I satelliti: dal gps a Leopardi

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 sevizio

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. Pagina 7

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:

E’ 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 300Km). 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 aggiunger 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 Pagina 10

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 )

i i i i ri u i

Incognite

Da quanto detto è semplice comprendere che per determinare la posizione di un

utilizzatore siano necessari almeno 4 satelliti dato che il sistema da risolvere dispone

Δt

di quattro incognite, ovvero x , y , z, e l’errore dell’orologio del satellite ; gli altri

u

dati vengono fornite dal satellite nel segnale trasmesso. ϕ λ

), longitudine ( ) e

Volendo quindi calcolare le coordinate in termini di latitudine (

quota ( h ) si utilizzeranno le seguenti relazioni, considerando la terra sferica di raggio

R = 3670Km. ϕ λ

cos

x = ( R + h ) cos ϕ λ

sen

y = ( R + h ) cos ϕ

z = ( R + h ) sen Pagina 11

R/NAV - NAVIGAZIONE D’AREA

La navigazione d’area R/NAV consente agli aeromobili di navigare su qualsiasi rotta.

La scelta della rotta deve necessariamente trovarsi entro un raggio di copertura di un

radioaiuto, quali ad esempio il VOR/DME, oppure l’aereo deve utilizzare una

apparecchiatura in grado di stabilire la posizione dell’aeromobile, come ad esempio il

sistema inerziale (INS) o ancora meglio il GPS (Global Position System), anche se

quest’ultimo è considerato una strumentazione complementare.

Per effettuare la navigazione

d’area la strumentazione di

bordo calcola delle teoriche

radioassistenza lungo la

rotta da seguire, detti Way –

Point. Congiungendone due

si ottiene proprio un tratto di

rotta R/NAV.

La prima grande distinzione fra i vari sistemi R/NAV riguarda il tipo di strumentazione

utilizzata:

- Navigazione d’area a breve raggio, se viene eseguita con l’ausilio di stazioni a

terra come il VOR/DME.

- Navigazione d’area a lungo raggio, quando si utilizza strumentazione come

l’INS, inerziale, oppure il sistema di navigazione satellitare GPS.

Un’ulteriore differenziazione tra i vari tipi di rotte R/NAV riguarda il livello di

precisione, distinguendo anche in questo caso due tipologie:

• Basic R/NAV o RNP 5 (Required Navigation Performance 5): utilizzando questo

tipo di navigazione l’apparato ha un margine di precisione laterale e

longitudinale inferiore a 5 NM (Nautical Miles).

• Precision R/NAV o RNP 1 (Required Navigation Performance 1): il margine di

precisione sopracitato è pari o inferiore a 1 NM; inoltre questa navigazione

consente la condotta di un volo parallelamente e/o lateralmente disassato

rispetto all’asse centrale di una rotta ATS, sia in tratti rettilinei sia in quelli di

virata.

Le rotte R/NAV vengono segnalate sulle carte con un nominativo composte da una

lettera ed un numero compreso tra 1 e 999. Eventualmente le sigle sono precedute da

un prefisso per indicare il livello di volo.

Le R/NAV Superiori sono composte infatti dalla lettera U (Upper) seguita da L, M, N, P

o Z ed il numero. Le R/NAV Inferiori Vengono distinte dalle lettere L, M, N e Z ed il

numero. Pagina 12

Separazioni R/NAV

Le separazioni R/NAV hanno lo scopo di distaccare le varie rotte di questo tipo. È

importante sottolineare che vengono applicate solo ed esclusivamente tra due

aeromobili che stanno volando con la navigazione d’area. Per effettuare questo tipo di

separazioni è necessario che gli aeromobili separati mantengano costantemente un

efficiente contatto radio.

Nel caso delle separazioni R/NAV fondamentale è considerare la velocità di condotta

degli aeromobili riferita alla velocità del suono, quindi tramite il Mach number. La

velocità deve essere uguale o inferiore a quella dell’aeromobile che segue; nel caso in

cui un aereo non possa fare riferimento al Mach number è suo dovere riferirlo al

controllore.

Le separazioni vengono attuate in maniera differente a seconda degli spostamenti

degli aerei. Come indicato dalle casistiche che seguono:

Aeromobili sullo stesso livello di crociera

La separazione R/NAV risulta essere di 80 N/M a condizione che:

- gli aeromobili riportino la stessa distanza “TO” o “FROM” dallo stesso Way-Point

- la separazione venga controllata con simultanee letture / distanze R/NAV a