Introduzione
10
in gioco è considerevole e presenta molteplici aspetti. Attualmente,
come accennato prima i due sistemi in concorrenza sono: il GPS
americano, che domina il mercato, e il GLONASS russo. L'attuale
dipendenza, specialmente rispetto al GPS, solleva questioni di ordine
strategico dato che i sistemi utilizzati non sono sotto controllo europeo.
La sfida consiste nel garantire le esigenze strategiche europee, ad
esempio in materia di politica estera e di sicurezza, senza rischi né
costi eccessivi. La navigazione satellitare offre vantaggi evidenti per la
gestione dei trasporti; in quanto permette di rafforzare la sicurezza,
migliorare lo smaltimento dei flussi di traffico, ridurre la congestione e
i danni ambientali e sostenere lo sviluppo multimodale. Gli attuali
sistemi, GPS e GLONASS, non sembrano garantire l'affidabilità e la
disponibilità indispensabili in particolare per la localizzazione di mezzi
di trasporto e di persone. Queste considerazioni unite ad altre di
carattere strategico-economico hanno spinto alla fine del 2000
l’Unione Europea (EU) a mettere in cantiere un progetto per la
realizzazione di un sistema satellitare di posizionamento globale di
carattere prevalentemente civile, compatibile con il GPS e il
GLONASS ma completamente indipendente da essi, quindi
teoricamente alternativo agli stessi.
Tale sistema europeo, battezzato GALILEO, (in inglese Galileo
positioning system) differentemente dal GPS e dal GLONASS sarà un
sistema di navigazione satellitare civile.
La sua entrata in servizio è prevista per il 2011, ma è molto probabile
uno slittamento al 2014 e conterà su 30 satelliti orbitanti su 3 piani
inclinati sull'equatore ad una quota d 24.000 km.
I principali scopi di Galileo sono:
Introduzione
11
ξ Una maggior precisione a tutti gli utenti rispetto a quella attuale
(GPS – GLONASS);
ξ Una migliorata copertura dei segnali dai satelliti, soprattutto per le
regioni a più alte latitudini;
ξ Un sistema di posizionamento globale che possa sempre funzionare
anche in tempi di guerra.
Il lavoro di tesi qui presentato ha lo scopo di sfruttare la piattaforma
TLM per definire e valutare il funzionamento e le prestazioni di un
modello software per il banco di correlatori di un ricevitore Galileo.
L'obbiettivo del nostro lavoro sarà la simulazione di alcuni particolari
aspetti del sistema di correlazione all’interno della piattaforma TLM .
Tutti gli algoritmi e i risultati riportati in tale tesi sono stati ottenuti
tramite simulazione e sviluppati nel linguaggio di programmazione
C/C++.
Nel Capitolo 1 illustreremo gli aspetti più interessanti del sistema
GALILEO quali i servizi, i segnali e le modulazioni utilizzate..
Nel Capitolo 2 verranno descritti gli aspetti teorici riguardanti la
piattaforma TLM (Tansaction level modeling) e faremo una
introduzione al linguaggio di programmazione SystemC.
Nel Capitolo 3 introdurremo i principi di progettazione del software e
l’ambiente ST di simulazione TLM.
Nel Capitolo 4 viene preso in esame il modello software del
correlatore Galileo e verranno illustrate le simulazioni condotte e
presentati i risultati ottenuti.
12
Capitolo 1
Sistema di posizionamento Galileo
1.1 Storia
Il programma Galileo fu avviato ufficialmente il 26 maggio 2003 con
un accordo tra l'Unione Europea e l'Agenzia spaziale europea (ESA).
Diversamente dal sistema GPS, sviluppato dal Dipartimento della
Difesa degli Stati Uniti d'America (che si riserva il diritto di ridurre la
copertura del segnale, l'accuratezza o sospendere del tutto il servizio in
qualunque momento), Galileo è rivolto al settore civile-commerciale. Il
sistema europeo sarà quindi sempre disponibile sia ai civili che ai
militari con la massima accuratezza. Un ritorno economico per le
industrie europee si avrà principalmente, oltre che con
l’implementazione dei servizi, con la produzione dei relativi ricevitori,
mentre ora con il GPS il mercato è quasi esclusivamente americano.
