GNSS Operational Validation - Monitoraggio e validazione del segnale EGNOS

                                                                                                                   Introduzione 
L’introduzione di ricevitori GPS relativamente economici come equipaggiamento 
delle autovetture di ultima generazione e lo sviluppo di software cartografico 
rappresentano il chiaro esempio di come tali sistemi giochino un ruolo di primo piano 
nell’attuale evoluzione tecnologica. 
Uno dei settori più promettenti nell’evoluzione del posizionamento satellitare è 
sicuramente quello dell’aviazione civile, la quale già da un decennio usa il GPS per il 
posizionamento dei velivoli durante la fase di crociera. 
La precisione garantita dal GPS è notevole, consentendo di conoscere la propria 
posizione con un errore dell’ordine di pochi metri che tuttavia non ne permette la 
certificazione per utilizzi più esigenti come le delicate fasi di decollo e atterraggio di 
un velivolo.  
 
 
Discussione 
Attualmente a bordo degli aeromobili commerciali sono installati vari sistemi avionici 
per affrontare la navigazione nelle differenti fasi di volo. Gli INS (Inertial Navigation 
Systems) e il GPS sono usati per le fasi di crociera oceanica o in regioni continentali 
remote. Le radioassistenze NDB/VOR/DME per le operazioni su continente dalla 
crociera fino all’avvicinamento “non-preciso”. Per gli avvicinamenti di precisione 
molti aeroporti sono dotati di ILS con tre differenti livelli di “minima”  CAT  I-III. 
Questo ambiente multi-sistema comporta vari svantaggi, tra i quali la proliferazione 
dell’avionica di bordo e/o delle installazioni a terra, inoltre è una delle ragioni che 
pongono limiti all’Air Traffic Flow in quanto le radioassistenze obbligano a seguire 
rotte predefinite. La necessità di realizzare in navigazione aerea rotte sempre più 
flessibili rispetto a quelle attuali ha imposto all’ICAO l’elaborazione di un nuovo 
concetto, noto con la sigla RNP (Required Navigation Performance), in base alla quale 
viene incoraggiata l’adozione di sistemi di navigazione a copertura globale in grado di 
fornire prestazioni tali da rispondere alle esigenze dell’aviazione civile per le varie fasi 
di volo.  
I requisiti imposti dall’ ICAO sono: 
• Accuracy (Accuratezza): deve essere sufficiente per soddisfare le varie 
esigenze che possono presentarsi (tipo di spazio aereo, densità di traffico, fase 
del volo, etc.). 
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• Availability (Disponibilità): percentuale di tempo in cui il sistema è in grado di 
fornire le prestazioni attese; deve possibilmente avvicinarsi al 100%. 
• Continuity (Continuità): il sistema deve garantire, dal momento in cui se ne 
inizia l’impiego, una continuità di funzionamento. 
• Integrità (Integrità): il sistema deve essere in grado di individuare rapidamente 
i difetti di funzionamento in modo che l’utente ne sia a conoscenza in tempo 
reale. 
Anche se il sistema GPS è in grado di fornire precisioni superiori a qualunque altro 
sistema a copertura globale attualmente in uso, il servizio SPS (Standard Position 
Service) concesso agli utenti civili, non può assicurare precisioni superiori a qualche 
metro nel 95% dei casi, a causa degli errori dovuti soprattutto alle rifrazioni 
ionosferiche e troposferiche che affliggono il segnale proveniente dai satelliti. Inoltre 
non sono garantite le prestazioni fuori dal 95% dei casi di cui si diceva prima. Senza 
tenere conto poi della SA (Selective Available), ovvero la deliberata degradazione del 
segnale in determinate aree, attualmente sospesa ma che potrebbe essere reintrodotta a 
discrezione del Dipartimento della Difesa USA. Vi è poi il problema dell’integrità dei 
dati GPS, un satellite potrebbe andare in avaria o inviare effemeridi non aggiornate 
senza che il ricevitore ne sia avvertito tempestivamente. 
I requisiti stabiliti dall’ICAO richiedono che il tempo necessario affinché gli utenti 
sappiano della non attendibilità dei dati dipenda dalla fase in cui si svolge il volo: da 
qualche minuto nella fase di crociera, fino a pochi secondi nelle fasi di avvicinamento. 
Con l’intento di fornire un aumento delle prestazioni dei sistemi di posizionamento 
satellitari attualmente in uso l’orientamento attuale è rivolto verso un sistema di 
navigazione satellitare a copertura globale definito dall’ ICAO con la sigla GNSS 
(Global Navigation Satellite System). Una componente del GNSS sono i sistemi SBAS 
(Satellite Based Augmentation System), i quali basandosi sulla costellazione GPS con 
l’aggiunta di satelliti geostazionari e stazioni a terra forniscono capacità addizionali di 
ranging, correzioni differenziali e informazioni di integrità che danno la certezza 
dell’informazione indicata, requisito quest’ultimo indispensabile per la certificazione 
aeronautica.  
Attualmente esistono o sono in fase di realizzazione vari sistemi SBAS: WAAS, 
EGNOS, MTSAT, GAGAN, la cui area di copertura è rispettivamente: Nord 
America, Europa, Giappone, India.  
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Questi, insieme agli altri sistemi che compongono il GNSS, dovrebbero essere del tutto 
interoperabili fra loro e una volta completati permetteranno di usufruire delle 
prestazioni GNSS a livello globale. 
Nel Dicembre del 1994 la Comunità Europea ha elaborato una propria strategia 
ponendosi due obiettivi: 
• Utilizzare al meglio i sistemi satellitari esistenti (GPS e GLONASS) 
realizzando un proprio sistema di augmentation regionale (obiettivo GNSS-1). 
• Sviluppare un sistema satellitare europeo in modo da non dover dipendere da 
sistemi satellitari la cui precisione può essere variata a piacimento della 
nazione che li controlla (obiettivo GNSS-2). 
Relativamente al primo obiettivo, è in fase di certificazione il progetto europeo 
EGNOS che è oggetto di questa tesi realizzata presso ENAV spa. 
 
