Sistema satellitare globale di navigazione (in inglese Global Navigation Satellite System o GNSS) è l'espressione usata correntemente per descrivere i sistemi di navigazione che utilizzano satelliti artificiali che forniscono un servizio di posizionamento geo-spaziale a copertura globale.

Il GNSS permette a piccoli ricevitori elettronici di determinare la loro posizione (longitudine, latitudine e altitudine) con un errore di pochi metri usando segnali radio trasmessi in linea ottica da satelliti. Al 2007, il sistema statunitense NAVSTAR Global Positioning System (Gps) è l'unico pienamente operativo.

Il sistema russo GLONASS deve essere ripristinato, quello europeo, Galileo, è in fase iniziale di implementazione e si prevede sia operativo nel 2010. La Cina vuole espandere e rendere globale il Sistema di posizionamento Beidou per ora regionale. L'India infine sta sviluppando IRNSS, un sistema GNSS di nuova generazione che sarà operativo nel 2012 circa.

Classificazione dei sistemi GNSS

I sistemi GNSS che forniscono buona accuratezza e controllo dell'integrità dell'informazione per usi di navigazione civile sono classificati come segue

• GNSS-1 è la prima generazione e combina i sistemi esistenti (Gps e GLONASS) con il Satellite Based Augmentation System (SBAS) o il Ground Based Augmentation System (GBAS). Negli Stati Uniti, il componente su satellite è il Wide Area Augmentation System (WAAS), in Europa è l'European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) e in Giappone è il Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS). L'incremento di accuratezza mediante componenti a terra (Ground based augmentation) è dato da sistemi come il Local Area Augmentation System (LAAS).

• GNSS-2 è la seconda generazione di sistemi che forniscono il servizio di navigazione satellitare civile, di cui è esempio il sistema Galileo. Questi sistemi usano frequenze L1 e L2 per l'uso civile e L5 per l'integrità di sistema. Attualmente si sta cercando di fornire al Gps per uso civile le frequenze L2 e L5, rendendolo così un sistema GNSS-2.

  Sistemi di navigazione satellitare "puri" attuali: Gps, Galileo e GLONASS.

  Global Satellite Based Augmentation System (SBAS): Omnistar, StarFire.

  SBAS regionali, incluso WAAS(US), EGNOS (EU), MSAS (Giappone) e GAGAN (India).

  Sistemi di navigazione satellitare regionali: QZSS (Giappone), IRNSS (India) e Beidou (Cina).

  Ground Based Augmentation System di ampiezza continentale (GBAS): GRAS (Australia) e Gps differenziale (USA).

  GBAS regionali: CORS network.

  GBAS locali con singola stazione GPS di riferimento a correzioni Real Time Kinematic (RTK).

Storia e teoria

I predecessori della tecnologia per la navigazione globale furono i sistemi che utilizzano stazioni trasmittenti poste a terra, come DECCA, LORAN e OMEGA, che trasmettono segnali radio in genere in banda LF. Questi sistemi inviano un impulso radio principale da una postazione "master", seguito da impulsi da altre stazioni "slave". Il ritardo tra la ricezione e la trasmissione del segnale presso le stazioni "slave" è accuratamente controllato, permettendo ai ricevitori di confrontare il ritardo tra la i segnali, da cui si ottiene la distanza da ognuna delle stazioni "slave" e quindi un calcolo della posizione.

Il primo sistema satellitare fu Transit, creato dall'esercito statunitense negli anni sessanta. Il funzionamento si basava sull'effetto Doppler: i satelliti si spostavano su orbite note e trasmettevano i loro segnali su una frequenza specifica. La frequenza ricevuta differiva da quella nominale a causa dello spostamento del satellite rispetto al ricevitore. Monitorando questa variazione di frequenza su un breve intervallo di tempo, il ricevitore poteva determinare la sua posizione.

Parte dei dati trasmessi da un satellite riguardano gli esatti parametri dell'orbita che sta compiendo. Per avere accuratezza l'Osservatorio Navale statunitense (USNO) monitorava costantemente l'orbita di questi satelliti, "informandolo" nel caso avesse deviato dalla sua traiettoria, ino modo che questo inviasse poi i dati aggiornati.

I sistemi moderni sono più diretti. Il satellite trasmette un segnale che contiene la posizione del satellite e l'ora di trasmissione del segnale stesso, ricavata da un orologio atomico al fine di mantenere la sincronizzazione con gli altri satelliti della costellazione.

Il ricevitore confronta il tempo della trasmissione con quello misurato da un orologio interno, ricavando così il tempo impiegato dal segnale per arrivare dal satellite. Diverse misure possono essere effettuate contemporaneamente con satelliti differenti, ricavando così il posizionamento in tempo reale.

Ogni misura di distanza, a prescindere dal sistema usato, individua una sfera che ha per centro un satellite; dall'intersezione di queste sfere si ottiene il posizionamento. Tuttavia, nel caso di ricevitori in movimento rapido, la posizione del segnale si muove mentre i segnali vengono ricevuti.

