Galileo: il GPS europeo (aggiornamento)

(di Tiziano Ciocchetti)
01/08/17

Lo scorso dicembre è diventato operativo il sistema satellitare GPS europeo (Global Positioning System) Galileo.

Il global positioning system nasce dalla necessità di un sistema flessibile ed utilizzabile anche su aree prive di assistenze alla navigazione che offrisse inoltre ampie applicazioni in ambito militare. Queste esigenze spinsero, nel periodo della guerra fredda, le due superpotenze a lanciare programmi paralleli che sarebbero poi approdati negli anni novanta ai sistemi GPS e GLONASS.

Il GPS americano, sviluppato e controllato dal Dipartimento della Difesa, divenne operativo nel 1993 con un apparato di 24 satelliti messi in orbite circolari a 20.000 km di altezza.

Il GLONASS sovietico prevedeva anch’esso una conformazione simile a quello americano, con 24 satelliti su tre piani orbitali a 19.000 km, tuttavia problemi finanziari conseguenti al crollo dell’Unione Sovietica hanno portato a un drastico ridimensionamento del programma, con solo la metà dei satelliti e senza applicazioni in ambito civile.

Il sistema americano si è rivelato efficiente ma presenta alcune limitazioni, le più importanti delle quali sono quelle relative alla precisione e all’affidabilità. Infatti il livello d precisione può essere estremamente variabile in quanto è condizionato dal luogo e dall’ora e, a causa della stessa configurazione dei piani orbitali, il sistema lascia scoperti vaste aree della terra alle latitudini più elevate. In quanto all’affidabilità la qualità del segnale non è garantito, né sono previste segnalazioni per allertare l’utilizzatore in caso di avarie o malfunzionamenti. Inoltre, trattandosi di un sistema essenzialmente militare, in periodo di crisi il gestore può bloccare il segnale agli utilizzatori civili.

Per ovviare ai limiti tecnici ed ai vincoli politico-militari esistenti, l’Unione Europea, attraverso la Commissione Europea, ha preso la decisione, in stretta collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea, di sviluppare un proprio sistema GPS, denominato Galileo, caratterizzato da maggiori livelli di precisione, affidabilità e sicurezza.

Il sistema europeo offre non solo una precisione maggiore ma anche più costante, merito della struttura particolare della sua composizione e delle rete a terra.

Un significativo miglioramento, rispetto al GPS americano, è costituito dal controllo della qualità del segnale SIS (Signal in Space), chiamato anche informazione di quello di testare tale qualità trasmettendo i risultati ai due centri di controllo principali che avviseranno di eventuali problemi un satellite a pochi secondi dall’avaria; una misura di sicurezza non secondaria, in quanto assicura elevatissimi livelli di sicurezza in caso di applicazioni nel trasporto aereo, navale e terrestre.

Tra le caratteristiche principali vi è l’interoperabilità di Galileo con GPS e GLONASS in modo che l’utente può leggere la sua posizione fornita dai tre sistemi usando lo stesso ricevitore. In tal modo si può disporre di 60 satelliti invece di 30. Grazie a Galileo l’operatore è in grado di vedere fino a 20 satelliti, aumentando considerevolmente l’accuratezza nonché la disponibilità e la continuità del servizio.

Il sistema Galileo è basato su 30 satelliti (27 attivi e 3 di riserva) disposti su tre orbite MEO (Medium Earth Orbit) circolari inclinate di 56° sull’Equatore ad una altezza di 23.616 km, con un periodo di circa 14 ore, in modo da dare una copertura ottimale della terra fino a latitudini di 75° Nord, corrispondenti a Capo Nord ed oltre.

Si è deciso di utilizzare un’unica altezza in modo tale di avere uniformità di prestazioni in termini sia di disponibilità sia di accuratezza, minimizzando le conseguenze in caso di avarie. Con una simile disposizione vi è una probabilità del 90% di essere sempre in vista di almeno quattro satelliti, ma in molte aree tale numero crescerà a sei-otto, consentendo un’accuratezza di posizione fino a pochi centimetri.

I satelliti inviano i segnali, i SIS, ad una rete di 29 GSS (Galileo Sensor Station) distribuita sopra territori sotto controllo europeo. I GSS raccolgono tutti i vari dati, compresa la distanza del satellite, dopo di che li inviano alla OSPF (Orbit and Syncronization Processing Facility) che è il centro che elabora i dati orbitali.

