RICERCA ITALIANA     

Galileo e il posizionamento satellitare modernizzato

Politecnico di Milano

Abstract

Questo progetto si pone in continuazione logica con il PRIN 2004 “I servizi di posizionamento satellitari per l’e-Government”. Se, come sta avvenendo di fatto, con quel progetto si è dato il via ad una serie di applicazioni a livello regionale di reti di posizionamento GPS che porteranno, con un certo livello di omogeneità, l’Italia a recuperare il gap tecnologico rispetto alle nazioni avanzate, il presente progetto, riguardando in modo più stretto sviluppi tecnologici in fase di realizzazione nel futuro prossimo, si inserisce direttamente nel campo della ricerca per le applicazioni geodetiche del GPS modernizzato e di Galileo, entrambi previsti a partire dal 2008. Questo avanzamento naturalmente proviene da circa un decennio di ricerche già svolte per:
1.l’ottimizzazione della scelta della terza frequenza,
2.l’interoperabilità dei due sistemi satellitari,
3.il miglioramento degli algoritmi di navigazione.
Solo più recentemente il Consorzio Europeo per Galileo si è mosso in direzione del GNSS a fini geodetici generali e verso le applicazioni professionali e di e-government.
La presente ricerca si propone di intervenire in questi ultimi campi approfondendo alcuni argomenti che classifichiamo di base ed altri che classifichiamo applicativi.
Il quadro in cui la ricerca si pone è quello della trasformazione futura delle reti di stazioni permanenti e di utilizzo ottimale dei nuovi dati che saranno più numerosi e più precisi. Gli argomenti specifici proposti sono:

B1. Impatto della presenza di una nuova costellazione sulla definizione
a) di un sistema di riferimento globale che integri GPS; GLONASS e GALILEO,
b) della modellazione della trasformazione tra sistema GPS sistema Galileo, sia come coordinate spaziali sia come coordinate temporali.
B2. Analisi di tutte le possibili combinazioni di codici e fasi su tutte le frequenze; possibilità di combinazioni tra sistemi diversi (interoperabilità); nuovi algoritmi per il fissaggio delle ambiguità e la stima dei parametri ionosferici con particolare riferimento al precise point positioning allo scopo di migliorare e accelerare l’analisi dei dati del singolo ricevitore.
B3. Studio della possibilità di effettuare tomografie troposferiche, grazie al maggior numero di satelliti, sia per modellare le correzioni troposferiche sia per usi meteorologici.
B4. Studio e sviluppo di un software sperimentale di rete con piene capacità dell’uso di futuri dati GNSS.
B5. Studio e sviluppo di un simulatore di posizionamento in tempo reale: si noti che il simulatore diviene pienamente operativo solo se può essere inserito in un ricevitore poiché solo in questo caso potrà veramente operare in tempo reale.

A1. Studio e definizione di una normativa per la modernizzazione di reti permanenti e per l’erogazione di servizi certificati.
A2. Studio delle applicazioni del modernized positioning in tempo reale per l'e-government: cartografia, catasto, controllo di flotte. Test sperimentale di integrazione e confronto fra solo GPS a 2 frequenze e GPS a 3 frequenze con Galileo, se disponibili nel 2008. Nell’ambito di questo tema si eseguiranno certamente test sperimentali di GPS contro GPS+GLONASS, ed altri con i primi dati GPS disponibili a 3 frequenze.
A3. Produzione di materiale educational. Si intende produrre un testo per il posizionamento modernizzato, corredato da un CD con casi di studio, esempi e moduli semplici tratti da software freeware. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fernando Sansò Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Anche per l’impatto del PRIN 2004 “I servizi di posizionamento satellitari per l’e-government”, in Italia le reti permanenti GPS si stanno sviluppando in quasi tutte le regioni come base di servizi regionali di posizionamento. Contemporaneamente gli organi cartografici nazionali, e in particolare l’IGM, si stanno organizzando per definire un sistema di riferimento unico monitorato in continuo, a livello nazionale, nel sistema globale IGB00. Questa azione ha evitato lo sfarinamento della materia in mano ai soggetti più disparati fornendo una oggettiva supplenza ad una Authority geodetica che manca completamente in Italia; in particolare la dimensione regionale dei servizi permette di allineare l’Italia al livello medio internazionale delle nazioni sviluppate. Tuttavia nell’arco di tempo che sta tra 2 e 6 anni vi sarà un ulteriore salto di sistema nell’ambito GNSS, con un incremento sostanziale di informazione per il posizionamento dovuto all’introduzione della terza frequenza, sia per il GPS che per il futuro Galileo, ed al quasi raddoppio dei satelliti tracciabili dalle stazioni terrestri.
Questo pone un importante compito per comprendere già da ora quale sarà l’evoluzione più naturale del sistema di reti regionali e dei servizi di posizionamento.
Il gruppo proponente questa ricerca infatti è ben convinto che, mentre una serie di servizi a più basso contenuto informativo potranno essere svolti direttamente dal segmento satellitare e dai singoli ricevitori degli utenti, altri servizi che richiedono maggior accuratezza, spesso in modalità di tempo reale, come la produzione cartografica a grande scala, il monitoraggio del territorio, la navigazione di precisione ecc., potranno essere erogati ancora solo in presenza di reti di stazioni permanenti.
Tali reti tuttavia dovranno essere gestite con nuovi SW e disporranno di una maggiore ricchezza di dati; ad esempio si rende necessario esplorare fin da ora la possibilità di migliorare i servizi relativi al calcolo delle correzioni traposferica e ionosferica, mediante la costruzione di modelli più precisi e più efficienti.
Il livello scientifico dei proponenti e le ricerche svolte nel settore, inoltre, dovrebbero garantire una ragionevole capacità di contribuire anche in ambito internazionale alla creazione dei nuovi standard GNSS e dei servizi connessi. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

