Navigazione

1. L'origine e la costituzione del GPS

Poiche e ormai definitivamente stabilito in ambito ICAO che il sistema satellitare GPS (Global Positioning System) e destinato a diventare - seppure con gradualita e in tempi diversi nelle varie aree del mondo e seppure integrato con altri sistemi simili - il sistema unico di navigazione globale per tutte le fasi del volo denominato GNSS (Global Navigation Satellite System), riteniamo opportuno approfondirne la descrizione oltre i limiti strettamente indispensabili per l'impiego.

Nota: Cenni circa la natura, la classificazione, la propagazione e la trasmissione delle onde radio si trovano nella sezione introduttiva.

Constatata l'inadeguatezza dei sistemi "terrestri" per giungere alla realizzazione di un sistema di navigazione globale, multiruolo, praticamente indistruttibile e inaccessibile, che fosse in grado - prima ancora che di guidare navi e aerei - di dirigere con la necessaria precisione i missili sui bersagli, i militari decisero di crearsi una costellazione di satelliti in orbita intorno alla Terra, intesi a inviare le necessarie informazioni ad appositi ricevitori i quali determinano la propria posizione impiegando calcolatori elettronici e orologi atomici.

Fu cosi che il Ministero della Difesa americano diede il via al GPS, mentre i militari russi partirono con il GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) a cui si fa cenno piu avanti.

Tempo GPS: Anche se il progetto nacque negli anni 70 del secolo scorso, l'origine del GPS puo essere fatta coincidere con l'inizio del conteggio del tempo GPS avvenuto alle 00:00:00 UTC del 6 gennaio 1980. Il tempo GPS e misurato in secondi per "epoche" di 1.024 settimane; alla fine di ogni epoca il conteggio ricomincia da zero.

In base ad accordi stipulati dal Ministero della Difesa americano con l'FAA e con l'ICAO, il sistema GPS e e sara disponibile per usi civili.

I satelliti Navstar

Il sistema GPS si avvale di satelliti Navstar costruiti dalla Rockwell International, aventi un ingombro di circa 5 metri x 5 metri con i pannelli solari estesi, e un peso di circa 8.650 chili. La vita media di un satellite Navstar della seconda generazione (Block II) e stimata in sette anni e mezzo. I pannelli solari, con una potenza di circa 400 watt, producono l'energia necessaria per il funzionamento dei sistemi di bordo. La stabilizzazione dei satelliti intorno ai loro tre assi e realizzata mediante piccoli motori a getto, mentre gli eventuali spostamenti orbitali sono realizzati mediante motori a idrazina.

Figura 6.93 - La costellazione GPS formata da 24 satelliti Navstar uniformemente spaziati a quattro a quattro su sei orbite poste a un'altezza media di 10.898 NM, inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale terrestre.

La costellazione GPS, denominata anche segmento spaziale del sistema, e formata da 24 satelliti, di cui tre di scorta, uniformemente spaziati a quattro a quattro su sei diverse orbite, tutte situate alla quota di 20.169 km, e tutte inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale terrestre. Ogni satellite percorre la propria orbita in poco meno di 12 ore.

Copertura globale: Questa disposizione dei satelliti assicura una copertura pressoche uniforme di tutto il globo terrestre sia nel tempo sia nello spazio, e fa si che da ogni punto della Terra si possano costantemente ricevere i segnali di almeno sei satelliti, di cui almeno quattro indispensabili per la determinazione della posizione.

Il segmento di controllo

Figura 6.94 - Le stazioni a terra che costituiscono il segmento di controllo del sistema GPS.

I satelliti sono controllati da terra mediante un insieme di stazioni ubicate nelle localita mostrate dalla figura 6.94, che nel loro insieme costituiscono il segmento di controllo del sistema. Tutte svolgono le funzioni di stazioni di sorveglianza (monitor station), tre svolgono le funzioni di stazioni di collegamento (uplink station), e quella di Colorado Springs svolge anche le funzioni di stazione principale (master control station), supportata da quella di Onizuka in caso di avarie alla funzione principale.

La stazione master, tramite le monitor, sorveglia il funzionamento generale del sistema e, tramite le uplink, invia ai satelliti i segnali necessari per correggerne la posizione (detta effemeride) e per ricalibrare giornalmente gli orologi atomici di bordo. La conoscenza dell'effemeride - cioe l'esatta posizione che ogni satellite occupa in ogni momento intorno alla Terra - e la perfetta sincronizzazione dei quattro orologi atomici di cui e dotato ogni satellite, sono indispensabili per ottenere la posizione tridimensionale dei ricevitori con la dovuta precisione.

Il ricevitore

Il terzo elemento del sistema GPS e il ricevitore, o segmento di utilizzazione, la cui antenna deve essere montata sulla parte alta della fusoliera affinche abbia sempre in vista i satelliti.

