. E-mail, monitoraggio ambientale,
telefax, gestione di reti di distribuzione merci) il tutto sia in ocndizioni di
normalità operativa che in caso di sciagure ambientali. La velocità di
trasferimento dati è ovviamente relativamente bassa, nella maggior parte dei
casi intorno ai 2.4 Kbit/s.
4.1 - I sistemi satellitari per localizzazione e radionavigazione.
Accanto al mercato dei servizi di telecomunicazione (fonia e dati per sistemi
fissi o mobili) e di diffusione televisiva , si è venuto sviluppando negli
ultimi tre anni un nuovo segmento: la radiolocalizzazione e radionavigazione via
satellite. Attraverso questa tipologia di servizi si offre già adesso la
soluzione a tutta una serie di problemi legati a attività diverse ,
dall'aviazione civile alla marina militare, dalla protezione civile al turismo.
4.2 - GPS e GLONASS.
La forte spinta a questo mercato di servizi satellitari, è stata data nel
dicembre 1993 della messa in stato operativo da parte del Dipartimento della
difesa americana (DoD) del sistema GPS (Global Positioning System).
Originariamente studiato e progettato esclusivamente per applicazioni militari
(Guerra del Golfo), Il GPS è il sistema di radiolocalizzazione e di
posizionamento costituito da una costellazione di 24 satelliti in orbita
circolare, a 20.000 Km di altezza sulla terra. Il GPS, a tutt'oggi è ancora
sotto la completa responsabilità del DoD, è in grado di fornire una precisione
di +/- 30 metri la posizione (in latitudine e longitudine) ad un terminale
ricevente in qualunque parte del mondo essa si trovi. Una versione differenziale
del GPS (DGPS) è in uso negli Stati Uniti dal gennaio 1996; il DGPS fa uso di
stazioni di terra remotizzate che trasmettono in modulazione di frequenza (FM) o
di ampiezza (AM) su aree geografiche più larghe un segnale di riferimento molto
preciso e fisso, che opportunamente combinato con quello GPS consente precisione
fino a 2 m. I Russi hanno anch'essi sviluppato un loro sistema, Glonass (Global
Navigation Satellite System) con caratteristiche tecnologiche di servizi simili
al GPS americano. Anche in questo caso vi sono due frequenze RF con codici
diversi per usi militari e civili, una costellazione di 24 satelliti a 19.000 Km
di altezza. L'uso è esclusivamente limitato ad applicazioni militari e al
controllo del traffico aereo, per i paesi del CIS (Commonwealth of Indipendent
States).
4.3 - GPS: Automated Data Service (ADS) of United States Naval Observatory (USNO).
Informazioni sul Sistema di Posizionamento Globale GPS.
Le informazioni seguenti sul Sistema di Posizionamento Globale (GPS) sono state
ottenute dal Progetto di Radionavigazione Federale (FRP) del 1994, preparato
congiuntamente dal Dipartimento di Difesa (DoD), dal Dipartimento dei Trasporti
(DoT) e da altre fonti come conferenze, riunioni e seminari. Il GPS , sistema di
radionavigazione mondiale, è stato sviluppato dal DoD basandosi sull'utilizzo
del satellite e sarà il metodo principale di radionavigazione del prossimo
secolo per il Dipartimento della Difesa. La constellazione è formata da 26
satelliti operativi. Il Comando dell'Aereonautica militare degli Stati Uniti (AFSC)
formalmente ha dichiarato che la constellazione dei satelliti per il GPS è al
pieno delle sue capacità operative (FOC) dal 27 Aprile del 1995. Queste capacità
includono l'assegnamento delle orbite operative a 24 satelliti(Blocco II/IIA) e
la disponibilità di navigazione con il sistema di Posizionamento Standard (SPS)
spiegato qui sotto. (Prima di arrivare al GPS FOC , l' 8 dicembre 1993 era stato
dichiarato l'utilizzo delle prime capacità operative della costellazione (IOC)