In merito alla ricerca dobbiamo considerare tre innovazioni a livello internazionale.

1. Il sistema GPS sta per subire una modernizzazione legata all’introduzione di due nuovi codici per la frequenza L2 per usi civili e nel 2007 di una terza frequenza con i relativi codici.
Ad oggi il Navstar GPS è l'unico sistema di posizionamento e navigazione che copre 24/24 ore al giorno l'intero Globo terrestre "Any Time, Any Place, Right Time, Right Place". Il governo americano ha stanziato circa 19 miliardi di dollari da destinare nei prossimi anni alla modernizzazione del sistema GPS. Come parte delle attuale modernizzazione, alla fine di settembre 2005 è stato inviato un nuovo satellite GPS del blocco II-R. La modernizzazione del GPS porterà una serie di vantaggi. Il nuovo segnale L5, con una una maggiore potenza e larghezza di banda, sarà meno attaccabile rispetto al jamming. Il codice sulla frequenza L5 (10.23 MHz ) avrà frequenza dieci volte maggiore del codice C/A. questo fenomeno dovrebbe migliorare la precisione nell'autocorrelazione con un fattore 10: aumenteranno le prestazioni dei ricevitori rispetto al noise e sarà più semplice attenuare l'effetto del multipath. La lunghezza maggiore dei nuovi codici previsti sulle frequenze L2 e L5 aumenterà le prestazioni degli algoritmi di autocorrelazione e cross-correlazione, riducendo la probabilità di errori nell'acquisizione del segnale, in presenza di disturbo provocato da ostruzioni o interferenze. L'introduzione della terza frequenza consentirà di migliorare la stima del ritardo ionosferico, in particolare con la combinazione L1/L5. In termini di velocità di fissaggio delle ambiguità di fase si avranno ulteriori vantaggi. La disponibilità della nuova frequenza L5 consentirà di formare la combinazione L1/L5, di lunghezza d'onda di 65 cm, detta medium lane (ML), e la combinazione L2/L5, di lunghezza d'onda di circa 6 m, detta extra widelane (EWL). Entrambe hanno ambiguità intere e l'ambiguità di fase della combinazione EWL potrebbe essere risolta anche con le sole osservazioni di codice, portando ad una più rapida inizializzazione delle ambiguità su tutte le frequenze.

