Il sistema di posizionamento Galileo

21 Mar

Notizia fresca di questi giorni, che forse avrete letto anche sui  giornali, e’ stato lanciato il quarto satellite del sistema di navigazione e localizzazione Galileo. L’insieme dei quattro satelliti ha dato ufficialmente il via alla ricezione di questo sistema di localizzazione europeo.

Il principio di funzionamento, cosi’ potete leggere, e’ come quello del GPS americano, ma in questo caso si tratta di un sistema tutto europeo. Al momento sono in orbita 4 dei 30 satelliti previsiti che formerano la costellazione appunto del sistema Galileo.

Bello direte voi, ma questa notizia dovrebbe suscitare un po’ di curiosita’ e soprattutto una serie di domande lecite che vorrei condividere con voi: come funziona il GPS? Perche’ se c’era quello americano ne dobbiamo fare uno europeo? Che vantaggi comporta?

Tutte domande lecite a cui proveremo a dare una risposta semplice e accessibile a tutti.

Al solito, provate a fare un esperimento-intervista. Chiedete, anzi chiedetevi, come funziona il GPS che avete in macchina, sul cellulare, sul portatile, ecc. Molto spesso la risposta data e’ la seguente: semplice, si accende un antenna, questa comunica con un satellite che ci localizza e il gioco e’ fatto, otteniamo un puntino su una mappa che indica la nostra posizione “esatta”. Una risposta del genere e’ completamente sbagliata in diversi punti. Se questa e’ stata la vostra risposta, forse e’ il caso di continuare la lettura.

Partiamo dall’inizio. Abbiamo il problema di localizzare la nostra posizione in un punto qualsiasi della Terra. Come facciamo? Semplice, utilizziamo dei satelliti. Se non altro, l’utilizzo di satelliti ci permette, in linea di principio, di essere sempre localizzabili indipendentemente dalla posizione. In Europa, in Asia, nell’oceano, se alzate la testa vedete il cielo e quindi potenzialmente il satellite.

Satelliti visibili dal ricevitore nel tempo

Satelliti visibili dal ricevitore nel tempo

In realta’, non e’ proprio esattamente cosi’. Un solo satellite che gira intorno alla Terra non sarebbe sempre visibile. Per dirla tutta, un solo satellite non consentirebbe neanche di localizzarci, ma ne servono ben quattro visibili da dove siamo. Su questo torneremo tra poco. Dunque, un solo satellite non basta ne servono 4. Per questo motivo, la costellazione di satelliti GPS e’ formata da un numero grande di oggetti in orbita in modo da poter garantire sempre ed in ogni punto la visibilita’ di almeno 4 satelliti. L’immagine riportata permette di chiarire molto bene questo concetto. Come vedete, mentre i satelliti girano intorno alla Terra, viene riportato in ogni istante il numero di satelliti visibili. Affinche’ la vostra rete sia funzionale, questo numero non deve mai essere minore di quattro.

Fin qui ci siamo. Abbiamo bisogno di 4 satelliti. Non abbiamo ancora risposto alle domande iniziali, anzi ne abbiamo aggiunta un’altra: perche’ 4 satelliti?

Cerchiamo ora di capire come funziona il GPS. In realta’, l’antenna del vostro sistema non comunica affatto con i satelliti, ma e’ solo un “ricevitore” di segnali. In ogni istante, i satelliti inviano verso la terra dei segnali che l’antenna e’ in grado di ricevere. Questi segnali sono di tipo orario, cioe’ contengono l’informazione sull’ora del loro invio. Il metodo di localizzazione si basa appunto sulla differenza di tempo tra l’invio del segnale da parte del satellite e la sua ricezione dall’antenna. Conoscendo la velocita’di propagazione del segnale, dalla differenza di tempo possiamo ricavare la distanza del ricevitore dal satellite.