Il lavoro è articolato in 5 capitoli: 
Nel 1° viene descritto il sistema satellitare GPS, le misure effettuate, per poi arrivare al 
calcolo della posizione del ricevitore. 
Nel 2° capitolo vengono descritte le esigenze e gli autori dello sviluppo dei sistemi 
SBAS, l’architettura di EGNOS, la sua evoluzione e lo stato del progetto.  
Nel 3° capitolo sono riportati tutti i messaggi SBAS e il loro trattamento per ottenere la 
soluzione di posizione SBAS. Viene trattato inoltre il calcolo dei livelli di protezione.  
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Nel 4° capitolo viene descritta la stazione ENAV di Ciampino, l’ambiente realizzato 
per la raccolta dati e i problemi affrontati. 
Nel 5° capitolo vengono descritti i software utilizzati per l’elaborazione dati e i 
risultati degli stessi. Vengono fatte inoltre delle ipotesi sui problemi riscontrati. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Capitolo 1                                                                       _____Il sistema satellitare GPS 
  1.   IL SISTEMA SATELLITARE GPS 
 
Il presente capitolo descrive brevemente le caratteristiche e i principi di funzionamento 
del sistema satellitare GPS, componente essenziale dei sistemi SBAS 
 
     
1.1 Descrizione del sistema  
Il sistema GPS costituisce un sistema satellitare di navigazione globale, continuo e 
tridimensionale. Esso fornisce la posizione tridimensionale dei mobili e la loro 
velocità, nonché la possibilità di sincronizzare le scale di tempo UTC (Universal Time 
Coordinate) con copertura globale. 
Tradizionalmente il sistema è diviso in 3 segmenti denominati: 
1. Segmento spaziale, che è formato da una costellazione di 24 satelliti che 
trasmettono dei codici a radiofrequenza e dei dati di navigazione. 
2. Segmento di controllo, che consiste in una rete di monitoraggio e di mezzi di 
controllo per il mantenimento della costellazione e per l’aggiornamento dei 
messaggi di navigazione dei satelliti. 
3. Segmento dell’utilizzatore, che consiste in una varietà di ricevitori, di 
decodificatori e di elaboratori dei segnali GPS. 
L’estrema precisione offerta e la notevole flessibilità d’impiego, rendono il sistema un 
elemento potente e veramente rivoluzionario in grado di soddisfare le esigenze più 
diversificate. 
Figura 1.1 
Rappresentazione dei 3 segmenti del sistema GPS 
 
 
 
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Capitolo 1                                                                       _____Il sistema satellitare GPS 
1.1.1 LA COSTELLAZIONE GPS  
La costellazione GPS è costituita da 24 satelliti distribuiti su 6 piani orbitali a gruppi 
di 4; i piani orbitali sono inclinati di 55° (alcuni di 65°) sull’equatore. I satelliti 
percorrono orbite poco eccentriche ad una altitudine media di 20200 Km, tale quota 
da un periodo di rivoluzione di 12 ore sideree. Il sistema è progettato in modo che alle 
varie località, nelle 24 ore i satelliti contemporaneamente sopra l’orizzonte siano 
almeno 4, questo permette la     navigazione   tridimensionale   rispetto ad un 
ellissoide di riferimento (ellissoide WGS-84) e la sincronizzazione all’ UTC. 
 
Figura 1.2 
Costellazione  GPS 
 
Alcune delle caratteristiche funzionali di un satellite GPS sono: 
• Ricevere ed immagazzinare l’informazione trasmessa dal segmento di 
controllo situato a terra. 
• Effettuare elaborazioni a bordo per mezzo di un proprio calcolatore. 
• Conservare il tempo con elevata precisione mediante orologi atomici installati 
a bordo. 
• Trasmettere l’informazione all’utente mediante vari segnali. 
• Correggere periodicamente l’orbita per mezzo di thrusters controllati dagli 
operatori del sistema.      
          
1.1.2 IL SEGNALE GPS 
Tutti i satelliti GPS trasmettono il messaggio di navigazione utilizzando due diverse 
portanti nella banda L ( ) entrambe multiple di una frequenza fondamentale 
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, LL
23.10
0
=f MHz  generata da un banco di oscillatori a bordo: 
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