Purtroppo fino ad ora la Commissione Europea ha avuto difficoltà ad
assicurare la copertura economica al proseguimento del progetto e ci
sono state divisioni tra le nazioni coinvolte. Italia e Francia sono
ampiamente favorevoli, mentre altri stati tra cui Germania, Olanda e
Inghilterra preferirebbero continuare ad usare gratuitamente il sistema
americano piuttosto che finanziarne uno nuovo. In seguito all'attacco
terroristico dell'11 settembre 2001, gli Stati Uniti fecero pressione
perché si sospendesse lo sviluppo del progetto europeo. Pochi mesi
dopo, in parte come reazione alla pressione americana, tutti i paesi
europei si schierarono in favore del progetto Galileo e i finanziamenti
divennero più che sufficienti. Per il periodo fino al 2005 la spesa
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
13
prevista per il progetto è di 1,1 miliardi di euro. I trenta satelliti previsti
dovrebbero essere messi in orbita nel periodo 2008-2010 con un costo
totale stimato in 3 miliardi di euro, comprese le infrastrutture di Terra,
da realizzarsi tra il 2008 ed il 2009. Inizialmente il piano di sviluppo
del sistema prevedeva che due terzi del costo fossero coperti da
aziende private ed investitori, mentre la rimanente spesa sarebbe stata
suddivisa tra Agenzia spaziale e Unione Europea. A causa di pressioni
e ritiri nella parte industriale del consorzio di sviluppo, al momento
l’UE ha riconsiderato tale piano, considerando la possibilità di
finanziarne lo sviluppo al 100%, questo sta comportando il problema
della reperibilità dei fondi aggiuntivi e il possibile slittamento come già
indicato al 2014.
1.2 Settori di applicazioni
L'impiego di Galileo riguarda una serie di servizi integrati: può
spaziare dall'utilizzo nel campo dei trasporti (aerei, su rotaia, marittimi,
stradali, pedonali), al sincronismo, alla sorveglianza, come supporto
alla legge, per applicazioni ingegneristiche, scientifiche, ambientali ed
anche ricreative. Il suo influsso condizionerà anche aziende nel settore
bancario, energetico, assicurativo, delle telecomunicazioni, del turismo
e agricolo.
Galileo nasce per essere un sistema di navigazione da applicare nel
campo dei trasporti ed è stato progettato per soddisfare le molteplici
necessità dei vari segmenti di utenza presenti nel mercato; in campo
aereo l'avvento del GNSS (Global Navigation Satellite System) porterà
alla possibilità di effettuare senza nessun rischio manovre critiche quali
atterraggi e decolli anche in condizioni di scarsissima visibilità,
portando ad una progressiva riduzione dei sistemi di controllo terrestri.
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
14
In campo marittimo porterà allo sviluppo dell'AIS (Automated
Identification System) il quale aumenterà la sicurezza nella
navigazione. Le applicazioni per quanto riguarda il traffico su strada
sono tantissime ma la più interessante riguarda gli Advanced Driver
Assistence Systems, sistemi ad alta automazione integrati in
autoveicoli per permettere il controllo delle collisioni, aumentare la
visibilità e consentire delle manovre automatizzate a basse velocità.
Grazie alle sue caratteristiche certificate, ed ai servizi garantiti (dalla
sua natura per usi civili) è adatto a tutte le applicazioni safety-of-life,
dedicate cioè a servizi che devono assicurare un'elevata affidabilità per
evitare possibili danni a cose o persone.
Per quanto riguarda il settore energetico, ad esempio l'uso di orologi
atomici può facilitare la sincronizzazione delle linee elettriche
facilitando la trasmissione di energia elettrica, facilitando il
monitoraggio delle linee e velocizzandone la manutenzione.
Per quanto riguarda la sicurezza dei cittadini, è in atto un progetto per
la realizzazione di un numero di emergenza europeo l' E-112, questo
potrà contare su Galileo per tracciare la posizione di persone in
difficoltà. Durante situazioni di crisi, dove la velocità di azione è
fondamentale, avere la possibilità di conoscere esattamente la
posizione precisa del luogo in cui intervenire è di vitale importanza,
basti pensare ad incendi, inondazioni, terremoti.
Galileo sarà un valido alleato della comunità scientifica dato che si
occuperà anche di creare accurate mappe oceaniche e dei territori
ghiacciati, analizzerà il tasso di inquinamento dell'atmosfera e fornirà
dettagliati valori dei livelli delle maree e dei 19 livelli dei fiumi,
faciliterà il tracking di iceberg e molti altri compiti di grandissima
importanza.
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
15
1.3 Servizi
GALILEO offrirà cinque servizi in chiaro o cifrate che potranno essere
utilizzati in diversi settori:
ξ L’Open Service (OS) sarà accessibile a chiunque, essenzialmente
destinato al mercato di massa. I ricevitori consentiranno
un’accuratezza inferiore ai 4 metri orizzontalmente e 8 metri
verticalmente. GALILEO avrà una più alta affidabilità e qualità. OS
non offre il servizio di integrità.