Ora, dovendo posizionare un punto sulla mappa corrispondente al ricevitore, avete bisogno di 3 informazioni: latitudine, longitudine e altitudine. Avete cioe’ 3 incognite da calcolare. Come ricorderete dalla matematica, per risolvere un sistema di 3 incognite c’e’ bisogno di 3 equazioni indipendenti. 3 equazioni significa dunque avere l’informazione contemporaneamente da 3 satelliti. Proprio per questo motivo si parla di “triangolazione” della posizione.

Ricapitoliamo: 3 incognite per la posizione esatta, 3 equazioni che sono i 3 satelliti, e fin qui ci siamo. Perche’ prima parlavamo di 4 satelliti?

Abbiamo detto che tutto il gioco si basa sulla misura del tempo impiegato dal segnale per andare dal satellite al ricevitore. Detto proprio semplicemente, il satellite manda un segnale dicendo sono le 12.00 il ricevitore ascolta il segnale, vede che sono le 12.01 e quindi capisce che e’ passato un minuto (in realta’ la differenza temporale e’ tipicamente dell’ordine dei millisecondi). Facile a dirsi ma non a farsi. Affinche’ questo gioco funzioni, i satelliti ed il ricevitore devono essere perfettamente sincronizzati.

I satelliti del GPS utilizzano degli orologi atomici al Cesio o al Rubidio, estremamente precisi, ma che costano piu’ o meno 200000 euro l’uno. Il nostro piccolo e economico ricevitore certamente non dispone di un sistema del genere. Dunque, per localizzare il punto non servono piu’ 3 incognite bensi’ 4, compreso il tempo. Il quarto satellite serve appunto per determinare anche l’informazione temporale.

images

Solo per completezza di informazione, la localizzazione GPS sarebbe impossibile senza le dovute correzioni date dalla relativita’ di Einstein. Il tempo sul satellite scorre ad un ritmo leggermente piu’ veloce rispetto alla Terra (dilatazione dei tempi). Se questo effetto non fosse incluso, le misure dei tempi di percorrenza sarebbero sistematicamente sbagliate. La funzionalita’ del GPS e’, se vogliamo, anche una conferma pratica dell’esistenza della relativita’.

Dunque, abbiamo capito come avviene la localizzazione. Torniamo ora al discorso satelliti. In ogni istante ed in ogni punto della Terra devo dunque poter vedere almeno 4 satelliti. Quello che oggi chiamiamo GPS sfrutta, come detto all’inizio, la costellazione di satelliti americani chiamata NAVSTAR GPS costituita in tutto da 31 satelliti. Questi sono disposti su sei piani orbitali con un’inclinazione di 55 gradi sul piano equatoriale. Maggiore e’ il numero di satelliti utilizzati simultaneamente, minore e’ l’incertezza con cui si possono ricavare le incognite, e dunque la posizione del ricevitore.

La precisione attuale del NAVSTAR e’ dell’ordine di qualche metro. Fino a prima del 2000, la qualita’ del sistema per uso civile era dell’ordine dei 200 metri a causa dela distorsione fatta appositamente sui segnali per uso civile, mentre per gli usi militari veniva data qualita’ massima. Questa distinzione, detta anche “disponibilita’ selettiva” e’ stata eliminata su volere del presidente Clinton e, di fatto, ha aperto la strada ai sistemi GPS portatili per scopi civili.

Abbiamo risposto gia’ a 2 domande su 3. Sappiamo ora come avviene la localizzazione e perche’ servono 4 satelliti. Torniamo ora a Galileo.

Galileo prevede una costellazione di 30 satelliti che diverra’ pienamente operativa a partire dal 2014. Ad oggi, e sappiamo ora anche il perche’, sono stati lanciati 4 satelliti e dunque e’ possibile fare i primi studi sui segnali e cominciare a testare la qualita’ del sistema.