Posizione tridimensionale: La posizione fornita dal GPS e tridimensionale, cioe espressa con latitudine, longitudine e altitudine sul livello del mare dell'ellissoide del sistema di riferimento WGS-84 (World Geodetic System del 1984), adottato come standard dall'ICAO.

Essendo praticamente esente da ogni limitazione ambientale, il GPS e in grado di funzionare con un livello di precisione costante a qualunque ora del giorno e della notte, durante tutte le stagioni, qualunque siano le condizioni meteorologiche, e senza subire disturbi dall'attivita solare. Il completamento della costellazione GPS ebbe luogo verso la meta del 1993.

2. Il principio di funzionamento

Il GPS determina la posizione ricavando tre linee di posizione circolari dalla misura delle distanze tra il ricevitore e altrettanti satelliti. Rispetto al DME - cui potrebbe in un certo senso essere assimilato - il GPS presenta pero sostanziali differenze strutturali e di funzionamento.

Infatti, mentre il DME misura il tempo impiegato da un impulso di energia elettromagnetica emesso da bordo dell'aereo a compiere il percorso di andata e ritorno tra l'aereo e la stazione, e lo trasforma in distanza moltiplicandolo per la meta della velocita della luce, il sistema GPS misura direttamente il tempo impiegato dai segnali emessi dai satelliti a raggiungere il ricevitore, e lo trasforma in distanza moltiplicandolo per la velocita della luce.

Sistema attivo vs passivo:

DME = sistema attivo che deve sollecitare con un'interrogazione la risposta di una stazione a terra altrimenti muta
GPS = sistema passivo che misura le distanze elaborando segnali che i satelliti emettono comunque in continuazione (i militari hanno ritenuto il sistema passivo piu sicuro, e meno soggetto del sistema attivo a interferenze nemiche)

Mentre i sistemi attivi, per misurare il tempo tra l'inizio dell'interrogazione e la ricezione del segnale di ritorno, si avvalgono di un oscillatore al quarzo relativamente semplice e poco costoso, i sistemi passivi devono realizzare la sincronizzazione quasi perfetta tra l'emittente e la ricevente, per ottenere la quale e richiesto un orologio atomico stabilissimo e costosissimo a ognuna delle estremita del circuito (la stabilita richiesta per il GPS e di 10^-13 secondi al secondo: in parole povere vuol dire che l'orologio non deve andare avanti o indietro di piu di 0,003 secondi ogni mille anni). In tal modo il GPS costituisce anche un riferimento temporale precisissimo.

2.1 La struttura del segnale

Ogni satellite Navstar trasmette in due modi, denominati P (precision) e C/A (coarse/acquisition). Nel modo P, cui hanno accesso solo i militari e gli utilizzatori autorizzati, il sistema determina la posizione con un'approssimazione di 18 metri lateralmente e 28 metri verticalmente. Nel modo C/A, cui hanno accesso anche i civili, l'approssimazione e di norma pressoche uguale a quella del modo P, ma, per ragioni di sicurezza, puo essere volutamente degradata a circa 100 metri orizzontalmente e 150 metri verticalmente mediante l'attivazione del modo operativo denominato selective availability (SA), che significa appunto disponibilita selettiva.

Selective Availability: Controllata dal Ministero della Difesa americano, l'SA ha lo scopo di negare a eventuali forze ostili i vantaggi tattici derivanti dall'impiego del GPS.

La trasmissione dei segnali modulati nei due modi avviene su due frequenze UHF che si trovano nella banda L delle microonde: L₁ = 1575.42 MHz modulata sia con il segnale C/A sia con il segnale P, e L₂ = 1227.60 MHz, modulata solo con il segnale P. Come vedremo piu avanti, la presenza di due frequenze e necessaria per conoscere e compensare gli errori di propagazione ionosferica.

Per il "dialogo" tra i satelliti e la master station vengono usate altre due frequenze UHF: 2227.5 per l'uplink (da terra ai satelliti), e 1783.74 MHz per il downlink (dai satelliti a terra).

In ognuno dei due modi, ogni satellite trasmette un proprio segnale che, pur apparendo come strutturato secondo un codice puramente casuale, e in effetti generato dal computer che gli conferisce una struttura prevedibile e ripetibile, ed e percio chiamato codice pseudo casuale o pseudo random code (anche pseudo random noise).

Figura 6.95 - La composizione dei segnali L₁ e L₂.

Sovraimposto a entrambi i codici C/A e P si trova anche un messaggio di navigazione/dati (NAV/data message) inviato da ogni satellite sulla frequenza di modulazione di 50 Hz, con il quale vengono comunicati ai ricevitori, tra gli altri, l'effemeride di ogni satellite e dell'intera costellazione, e le correzioni da apportare per il ritardo di propagazione ionosferica.