2. Si avrà in breve tempo un ripristino completo della costellazione Glonass con 18 satelliti nel 2007 e 24 nel 2010. Il sistema viene sempre più considerato uno strumento strategico irrinunciabile per la sicurezza nazionale russa e la crescita economica del paese: come tale, è stato approvato dal governo federale, nell'agosto 2001, il programma di completamento ed ammodernamento del GLONASS per gli anni 2002-2011. Come è noto, il sistema GLONASS attuale consiste in 14 satelliti in orbita, dei 24 pianificati, che forniscono attraverso la trasmissione di codici e segnali modulati in doppia frequenza un servizio multiplo e diversificato, militare/civile attraverso anche ad un continuo monitoraggio nazionale a terra di tutti gli elementi componenti: il posizionamento e la navigazione avvengono nel sistema di riferimento PZ 90 tramite mantenimento di campioni temporali standard realizzati in Russia. Il servizio è soggetto al controllo diretto della Federazione Russa non è sottoposto ad alcun pagamento diretto di canoni. Ai fini del GNSS sono disponibili commercialmente da diversi anni ricevitori combinati GPS/GLONASS; si prevede peraltro una completa compatibilità e interoperabilità tra GLONASS e GPS e la futura costellazione GALILEO. Il programma Federale GLONASS di sviluppo approvato nel 2001 porterà tutta una serie di innovazioni sino al 2011, oltre al completamento della costellazione di 24 satelliti. L'obiettivo è quello di attribuire a questo sistema un ruolo centrale per il posizionamento, il riferimento di tempo e la navigazione (PNT) sia per applicazioni militari che civili. Utilizzando la sola costellazione GLONASS attuale il tempo massimo di indisponibilità di segnale per la navigazione è stato ridotto, da 14 ore del 2001 (con soli 6 satelliti) a meno di 3 ore, mentre sarà inferiore all'ora dopo il 2007 per annullarsi al completamento della costellazione nel 2011. La modernizzazione GLONASS prevede, oltre alle innovazioni già presenti sin dal 2003 nei satelliti GLONASS-M (secondo segnale civile L2), la presenza di un terzo segnale civile sulla frequenza L3 che verrà implementato sui satelliti del nuovo Blocco K a partire dal 2008, al fine aumentare l'affidabilità e l'accuratezza complessiva del posizionamento e navigazione. Il Blocco di satelliti GLONASS-K consentirà, inoltre, la gestione delle informazioni di integrità GNSS sul terzo segnale civile ai fini della affidabilità dei servizi di navigazione. Con questo nuovo Blocco inizierà la trasmissione, sempre sulla terza frequenza, di effemeridi differenziali globali e correzioni temporali degli orologi potendo così ottenere precisioni sub-metriche in tempo reale anche in applicazioni cinematiche e/o in generale un accorciamento dei tempi di misura nelle applicazioni di posizionamento di precisione PPP (Precise Point Positioning). Un ulteriore obiettivo del progetto GLONASS è quello di raggiungere un livello di accuratezza paragonabile al sistema GPS implementando un sistema modernizzato di mantenimento dei campioni di tempo sia sul sistema di controllo che su quello spaziale. In un'ottica internazionale il progetto di modernizzazione GLONASS, prevede un'ampia fase di collaborazioni internazionali principalmente con gli USA e l'Europa. In particolare, le maggiori collaborazioni con gli USA riguardano il Sistema Geodetico PZ-90, il posizionamento RTK e la disponibilità di effemeridi precise rapide ed ultrarapide.

3. Entro il 2008 saranno operativi i primi satelliti Galileo.
GALILEO rappresenta il primo sistema di navigazione e posizionamento commerciale nato specificatamente per scopi civili, costituisce un progetto vitale e strategico per le industrie della alta tecnologia europea e quando sarà operativo assicurerà complementarietà con l'attuale GPS. Come è noto il pianificato sistema GALILEO consiste in 30 satelliti operativi, disposti su tre piani orbitali che coprono l'intero Globo terrestre, che forniranno attraverso la trasmissione di codici e segnali modulati in tripla frequenza un servizio multiplo con un continuo monitoraggio globale a terra di tutti gli elementi componenti. Il posizionamento e la navigazione avverrà in una realizzazione del sistema di riferimento geodetico basato su ITRF ed una versione europea del TAI per quanto concerne il mantenimento di campioni temporali. Il servizio è soggetto al controllo della EU, è operato da Concessionari privati ed è sottoposto sia a servizi liberi dal pagamento diretto di canoni che a servizi a pagamento ma di qualità ed integrità garantita . Nelle intenzioni dei progettisti del sistema GALILEO dovrebbe fornire un servizio di navigazione satellitare più robusto, più affidabile, accurato e sicuro rispetto agli attuali Sistemi militari GPS e GLONASS. In particolare l'affidabilità del sistema deriva dalla inclusione nel segnale di un messaggio di integrità che informa gli utilizzatori di possibili errori. La seconda fase del programma di sviluppo sul posizionamento satellitare europeo si basa appunto sul sistema GALILEO. Il lancio del primo satellite sperimentale (Giove A) è avvenuto il 26 dicembre 2005. Il completamento del progetto è programmato per il 2010, con la completa costellazione di 30 satelliti. Il problema delle frequenze sovrapposte tra GALILEO e GPS è stato risolto con un accordo sottoscritto tra US/EU nel giugno 2005. Il programma di posizionamento satellitare europeo prevede anche diversi accordi con USA, Russia e Giappone. Si sta invece ancora lavorando per completare un accordo tra GALILEO e GLONASS nel quale dovrebbe essere sancito l'uso comune delle bande E5B ed L3, in modo da consentire una maggiore interoperabilità tra i sistemi. Il problema del differente riferimento geodetico pare possa essere risolto tramite un calcolo dei parametri di trasformazione PZ-90 GLONASS / ITRF attraverso i dati che verranno misurati in una futura campagna congiunta.

