Global Positioning System tesina

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE “GALILEO

GALILEI” LIVORNO

Global Positioning System

Anno scolastico 2011/2012

SCAMMACCA ANDREA

1

ARGOMENTI:

Cos’è il GPS

 Cenni storici

 Composizione

 GPS(spaziale,controllo,utente)

Determinazione della posizione(concetto di

 trilaterazione)

Calcolo della distanza tra satellite e

 ricevitore

Quanto è preciso?

 Errori nel calcolo della posizione

 Elaborazione personale sugli effetti della

 relatività

Applicazioni GPS in era moderna

 (civile,militare,sport, vela collegamento

TAN)

Utilizzo GPS nel progetto TAN (spiegazione

 minima del progetto)

2

Collegamento con inglese Brano :“Channels

 of communication”

Cos’è il GPS?

Il Sistema di Posizionamento Globale, (in inglese: Global Positioning System,

abbreviato GPS) (a sua volta abbreviazione di NAVSTAR

GPS, acronimo di NAVigation Satellite Time And Ranging Global Positioning

System), è un sistema di posizionamento e navigazione satellitare che, attraverso

una rete satellitare dedicata di satelliti artificiali in orbita, fornisce ad un terminale

o ricevitore GPS informazioni sulle sue coordinate geografiche ed orario, in ogni

condizione meteorologica, ovunque sulla Terra o nelle sue immediate vicinanze ove vi

sia un contatto privo di ostacoli con almeno quattro satelliti del sistema, tramite

la trasmissione di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l'elaborazione dei

segnali ricevuti da parte del ricevitore.

La sigla GPS (Global Positioning System) è l’abbreviativo di NAVSTAR GPS (Navigation

Satellite And Ranging Global Position System), ovvero un sistema relativamente

recente in grado di determinare la posizione in termini di longitudine, latitudine ed

eventualmente quota, di un utilizzatore, tramite la trasmissione (da almeno 4 satelliti)

di un segnale radio da parte di ciascun satellite e l'elaborazione dei segnali ricevuti da

parte del ricevitore. Il rilevamento avviene tramite l’uso di una

costellazione di 24 satelliti, ripartiti su 6 orbite intorno alla terra ad una quota di circa

20.200Km con un periodo di 11h 58m04s.

Il sistema GPS è gestito dal governo degli Stati Uniti d'America ed è liberamente

accessibile da chiunque dotato di ricevitore GPS. Il suo grado attuale di accuratezza è

[1]

dell'ordine dei metri , in dipendenza dalle condizioni meteorologiche, dalla

disponibilità e dalla posizione dei satelliti rispetto al ricevitore, dalla qualità e dal tipo

di ricevitore, e degli effetti della relatività.

Per saperne di più: ionosfera e troposfera.

La ionosfera fa parte dello strato più alle nuvole e alle precipitazioni

esterno dell’atmosfera: la termosfera, atmosferiche.

ed è quello strato dell'atmosfera nella

quale le radiazioni del Sole, e in misura

molto minore i raggi cosmici provenienti

dallo spazio, provocano

la ionizzazione dei gas componenti.

La troposfera è la fascia

dell’atmosfera a diretto contatto con la

superficie terrestre. È lo strato dove

avvengono i fenomeni meteorologici,

causati dalla circolazione delle masse

d'aria e che danno vita ai venti, 3

Cenni storici corsa agli armamenti

La cosiddetta tra Stati Uniti e Unione sovietica è stata preceduta

dall’avvento dell’era nucleare. La prima bomba atomica venne creata in seguito ad un

progetto segreto statunitense,

iniziato durante la Seconda Guerra Mondiale. Si pensò ad un’arma capace di

annientare il nemico Nazista, vista la crescente paura che Hitler potesse sopraffare gli

Alleati. I primi ordigni nucleari mai utilizzati nella Storia furono sganciati su due città

giapponesi proprio durante la fine della seconda

Guerra Mondiale. La prima bomba esplose il 6 agosto

del 1945 su di Hiroshima e la seconda tre giorni dopo

su Nagasaki. I morti provocati nell’istante

dell’esplosione furono circa 160.000. Da allora Stati

Uniti e Unione Sovietica incrementarono la ricerca e lo

sviluppo scientifico al servizio degli armamenti.