2.2 La misura del tempo e della distanza

Una volta che il computer del ricevitore ha acquisito il codice da impiegare, cioe si e sincronizzato con il trasmettitore del satellite, e in grado di misurare lo sfasamento Δt tra il segnale del satellite e lo stesso segnale generato internamente al ricevitore, i quali hanno avuto origine nello stesso istante. Quanto maggiore e lo sfasamento, cioe il Δt, tanto maggiore e la distanza tra il satellite e il ricevitore, distanza che viene calcolata moltiplicando il Δt per la velocita della luce (circa 162.000 miglia nautiche al secondo).

Figura 6.96 - La distanza tra il satellite e il ricevitore e ottenuta misurando lo sfasamento Δt tra i due segnali emessi in sincronismo.

2.3 La determinazione della posizione

Se ci e dato conoscere la nostra distanza da un punto specifico dello spazio - per esempio un satellite Navstar - sappiamo anche di trovarci sulla superficie di una sfera di raggio pari alla distanza, centrato sul punto in cui si trova il satellite.

Figura 6.97 - La distanza dal satellite e il raggio della sfera sulla cui superficie si trova l'aereo.

Con una prima misura di distanza da un satellite si ottiene percio una prima linea di posizione, che in realta e una superficie di posizione. Con due satelliti e due distanze il luogo dei possibili punti in cui si trova l'aereo viene ridotto a un cerchio, determinato dall'intersezione di due superfici sferiche. Introducendo un terzo satellite e una terza distanza si ottiene una terza superficie sferica, il cui incontro con il cerchio determinato dalle altre due costituisce la posizione tridimensionale dell'aereo espressa con latitudine, longitudine e altezza.

Figura 6.98 - La posizione tridimensionale dell'aereo (latitudine, longitudine e altitudine) e determinata dall'incontro di tre superfici sferiche ricavate misurando la distanza da altrettanti satelliti.

Il time bias e le pseudo distanze

Poiche - come accennato poco sopra - solo i satelliti sono equipaggiati con orologi atomici, mentre i ricevitori sono dotati di "semplici" oscillatori al quarzo del tipo impiegato per gli apparati DME, e inevitabile che si verifichi un determinato errore di misura dell'intervallo di tempo Δt tra la trasmissione del segnale da parte del satellite e la sua ricezione da parte del ricevitore.

Questo errore, di ampiezza sconosciuta ma costante in quanto lo stesso ricevitore commette sempre lo stesso errore con tutti i satelliti, e chiamato time bias, cioe distorsione del tempo; per causa sua la misura delle distanze ottenute con gli orologi al quarzo, che sono diverse dalle distanze reali, sono chiamate pseudo range.

Quarto satellite: Come gia detto, gli effetti del time bias e l'ambiguita generata dalle pseudo range vengono neutralizzati introducendo i dati ricavati da un quarto satellite, eliminando cosi la necessita di usare orologi atomici a bordo degli aerei.

Figura 6.99 - Posizione corretta (x) ed errata (xx) determinata con due satelliti; sopra con orologio esatto e sotto con orologio in ritardo di un secondo.

Figura 6.100 - Posizioni corrette (x) ed errate (xx, yy, zz) determinate con tre satelliti; sopra con orologio esatto e sotto con orologio in ritardo di un secondo.

Numero di satelliti necessari:

4 satelliti = posizione 3D (latitudine, longitudine, altitudine)
3 satelliti = posizione 2D (solo latitudine e longitudine, senza quota)

Quando pero si conosce con certezza l'altitudine della posizione, come nel caso dei marinai che sanno per certo di essere al livello del mare, o dei piloti che ricavano la quota dall'altimetro, la posizione tridimensionale si puo ricavare con soli tre satelliti perche al posto della quarta sfera se ne puo introdurre una concentrica alla Terra, di raggio pari al raggio terrestre piu l'altitudine.

2.4 La posizione dei satelliti nello spazio

La conoscenza diretta, seppure simultanea, delle distanze da tre o quattro satelliti, non sarebbe di per se di grande utilita, anche in considerazione del fatto che i satelliti si muovono rispetto alla Terra alla velocita di circa 7.500 nodi. Per correlare con una posizione sulla Terra il punto dello spazio in cui si trova il ricevitore nel momento in cui fa il fix, e indispensabile che ogni satellite trasmetta continuamente la sua posizione, cioe la sua effemeride, cosicche il calcolatore del ricevitore possa esprimere il fix mediante una latitudine, una longitudine e un'altitudine.

