I satelliti: dal gps a Leopardi

Istituto tecnico aeronautico

“Antonio Locatelli”

di Bergamo

Tesi di maturità a.s. 2006 / 2007

Brambilla Ryan

A cura di: Prefazione

Presentando in primo luogo un’ambientazione storica, riguardante il periodo della

“corsa agli armamenti e della conquista allo spazio”, sono passato poi all’analisi del

funzionamento del sistema “GPS”.

Il GPS è stato preso in esame per quanto riguarda la navigazione aerea e la

circolazione aerea con la “navigazione d’area (R/NAV)”. Altri aspetti analizzati

prendono in esame l’uso dei “satelliti meteorologici” nella meteorologia ed il rispettivo

“calcolo dell’altezza di un satellite geostazionario”, con similitudine del movimento di

un aeromobile, per quanto riguarda la “richiamata” in aerotecnica.

Quindi è stata effettuata l’analisi del sistema di comunicazione tra la terra ed i satelliti,

nell’ambito dell’elettronica nonché delle “Onde Elettromagnetiche”.

Dalla comunicazione tecnica tra la terra ed i satelliti artificiali è stato posto una

analogia alla comunicazione tra l’uomo e la luna facendo riferimento al Leopardi in

“Canto Notturno di un Pastore Errante dell’Asia alla Luna”.

Staccandosi dall’argomento satelliti come strumentazione utile nell’ambito della

navigazione aerea e considerando invece i satelliti definiti “spia”, in quanto in grado di

captare e visualizzare ogni cosa sulla superficie terrestre, ho preso in considerazione il

parallelismo del grande fratello che cita George Orwell in

“Millenovecentoottantaquattro”.

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Indice

Pagina

• Corsa agli armamenti e conquista dello spazio (Storia) 4
• GPS - Global Positioning System (Navigazione aerea) 6
• Cenni storici
• Struttura del GPS
• Determinazione della posizione
• R/NAV - Navigazione d’area (Circolazione aerea) 12
• Rotte R/NAV
• Separazioni R/NAV
• Satelliti meteorologici (Meteorologia) 15
• Satelliti geostazionari
• Satelliti polari
• Osservazioni effettuabili dallo spazio
• Meteosat
• Nefoanalisi da satellite
• Altezza di un satellite geostazionario (Aerotecnica) 21
• Richiamata (Aerotecnica) 22
• Onde elettromagnetiche (Elettro-radio-radar tecnica) 24
• Onde superficiali
• Onde riflesse dal suolo
• Onde dirette
• Onde ionosferiche
• Onde satellitari
• Orwell (Inglese) 31
• Life and Works
• Nineteen Eighty-Four
• Giacomo Leopardi (Italiano) 34
• Vita e opere
• Canto Notturno Di Un Pastore Errante Dell’Asia Alla Luna
• Bibliografia 41

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Corsa agli armamenti e conquista dello spazio

La cosiddetta corsa agli armamenti 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. La grande novità della costituzione della N.A.T.O. fu il definitivo abbandono

del rifiuto da parte degli U.S.A. di partecipare agli affari internazionali.

Nel 1952 avvenne il collaudo della prima bomba H statunitense, con conseguente

preoccupazione per gli effetti della ricaduta radioattiva.

L’Unione Sovietica non attese oltre: l’anno seguente esplose la sua prima bomba a

fusione, un ordigno nuovo che permetteva di essere trasportato a bordo di un

bombardiere intercontinentale a lungo raggio.

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

spazio. Il 4 ottobre 1957 l’Unione Sovietica effettua il primo lancio di un satellite, lo

Sputnik I.

Gli Stati Uniti rispondono lanciando, l’Explorer I il 31 gennaio 1958.

Questo porta ad ampliare la ricerca, da entrambe le parti, verso la realizzazione dei

missili balistici intercontinentali.

Continua però l’incessante sviluppo del nucleare: l’URSS fa esplodere la bomba H più

potente mai costruita, circa tremila volte più distruttiva rispetto alla bomba sganciata

su Hiroshima, ed allo stesso tempo vengono posizionati i primi missili balistici da

entrambe le superpotenze, razzi capaci addirittura di volare dagli U.S.A. all’URSS.

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Quando l’Unione Sovietica nel 1962 installa dei missili a Cuba su richiesta di Fidel

Castro, gli Stati Uniti, attraverso un blocco navale che preludeva ad un conflitto

atomico, riescono a bloccare l’operazione.

Nel 1963 c’è il primo trattato sulle armi nucleari che impone alle due potenze di

effettuare i test atomici solamente nel sottosuolo.

