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Walter Balzano » 22.Global Positioning System - parte prima


Global Positioning System

  • Introduzione
  • Il sistema navstar
  • I segmenti del GPS
  • Segmento di controllo
  • Interazione dei sottosistemi GPS

Introduzione

Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento su base satellitare, a copertura globale e continua, gestito dal dipartimento della difesa statunitense.
Il GPS permette a piccoli ricevitori elettronici di determinare la loro posizione (longitudine, latitudine e altitudine) con un errore di pochi metri usando segnali radio trasmessi in linea ottica da satelliti.

Sistemi GPS attuali e futuri:

  • navstar (U.S.A.);
  • glonass (Russia);
  • galileo (Europa);
  • beidou (Cina);
  • irnss (India);
Satellite in orbita terrestre. Fonte: Tecnozoom

Satellite in orbita terrestre. Fonte: Tecnozoom


Il Sistema Navstar

Navstar, (Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System) fu concepito dal Ministero della Difesa statunitense come mezzo universale per:

  • determinare con precisione il punto in cui un ricevitore si trova sulla terra;
  • 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.
Inizialmente, per motivi di sicurezza, il sistema era affetto da un errore indotto ma poi reso libero.

Il Sistema Navstar (segue)

Il sistema GPS si compone di tre parti:

  1. il Segmento spaziale (24 satelliti);
  2. il Segmento di controllo (5 centri di controllo);
  3. il Segmento d’utilizzo (i ricevitori).

Costellazione dei satelliti

La costellazione di 24 satelliti che costituisce il sistema GPS fu completata nel 1993, prevede 21 satelliti operativi e 3 satelliti di scorta pronti a intervenire in caso di guasto.

I satelliti sono posti in un’ orbita circolare a circa 20.200 km dalla terra e compiono una rivoluzione in 12 ore ripassando sullo stesso punto visto da un osservatore terrestre ogni 24 ore circa.

Il centro di controllo del sistema GPS si trova nei pressi di Colorado Springs ed ha il compito di eseguire tutte le misure necessarie per “correggere” le informazioni inviate dai satelliti GPS.

Satelliti in orbita intorno alla terra.

Satelliti in orbita intorno alla terra.


Il segmento spaziale

I 24 satelliti Sono disposti su 6 piani orbitali diversi ma ugualmente spaziati tra di loro, inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale (quindi non coprono le zone polari) a forma di ellissi a bassa eccentricità.

Ogni piano orbitale ha 3 o 4 satelliti, e i piani sono disposti in modo tale che ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti. La loro quota è di 20 200 km e compiono due orbite complete in un giorno siderale.

Da un punto del globo terrestre il ricevitore riesce a vedere solo la metà di essi, quindi 12. Ma non li vedrà mai tutti e 12 per via della loro inclinazione rispetto all’equatore. In più il ricevitore GPS stesso fa una discriminazione dei satelliti in base alla loro geometria e alla stima degli errori su ciascuno privilegiando quelli che forniscono maggior precisione (basandosi, per esempio, sulla loro elevazione rispetto l’orizzonte.

Gli orologi atomici

Ogni satellite è dotato di orologi atomici basati su 4 oscillatori ad altissima precisione, di cui 2 al cesio e 2 al rubidio con una precisione di 3*10-9secondi (possibilità di errore è di un secondo ogni 30000 anni).
Il Costo di ogni orologio atomico è di circa 160.000 Euro; ha dei razzi per effettuare le correzioni di orbita. Ha due pannelli solari di area pari a 7,25 m2 per la produzione di energia. Ha infine batterie di emergenza per garantire l’apporto energetico nei periodi in cui il sole è eclissato. Pesa circa 845 kg ed ha una vita di progetto di 7,5 anni.

Il segmento spaziale

Elevazione del Satellite

Angolo η individuato fra la direzione del segnale ed il piano tangente all’ellissoide nel punto occupato dal ricevitore. In genere si utilizzano solo segnali provenienti da satelliti con η > 10° o 15°, in modo da attenuare i problemi legati al disturbo atmosferico.

Elevazione del Satellite.

Elevazione del Satellite.


Il segmento spaziale (segue)

Tabella tipica delle elevazioni su 24 ore.

Tabella tipica delle elevazioni su 24 ore.


Il segmento spaziale (segue)

Schema della visibilità (4 ore) dei satelliti da un punto fisso della terra.

Schema della visibilità (4 ore) dei satelliti da un punto fisso della terra.


Segmento di controllo

Il Segmento di controllo è costituito da un gruppo di stazioni di monitoraggio a terra che hanno la loro sede centrale in Colorado: in particolare, i centri di controllo terrestre sono 5 e sono disposti in posizione pressoché equatoriale intorno al globo:

  • Colorado Springs: Raccoglie i dati delle altre stazioni; Effettua la compensazione dei dati (errori degli orologi sui satelliti), effemeridi satelliti, scostamento delle orbite; Invia al satellite dati di correzione per Orologi, Orbite, Effemeridi;
  • Hawaii;
  • Ascension Island;
  • Diego Garcia;
  • Kwajalein.
Mappa delle stazioni terrestri.

Mappa delle stazioni terrestri.


Compiti delle stazioni terrestri

Le stazioni terrestri hanno il compito di:

  • “tracciare”, ovvero seguire in maniera continua i satelliti ed elaborare i dati ricevuti per calcolarne la posizione spazio-temporale (effemeridi);
  • imporre correzioni d’orbita;
  • sincronizzare gli orologi atomici a bordo dei satelliti usando un orologio maser all’idrogeno;
  • scaricare i dati per la trasmissione tramite i satelliti (memorizzare nuovi dati sui satelliti: fra i più importanti ci sono le “effemeridi” previste per le successive 12 o 24 ore, che vengono trasmesse agli utenti).

Il segmento di utilizzo

Il segmento d’utilizzo è definito da ogni ricevitore, come quelli a bordo delle automobili, degli aerei e delle navi. Essi ricevono il segnale, lo elaborano, ricavano le informazioni a proposito della velocità, posizione e tempo del veicolo. Essi sono basati su clock al quarzo.

La precisione, a seconda della applicazione, può variare da ±100 m a ±1 cm

Sistemi tradizionali di navigazione.

Sistemi tradizionali di navigazione.


Il segmento di utilizzo (segue)

Altri impieghi degli strumenti di navigazione.

Altri impieghi degli strumenti di navigazione.


Interazione dei Sottosistemi GPS

Schema dell’interazione dei sottosistemi GPS .

Schema dell'interazione dei sottosistemi GPS .


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