È importante conoscere l’orbita dei satelliti in quanto questo è uno dei parametri che influiscono sulle prestazioni del sistema ed è sulla base di questa posizione che poi l’utente determina la propria. Tuttavia esiste anche il problema del tempo per cui i due segmenti, spaziale e terrestre, devono rimanere sincronizzati. A questo provvede la PTF (Precise Timing Facility) che ha il compito principale di definire il tempo di riferimento del sistema; esiste un Galileo System Time che, tramite la rete, è passato al sistema e in particolare alla già citata OSPF che, oltre a effettuare la determinazione orbitale, definisce anche gli algoritmi per la sincronizzazione degli orologi. Questo sistema permette di inviare messaggi su eventuali comportamenti anomali che portino a scarti rispetto alla posizione superiore alle tolleranze ammesse.

Queste informazioni vengono mandate ad un’altra facility che è la IPF (Integrity Processing Facility) che elabora le informazioni di integrità. Quest’ultima è uno degli elementi chiave che differenziano Galileo da GPS. L’integrità è la capacità del sistema di autodiagnosticarsi, sostanzialmente di identificare un guasto per poi avvisare in tempo reale – le ultime specifiche richiedono entro 6 secondi – qualsiasi utente.

Quindi le GSS raccolgono i dati osservabili provenienti dalla costellazione; li inviano alla OSPF – che con un unico processo effettua la determinazione dei dati orbitali e la sincronizzazione temporale – ed alla IPF che determina l’integrità.

A questo punto i dati elaborati da queste due facilities vanno all’MCF (Mission Control Facility) il cui compito è la gestione dell’intera missione nel ruolo di centro per il monitoraggio e il controllo on-line (con la MSF – Mission Support Facility) e di pianificazione della missione. L’MCF, sulla base di questi dati, attraverso l’MGF (Message Generation Facility) crea la base del messaggio di navigazione destinato all’utente attraverso le ULS (Up-Link Station) che sono 10, distribuite in modo opportuno sul territorio, che inviano in banda C il messaggio al satellite.

Il satellite riceve il messaggio a cui essenzialmente l’elaboratore di bordo aggiunge il tempo, lo trasforma in radiofrequenza e lo irradia a beneficio dell’utente, chiudendo il loop.

L’operatività di Galileo ha una serie di rilevanti interessi anche nel settore militare. La garanzia di segnali affidabili potrà agevolare l’utilizzo di sistemi di atterraggio automatico, sia su aeromobili, sia su UAV, ovvero la navigazione automatica per unità navali ( ingresso-uscita da porti, posizionamento per l’ormeggio, navigazione in acque ristrette, guida di veicoli caccia-mine ), nonché lo sviluppo della logistica robotizzata, con veicoli che seguono le unità di combattimento attraverso percorsi prestabiliti.

Problemi per il Galileo?

Dieci orologi atomici a bordo del sistema GPS Galileo hanno registrato malfunzionamenti.

Secondo quanto ha spiegato Jan Woerner, numero uno dell’Agenzia Spaziale Europea, il problema ha colpito orologi atomici di diverso tipo su piattaforme satellitari di due produttori distinti.

I satelliti utilizzano gli orologi atomici per compensare il ritardo di pochi microsecondi al giorno che esiste tra la Terra e la loro quota orbitale e fornire quindi coordinate il più possibile accurate. I satelliti di Galileo montano a bordo quattro orologi atomici - di due tipi diversi - ma ne hanno bisogno di uno solo per rilevare correttamente la posizione.

In particolare, a bordo dei satelliti Galileo sono montati due orologi maser all’idrogeno passivi PHM (Passive Hydrogen Maser), i principali, e due di rubidio, di riserva.

I PHM sono prodotti dall’italiana Leonardo (tramite la vecchia SelexES) in collaborazione con l’azienda svizzera Spectratime, appartenente al gruppo Orolia. Secondo Leonardo, il PHM di Galileo ha una precisione superiore ad 1 nanosecondo giornaliero ed è il più preciso fra quelli operanti in orbita terrestre. Spectratime, insieme con Airbus Deutschland, si occupa anche della fornitura degli orologi di rubidio.

Dei dieci orologi atomici che hanno registrato problemi, sette sono di tipo PHM e tre di rubidio. Un orologio PHM ha poi ripreso a funzionare, portando così a nove gli strumenti fuori servizio.

Secondo una prima inchiesta dell’ESA, la radice dell’inconveniente non andrebbe ricercata nell’orologio in se, quanto nella circuiteria della periferica o in qualche altro componente secondario che, in determinate condizioni, tende a causare il guasto. "Non siamo stati in grado di replicare i fallimenti durante le nostre prove a terra, ma tutte le unità coinvolte avevano superato i testi di qualifica e di validazione" ha spiegato inoltre Javier Benedicto, capo del dipartimento dell’ESA. In sostanza, secondo l’agenzia, ci potrebbe essere una particolare circostanza, anche ambientale, che fa emergere il problema.

Vista la ridondanza del sistema, con ben tre strumenti di back-up, al momento la funzionalità di Galileo non è compromessa e, come ha spiegato Benedicto.

(foto: European Space Agency)

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