Nel 1949 gli Stati Uniti e la maggior parte delle

nazioni dell’Europa occidentale si unirono per formare

la N.A.T.O. (North Atlantic Treaty Organization), ovvero

un’alleanza difensiva in modo da opporsi alla

minaccia sovietica durante quella che venne definita

guerra fredda, ovvero un conflitto tattico senza un

vero scontro sul campo, fatto di corse agli armamenti

e minacce fortunatamente mai portate a termine.

Oltre alla conquista per il nucleare questo periodo viene caratterizzato dalla corsa

allo spazio. Il primo satellite artificiale messo in orbita risale al 4 ottobre 1957,

quando l’Unione Sovietica ha lanciato lo Sputnik I, seguito un mese dopo dallo Sputnik

II, il quale trasportava addirittura un essere vivente, la famosa cagnolina Laika.

Colti alla sprovvista, gli Americani accelerarono notevolmente il programma spaziale e

riuscirono a lanciare il primo satellite statunitense il 31 gennaio 1958, l’Explorer I. In

questo modo ebbe inizio la conquista dello spazio che segnò l’inizio di una nuova era

anche per i sistemi di radionavigazione. L’idea di poter determinare la propria

posizione tramite l’uso dei satelliti e quindi la successiva creazione del GPS ebbe inizio

quasi per caso quando al laboratorio di fisica della John Hopkins University scoprirono

che i segnali ricevuti dall’emissione dei satelliti subivano una variazione di frequenza a

causa dell’effetto Doppler, determinato dalla velocità relativa tra il satellite e la terra,

riuscendo così a determinare l’effettiva posizione del satellite; fu proprio grazie a

questa scoperta che Frank T. McClure, dello stesso laboratorio, che pensò alla

possibilità di determinare la posizione di un utilizzatore a terra avendo come nota la

posizione del satellite. Il primo sistema di radionavigazione statunitense con satelliti

artificiali fu il TRANSIT, operativo dal 1964 ma riservato a scopi militari sino al 1967,

quando venne liberalizzato ad uso commerciale, anche se con l’imposizione di un

errore riducendone quindi la precisione.

Mentre gli Stati Uniti lavoravano per perfezionare il TRANSIT, nell’Unione Sovietica

veniva utilizzato il TSIKADA, sistema analogo anche se lievemente inferiore a livello di

prestazioni.

Questi sistemi di radionavigazione inizialmente venivano utilizzati per la localizzazione

di sottomarini ed imbarcazioni dato che richiedevano solo l’identificazione della

posizione e non della quota.

Nel 1991 gli USA giunsero al completamento del sistema GPS con il

nome SPS (Standard Positioning System), con specifiche diverse da

quello militare denominato PPS (Precision Positioning System). In

pratica la differenza sostanziale riguardava il concetto di Selective

Availability (SA) che introduceva errori intenzionali nei segnali

satellitari a scopo civile, per ridurre l'accuratezza della rilevazione,

consentendo precisioni solo nell'ordine di 100–150 m. Questa

degradazione del segnale è stata disabilitata dal maggio del 2000,

grazie a un decreto del presidente degli Stati Uniti Bill Clinton,

mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione di circa 10–

20 m.

Per quanto riguarda invece la situazione europea solo nel 2002 ha avuto inizio la

progettazione e creazione del sistema Galileo, simile al GPS ma con una maggior

precisione e miglior copertura. Inoltre il sistema europeo evita il rischio che in tempi di

guerra o pericolo gli Stati Uniti lo possano spegnere, così come è successo per il GPS

l’11 settembre 2001, in seguito agli attentati terroristici su suolo americano.

Da cosa è composto il GPS? (space

Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale

segment), (control segment) (user

il segmento di controllo ed il segmento utente

segment). L'Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il

segmento spaziale ed il segmento di controllo.

Il segmento spaziale comprende un numero da 24 a 32 satelliti, mentre il segmento di

controllo è composto da stazioni di controllo a terra dei satelliti. Il segmento utente

infine è composto dai ricevitori GPS.