Perche’ fare un nuovo sistema se c’e’ gia’ quello americano? In realta’, in orbita ci sono due sistemi di navigazioni indipendenti, il NAVSTAR americano e il GLONASS russo, quest’ultimo pero’ scarsamente manutenuto negli ultimi tempi. La motivazione del Galileo e’ piu’ politica che scientifica. Il NAVSTAR e il GLONASS per uso civile sono sempre subordinati all’effettivo utilizzo militare dei due paesi. In qualsiasi momento, uno dei due paesi potrebbe decidere di chiudere il servizio civile per un qualsiasi motivo. Non pensate soltanto al navigatore della vostra automobile, il GPS e’ utilizzato in tutti i sistemi di navigazione civili come aerei, navi, antifurti satellitari, ecc. Una, seppur improbabile (forse), decisione del genere causerebbe un danno irreparabile. La necessita’ dunque di interrompere un monopolio di localizzazione ha spinto i paesi europei ha dotarsi di un proprio sistema satellitare.

Inoltre, a differenza di quello made in USA, il Galileo gode dei finanziamenti di diversi paesi attraverso la comunita’ europea e non solo. Diversi paesi extraeuropei, come Israele, Cina e Russia (come integrazione del GLONASS), stanno contribuendo a Galileo appunto per assicurare un servizio civile costante.

Solo per completezza, esistono anche dei sistemi minori di tipo regionale attualmente in fase di studio. Sia l’India che la Cina stanno infatti portando avanti gli studi per dotarsi di sistemi proprietari esclusivi non globali. In questo caso, ma si tratta di una mia considerazione personale, programmi di questo tipo servono soltanto per prendere confidenza e dimostrare agli altri la possibilita’ di accedere allo spazio mediante satelliti. Come sappiamo, si tratta di economie definite “emergenti”, anche se ormai emerse del tutto, e proprio per questo interessate alla corsa allo spazio su tutti i fronti.

Concludendo, i primi 4 satelliti di Galileo sono in orbita. Nel giro di qualche anno la costellazione di satelliti dovrebbe essere completata e funzionante. Questo sistema, parallelo al NAVSTAR, consentira’ la localizzazione sulla Terra garantendo la funzionalita’ civile sempre e indipendentemente dalla situazione politica. Dal punto di vista economico, ci saranno vantaggi anche per le aziende europee che potranno produrre e commercializzare ricevitori per Galileo mentre prima con il NAVSTAR questo settore era riservato ad aziende americane.

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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9 Risposte to “Il sistema di posizionamento Galileo”

  1. Renato marzo 22, 2013 a 11:02 pm #

    Caro Matteo,
    Ho letto su wikipedia le caratteristiche del sistema Galileo e sono impressionato. Mi aspettavo un netto miglioramento rispetto al Navstar, anche semplicemente per la differenza di età del progetto, ma le caratteristiche operative descritte sono strabilianti. In effetti penso sia necessario creare un sistema indipendente da navstar che, esendo di tecnologia e proprietà della USAF, é soggetto a essere gestito in base alle esigenze militari e non garantisce la continuità del servizio. Questo sistema oltre ad essere molto pratico per l’utente “standard” sembrerebbe pensato per l’automazione dei trasporti. Inglobando un ricevitore nei sistemi di guida automatica sarebbe possibile, con l’attuale tecnologia, automatizzare navi cargo, petroliere, aereocargo e mille altri trasporti che attualmente sono pericolosi a causa del possibile errore umano. Inoltre non avevo pensato alle applicazioni scientifiche ed industriali, non avevo considerato che il coordinamento temporale potesse diventare importantissimo anche solo per la gestione delle centrali elettriche.
    Sarà interessante vedere gli sviluppi a partire dal 2014. Grazie per aver scritto questo ottimo articolo.

    • psicosi2012 marzo 23, 2013 a 2:32 pm #

      Ciao Renato,
      hai colpito nel segno!

      Galileo ha delle caratteristiche molto innovative e tecnologiche, proprio per questo ti avevo segnalato questo articolo.