La notevole altezza dell'orbita dei satelliti GPS, ben al di fuori dell'atmosfera terrestre, fa si che il tempo di rivoluzione si mantenga molto prossimo al valore teorico, e percio la posizione di ogni satellite possa essere precalcolata e messa nella memoria dei ricevitori.

Oltre a cio, al fine di rendere massima la precisione del sistema, la posizione dei satelliti lungo le rispettive orbite viene continuamente controllata, ed eventualmente corretta, da terra. Una delle ragioni per cui i satelliti GPS non sono posti in orbite geostazionarie, e di far si che ognuno passi due volte al giorno sulle stazioni di controllo: che a ogni transito provvedono a misurare altitudine, posizione e velocita del satellite, e a ridurre al minimo i cosiddetti errori di effemeride causati dall'attrazione del sole e della luna, dalla pressione della radiazione solare, nonche dai seppur modesti effetti della relativita sul tempo.

2.5 Gli errori del sistema

Anche se la precisione del sistema GPS e da capogiro, e possibile analizzare l'approssimazione residua, e notare come essa sia dovuta al cumulo di piccoli errori che le attuali tecnologie non consentono ancora di eliminare.

Tipo di errore	Entita media	Causa
Propagazione ionosferica	Variabile	Rifrazione dovuta a diminuzione della velocita di propagazione
Propagazione atmosferica	12 piedi (3,6 m)	Variazione della velocita di propagazione causata dal vapore acqueo
Orologi atomici	2 piedi (60 cm)	Time bias ineliminabile degli orologi al quarzo
Ricevitori	4 piedi (1,2 m)	Interferenze elettriche, correlazione errata del segnale
Effemeride	2 piedi (60 cm)	Satelliti non esattamente nella posizione prevista

Il GDOP (Geometric Dilution Of Precision)

Figura 6.101 - La precisione GPS dipende dalla geometria con cui si intersecano le superfici di posizione, e percio dai volumi di incertezza da esse formati.

Il fattore ultimo da cui dipende la precisione del GPS e la diluizione della precisione dovuta alla geometria dei satelliti o GDOP (Geometric Dilution Of Precision). A causa dei seppur piccoli errori del sistema, le linee di posizione ottenute dalla determinazione della distanza del ricevitore dai satelliti, sono in effetti corone circolari che presentano sempre e comunque un certo spessore.

GDOP: L'entita della GDOP dipende dal numero di satelliti disponibili e dalla capacita del ricevitore di scegliere i quattro (o piu) meglio posizionati. Poiche nelle migliori condizioni la GDOP varia da 4 a 6, l'approssimazione con cui il GPS e in grado di determinare la posizione e da 4 a 6 volte maggiore della somma degli errori sopra menzionati. Cio significa, per esempio, che se la somma degli errori genera un'approssimazione di 20 metri, a causa della GDOP l'approssimazione assume un valore variabile da 80 a 120 metri.

3. Gli impieghi del sistema

3.1 Le funzioni e i parametri di volo

Cio che il sistema GPS (cosi come qualunque altro sistema di navigazione d'area) e in grado di fornire di suo in termini di informazioni di volo - oltre al tempo - e solo la posizione tridimensionale dell'aereo espressa mediante le coordinate geografiche (approssimate al centesimo o al millesimo di primo di grado) e l'altitudine sul livello del mare. Tutte le altre informazioni che compaiono sui display degli apparati di bordo sono ottenute grazie al computer accoppiato al ricevitore, il quale elabora in continuazione e in rapidissima sequenza le variazioni di posizione dell'aereo sia in direzione sia in velocita.

Figura 6.102 - I parametri di volo offerti dal GPS e da tutti gli apparati dei sistemi di navigazione d'area.

Parametro	Sigla	Descrizione
Waypoint	WPT	Qualunque punto della superficie terrestre le cui coordinate geografiche sono nella memoria del computer
Posizione	-	Coordinate geografiche e quota in ogni istante
Track	TK/TRK	Traiettoria di volo, angolo (001°-360°) che il percorso effettivo forma con il nord
Desired Track	DTK	Rotta desiderata, angolo formato dal percorso ortodromico tra due waypoint con il nord
Bearing	BRG	Rilevamento verso il waypoint di destinazione dalla posizione attuale
Heading	HDG	Prua dell'aereo, angolo che l'asse longitudinale forma con il nord
Drift Angle	DA	Angolo di deriva, differenza algebrica tra HDG e TK/TRK
Distance	DIS	Distanza dall'aereo al waypoint di destinazione
Cross Track Error	XTK	Distanza considerata errore tra la posizione attuale e la rotta desiderata (DTK)
Ground Speed	GS/SPD	Velocita al suolo in kt, mph o Km/h
Estimated Time Enroute	ETE	Tempo stimato per raggiungere il waypoint dalla posizione attuale
Estimated Time of Arrival	ETA	Orario stimato di arrivo al waypoint
Vento	-	Direzione di provenienza e velocita alla quota di volo (solo con TAS e HDG)

GS sempre corretta: La velocita al suolo offerta dal GPS - a differenza di quella offerta dal DME - e sempre corretta, qualunque sia la direzione di volo rispetto al waypoint di destinazione. Il computer determina infatti la velocita non in funzione della rapidita di diminuzione della distanza - come fa il DME - bensi in funzione della distanza e del tempo tra due posizioni successive rilevate dal ricevitore.