In più, i segnali radio ritardano leggermente mentre attraversano la ionosfera e questo ritardo varia con l'angolo tra ricevitore e satellite, perché questo cambia la distanza attraverso la ionosfera. Il calcolo di base tenta così di trovare la linea diretta più corta tangente a quattro sfere centrate su quattro satelliti.

I ricevitori riducono gli errori usando combinazioni di segnali da più satelliti e vari correlatori ed ancora usando tecniche come il filtro di Kalman per unire i dati affetti da rumore, parziali e costantemente variabili in una singola stima di posizione, tempo e velocità.

Applicazioni civili e militari

sulla navigazione satellitare. Essa permette una alta precisione nel colpire i bersagli e nell'evitare quindi danni non voluti ad altre strutture adiacenti. Per questo è un obiettivo della ricerca militare per molti paesi.

I sistemi GNSS hanno molte applicazioni:

• Navigazione, sia con ricevitori portatili ad esempio per il trekking, che con dispositivi integrati tra i comandi di mezzi di trasporto come automobili, autocarri, navi e aeromobili;

• Sincronizzazione dell'orario in dispositivi elettronici

• Location-based service

• Monitoraggio

• Inserimento dati in un sistema informativo territoriale

• Servizio di ricerca e soccorso

• Geofisica

• Dispositivi di tracciamento per animali selvatici

Si noti che la facoltà di fornire un servizio di navigazione satellitare significa anche poterne negare la disponibilità o peggiorarne volutamente le prestazioni.

Sistemi satellitari globali di navigazione attuali

GPS

Lo statunitense Global Positioning System (GPS) è al 2008 l'unico sistema pienamente funzionante e disponibile. Consiste di 32 satelliti in orbita MEO su sei differenti piani orbitali, alcuni dei quali in disuso e altri di riserva. E' operativo dal 1978 e disponibile per tutto il mondo da 1994. Il GPS è il sistema satellitare di navigazione più usato nel mondo.

GLONASS

Il sistema sovietico Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, o GLONASS, era un sistema pienamente funzionante fino a quando con la caduta dell'Unione Sovietica e senza la manutenzione necessaria non ha subito una riduzione della copertura e della disponibilità. La federazione russa prevede di ripristinarne le funzionalità entro il 2010 con l'aiuto dell'India

Sistemi satellitari globali di navigazione futuri

Compass

La Cina intende ampliare il proprio sistema regionale di navigazione, chiamato Beidou o Big Dipper, per renderlo a copertura globale: si tratta del progetto Compass secondo la agenzia di stampa ufficiale cinese Xinhua. Il sistema Compass dovrebbe usare 30 satelliti in orbita MEO e 5 geostazionari. Avendo affermato di voler cooperare con altri paesi per Compass non è chiaro come la Cina si ponga nei confronti del progetto europeo Galileo.

DORIS

L'Unione Europea e l'Agenzia Spaziale Europea nel Marzo 2002 hanno presentato il loro progetto di sistema alternativo al GPS, chiamato Galileo, dal costo previsto di circa £2.4 miliardi di sterline. Il sistema si prevede sarà operativo tra il 2012 e il 2013. Il primo satellite è stato lanciato il 28 Dicembre 2005. Galileo dovrebbe essere compatibile con la nuova versione del GPS: i ricevitori potranno combinare i segnali dai due sistemi per aumentare notevolemente l'accuratezza.

IRNSS

L'Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) è un progetto di sistema satellitare di navigazione regionale autonomo che sarà realizzato e controllato dal governo indiano. Dovrebbe garantire il posizionamento con un errore massimo di 20 metri nel territorio indiano e in una area di dimensioni di circa 1.500-2.000 km intorno ad esso.

E' stato annunciato che saranno costruiti in India tutti i componenti del sistema: satelliti, stazioni di controllo a terra e ricevitori. Il governo ha approvato il progetto nel maggio 2006, con l'intenzione di implementarlo in 6 o 7 anni.

QZSS

Il Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), è un progetto di sistema regionale a 3 satelliti per il miglioramento del GPS nel territorio giapponese. Il primo satellite dovrebbe essere lanciato nel 2008

GNSS Augmentation

Il progetto GNSS Augmentation riguarda l'uso di informazioni esterne, spesso integrate nel processo di calcolo, per migliorare l'accuratezza, la disponibilità e l'affidabilità del segnale satellitare.

Ci sono diversi sistemi in opera: alcuni trasmettono informazioni supplementari sulle fonti di errore (come ritardi negli orologi o ritardo dovuto alla propagazione nella ionosfera), altri forniscono direttamente misure sulla precisione del segnale, mentre un terzo gruppo fornisce informazione navigazionale o veicolare da integrare nel calcolo del posizionamento.

Sono esempi di tali sistemi il Wide Area Augmentation System, lo European Geostationary Navigation Overlay Service, il Multi-functional Satellite Augmentation System, il GPS differenziale e i sistemi di navigazione inerziale.

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