con l'assegnamento delle orbite dei 24 satellliti per le funzioni militari.) Il
GPS offre due livelli di servizi: il Servizio di Posizionamento Standard e
quello di Posizionamento di Precisione. Il Servizio di Posizionamento Standard (SPS)
è un servizio di posizionamento e temporizzazione disponibile in continuità a
tutti gli utenti GPS, utilizzabile in tutto il mondo senza nessuna richiesta
particolare. SPS sarà disponibile sulla frequenza GPS L1 contenente un codice di
comunicazione comune (C/A) e dei dati di navigazione. SPS ha una precisione sul
rilevamento della posizione di 100 m (95%) orizzontalmente, 156 m (95%)
verticalmente e sulla rilevazione del tempo (UTC) di 340 nanosecondi (95%). Il
Servizio di Posizionamento di precisione (PPS) è un sistema militare di alta
precisione, velocità e temporizzazione e sarà disponibile in continuità in tutto
il mondo agli utenti autorizzati dagli Stati Uniti. I dati del servizio PPS
verranno forniti sulle frequenze GPS L1 e L2. Il PPS è stato progettato
principalmente per l'uso militare da parte degli Stati Uniti. Questo servizio
sarà negato a utenti non autorizzati tramite la crittografia dei dati. Il PPS
sarà reso disponibile agli alleati militari degli Stati Uniti e ai dipartimenti
federali U.S.A. Verrà limitato l'uso civile e non governativo del servizio PPS
sia nazionale che straniero, e saranno date autorizzazioni su richiesta
analizzando caso per caso, purchè: * Sia negli interessi degli Stati Uniti. *
Possano essere affrontate le richieste di sicurezza del GPS da parte del
richiedente. * Altre alternative ragionevoli all'uso del PPS non siano
disponibili. Per richieste riguardanti la politica del GPS , l'utente deve
seguire il regolamento FRP. L' FRP è pubblicato ogni due anni ed è disponibile
dal Servizio Informazioni Tecniche Nazionale , Springfield , VA 22161. Il numero
dell'ultimo rapporto è DOT-VNTSC-RSPA-95-1/DOD-4750.5.
Caratteristiche del segnale GPS.
I satelliti trasmettono su due bande di frequenza di tipo L: L1 = 1575,42 MHz e
L2 = 1227,6 Mhz. Sono in uso tre codice pseudo-casuali (PRN). Il codice comune
di acquisizione dati (C/A) ha una frequenza di 1.023 Mhz, 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 codice Y è
usato in sostituzione del P-code ogni qualvolta è attiva la modalità operativa
anti-spoofing (A-S). Il C/A è disponibile sulla frequenza L1 ed il P-code è
disponibile sia su L1 che L2. I vari satelliti trasmettono sulle stesse
frequenze , L1 e L2 , ma con un singolo codice di individuazione. Grazie alle
caratteristiche dello spettro del segnale il sistema offre un grande margine di
resistenza alle interferenze. Ciascun satellite emette un segnale di navigazione
contenente gli elementi della sua orbita, informazioni sul funzionamento dell'
orologio, sul sistema temporale e sullo suo stato. Inoltre, è provvisto anche di
un elenco che fornisce i dati approssimativi per ogni satellite. Questo permette
all'utente di trovare tutti i satelliti dopo averne localizzato uno.
Disponibilità selettiva, anti-spoofing.
La Disponibilità selettiva (SA), senza un'alta precisione di rilevazione , è
stata definita per manipolare i dati di navigazione forniti dall'orbita
(epsilon) e/o la frequenza del clock del satellite. Il sistema Anti-spoofing
(A-S) controlla le trasmissioni errate del satellite causate dalla
trasformazione del P-code in Y-code. L' SA sarà perfezionato sul Blocco II a
livello SPS, appena saranno operativi tutti i sui satelliti. SA è stato attivato
il 4 luglio, 1994 a 0400 UT (ref: ...).
I segmenti di sistema GPS.
