GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) La struttura del sistema

Distanze angolari tra i satelliti di una stessa orbita

La struttura del GPS è costituita da 3 sottosistemi detti segmenti:

  1. Segmento spaziale (space segment)
  2. Segmento di controllo (control segment)
  3. Segmento utente (user segment)

Il segmento spaziale

Il segmento spaziale (SS) è composto da una costellazione di almeno 24 satelliti GPS operativi il 95% del tempo. Per garantire questo l’Air Force, negli ultimi anni, ha mandato in orbita alcuni satelliti supplementari. A partire dal dicembre 2012, nella costellazione GPS ci sono 32 satelliti operativi.

Caratteristiche di volo

Rappresentazione artistica di un satellite GPS Block IIIA in orbita (produttore Lockheed Martin)

Nel maggio 2015 la Lockheed Martin ha completamente assemblato il primo satellite di nuova generazione GPS III per la US Air Force presso lo stabilimento di produzione satellitare di Denver.

I satelliti GPS percorrono un’orbita ad un’altitudine di circa 20.200 chilometri (raggio orbitale di circa 26.600 km), con una velocità di 13.600 km/h. Ogni satellite compie 2 orbite complete ogni giorno siderale, ripetendo il medesimo percorso ogni giorno.

I 24 satelliti della costellazione nominale GPS sono suddivisi in gruppi da 4 su 6 orbite quasi circolari. I sei piani orbitali hanno un’inclinazione di circa 55° rispetto all'equatore terrestre e sono separati da 60° di ascensione retta (angolo lungo l'equatore da un punto di riferimento all’intersezione dell’orbita).
Il periodo orbitale è pari alla metà di un giorno siderale (11 ore e 58 minuti) così che i satelliti passano sopra le stesse posizioni, o quasi le stesse posizioni ogni giorno.
Le orbite sono disposti in modo che almeno 6 satelliti sono sempre visibili da quasi ovunque sulla superficie della Terra.
Risulta quindi che i 4 satelliti non hanno distanza angolare uniforme (90 gradi) all’interno di ogni orbita: la differenza angolare tra satelliti in ogni orbita è di 30°, 105°, 120°, e 105° l'una dall'altra, che come somma danno comunque 360°.

I satelliti supplementari migliorano la precisione dei calcoli ricevitore GPS fornendo misurazioni ridondanti. Con l'aumento del numero di satelliti, la costellazione è stata modificata in una disposizione non uniforme, che, rispetto a una disposizione uniforme, ha dimostrato una migliore affidabilità e disponibilità del sistema, in caso di malfunzionamenti multipli dei satelliti.
Da qualsiasi punto della Terra sono visibili in qualsiasi momento circa nove satelliti, garantendo una notevole ridondanza sul minimo di quattro satelliti necessari per il calcolo della posizione.

Caratteristiche dei satelliti

Footprint

Impronta (footprint) di un satellite GPS

La porzione della superficie della terra che è visibile dalla posizione orbitale di un satellite è noto come "impronta" (footprint) del satellite.
L’impronta di ogni satellite della costellazione 24 copre circa il 38% della superficie terrestre.
Possono essere utilizzate delle maschere artificiali per ridurre l’impronta efficace del satellite. Con un angolo di maschera di 5°, l’impronta efficace di un satellite viene ridotta a poco più di un terzo della superficie terrestre (33,9%).
La regione che circonda la Terra dalla superficie fino alla quota di 3.000 km viene chiamata "volume di servizio terrestre" (Terrestrial Service Volume).

Il segmento di controllo

Il segmento di controllo (OCS - Operation Control Segment) è costituito da una rete globale di stazioni a terra che traccia i satelliti GPS, monitora le loro trasmissioni, esegue analisi, e invia comandi e dati alla costellazione di satelliti, fornendo la capacità operativa che supporta gli utenti GPS e mantiene il sistema GPS operativo con prestazioni entro le specifiche.

Emblema del 2SOPS della USAF

Ciò avviene grazie al lavoro continuo degli operatori del 2° Space Operations Squadron (2SOPS) della US Air Force presso la base aerea di Schriever a Colorado Springs, nel Colorado.