Attualmente sono in orbita 31 satelliti nella costellazione GPS (più alcuni satelliti

dismessi, ma che possono essere riattivati in caso di necessità). I satelliti

supplementari migliorano la precisione del sistema permettendo

misurazioni ridondanti. Al crescere del numero di

satelliti, la costellazione di satelliti è stata modificata

secondo uno schema non uniforme che si è

dimostrato maggiormente affidabile in caso di guasti

contemporanei di più satelliti.

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti

componenti:

- un complesso o costellazione di minimo 24

satelliti, divisi in gruppi di quattro, su ognuno

dei sei piani orbitali (distanti 60° fra loro) ed

inclinati di 55° sul piano equatoriale, in orbita

terrestre media;

- 2 cicli al giorno; (tracking

- una rete di stazioni di tracciamento

station); (computing station);

- un centro di calcolo (injection stations);

- due stazioni di soccorrimento

- un ricevitore GPS.

Segmento spaziale

Dal 2010 il sistema è costituito da una costellazione di 31

(navigation satellite timing and ranging),

satelliti NAVSTAR disposti su sei piani orbitali

.

con una inclinazione di 55° sul piano equatoriale Seguono un'orbita praticamente

circolare ad una distanza di circa 26 560 km viaggiando in 11 h 58 min 2 s, I satelliti,

osservati da terra, ripetono lo stesso percorso nel cielo dopo un giorno sidereo (durata

del periodo di rotazione di un pianeta attorno al suo asse).

Ciascun piano orbitale ha almeno 4 satelliti, e i piani sono disposti in modo tale che

ogni utilizzatore sulla terra possa ricevere i segnali di almeno 5 satelliti. Ogni satellite,

a seconda della versione, possiede un certo numero di orologi atomici al cesio o al

rubidio.

Ciascun satellite emette su due canali, L1, per quanto riguarda il servizio SPS (per uso

civile), ed L2 per il servizio PPS (uso militare).. I ricevitori militari ricevono

generalmente entrambe le frequenze. Questi apparati confrontano i risultati ottenuti

con le diverse frequenze, così riducendo significativamente l’errore ionosferico dovuto

all’attraversamento dell’atmosfera da parte dei segnali. I ricevitori a frequenza

singola, come i nostri Garmin o Trimble, utilizzano un modello matematico per tener

conto di questo tipo d’errore. Negli ultimi 5-10 anni alcuni modelli di GPS per uso civile

in campo ingegneristico hanno la possibilità di usufruire del secondo canale L2

permettendo così di raggiungere un margine di precisione centimetrico.

Tutti i dati sono trasmessi mediante un codice binario modulato su due frequenze

portanti radio (i cui valori sono, rispettivamente, L1=1575 MHz e L2=1228 MHz,

Lo scopo della doppia frequenza è quello di eliminare l'errore dovuto

alla rifrazione atmosferica. Su queste frequenze portanti, modulate in fase, viene

modulato il messaggio di navigazione che ha una velocità di trasmissione pari a 50 bit

per secondo con una modulazione numerica di tipo binario (0;1), contenente:

(satellite time-of-transmission);

- tempo della trasmissione del satellite

(satellite position);

- posizione del satellite (satellite (SIS) health);

- grado di funzionalità del satellite (satellite clock correction);

- correzione relativistica dell'orologio satellitare (ionospheric delay effects);

- effetti di ritardo del segnale dovuti alla ionosfera

- correlazione con il tempo coordinato universale (UTC) come specificato dal U.S.

Naval Observatory (USNO);

(constellation status).

- stato della costellazione

La funzione del ricevitore di bordo è prima di tutto quella di identificare il satellite

attraverso la banca dati di codici che quest'ultimo ha in suo possesso; infatti ogni

satellite ha un codice e il ricevitore lo identifica grazie a quest'ultimo. L'altra funzione

delta t,

importante del ricevitore è quella di calcolare il ovvero il tempo impiegato dal

segnale per arrivare dal satellite al ricevitore. Esso viene ricavato dalla misura dello

slittamento necessario ad adattare la sequenza dei bit ricevuta dal satellite a quella

identica replicata dal ricevitore di bordo.

Ogni satellite trasmette l'almanacco (parametri orbitali approssimati) dell'intera