Il GPS si divide in tre segmenti principali: SPAZIO, CONTROLLO e UTENTE. Il
segmento riguardante lo spazio è composto da 24 satelliti operativi su 6 piani
orbitali. I satelliti operano su un'orbita circolare di 20.200 Km (10,900 nm)
con un angolo di inclinazione di 55 gradi con un periodo di 12 ore. La posizione
perciò è la stessa ogni giorno allo stesso tempo siderale, ma i satelliti
ritornano nella stessa posizione con quattro minuti di anticipo ogni giorno. Il
segmento di controllo è formato da cinque postazioni (Hawaii,Kwajalein, Isola
dell'Acensione, Diego Garcia, Colorado Springs), tre antenne terrestri (Isola
dell'Ascensione, Diego Garcia, Kwajalein), ed un a stazione master (MCS) a
Falcon AFB in Colorado. La stazione master passivamente individua tutti i
satelliti in vista memorizzando i vari dati. Queste informazioni sono elaborate
dall' MCS per determinare le orbite dei satelliti e aggiormare i dati di
navigazione dei satelliti. L'aggiornamento delle informazioni è trasmesso ad
ogni satellite tramite le antenne di terra. La stazione di monitoraggio è stata
determinata rispettando Il sistema geodetico mondiale del 1972 denominato anche
WGS-72. Il nuovo standard è il WGS-84 ed è entrato in vigore nel giugno 10 del
1987. Il segmento di utente è formato da antenne e ricevitori a microprocessore
che rilevano con precisione in tempo reale la posizione e la velocità
dell'utente.
Sistema temporizzato GPS.
Il sistema temporizzato GPS si basa su un clock predefinito (CC), perfezionato
dal 17 giugno 1990 UT. Il CC o "orologio su carta" utilizza la stazione di
monitoraggio e la frequenza standard dei satelliti. Il sistema temporizzato GPS,
in generale, è controllato dal clock master (MC) risiedente all'USNO ed è
collegato all' UTC (USNO) in modo da avere un errore massimo di un millisecondo.
La differenza esatta del clock è contenuta nel segnale di navigazione sotto
forma di due costanti, A0 e A1, ottenuta dalla variazione rispetto all'UTC (USNO,
MC). L'UTC (USNO) è sincronizzato con l'istituzione internazionale UTC (BIPM).
4.4 - Radionavigazione per mezzi di trasporto con il GPS.
Per determinare la posizione di un mezzo di trasporto, il GPS, si avvale del
segnale inviato da 3 satelliti che, nel momento della rilevazione, si trovano
all'orizzonte ripsetto al mezzo. Il rilevamento della posizione avviene grazie
all'utilizzo di 2 orologi atomici (il secondo è di controllo e back-up) con
puntualità a livello dei microsecondi, contenuti nei satelliti. Sapendo che il
segnale del satellite viaggia nello spazio alla velocità della luce (300.000
m/s) l'elaborazione della posizione del mezzo diventa facile da effettuarsi.