ξ Il Commercial Service (CS) per utenti professionali che richiedono
prestazioni e garanzie di elevato livello, esso sarà criptato in modo
tale da consentire dietro pagamento di avere un’accuratezza
inferiore al metro. Il CS potrà essere completato da stazioni a terra
per portare l’accuratezza inferiore ai 10 cm.
ξ Safety of Life Service (SoL) utilizzato per applicazioni in cui è in
gioco la vita umana e che richiedono quindi informazioni di
integrità per la ricerca e salvataggio nonché per la localizzazione
delle emergenze e l’avvio delle operazioni di salvataggio. Essi
saranno criptati e offriranno un’accuratezza comparabile con il
servizio Open Service. Il loro scopo principale è la robustezza
contro disturbi e il rilevamento affidabile dei problemi entro 10
secondi. Sono specificatamente progettati, rispettivamente, per
operatori di sicurezza (polizia, militari, ecc) e applicazioni per la
sicurezza nei trasporti (air-traffic control, atterraggio automatizzato
di velivoli, ecc).
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
16
ξ Public Regulated Service (PRS) L’utilizzo di questo servizio per
applicazioni di sicurezza sono attualmente in corso tra le autorità
nazionali e comunitarie. Sarà implementato con segnali criptati e
particolarmente resistenti alle interferenze, compresi i disturbi di
natura volontaria visti precedentemente.
Tutti i servizi offerti da Galileo sono riassunti nella Tabella 1.1, in cui
compaiono anche alcune specifiche di progetto.
Global Services
Open
Services
Commercial
Service
Safety of Life
Services
Public Regulated
Service
Copertura Globale
Precisione di
posizionamento
-orizzontale (H)
-verticale(V)
15 m H – 35 m V
(single frequency)
4 m H – 8 m V
(dual frequency)
4 m H – 8 m V
(dual
frequency)
15 m H – 35 m V
(single frequency)
6.5 m H – 12 m V
(dual frequency)
Precisione di timing 30 nsec
Disponibilitá 99.5%
Integritá NO SI
Limite d allarme 12 mH-20mV 20 mH-35mV
Tempo d’allarme 6 sec 10 sec
Rischio di integritá
sec150/105.3
7
Rischio di continuitá
Non disponibile
sec15/100.1
5
Tipologia di accesso Libero
Controllato (Ranging
Code, Nav. Data
Mess.)
Controllato
(Nav. Data
Mess)
Controllato
(Ranging Code,
Nav. Data Mess.)
Certificazione e
garanzia del servizio
NO
Garanzia del servizio
possibile
SI SI
Tabella 1.1: Prestazioni dei servizi di navigazione.
1.4 L'Architettura
Vediamo in dettaglio i tre segmenti del sistema GALILEO:
1. Segmento Spaziale: ha la funzione di irradiare a terra i segnali
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
17
corrispondenti ai servizi di base forniti dal sistema. Esso è costituito da
una costellazione di 30 satelliti, denominata Walker Constellation,
disposti ad un altezza di circa 24.000 Km, distribuiti su 3 piani orbitali
distinti (10 satelliti per piano); i piani orbitali sono inclinati di un
angolo di 56° rispetto al piano equatoriale terrestre. In realtà i satelliti
operativi saranno solo 27 (9 per ogni piano orbitale), mentre i 3
rimanenti (1 per piano) saranno satelliti di riserva, pronti ad entrare in
funzione in caso di guasto di un satellite operativo.
2. Segmento di Terra: funzionalmente questo segmento è diviso in
due sottosistemi logici: il segmento di controllo (GCS, Ground Control
Segment) ed il segmento di missione (GMS, Ground Mission
Segment).
Il cuore dell’intera struttura è il GCC (GALILEO Control Centre),
dove si trovano tutti gli elementi di controllo e processamento come:
• SCF, Satellite Control Facility: monitorizza e controlla tutti i satelliti
in orbita e supporta le operazioni.
• MCF, Mission Control Facility: supervisiona i servizi di integrità e
navigazione.
• MGF, Message Generation Facility: ha il ruolo di multiplexare in un
singolo flusso i dati generati nell’GCC (o da esso ricevuti).
• OSPF, Orbitography & Synchronisation Processing Facility:
determina i parametri di navigazione dei satelliti
• PTF, Precision Timing Facility: fornisce un riferimento temporale
stabile ed affidabile.
• SPF, Service Product Facility: gestisce la comunicazione con le entità
esterne che scambiano traffico con il GCC.
• GACF, Ground Assets Control Facility: controlla in tempo reale tutti
gli elementi del segmento terrestre.
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
18
• KMC, Key Management Centre: si occupa della gestione e della
distribuzione delle chiavi di sicurezza per i servizi ad accesso
controllato.