L'argomento di principale discussione internazionale non è solo la questione di come assicurare una effettiva interoperabilità tra i sistemi GPS, GLONASS, GALILEO, ed altri (QZSS), ma anche come realizzare un GNSS effettivamente comune, internazionale, senza la necessità di operare continue giunzioni e difficili accomodamenti a-posteriori tra i vari sistemi, come nella realtà dei fatti è avvenuto negli ultimi anni. Una comune ed unica strategia comporta ovviamente, per tutti gli utilizzatori mondiali, un sistema complessivo compatibile e interoperabile più affidabile ed accurato sia per quanto concerne il posizionamento satellitare, che la navigazione e relativi servizi di timing.
Ciò significa che migliorerà la precisione sia del posizionamento statico che quella del tempo reale (RT), sia nel trattamento differenziale dei dati sia nel posizionamento di precisione a punto singolo (PPP).
Dal punto di vista generale, i maggiori vantaggi saranno probabilmente legati ad una copertura del cielo molto più ricca. Questo dovrebbe permettere di eseguire il calcolo della posizione anche in situazioni di parziale ostruzione del cielo, come avviene di frequente in ambiente urbano e nelle zone di montagna. Inoltre tutta la procedura del posizionamento dovrebbe risultare più robusta e quindi più affidabile grazie alla migliore ridondanza del sistema. Infine, anche la stima di altri parametri di interesse geofisico (ritardo troposferico zenitale, ritardo ionosferico) si ritiene potrà essere notevolmente migliorata dall’integrazione di tre costellazioni.
Da un punto di vista metodologico, l'effettivo utilizzo congiunto dei diversi sistemi offre quindi notevoli possibilità di migliorare le applicazioni operative, ma richiede di affrontare numerosi problemi nuovi. I problemi nuovi da affrontare sono legati al fatto che i tre sistemi, GPS, GLONASS e GALILEO, sono stati progettati e sviluppati in modo sostanzialmente indipendente, sia pure con molti punti in comune e con alcune attenzioni progettuali per evitare interferenze dannose e per permettere l'uso congiunto.
Può a prima vista apparire che le stazioni permanenti, o meglio le reti regionali (nazionali o sub nazionali) di stazioni permanenti avranno minor importanza. In realtà, proprio per i miglioramenti citati e per la maggior diffusione delle tecniche di posizionamento, assumeranno funzioni strategiche essenziali. Le ragioni dell’affermazione vanno cercate in due parole chiave:
1. sistemi di riferimento,
2. prodotti e servizi di rete a media e larga diffusione