L'apparato utente invia un segnale; in base all'ora rilevata dal satellite,
quella in cui il segnale ritorna a terra e quella di ritorno al satellite,
conoscendo la velocità di trasmissione viene calcolata la distanza da ognuno dei
tre satelliti all'orizzonte e,proprio perchè quest'ultima è diversa per ogni
satellite, l'unione di questi dati localizza la posizione del mezzo. Proprio per
questo metodo di rilevazione il GPS è considerato un sistema passivo. Anche se
questo metodo è abbastanza buono, la posizione rilevata ha comunque un certo
margine di errore che per applicazioni più efficienti deve essere minimizzato. I
satelliti utilizzati per la radiolocalizzazione, avendo anch'essi "un' alba" e
un "tramonto" rispetto alla nostra posizione (la copertura delle aree totali di
trasmissione infatti è data da 24 satelliti) generano un errore di sfasamento
sulla posizione rilevata. Oltre a questo errore e a quello proprio del
rilevamento, essendo il progetto di origine militare, il dipartimento della
difesa americano per problemi logistici invia ai satelliti degli algoritmi di
errore che, anche nei migliori sistemi GPS, incidono sulle rilevazioni. Ad ogni
modo la rilevazione della posizione del mezzo può essere migliorata di molto
utilizzando il sistema DGPS che si basa sullo sfruttamento di stazioni terrestri
per aumentare la precisione. L'idea base di questo tipo di localizzazione come
per il GPS, è quella di determinare la posizione del mezzo di trasporto
attraverso tre punti di riferimento che però, in questo caso, sono rappresentati
da centrali terrestri. Rilevata la distanza dai punti di riferimento viene
calcolata un'area circolare per ogni punto e quindi l'intersezione di queste
aree dà la posizione del mezzo. Il sistema di rilevazione sui mezzi di trasporto
viene collegato all'antifurto e, siccome generalmente per mezzi utilizzanti
queste applicazioni il controllo delle funzioni è centralizzato, il comando di
spegnimento viene accettato solo se il mezzo è fermo altrimenti si rischierebbe
di bloccare comandi e freni (ABS) e se ne perderebbe il controllo. I dati
riguardanti la posizione, vengono ricevuti attraverso un telefono cellulare GSM
integrato nel sistema (già di per sè il sistema GSM potrebbe fornire una
posizione approssimativa del mezzo, visto che le antenne utilizzate hanno una
copertura per ogni cella di 15 Km, ma in questo caso questa possibilità non
viene utilizzata) e un'antenna per satellite che deve essere posizionata ad
esempio sotto il cruscotto della macchina in modo da avere l'orizzonte libero.
Sempre inclusa nel sistema, vi è una scheda per la gestione della comunicazione
contenente un processore per lavorare con la normativa V25 e l'integrato GPS. Il
sistema, gestisce la trasmissione a una velocità di 2400 bit/s (baud) con il
GSM, mentre con l'ETAX (altro tipo di cellulare europeo analogico), la velocità
viene ridotta a 1200 bit/s (baud) con compressione e correzione. Ad ogni modo in
caso di caduta della linea il sistema deve riprestinare automaticamente la
comunicazione per garantire la propria affidabilità. I protocolli utilizzati per
questo tipo di applicazioni non essendo ancora stati standardizzati sono di tipo
proprietario e utilizzano pacchetti di circa 80 caratteri per ogni rilevamento
della posizione. I dati che arrivano dai satelliti, circa ogni secondo e mezzo,
vengono mandati sul Data Base dove avviene il confronto con la posizione sulla
cartina e, se il sistema è dotato di schermo direttamente sul mezzo, viene
visualizzata la posizione del mezzo sull'opportuna cartina; altrimenti nei
sistemi facenti capo a una centrale di controllo questi dati vengono registrati
direttamente dal Data Base centrale (di tipo ODBC, metodo di comunicazione
standardizzata tra tutti i Data Base) e visualizzati sul terminale in sede. Per
la rappresentazione della posizione del mezzo sulla cartina, servono dei
particolari algoritmi di calcolo per la visualizzazione e, più l'area da
visualizzare è grande, più quest'ultimi devono essere efficienti (es. algoritmi
di rappresentazione: a marcatore, Gauss - Booger, lineari, UMT86, ecc.). Il
problema su cui devono interagire questi algoritmi è quello della
georeferizzazione, cioè il controllo della corrispondenza dei dati del satellite
rispetto alla cartina. Il satellite, rileva la posizione attraverso una "visione
sferica" del pianeta, mentre sulla cartina questa posizione deve essere
rappresentata su un piano e quindi, non può essere utilizzata direttamente. Uno
dei migliori sistemi di visualizzazione su cartina (fornita da cd-rom) della
posizione del mezzo, è quello raster che si basa sulla divisione delle mappe in
aree quadrate localizzabili da tre punti di riferimento ai quali vanno allineate
le coordinate ricevute dal satellite.