3.2 I ricevitori

Sappiamo che un ricevitore GPS, qualunque sia l'impiego cui e destinato, deve acquisire il segnale di almeno quattro satelliti, ed eseguire i calcoli necessari per ricavare la posizione rispetto alla superficie terrestre, espressa con latitudine, longitudine, e altitudine.

Tipo ricevitore	Caratteristiche	Uso tipico
Monocanale	Interruzione automatica del funzionamento, determina posizione saltuariamente	Escursionisti, barche a vela, bassa velocita
Bicanale	Un canale aggancia satelliti, l'altro elabora dati	Uso generale, prestazioni migliori
Multicanale	Riceve fino a dodici satelliti simultaneamente, minore GDOP	Aerei, missili balistici, alta precisione

Figura 6.103 - Un apparato GPS da montare nel cruscotto (a sinistra) e uno portatile, entrambi dotati di mappa mobile a colori.

Figura 6.104 - Il Garmin 1000, uno dei sistemi EFIS che offrono la "glass cockpit" all'aviazione generale.

Certificazione TSO:

Classe A1: navigazione in rotta, aree terminali e avvicinamenti strumentali GPS non di precisione
Classe A2: navigazione in rotta e aree terminali (IFR)
I ricevitori portatili possono essere utilizzati solo come supporto alla navigazione VFR

La funzione RAIM

I computer dei ricevitori certificati per gli avvicinamenti IFR devono essere programmati con la funzione RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), grazie alla quale riescono a determinare autonomamente e con sufficiente anticipo sull'orario di arrivo dell'aeromobile sui waypoint della procedura, se il segnale e la geometria dei satelliti saranno pari o migliori del livello minimo prescritto. In caso negativo il ricevitore avverte il pilota con un segnale ottico e con un messaggio scritto, che la procedura non potra essere legalmente eseguita.

3.3 Il data-base

Per utilizzare proficuamente un apparato GPS (cosi come qualunque altro dispositivo elettronico), il pilota deve prima imparare a conoscerlo e acquisire sufficiente destrezza nella manipolazione dei pulsanti e dei pomelli mediante i quali il computer riceve le istruzioni necessarie per svolgere le molteplici funzioni di cui e capace.

Cio che invece - per fortuna - accomuna ormai tutti i ricevitori aeronautici e la struttura e l'organizzazione del data-base di navigazione, che e quello sviluppato dalla Jeppesen.

Categorie del data-base:

Airports: tutti gli aeroporti dotati di indicatore di localita
VOR: tutti i VOR di qualunque categoria
NDB: tutti i radiofari non direzionali, compresi quelli per avvicinamenti strumentali
Intersections: tutti i punti di riporto IFR, sia in aerovia che nelle aree terminali
User: i waypoint creati dai piloti a loro convenienza (da alcune centinaia a qualche migliaio)

3.4 La navigazione

La guida alla navigazione offerta dagli apparati GPS e in pratica sempre un QDM, cioe una rotta da seguire verso un waypoint. Per navigare usufruendo di tutti i dati che il sistema e in grado di offrire, il pilota puo scegliere tra due alternative:

procedere dalla posizione occupata in ogni momento dall'aereo verso uno qualunque dei waypoint del data-base;
seguire una rotta (detta piano di volo), costituita da una sequenza di waypoint del data-base.

Figura 6.105 - Un display del GPS portatile di figura 6.103.

Utilita pratiche della navigazione GPS

La navigazione a vista verso un aeroporto o un'aviosuperficie: Con il punto di atterraggio quale waypoint attivo nel GPS, la navigazione e l'avvistamento diventano semplicissimi anche se la visibilita e molto scarsa.

L'avaria elettrica: Volando con i monomotori, esiste la possibilita di subire un'avaria al generatore e restare senza corrente, con conseguente perdita totale dei segnali di navigazione da terra. Disponendo di un apparato GPS portatile - di solito alimentato da proprie batterie - si puo continuare a navigare con la massima precisione.