Nel 1968 c’è il trattato di non proliferazione, che cerca di limitare la diffusione di armi

nucleari al di fuori dei cinque paesi che le possiedono (U.S.A., URSS, Francia, Gran

Bretagna, Cina). Fondamentale in questi anni è il

raggiungimento da parte dagli USA

del suolo lunare, con la missione

Apollo11. Il 20 luglio 1969 gli

astronauti Neil Armstrong ed il

colonnello Edwin Aldrin, sono i primi

uomini a toccare la superficie lunare,

momento storico enfatizzato dalla

storica frase: “That’s one small step

for man, one giant leap for mankind”

ovvero “Un piccolo passo per l’uomo,

un grande balzo per l’umanità”,

dimostrando l’importanza dello

sviluppo americano a livello mondiale.

Allo stesso tempo vengono studiati i primi sistemi per la protezione dei missili

statunitensi da eventuali attacchi sovietici, tra cui i missili MX e sottomarini più

potenti.

Durante la corsa agli armamenti c’è stata una diversificazione delle armi nucleari

strategiche, in base alle scelte militari riguardanti i sistemi di lancio dei missili.

L’Unione Sovietica si è infatti affidata prevalentemente ai missili basati a terra, mentre

gli Stati Uniti hanno fatto affidamento su un arsenale notevolmente più diversificato,

con una particolare importanza assunta dai bombardieri strategici.

Gli U.S.A. dispongono inoltre di un maggior numero di testate nucleari, mentre l’URSS

si affida a una maggiore potenza installata (cioè le testate sono più potenti). Questo

perché il livello tecnologico più alto raggiunto dalla potenza occidentale ha permesso

di aumentare notevolmente la precisione dei missili, i quali necessitano dunque di

testate più piccole. Dall’altra parte le testate nucleari devono essere di dimensioni e

potenza maggiori, per aver la certezza di distruggere il bersaglio con missili meno

precisi.

Attualmente, anche se ufficialmente lo sfondo della corsa agli armamenti e la guerra

fredda possono dirsi ufficialmente conclusi, in sé presentano diverse problematiche

riguardanti i due schieramenti. È infatti di pochi mesi fa la notizia della volontà degli

Stati Uniti di procedere con la realizzazione di uno scudo spaziale, il quale è stato

definito solo uno strumento di difesa e non di attacco. Una scelta che è vista per parte

Russa come un possibile ritorno della corsa agli armamenti, una rinascita di vecchie

ostilità che spaventa non solo gli stati direttamente interessati, ma tutto il mondo.

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GPS - Global Positioning System

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. Il rilevamento avviene tramite l’uso di una

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

h m s

20.200 Km con un periodo di 11 58 04.

Cenni storici

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

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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.

Solo nel 1993 gli Stati Uniti giunsero al completamento del sistema GPS, ma il servizio

venne reso disponibile solo nel maggio 2000, con il decreto del presidente Bill Clinton

che lo liberalizzò e ridusse quella che era la precedente implementazione d’errore.

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.

Struttura del GPS

Il sistema GPS statunitense, così come qualunque tipo di sistema satellitare, si

compone di tre distinti segmenti, a ciascuno dei quali viene attribuito un compito

specifico:

• Segmento di controllo, consiste in una rete di monitoraggio e di mezzi di controllo.
• Segmento spaziale, formato dai satelliti orbitanti intorno alla terra.
• Segmento utenza, basato sugli utilizzatori presenti.

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Segmento di controllo

Il sistema GPS prevede una serie di stazioni a terra con lo scopo di controllare lo stato

operativo della costellazione e di fornire le effemeridi, ovvero delle tabelle contenenti

la posizione del satellite stesso ad una determinata ora.

Il centro di controllo principale (Master Control Monitor Station) è situato presso la

Falcon AFB a Colorado Springs; inoltre sulla terra sono dislocate altre quattro stazioni

di monitoraggio rispettivamente posizionate nelle Hawaii, nell’isola di Ascension, nella

base di Diego Garcia e nell’atollo di Kwajalein.

Il ruolo delle stazioni di monitoraggio è quello di verificare continuamente la posizione

dei satelliti e trasmetterle alla MCMS.

A sua volta la MCMS ha il compito di verificare ed eventualmente correggere l’orario

del satellite, basato su orologi atomici, seguire il moto orbitale dei satelliti, aggiornare

i dati contenuti nelle memorie di bordo e secondariamente, quando necessario,

modificare la posizione del satellite tramite l’uso di thruster, propulsori, ed

eventualmente in caso di malfunzionamento sostituire il satellite con uno di riserva,

presente già nello spazio.