4.5 - Applicazioni GPS : Alpine Car Navigation.
Il sistema di radionavigazione offerto dall'Alpine e presente per ora solo su
alcune auto di serie prende il nome di Navi. Questo sistema utilizza il GPS e il
DGPS per determinare la posizione, la velocità e la direzione di una vettura in
movimento visualizzandola automaticamente su una mappa memorizzata su un CD-ROM.
La combinazione del sistema di georeferizzazione "Map Matching", del GPS e del
DGPS consente al sistema di raggiungere una precisione di circa 5m. In certe
circostanze (tunnel, alti edifici, ecc.) i segnali non si ricevono
perfettamente; in queste situazioni il Navi fornisce una misura sostitutiva
della posizione attuale dell'auto. Il Navi riunisce in un unico sistema il
supporto vocale in tempo reale e un display a colori (5,6 pollici) per indicare
la posizione e la rotta dell'automobile su cui è installato. La voce indicherà
la direzione e se necessario ripeterà le indicazioni di giuda secondo le
richieste del conducente. Il Navi, è predisposto per operare nelle caotiche
condizioni del traffico e, scelta la destinazione, presenta automaticamente la
rotta migliore in base alle preferenze selezionate. Automaticamente, sceglie la
via più veloce o la più breve dando priorità alle autostrade o alle strade
statali; segnala inoltre i distributori di benzina, i parcheggi, i ristoranti,
gli hotel ecc. Una delle funzioni più importanti, è quella di Zoom
dell'incrocio: all'avvicinarsi dell'auto, l'incrocio viene ingrandito, per
conoscere con esattezza la direzione e non sbagliare strada. L'Alpine Car
Navigation sarà predisposto per supportare interfacce esterne e per implementare
altri servizi come: Head Up Display che proietterà sul parabrezza all'altezza
desiderata le indicazioni di guida, IC Card Box che potrà contenere al suo
interno differenti interfaccie del tipo PCMCIA (modem CARD, memory CARD, voice
identification CARD). La funzione Traffic Message Channel già disponibile in
altri paesi (Belgio, Nord-Ovest Germania) sarà presto disponibile anche in
Italia. Questa funzione consentirà di ricevere sul Navigation informazioni sul
traffico, consentendo così l'integrazione fra i due sistemi. Le informazioni
ricevute via TMC permetteranno il ricalcolo automatico della rotta prefissata.
4.6 - Applicazioni GPS: Aeronautica americana.
- Wide Area Augmentation System (WAAS).
Questo progetto patrocinato dalla FAA prevede l'installazione su aerei anche
civili di un sistema GPS per gestire l'avvicinamento strumentale negli
atterraggi sulle piste degli aereoporti. Questo sistema verrà pienamente
perfezionato nel 2001 in seguito anche all'estensione a un maggior numero di
aereoporti del sistema di avvicinamento di prima categoria.
- Local Area Augmentation System (LAAS).
LAAS è un sistema DGPS che verrà in futuro installato negli aereoporti
statunitensi per integrare il WAAS. Con questo sistema verrà introdotta una
nuova metodologia per l'avvicinamento di precisione alle piste di atterraggio
che lo renderà più sicuro e conveniente dello sbarco eseguito con la
strumentazione convenzionale.
- Future Air Navigation System (FANS).