L'emergenza improvvisa: Puo succedere che un'avaria all'aeromobile o il malore di una persona a bordo impongano di atterrare nel piu breve tempo possibile. Tutti i ricevitori GPS hanno la funzione nearest, attivando la quale compaiono sul display gli indicatori di localita degli aeroporti piu vicini (il loro numero varia da apparato ad apparato, ma di solito sono almeno una decina), elencati in ordine di distanza crescente dal piu vicino al piu lontano.

Figura 6.106 - I dati degli aeroporti piu vicini forniti con la funzione nearest.

4. Il GPS differenziale

Pochi anni dopo il completamento della costellazione, il GPS, almeno nell'ambito dell'aviazione civile, era gia potenzialmente sfruttato al massimo delle sue capacita. In questo brevissimo lasso di tempo il GPS infatti ha reso possibili sia la navigazione d'area su tutta la superficie del globo con una precisione prima inimmaginabile, sia gli avvicinamenti strumentali non di precisione verso qualunque superficie idonea all'atterraggio.

Poiche gli errori intrinseci del GPS, amplificati dalla sempre possibile introduzione della selective availability da parte dei militari, e ben lunghi dal garantire i limiti sopra citati, il sistema nella configurazione "grezza" non puo essere usato per gli avvicinamenti di precisione, a meno che non venga supportato da un sistema capace di aumentarne la precisione. Tale sistema esiste con il nome di GPS differenziale DGPS (Differential GPS).

GPS differenziale: Il GPS differenziale si avvale di stazioni fisse a terra chiamate ricevitori di riferimento, i cui computer - conoscendo la propria esatta posizione - sono in grado di quantificare continuamente con grande precisione la somma degli errori contenuti nel segnale di ogni satellite.

Una volta quantificati gli errori, le stazioni di riferimento - come se fossero esse stesse satelliti (e percio chiamate anche pseudolites, cioe pseudo-satelliti) - ritrasmettono in continuazione un segnale privo di errori. Avvalendosi del quale, i ricevitori degli aerei operanti nell'area di copertura sono in grado di determinare la propria posizione con precisione praticamente assoluta.

Progetto GNSS: Da cio ha avuto origine il progetto GNSS (Global Navigation Satellite System), recepito e approvato dall'ICAO come componente di navigazione del sistema CNS/ATM. Il progetto GNSS sara ultimato quando i diversi sottosistemi tra loro compatibili, alcuni dei quali gia realizzati o in via di realizzazione in diverse aree del mondo (WAAS americano, EGNOS europeo, GPS-C canadese, MSAS giapponese, GAGAN indiano), si saranno moltiplicati e sviluppati fino a coprire tutta la superficie della Terra, consentendo cosi la vera navigazione globale.

4.1 I sistemi WAAS/SBAS

I sistemi di correzione differenziale previsti dal GNSS, chiamati anche sistemi di aumento della qualita dei segnali GPS, GLONASS, Galileo o altri, sono di due tipi:

1. Sistema di aumento basato su satelliti SBAS (Satellite-Based Augmentation System), oppure sistema di aumento su grande area WAAS (Wide Area Augmentation System) - e costituito da un insieme di stazioni al suolo e satelliti geostazionari. La sua funzione e di servire aree molto vaste all'interno delle quali offre sia un segnale sufficientemente corretto da garantire la precisione necessaria per tutte le fasi del volo fino agli avvicinamenti di precisione di CAT I (almeno 10 metri in orizzontale e 4 metri in verticale), sia il monitoraggio dell'integrita del sistema.

Figura 6.107 - Lo schema costitutivo del sistema differenziale WAAS americano.

Il nord America e l'area del mondo in cui la realizzazione del GNSS e piu avanzata. Nel 2005 l'FAA ha infatti attivato il proprio WAAS che copre il territorio degli Stati Uniti fino all'Alaska e il Pacifico fino alle Hawaii. Nel frattempo il Canada ha attivato il proprio GPS-C (GPS Correction).

EGNOS (Europa)

In Europa il sistema SBAS corrispondente al WAAS americano - con il quale e ovviamente compatibile secondo gli standard GNSS - e denominato EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Progettato dall'agenzia spaziale europea ESA con il concorso di Eurocontrol e di una Commissione della comunita europea - che costituiscono il gruppo tripartito europeo ETG (European Tripartite Group) - EGNOS ha cominciato a rendere disponibile il proprio segnale in luglio 2005 a livello sperimentale con una precisione di 2 metri, e ha ricevuto la certificazione per l'entrata in servizio ufficiale nel 2009.

Figura 6.108 - Lo schema costitutivo del sistema differenziale SBAS EGNOS europeo.

4.2 Il sistema LAAS (o GBAS)

2. Sistema di aumento basato al suolo GBAS (Ground-Based Augmentation System) oppure sistema di aumento su area locale LAAS (Local Area Augmentation System) - si avvale esclusivamente di stazioni a terra ubicate sulle aree aeroportuali per fornire un segnale depurato da errori (meno di 1 metro) al punto da renderlo utilizzabile per gli avvicinamenti di CAT III e per i movimenti al suolo in assenza di visibilita.