Segmento spaziale

È quella porzione di strumentazione adibita al GPS che si trova nello spazio ed è

composta essenzialmente da 24 satelliti orbitanti intorno alla terra, su 6 orbite

differenti inclinate di 55° rispetto all’equatore; inoltre sono disponibili 6 satelliti di

riserva in caso di malfunzionamento di quelli in uso, oppure in caso di necessità di

maggior precisione in certe aree del pianeta. I satelliti attualmente orbitanti coprono il

Pianeta come in figura. Pagina 8

Ogni satellite è equipaggiato con quattro orologi atomici ad alte prestazioni, computer

di controllo, sistema di controllo d’assetto ed un sistema di trasmissione radio ad onde

ultracorte e quindi ad altissima frequenza (UHF).

Il numero di satelliti visibili è compreso fra sette e nove per circa il 90% del tempo e

soltanto in rarissimi casi può scendere sotto cinque.

Segmento utenza

Questa risulta essere la parte finale del sistema GPS, è basato sul ricevitore in

possesso dell’utilizzatore.

Il ricevitore è composta da un’antenna che riceve i segnali emanati dai satelliti, infatti

tale sistema di radionavigazione non necessita l’emissione di segnale da parte

dell’utilizzatore ma solo ed esclusivamente la ricezione del segnale satellitare,

evitando così che altri possano determinare la posizione di chi ne sta usufruendo, al

contrario di quanto avveniva in sistemi precedenti quali ad esempio il radar.

Per quanto riguarda l’applicazione del GPS, oltre che all’uso per la navigazione, si è

arrivati addirittura a rappresentare la posizione dell’utilizzatore su di mappe,

supportate da software appositi, in grado di guidare l’utilizzatore lungo un percorso

prestabilito, basti pensare ai comuni navigatori satellitari per auto disponibili persino

per cellulari.

Il compito del ricevitore è quello di identificare almeno quattro satelliti visibili,

decodificare i segnali emessi, misurare i ritardi dei tempi d’arrivo dei segnali ricevuti

calcolarne la distanza e quindi identificare la posizione. Pagina 9

Determinazione della posizione

Il ricevitore GPS ha il compito di determinare la posizione dell’utilizzatore.

Il ricevitore capta il segnale da un satellite. Nel segnale sono presenti diverse

informazioni tra cui: la posizione del satellite e l’ora esatta di invio del segnale. Proprio

grazie a questi parametri è possibile per il ricevitore individuare le coordinate del

satellite.

Il compito del ricevitore è quello di calcolare la differenza di tempo tra l’ora di arrivo

t t

) e l’ora a cui il segnale è stato inviato ( ); in questo modo,

del segnale ( a i

moltiplicando il risultato per la velocità di propagazione del segnale, quindi la velocità

della luce ( c ), si ottiene una misura in termini di distanza, compresa tra il satellite e

l’utilizzatore; è però da considerare il fatto che l’onda trasmessa non percorre un

percorso rettilineo a causa della rifrazione atmosferica e quindi bisogna tenere conto

Δt , dato che viene fornito dal satellite nella trasmissione del

anche di un ritardo ri

segnale e quindi risulta essere noto. In formula:

R = c ( t – t ) – c Δt

i a i ri

Distanza dal satellite Distanza del ritardo

Bisogna però considerare che questa formula sarebbe applicabile solo nel caso in cui

gli orologi del ricevitore e del satellite fossero sincronizzati perfettamente (se ci fosse

una differenza anche solo di un millesimo di secondo, percorso alle velocità della luce,

equivarrebbe ad un rilevamento errato di 300 Km). Non essendo tecnicamente

possibile una precisione così alta, si considera la distanza misurata come una pseudo

R’ ).

– distanza ( i R’ = c ( t’ – t’ )

i a i

Essendo: t’ = t + Δt e t’ = t + Δt

a a u i i i

Dove Δt e Δt rappresentano rispettivamente gli errori degli orologi dell’utente e del

u i

satellite.

Bisogna quindi calcolare anche l’errore dovuto alla differenza tra l’orario utilizzato e

quello che bisognerebbe utilizzare, quindi alla formula precedente bisogna aggiungere il

prodotto della velocità della luce per la differenza degli errori degli orologi

dell’utilizzatore e del satellite, il quale errore del satellite risulta essere noto e

trasmesso da quest’ultimo, quindi:

R’ = R + c Δt + c ( Δt - Δt )

i i ri u i

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Riferendo quindi la posizione del satellite e dell’utilizzatore ad una terna cartesiana x ,

y, e z di tipo ECEF (Earth Centered Earth Fixed) ovvero riferita agli assi terrestri

dove z risulta essere l’asse che dal centro della terra, passante per il polo nord, si

estende al di sopra di quest’ultimo, x nel piano equatoriale diretto lungo il meridiano

di Greenwich e l’asse y perpendicolare agli assi x e z, la precedente formula può

essere scritta nel seguente modo:

2 2 2

R’ = ( x – x ) + ( y – y ) + ( z – z ) + c Δt + c ( Δt - Δt )