Il sistema Future Air Navigation ha come obbiettivo principale la riduzione del
numero delle rotte aeree per avvicinarsi ulteriormente al concetto di "Free
Flight" (volo libero), cioè alla possibilità da parte dei piloti di agire in
tempo reale sulla rotta, la velocità e l'altitudine senza, come avviene ora,
pre-pianificazioni e attesa di permessi da parte della torre di controllo. Il
progetto FANS si divide in tre parti: comunicazione, navigazione e sorveglianza
(CNS). Le comunicazioni avverranno via satellite mentre, la parte di
navigazione, sarà gestita da un sistema Flight Management Computer (FMC) basato
sull'utilizzo del GPS in aggiunta ai dati forniti dalla strumentazione di bordo
standard riguardanti aria, inerzia, servizi radio ecc. L'operazione di
"sorveglianza" sulla rotta verrà gestita da un sistema Air Traffic Mamagement (ATM)
installato negli aereoporti che permetterà di seguire la rotta degli aerei in
ogni momento e per ogni distanza anche nei territori sprovvisti di copertura
radar. Oltre a questi vantaggi, con il FANS potranno essere ridotte le distanze
di sicurezza imposte tra le rotte degli aerei grazie all'utilizzo della
posizione precisa dell'aereo ricevuta dal satellite. A versioni di questo
sistema stanno lavorando per installarli sui propri aerei le compagnie Boeing e
Airbus.
5.1 - Limitazioni e vantaggi del satellite.
Le comunicazioni satellitari hanno alcune caratteristiche uniche che le
distinguono dalle altre tecnologie di telecomunicazioni. In molti casi, come si
può vedere qui di seguito, la recente evoluzione da "prima" a "seconda"
generazione, ha modificato significativamente il divario tra reti "di terra" e
satellitari. * Costi stabili : il costo di trasmissione attraverso un satellite
su un singolo canale 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. * Elevata velocità di trasmissione : finora limitata dalle grandi
distanze e dalla forte variabilità del canale di propagazione. La trasmissione
satellitare sfrutta una banda molto larga di frequenze, quindi di grande
capacità, cui si affiancano oggi algoritmi di compressione più potenti. *
Diffusione : 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. * Affidabilità in caso di disastri naturali e
non (conflitti bellici) : estremamente 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. * Basso tasso di errore : gli errori sui bit trasmessi in un canale
satellitare sono distribuiti in modo casuale. Questo permette di applicare, con
maggior robustezza e rapidità di alcuni anni fa, con successo algoritmi
statistici per il riconoscimento e la correzione d'errore in maniera efficiente
e affidabile. * Ritardo di segnale : 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 (un quarto di secondo). Questo ritardo è
distintivamente percepibile nelle comunicazioni vocali. L'utilizzo di orbite
circolari più basse (LEO e MEO) ha ridotto notevolmente l'inconveniente , che
diviene trascurabile con l'applicazione delle più recenti tecniche di
trasmissione. * Dimensioni della stazione di terra : al diminuire delle distanze
tra satellite e terra (passando dai satelliti geostazionari, ad una distanza
max. di circa 36 mila Km, ai LEO, a poco più di 1000 Km) è possibile diminuire
proporzionalmente la potenza delle stazioni di terra. Oggi si possono così
utilizzare antenne e terminali più piccoli, con consumo ridotto e più facili da
installare. * L'interferenza : nei sistemi in uso finora, la banda di frequenze
utilizzate è molto sensibile al cattivo tempo (azione di nubi, nebbia, pioggia,
neve, grandine) e all'interferenza di segnali a microonde utilizzate a livello
terrestre, specialmente in aree densamente popolate. * Alti costi iniziali : per
coprire praticamente tutto il globo terrestre con satelliti geostazionari sono
sufficienti 4 satelliti su 6 orbite, mentre con sistemi MEO e LEO il numero sale
a diverse decine, con corrispondente aumento dei costi.
5.2 - Conclusione : il ruolo del satellite nelle autostrade
dell'informazione.