Sistemi di riferimento.
Uno dei compiti affidati ad un ente geodetico nazionale od internazionale è il mantenimento e l’aggiornamento del sistema di riferimento (RS). Il RS è l’insieme dei parametri e delle regole per la determinazione della posizione spazio temporale di punti, qualsiasi sia il sistema di coordinate adottato. Tali parametri sono via via nel tempo aggiornati e migliorati. Lo stesso posizionamento GNSS non è possibile senza conoscere la posizione di ciascun satellite nel tempo, nota in un particolare RS. La rete materializzata con capisaldi a terra, ma più ancora (per la precisione e la continua misura) la rete di stazioni permanenti, costituisce la realizzazione pratica di uno o più RS.
Ognuna delle future tre costellazioni sarà nota inizialmente in un RS indipendente; per questo la realizzazione di una rete tracciante più costellazioni permetterà di unificare ed usare un sistema di riferimento 4-dimensionale con maggior precisione ove queste stazioni si densificano.
La precisione con la quale è noto il RS ha forti ricadute su molti altri aspetti, dei quali citiamo i più moderni e previsti in un immediato futuro:
1. la possibilità di distinguere con maggior precisione ciò che, in un movimento, dipende dal sistema di riferimento e ciò che è dovuto al movimento di placche tettoniche od a pericolose deformazioni locali;
2. la possibilità di ottenere effemeridi precise e, di conseguenza, migliorare: il posizionamento a terra e di nuovi satelliti ad orbita bassa (LEO) recanti in genere a bordo ricevitori GPS;
3. la possibilità di avere un unico sistema di riferimento, anche altimetrico, a livello nazionale, continentale o globale.

Prodotti e servizi di rete a media e larga diffusione
Il primo prodotto di una rete di stazioni coordinate sono i dati delle stazioni stesse, inerenti una o più costellazioni, per il post trattamento o per il tempo reale. Tali dati devono essere validati prima della distribuzione, in modo da garantirne la precisione e l’affidabilità.
Fra i prodotti accessori, ottenibili anche in tempo reale, vi sono i ritardi ionosferici e troposferici, interpolati nell’area interessata dalla rete. I modelli di ritardo possono essere utili non solo per il posizionamento degli utenti della rete, ma per molti altri scopi legati ad esempio al telerilevamento o a scopi fisici in genere. La ricerca attuale mira all’utilizzo delle stime di ritardo troposferico, specie quelle fornite da una rete di stazioni permanenti, ai fini di previsione meteorologica, specie per la prevenzione di eventi eccezionali.
Per un insieme di stazioni permanenti non si parla di rete se le stazioni stesse non sono coordinate e controllate, anche mediante elaborazione dei loro dati, in modo pianificato e periodico da un centro di controllo; ove ciò avvenga anche in tempo reale, è possibile fornire all’utenza un servizio che spesso viene detto NRTK (Network RTK). Per reti con scopi di distribuzione di dati e prodotti, la dimensione ottimale sembra quella di reti a scala regionale, eventualmente coordinate a livello nazionale. I servizi di diffusione dei messaggi per il tempo reale possono essere legati ad una singola stazione permanente o calcolati dai dati dell’intera rete; in entrambi i casi i messaggi possono essere diffusi per mezzo della rete internet, il che permette un numero teoricamente illimitato di utenti contemporanei.

Per quanto riguarda in maniera particolare l’introduzione di Galileo, a livello internazionale, attraverso il Galilean Joint Undertaking, si sono affrontati e risolti già numerosi problemi quanto meno in termini di simulazioni. Tuttavia è ancora campo pieno di ricerca la definizione di una strategia ottimale di combinazione dei dati dei diversi sistemi, in particolare per la gestione di reti di stazioni permanenti, al fine di determinare i migliori modelli di correzioni atmosferiche (ed altre) ottenibili con tutti i dati dei satelliti in vista. In aggiunta, pare importante perseguire il lavoro sui metodi ottimali di fissaggio delle ambiguità benché qui molto si sia già fatto a livello internazionale. Ad esempio si è già messa in evidenza l’impossibilità di un fissaggio delle ambiguità con alta probabilità da osservazioni di singola epoca, almeno per basi medio lunghe; resta quindi importante capire le procedure che permettano tale fissaggio del minor tempo e con la massima certezza. Altrettanto, sarà necessario aggiornare i protocolli di navigazione considerando la aumentata probabilità di tracciare satelliti anche in posizioni con vista occlusa, ad esempio una macchina in città e un operatore in un bosco.
Dal punto di vista applicativo, nell’ambito del controllo territoriale e del posizionamento satellitare di precisione, alcune tematiche riguardanti le infrastrutture di viabilità e di trasporto di persone e merci appaiono poi particolarmente meritevoli di attenzione Si tratta specificatamente di:
1 acquisire i dati utili per analizzare e risolvere le interferenze tra le diverse infrastrutture, o tra infrastrutture e sottoservizi, o con i reperti storico-archeologici,
2 effettuare il monitoraggio e la gestione dinamica dell’utenza stradale caratterizzata da elevato rischio incidentale potenziale. <<<