Figura 6.109 - Lo schema costitutivo del sistema differenziale LAAS/GBAS.

La differenza che, invece di servire un'area delle dimensioni di un continente, serve solo l'area di un aeroporto e le sue immediate vicinanze in un raggio di circa 40 miglia. L'attrezzatura LAAS, mediando i segnali dei diversi ricevitori GPS di riferimento, formula un messaggio di correzione che viene irradiato in data-link su una frequenza VHF della banda di navigazione (108.00-117.95), a beneficio dei ricevitori di navigazione degli aerei presenti entro l'area di copertura.

Vantaggio del LAAS: Per esempio, l'aeroporto intercontinentale di Chicago O'Hare ha ben 7 piste (14 direzioni di avvicinamento) di cui 6 (12 direzioni di avvicinamento) servite da 12 impianti ILS. Il giorno in cui l'aeroporto sara servito da un impianto LAAS, questo da solo permettera di pubblicare 14 procedure di CAT III rendendo superflui gli impianti ILS.

5. Altri sistemi satellitari

5.1 Il GLONASS

GLONASS (GLObal Orbiting NAvigation Satellite System) fu la risposta sovietica al GPS americano, iniziata con il lancio del primo satellite nel 1982 e ultimata nel 1995.

La costellazione e costituita da 24 satelliti - di cui 3 di scorta - equamente distribuiti su tre orbite quasi circolari inclinate di 64,8° e separate di 120°, poste all'altezza di 19.100 chilometri, che danno un periodo di rivoluzione di 11 ore e 15 minuti. La costellazione completa permette di avere sempre in vista almeno 5 satelliti da qualunque punto della Terra.

Caratteristica	GPS	GLONASS
Numero satelliti	24 (+ 3 scorta)	24 (+ 3 scorta)
Orbite	6 orbite	3 orbite
Inclinazione	55°	64,8°
Altezza	20.169 km	19.100 km
Periodo rivoluzione	~12 ore	11 ore 15 min
Sistema coordinate	WGS-84	PZ-90
Precisione segnale SP	~18 m	60 m (oriz) / 75 m (vert)

Anche i satelliti GLONASS trasmettono due segnali, uno di precisione standard SP e uno di alta precisione HP. Pero - a differenza del GPS che impiega una sola frequenza per tutti i satelliti e individua il segnale di ognuno mediante codificazione - il segnale GLONASS usa la suddivisione di frequenza. In altre parole a ognuno dei 24 satelliti e assegnata una frequenza L₁ nella banda che va da 1602,5625 a 1615,5000 MHz sulla quale trasmette il segnale SP, e una frequenza L₂ nella banda che va da 1.240,00 a 1.260 MHz sulla quale trasmette il segnale HP.

Gia nel 1996 l'ICAO accetto la proposta delle autorita russe di rendere il GLONASS disponibile per la comunita aeronautica mondiale. In seguito a cio alcune ditte russe cominciarono a sviluppare ricevitori GLONASS per l'aviazione civile, per lo piu integrati con ricevitori GPS, cosi da renderli piu appetibili sul mercato. Come sappiamo il sistema europeo EGNOS e in grado di correggere sia il segnale GPS sia quello GLONASS.

5.2 Il Galileo

Galileo e il nome che l'Unione Europea e la sua agenzia spaziale ESA (European Space Agency) hanno dato al costruendo sistema satellitare in onore di Galileo Galilei. Sistema voluto come alternativa al GPS americano e al GLONASS russo per rendere gli Stati ECAC indipendenti da qualsiasi tipo di decisione negativa che Washington o Mosca potessero prendere in caso di conflitto o dissapori politici.

Figura 6.110 - La costellazione Galileo, costituita da 30 satelliti su tre orbite inclinate di 56° rispetto all'equatore e spaziate di 120° l'una dall'altra.

La costellazione sara composta di 30 satelliti - di cui tre di scorta - equamente spaziati su tre orbite inclinate di 56° e tra loro distanziate di 120°, poste all'altezza di 23.222 Km. I satelliti avranno vita media di 12 anni, peso di 675 Kg, apertura di 18,7 m con i pannelli solari aperti, e potenza elettrica di 1.500 Watt.