Il satellite della prossima generazione, quello che vedrà la luce a partire dal
2000, sarà in grado di rispondere, almeno per gli aspetti di rete e
connettività, ai principali requisiti di copertura globale, trasmissione
digitale e fornirà la possibiltà di osofruire di servizi personali (es. TV),
grazie al perfezionamento di tecnologie sperimentate sin dagli inizi degli anni
'80 e allo sviluppo di altre caratteristiche come lo sfruttamento della fascia
alta dello spettro a radiofrequenza, l'utilizzo di larghe porzioni dello spettro
con grandi capacità trasmissive, l'impiego di commutazione a bordo (con antenne
multifascio) e l'adozione di amplificatori ad alta potenza ed elevata
efficienza. Se è vero che la tecnologia applicata al mondo dei satelliti per
telecomunicazioni si sta avviando a grandi passi verso il settore della
multimedialità ed interattività, altrettanto non si può affermare per il mercato
di riferimento e per le potenzialità di crescita che esso sarà in grado di
esprimere nel prossimo decennio. A tutt'oggi nessun analista è ancora in grado
di identificare con chiarezza l'applicazione in grado di giustifcare di per sè
gli investimenti in una iniziativa satellitare multimediale che, richiede grandi
quantità di denaro. Ad ogni modo si stanno facendo notevoli passi per definire
alcune applicazioni tra le quali, quelle qui di seguito riportate: - shopping
elettronico con PC / NC o con TV e Web Browser; - transazioni bancarie; -
intrattenimento interattivo (giochi in linea); - Video-on-demand (VOD) e Near
VOD; - videotelefonia; - pubblicità; - accesso a pubbliche amministrazioni; -
Intranet; - telemedicina; - videoconferenza da TV o desk-top; - accesso veloce
ad Internet.
GLOSSARIO
Fasce ionizzanti di Van Allen
Le fasce ionizzanti di Van Allen, identificate per la prima volta nel 1958, sono
settori dell'atmosfera terrestre composti da elettroni e protoni ad alta energia
prodotti dall'interazione dei raggi cosmici solari con il campo magnetico
terrestre, ad altezza di circa 10.000 e 20.000 Km sulla Terra. Le particelle
ionizzate contenute in alta concentrazione nelle fasce di Van Allen possono
generare notevoli disturbi sulle apparecchiature elettroniche e i computers di
bordo dei satelliti.
CDMA
Code Division Multiple Access. Ogni elemento di rete (terminale mobile,
satellite, stazione di terra) comunica sul canale utilizzando codifiche diverse,
scelte in modo tale che non interferiscano tra loro.
TDMA
Time Division Multiple Access. L'accesso al canale viene regolato mediante una
suddivisione in slot temporali.
UHF
Ultra High Frequencies. Si tratta delle frequenze comprese tra 300 MHz e 3 GHz.
Spesso indicata come prima parte delle microonde. Viene usata per comunicazioni
radio su piccole e medie distanze (diverse centinaia di metri di raggio), radar,
televisione, ecc..
VHF
Very high Frequencies. Parte delle onde radio con frequenze comprese tra 30 e
300 MHz, utilizzata per la comunicazione radio su piccole e medie distanze (fino
ad alcuni Km). diffusione dei segnali radiotelevisivi e per la trasmissione
satellitare.
Full-duplex
Il canale di comunicazione permette la coesistenza delle comunicazioni
contemporanee in entrambe le direzioni.
Onde radio
Sono onde elettromagnetiche con frequenze comprese tra 1 KHz e 300 MHz
(lunghezza d'onda tra il metro e 100 Km).
Microonde
Sono onde elettromagnetiche con frequenze comprese tra i 300 MHz e 300 GHz
(lunghezza d'onda tra qualche decimo di millimetro e il millimetro).
Bibliografia
- Riviste: "Guida telefoni (n.9)", "EDN Marzo '97", "Quaderni" Beltel;
- Indirizzi internet:
http://aa.standford.edu (Dipartimento aronautica americana)
http://www.agu.org/scisoc/hlewitt.html (Pagina commerciale)
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/spacewarn/spx517-catigps.html (Nasa)
http://www.alpine.it/m-tecnic.html (Sito Alpine)
http://ascc.carroll...g/explorer/lern.html (Pagina commerciale)
http://tycho.usno.na...l/pub/gps/gpssy.html (U.S.Naval Observatory)
(Non si assicura l'attuale correttezza di questi indirizzi causa frequenti
modifiche riguardanti soprattutto i siti governativi)