L’attuale segmento di controllo operativo include:

Inoltre, il segmento di controllo è collegato alle otto stazioni di monitoraggio remoto del Air Force Satellite Network Control (AFSCN) sparse in tutto il mondo, aumentando la visibilità, la flessibilità, la robustezza della telemetria, del monitoraggio e del comando.

La stazione di controllo master (MCS - Master Control Station) in Colorado svolge le funzioni di controllo del segmento primario, fornendo comando e controllo della costellazione GPS. La MCS genera e invia messaggi di navigazione e garantisce il funzionamento e la precisione dei satelliti.

La posizione delle stazioni di controllo di terra sono stabilite con precisione e, utilizzando sofisticati ricevitori GPS, tracciano i satelliti GPS che passano sopra di loro e ritrasmettono le loro osservazioni alla MCS che elabora queste informazioni per calcolare le posizioni precise dei satelliti GPS nello spazio.
Poi ogni satellite GPS viene aggiornato regolarmente utilizzando antenne terrestri dedicate (Kwajalein, Isola di Ascension, Diego Garcia e Cape Canaveral) o condivise.
Le antenne terrestri vengono utilizzati per comunicare con i satelliti GPS per scopi di comando e controllo. Queste antenne, operanti in banda S (da 2 a 4 GHz) inviano/trasmettono i dati di navigazione e di programmazione e raccolgono la telemetria. Le antenne di terra sono anche responsabili per le normali trasmissioni di comando ai satelliti.
In caso di guasto satellitare, la MCS può riposizionare satelliti per mantenere una costellazione GPS ottimale.

Gli aggiornamenti inviati ai satelliti servono a sincronizzare gli orologi atomici di bordo, con precisione di pochi nanosecondi (miliardesimi di secondo) l'uno dall'altro, e regolare le effemeridi del modello orbitale interno di ogni satellite.
Gli orologi atomici sui satelliti vengono corretti per gli effetti della teoria della relatività che porta a un anticipo del tempo da loro misurato, dovuto all'effetto combinato di due fattori: la velocità relativa di spostamento rispetto a terra rallenta il tempo sul satellite di circa 7 microsecondi al giorno, mentre il potenziale gravitazionale, minore sull'orbita del satellite rispetto a terra, lo accelera di 45 microsecondi. Pertanto, il bilancio è che il tempo sul satellite accelera di circa 38 microsecondi al giorno. Senza queste correzioni, il sistema GPS genera errori di posizione dell'ordine dei chilometri su un giorno di utilizzo, e non il livello centimetrico a cui il sistema realmente riesce ad arrivare.
Esistono altri errori di tempo sui satelliti rispetto a terra legati alla propagazione di segnale in atmosfera o ai ritardi dell'elettronica di bordo la cui compensazione è più complessa.

Ricevitori GPS aeronautici

Il segmento utente

Il segmento utente è composto dalle centinaia di migliaia di utilizzatori militari degli Stati Uniti e degli alleati del sicuro GPS Precise Positioning Service(PPS), e dalle decine di milioni di utilizzatori civili, commerciali e scientifici del Standard Positioning Service (SPS).
In generale, i ricevitori GPS sono costituiti da un’antenna, sintonizzata sulle frequenze trasmesse dai satelliti, da ricevitori-processori, e da un orologio altamente stabile (spesso un oscillatore a cristallo). Gli apparecchi includono un display per fornire all'utente informazioni di posizione e velocità.
Un ricevitore è spesso descritto dal suo numero di canali di cui dispone, cioè il numero di satelliti in grado di monitorare contemporaneamente. Originariamente limitato a quattro o cinque, questo è stato progressivamente aumentato nel corso degli anni in modo che, a partire dal 2007, ricevitori avevano in genere tra i 12 e i 20 canali e attualmente un moderno ricevitore commerciale dispone di un numero di canali compreso tra 20 e 32 anche se sono disponibili ricevitori con un numero maggiore.

Fonti