      L’importanza di un sistema completamente europeo, ma soprattutto non gestito da un singolo paese, e’ importantissimo per scongiurare eventuali problemi legati a situazioni politiche o militari che potrebbero comunque insorgere. Ovviamente speriamo di no, ma prevenire e’ sempre meglio che trovarsi senza un uso civile e con le conseguenti problematiche.

      Per darti un’idea, i CCR, cioe’ i riflettori a spigolo di cubo utilizzati per la trasmissione dei segnali, sono stati testati a Frascati nei laboratori in cui lavoro. Questi specchietti hanno avuto un salto tecnologico impressionante negli ultimi tempi e sono utilizzati per le applicazioni piu’ diverse. Per darti un’idea, qualche anno fa ho fatto, insieme proprio a questo gruppo che ha testato i CCR di Galileo, uno studio di fattibilita’ per l’ESA per utilizzare questi sistemi per la planimetria di Mercurio. Il test e’ andato benissimo e il progetto verra’ utilizzato nelle prossime missioni per studiare la planimetria dei pianeti del sistema solare durante il flyby nelle prossime missioni.

      Di CCR ne abbiamo parlato in questo post che ti segnalo:

      https://psicosi2012.wordpress.com/2012/11/25/ecco-perche-curiosity-non-trova-gli-alieni/

      C’e’ anche una motivazione oggettiva a conferma delle missioni lunari e del fatto che la NASA sia effettivamente stata sul nostro satellite.

      Sempre riguardo Gelileo, non dimentichiamo poi i ritorni economici per le aziende europee. Fino ad oggi, la produzione e vendita delle antenne dei ricevitori era riservata solo ad aziende USA. I sistemi per Galileo invece potranno essere prodotti da aziende EU con conseguente mercato molto florido.

      Grazie mille,
      Matteo

      PS Basta con questo “lei”. Personalmente tendo ad evitarlo. Crea una distanza inutile tra le persone. Il rispetto non e’ certo basato su una forma di cortesia 😉

  2. fausto marzo 24, 2013 a 11:02 pm #

    Interessante la questione della navigazione automatizzata basando il lavoro sul segnale “onda quadra”, con i suoi errori metrici o decametrici. Ma esiste anche il lavoro sulle differenze di fase, ci vai ai millimetri su stazioni fisse: per esempio quando misuri la subsidenza di aree di pianura. Il nuovo sistema Galileo che potenzialità avrà su queste misure specialistiche? E’ meglio o peggio??

    • psicosi2012 marzo 25, 2013 a 12:09 am #

      Caro Fausto,
      ottima osservazione. Dal punto di vista della risoluzione assoluta nelle tre coordinate, sicuramente Galileo offre una precisione maggiore rispetto al Navstar e proprio per questo motivo i suoi dati sono certificati in diverse applicazioni anche scientifiche. Tra queste, secondo me, di particolare interesse sono ad esempio il controllo degli iceberg, creazione di mappe oceaniche e studi di livelli di marea.

      Proprio partendo da queste applicazioni, vedo un notevole miglioramento rispetto al sistema americano anche per il controllo della subsidenza. In questo caso, molto spesso, e’ richiesto un controllo continuo con GPS per misure ad elevata precisione.

      Non dimentichiamoci poi che, stando agli ultimi accordi, i nuovi ricevitori potrano utilizzare simultaneamente sia il Galileo che il Navstar. In questo caso, le precisioni saranno sicuramente migliori dal momento che la maggior fonte di incertezza e’, ad esempio, dovuta al sorgere e al tramontare dei satelliti rispetto al punto di osservazione.

      Grazie mille per l’interessantissimo commento.

      Un caro saluto,
      Matteo

      • fausto marzo 27, 2013 a 10:16 pm #

        Mi ricordo anch’io il Gps fisso di controllo; quando gli americani si divertivano ad introdurre continue traslazioni al segnale! Altri tempi.

        Credo che il nuovo sistema possa interessare parecchio anche i miei colleghi, specie nel campo dei sistemi di monitoraggio (frane, movimenti verticali….).

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