Ci sono inoltre le stazioni remote di telemetria e telecomando TT&C
(Tracking Telemetry & Control), stazioni che fungono da sensori GSS
(Galileo Sensor Station) e le stazioni per le trasmissioni verso i satelliti,
dette ULS (Up-Link Station).
Il compito del segmento di controllo, il GCS, è quello di monitorare
costantemente lo stato dei satelliti; SCF, tramite le 5 stazioni TT&C,
riceve le telemetrie dai satelliti ed invia a quest’ultimi i telecomandi
necessari per variare la conFigurazione delle apparecchiature interne
del satellite e/o per correggere l’assetto e l’orbita. Il controllo di
missione, il GMS, si occupa principalmente dell’implementazione di
una serie di funzioni le quali concorrono alla generazione del
messaggio di navigazione che porta all’utente tutte le informazioni di
navigazione e di tempo, calcolo dell’integrità, broadcast di dati
commerciali. Il funzionamento è il seguente: le 29 stazioni GSS
ricevono continuamente i segnali trasmessi dai satelliti, elaborano delle
informazioni e le inviano al OSPF, che calcola le orbite dei satelliti e la
sincronizzazione temporale del sistema e all’IPS (Integrity Processing
Facility) che calcola l’informazione di integrità. I risultati di queste
elaborazioni sono inviati all’MCF nel quale è generato il messaggio di
navigazione. Quest’ultimo è trasmesso alle 10 stazioni di uplink (ULS)
che hanno il compito di inviarlo ai satelliti, quest’ultimi inseriscono il
tempo di riferimento generato dagli orologi atomici di bordo e lo
immettono nel segnale di navigazione trasmesso a terra verso gli utenti.
E’ da notare che il segmento spaziale e quello di terra costituiscono il
cosiddetto GALILEO Global Component; oltre a questo GALILEO
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
19
prevede anche l’uso di componenti Locali. Quest’ultimi sono costituiti
da infrastrutture a terra dimensionate ad hoc per soddisfare specifiche
esigenze di utenti che richiedono, per aree geografiche limitate,
prestazioni più spinte d’accuratezza e integrità rispetto a quelle che
GALILEO è in grado di offrire a livello globale, pensiamo, per
esempio, ad un aereo in fase di atterraggio o una nave all’interno di un
porto. La Figura 1.1 riassume i blocchi funzionali del segmento terra.
Figura 1.1: Il Segmento di Terra Galileo.
Segmento Utente: gli utenti del sistema GALILEO avranno a
disposizione una vasta gamma di terminali riceventi in funzione dei
segnali diffusi dai satelliti e relativi ai diversi servizi di base offerti. In
aggiunta a ciò, si avranno anche terminali in grado di lavorare
contemporaneamente con i segnali GALILEO e GPS, capaci di
sfruttare l’interoperabilità dei due sistemi per conseguire delle
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
20
prestazioni migliori rispetto a quelle ottenibili tramite l’uso di un solo
sistema. Un’ulteriore tipologia di terminale sarà richiesta per il servizio
SAR, già illustrato precedentemente.
1.5 I Segnali
Il Signal In Space del sistema GALILEO trasmette continuamente 10
segnali di navigazione (navigation signals) su tre portanti separate: E5,
E6, L1, più un undicesimo (SAR forward-link) usato per l’invio del
Messaggio di Search&Rescue. Le bande allocate, la frequenza
portante, e la polarizzazione utilizzata sono riportate nel piano
frequenziale della Tabella 1.2.
Tabella 1.2: Piano delle frequenze di Galileo.
La portante, il codice e la modulazione sono scelti secondo il tipo di
servizio richiesto. Le tecniche utilizzate per trasmettere i dati di
navigazione variano a seconda della portante; tale la scelta è dettata da
una serie di condizioni tra cui l’ottimizzazione delle prestazioni, la
massimizzazione dell’efficienza energetica e la minimizzazione delle
interferenze.
In Figura 1.2, oltre alle portanti ed alle bande dei segnali GALILEO,
sono indicati anche le bande del GPS e del sistema russo GLONASS
capitolo 1 Sistema di posizionamento Galileo
21
(parzialmente funzionante) ed è quindi possibile vedere la
sovrapposizione di banda tra i due sistemi per permetterne
l’interoperabilita’. Tutti i satelliti che condividono le stesse frequenze
utilizzeranno la tecnica di accesso multiplo CDMA, che è compatibile
con il GPS.
Figura 1.2: Spettro delle frequenze di Galileo.
La Tabella 1.3, riporta una panoramica schematica sulle diverse
composizioni dei segnali, il tipo di modulazione usata, il tipo di
servizio che deve svolgere, i codici utilizzati e la banda allocata.
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