EGNOS per il posizionamento satellitare differenziale

I sistemi convenzionali DGPS consentono di eliminare l’errore indotto nei sistemi di posizionamento satellitari  GNSS collocando una antenna di riferimento (Reference Station) su un punto di coordinate note. Nella Reference Station vengono misurate in tempo reale, le distanze ad ogni Satellite.  Le distanze misurate includono gli errori del sistema. 

La Reference Station calcola i veri valori delle distanze, conoscendo le sue coordinate e quelle dei satelliti.  Le differenze tra le distanze misurate e quelle calcolate sono pertanto gli errori. Questi errori sono le quantità che devono essere rimossi  da ogni misura di distanza di satellite per correggere gli errori presenti nel sistema.

La Reference Station trasmette le correzioni delle distanze misurate in tempo reale ai ricevitori remoti.  Il ricevitorre remoto rielabora le sue misurazioni di distanza ai satelliti usando queste correzioni differenziali, giungendo a determinare il proprio posizionamento con molta più precisione. Questa è la strategia DGPS predominante usata oggi nella maggior  parte delle applicazioni che necessitano di real-time positioning. La trasmissione di correzioni differenziali DGPS, con sistemi radio/telefonici, attualmente consente di raggiungere precisioni dell’ordine di 1-5 metri con una confidenza del 95% in dipendenza dalla qualità del ricevitore utilizzato. Nelle stesse modalità, sistemi molto sofisticati con campi ristretti a 10-15 km di distanza tra sistema mobile e reference station possono raggiungere precisioni centimetriche usando la carrier phase. Se in tempo reale, tali sistemi vengono definiti RTK (Real Time Kinematic).

Se le trasmissioni vengono ritrasmesse tramite sistemi satellitari si hanno gli SBAS rappresentati in Europa dal sistema EGNOS.

Space Based Augmentation Systems (SBAS)

Sono inizialmente nati con il sistema WAAS (Wide Area Augmentation System), che, avviato negli Stati Uniti nell’anno 2000, provvede a fornire posizionamento di precisione all’industria aeronautica della US Federal Aviation. Questo servizio è disponibile gratuitamente per tutti gli altri usi civili dell’America Centrale e del Nord.
Altre nazioni hanno provveduto nel tempo a realizzare sistemi SBAS compatibili per le loro rispettive regioni geografiche.
In Europa, l’ESA (European Space Agency), la Commissione Europea e l’EUROCONTROL hanno congiuntamente sviluppato il sistema EGNOS (European Geostationary Overlay System). EGNOS è attualmente completamente operazionale ed è in fase di rilascio.

In questo momento si stanno effettuando le certificazioni di sicurezza del sistema in applicazioni quali ad esempio la sicurezza aeronautica. Nel 2007 l’ESA e la Agency for Security of Air Navigation of Africa and Madagascar  hanno firmato un accordo nell’obiettivo di usare il posizionamento satellitare per aumentare la sicurezza del traffico aereo sul continente africano.

In Giappone, il sistema MSAS (Satellite-based Augmentation System) è stato rilasciato dal JCAB (Japan Civil Aviation Bureau) ed attualmente si sta mettendo a punto il sistema per il rilascio all’uso della navigazione aerea.
In India, la ISRO (Space Research Organisation) e la Aurports Authority of India hanno completato con successo i test del sistema GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation system) e attualmente sono in attesa di lanciare il satellite che verrà utilizzato per la trasmissione delle correzioni.
In Cina, ci sono programmi analoghi per la costruzione del sistema SNAS (Chinese Satellite Navigation Augmentation System).

Molti sistemi GPS sono in grado di ricevere dati di correzione da tutti I sistemi sopra citati e che siano compatibili SBAS.

Come funziona
Un sistema SBAS è composto da una architettura modulare simile a quella del GPS, con un Ground Segment,  uno Space Segment e uno User Segment

- Il Ground Segment include le Reference Station, i centri di processamento dati, un network di comunicazione e le Navigation Land Earth Stations (NELS).

- Lo Space Segment include i satelliti geostazionari (EGNOS usa il transponder Inmarsat)

- Lo User Segment consiste dei moduli inseriti negli strumenti quali il ricevitore e l’antenna.

Un sistema SBAS trasmette in le correzioni differenziali sulla stessa frequenza d segnali GPS da un satellite geostazionario cosicchè tutti I sistemi GPS sono in  grado di ricwevere le correzioni utilizzando anche la stessa antenna GPS.

La mappa sottostante mostra la copertura ionosferica per ognuno dei sistemi SBAS. La griglia del sistema GAGAN è stata verificata con un sistema SXBlue II GPS durante la fase di Final Acceptance Test e non è una copertura ufficiale proveniente dalle autorità indiane.

Il sistema SBAS usa una metodologia di calcolo separato per ogni componente di errore allo scopo di eliminare qualsiasi correlazione tra le varie componenti. Per questo il sistema ha una ottima performance non dipendente dalla locazione geografica. Specificatamente il sistema SBAS calcola correzioni differenziali per i seguenti errori:

- ionosfera

- misura del tempo GPS

- orbita dei satelliti GPS

L'errore indotto dalla ionosfera è il più rilevante e non è semplice da correggere (la ionosfera è lo strato di atmosfera responsabile per l'aurora boreale). Le particelle provenienti dal sole ionizzano questa parte dell'atmosfera, determinando un livello elettricamente alto. Questa attività colpisce i segnali GPS interessando gli intervalli misurati. La difficoltà nel rimuovere l'effetto della ionosfera è che varia di giorno in giorno, e anche ora per ora in funzione del ciclo solare e della rotazione della Terra.

L'eliminazione dell'effetto della ionosfera dipende dall'architettura della rete differenziale. I trasmettitori DGPS, per esempio, utilizzano un approccio più convenzionale rispetto ai sistemi SBAS o WAAS in generale. I sistemi DGPS fanno uso di una stazione di riferimento unico, che prevede correzioni in tempo reale di errori sulla base di misurazioni effettuate nella sua posizione. E' possibile che lo stato della ionosfera vari tra l'utente remoto e la stazione di riferimento. Questo può portare a un errore non completamente corretto che potrebbe degradare la precisione del posizionamento in funzione della distanza dalla Reference Station.
Sistemi SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, ecc), utilizzano un approccio diverso, tramite una rete di stazioni di riferimento in punti strategici per prendere le misure e il modello della ionosfera in tempo reale. Aggiornamenti della mappa della ionosfera vengono inviati su una base continua ad assicurare che l'attività dei cambiamenti ionosferici con il tempo in relazione alla precisione del posizionamento dell'utente sarà mantenuto. Rispetto all'utilizzo di un trasmettitore DGPS, l'effetto della vicinanza geografica ad una singola stazione di riferimento è ridotto al minimo, risultando infine le prestazioni del sistema coerenti in tutte le posizioni all'interno della rete.

(Renzo Carlucci)

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