Analisi delle prestazioni di integrità e accuratezza di sistemi di localizzazione satellitare per il controllo della marcia dei treni

Scopo di questa tesi è stato quello di analizzare e confrontare le possibili soluzioni di posizionamento satellitare da impiegare per la localizzazione di un treno condotto a una velocità massima di 100 km/h.
L’obiettivo è di ricercare la miglior soluzione cost-effective per la navigazione di precisione conforme alle stringenti normative ferroviarie SIL-4 (Safety Integrity Level 4).
Sono state eseguite numerose di campagne di rilievo sia in statico sia in cinematico su autoveicoli, in ambito urbano ed extra-urbano, al fine di raggiungere la migliore configurazione hardware e software in vista della sperimentazione condotta su un treno diagnostico di RFI sulla tratta Roma-Salerno.
Dai risultati delle analisi sui dati sperimentali raccolti si potranno dedurre interessanti considerazioni utili a un eventuale team di sviluppo per ottimizzare l’architettura di un sistema per il controllo della marcia dei treni che sfrutta lo stato dell’arte delle tecnologie di posizionamento satellitare.
Nel primo capitolo vengono presentati i sistemi di navigazione satellitare presenti nello scenario globale attuale. In particolare viene data una trattazione estesa del Global Positioning System (GPS) statunitense e del GLObal NAvigation Space System (GLONASS) russo unici sistemi ad aver raggiunto la piena operatività (Full Operational Capability, FOC) che consente di determinare la posizione, la velocità e la collocazione temporale (Position Velocity Time, PVT) di un qualsiasi punto sulla superficie terrestre fino a quote di qualche decina di chilometri, in qualsiasi istante, e con qualsiasi condizione atmosferica, purché siano visibili un numero di quattro satelliti al ricevitore. Per entrambi i sistemi vengono descritti l’architettura di sistema, i segnali inviati dai satelliti, i disturbi nella propagazione del segnale stesso, i sistemi di riferimento spaziali e temporali e le osservazioni dei ricevitori. Il capitolo prosegue nella trattazione del sistema di posizionamento europeo GALILEO che dovrebbe diventare operativo nel 2015 e si conclude con una breve rassegna dei sistemi di posizionamento satellitare regionali.
Nel secondo capitolo vengono esposti i sistemi di augmentation satellitare e di terra con particolare enfasi al sistema europeo EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Tali sistemi permettono di migliorare l’accuratezza del GPS e del GLONASS e inoltre, alcuni di essi, distribuiscono un messaggio di integrità in grado di monitorare in quasi tempo reale lo stato di salute dei satelliti delle due costellazioni.
Il terzo capitolo analizza i metodi di posizionamento satellitare sia assoluti sia relativi. Si intende con posizionamento assoluto di un ricevitore la stima della sua posizione a partire soltanto da osservazioni ai satelliti di codice e di fase e messaggi di navigazione dei satelliti. Se invece più ricevitori vengono usati per tracciare simultaneamente gli stessi satelliti, le loro misurazioni possono essere combinate dando luogo a tecniche di posizionamento relativo che permettono di correggere, fino al 90%, gli errori di misura. Tali tecniche prevedono, solitamente, una stazione in posizione nota (stazione di riferimento) ed un’altra, la cui posizione va determinata, in continuo movimento (rover). Il ricevitore di riferimento confronta la sua posizione nota con quella calcolata a partire dai dati ottenuti dai satelliti visibili: la differenza tra i due valori costituisce l’errore di misura che viene trasmesso al rover in qualità di correzione differenziale.
Nel quarto capitolo vengono discussi gli standard, i protocolli e i formati dei dati più diffusi globalmente nei sistemi di posizionamento satellitare.
Nel capitolo 5 viene presentata una possibile architettura di un sistema per il controllo della marcia dei treni basato sulla localizzazione satellitare e conforme alla normativa SIL-4 (Safety Integrity Level 4).
Nel capito 6 viene trattato il concetto di integrità sia a livello utente sia a livello di sistema.
Nel capitolo 7 viene esposta la sperimentazione condotta il giorno 5 Giugno 2012 sul mezzo diagnostico di RFI, Caronte sulla tratta Roma-Salerno.
Nel capitolo 8, infine, vengono analizzati e confrontati i risultati ottenuti in post-elaborazione.