Servizio Galileo	Caratteristiche	Precisione
OS (Open Service)	Accessibile a chiunque, gratuito	4 m (oriz) / 8 m (vert) con due bande
CS (Commercial Service)	Accessibile a pagamento, tre bande	< 1 m (< 10 cm con LAAS)
PRS (Public Regulated Service)	Crittato, forze armate, polizia, ATC	Come OS, immune a interferenze
SoLS (Safety of Life Service)	Crittato, applicazioni critiche	Come OS, immune a interferenze

5.3 Il Beidou cinese e l'IRNSS indiano

Nonostante abbiano firmato l'accordo di cooperazione con l'Unione Europea per la realizzazione e lo sfruttamento del Galileo, la Cina e l'India hanno entrambe un loro programma di realizzazione di sistemi di navigazione satellitare.

Beidou (Cina): Il sistema cinese Beidou (Orsa Maggiore), entrera presto in servizio nella sua versione iniziale Beidou-1 costituita da 4 satelliti geostazionari che offrono la copertura tra le longitudini 070°E e 140°E e le latitudini 05°N e 55°N. Il Beidou-2 (chiamato anche Compass) sara costituito da 5 satelliti geostazionari e da una costellazione di 30 satelliti MEO (Medium Earth Orbit) che offriranno copertura globale. Il Compass sara pero disponibile gratuitamente solo in Cina.

IRNSS (India): Il sistema indiano IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) - come dice il nome - ha lo scopo di fornire la copertura solo del territorio indiano e della porzione di oceano circostante entro un raggio di 1.500÷2.000 km. Il sistema sara costituito da 7 satelliti, 3 in orbita geostazionaria e 4 su un'orbita geosincrona inclinata di 29° rispetto al piano equatoriale.

5.4 I sistemi satellitari di soccorso

Sappiamo che gli ELT (Emergency Locator Transmitter) sono trasmettitori i cui segnali hanno lo scopo di facilitare il ritrovamento di aeromobili che abbiano dovuto atterrare in emergenza o che siano caduti in localita sconosciute. ELT e la denominazione prettamente aeronautica dei trasmettitori di emergenza; nel piu vasto ambito dell'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) sono chiamati EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon).

Alimentati da una propria batteria che ha una durata di circa 48 ore, si attivano automaticamente quando sottoposti ad accelerazioni maggiori di 6 g (urto dell'aeromobile con il terreno), oppure possono essere attivati manualmente mediante un apposito interruttore.

Sistema SARSAT: Nel 1988 gli Stati Uniti, l'allora Unione Sovietica, il Canada e la Francia firmarono un accordo per lo sviluppo del sistema SARSAT (Search And Rescue Satellite-Aided Tracking), basato su due costellazioni di satelliti:

LEOSAR (Low Earth Orbit Search And Rescue): 7 satelliti su orbite polari basse, copertura globale ogni 45 minuti
GEOSAR (Geostationary Earth Orbit Search And Rescue): 3 satelliti in orbita geostazionaria, copertura escluse le calotte polari oltre i 70° di latitudine

Figura 6.111 - I satelliti geostazionari devono orbitare sull'equatore, girando in sincronia con la Terra a un'altezza di 35.786 chilometri.

Requisiti ELT:

L'Annesso 6 prescrive che qualunque aeromobile impiegato su grandi distese d'acqua o su aree nelle quali il servizio di ricerca e soccorso puo risultare difficoltoso, deve essere dotato di ELT.
L'Annesso 10 prescrive che tutti gli ELT installati dopo il 1° gennaio 2002 devono trasmettere sia sulla 121,50 sia sulla 406 MHz.
Dal 1° febbraio 2009 il sistema SARSAT non rileva piu i segnali trasmessi sulle frequenze 121,50/243 MHz.

Concetto	Valore/Informazione
Inizio tempo GPS	00:00:00 UTC del 6 gennaio 1980
Numero satelliti GPS	24 satelliti (+ 3 scorta) su 6 orbite
Quota orbita GPS	20.169 km
Inclinazione orbite GPS	55° rispetto all'equatore
Periodo orbitale	~12 ore
Satelliti minimi in vista	6 (di cui almeno 4 per il fix 3D)
Frequenza L₁	1575.42 MHz (C/A e P)
Frequenza L₂	1227.60 MHz (solo P)
Sistema di riferimento	WGS-84
Satelliti per fix 3D	4 satelliti
Satelliti per fix 2D	3 satelliti
GDOP tipico	4-6 (moltiplicatore degli errori)
WAAS (USA)	Sistema SBAS americano, operativo dal 2005
EGNOS (Europa)	Sistema SBAS europeo, certificato 2009
LAAS/GBAS	Sistema locale per CAT III, raggio ~40 NM
GLONASS	24 satelliti, 3 orbite, 19.100 km, 64,8°
Galileo	30 satelliti, 3 orbite, 23.222 km, 56°
ELT frequenze	121.50 MHz e 406 MHz
Durata batteria ELT	48 ore

Aggiungi/Modifica nota

Modifica immagine

Gestione Immagini