Guida tascabile alla navigazione satellitare

Introduzione ai sistemi di navigazione satellitare

I sistemi di navigazione satellitare sono fondamentali per garantire una navigazione e una localizzazione accurata. Forniscono dati indispensabili per numerose applicazioni, quali:

• Guida autonoma
• Sistemi autonomi senza equipaggio (UAS)
• Trasporti
• Aeronautica
• Agricoltura
• Servizi di temporizzazione
• Gestione catastrofi
• Servizi di sicurezza
• Ricerca scientifica

I sistemi di navigazione globali sono costituiti da numerosi satelliti distribuiti su diversi piani orbitali per garantire una copertura e una disponibilità su scala mondiale. Inoltre, è possibile progettare e ottimizzare le orbite dei satelliti al fine di garantire una copertura territoriale limitata, in modo che il servizio di localizzazione sia circoscritto ad aree specifiche.

Localizzazione satellitare

La localizzazione satellitare funziona secondo il principio della trilaterazione. Un ricevitore satellitare per la navigazione riceve segnali da più satelliti, ciascuno dei quali fornisce l'ora e la posizione attuali del satellite in quel preciso istante. Il ricevitore è in grado di calcolare la distanza dal satellite in base al tempo di arrivo (ToA), poiché il segnale viaggia a una velocità nota: quella della luce. Una volta determinate le distanze che intercorrono tra il ricevitore e i tre satelliti, il ricevitore può calcolare la propria posizione tridimensionale (latitudine, longitudine e altitudine) tramite trilaterazione.

Oltre a questi tre satelliti, è necessario un quarto satellite per compensare le discrepanze temporali tra il clock del ricevitore e i precisi orologi atomici dei satelliti. Questo principio fondamentale costituisce la base di tutti i sistemi satellitari di radionavigazione (RNSS).

Esistono differenti tipologie di metodi di localizzazione GNSS:

• GNSS autonomo
• GNSS potenziato
• GNSS ad alta precisione

Tutti questi metodi differiscono per il tipo di correzione (OSR rispetto a SSR), il tipo di osservabile (codice rispetto a portante), l'area di copertura (locale, territoriale limitata o globale), le capacità di mitigazione degli errori e l'accuratezza di localizzazione che ne deriva. Se è richiesta un'accuratezza al decimetro, è obbligatorio la localizzazione basato su portanti. I metodi GNSS ad alta precisione offrono livelli di accuratezza variabili. I servizi PPP offrono un'accuratezza dell'ordine di alcuni decimetri, mentre i servizi PPP-RTK assicurano un'accuratezza migliore di 10 cm. La massima accuratezza nell'ordine dei centimetri viene offerta dalla tecnologia RTK, ma essa richiede la vicinanza a una stazione di riferimento. Per un giusto equilibrio tra accuratezza e complessità dell'infrastruttura, il servizio PPP-RTK è spesso la scelta preferita, offrendo un elevato livello di accuratezza con una potenziale copertura globale.

Sistemi globali e locali di navigazione satellitare

GNSS sta per “Global Navigation Satellite System” (sistema globale di navigazione satellitare). Esistono diversi tipi di sistemi GNSS, spesso gestiti da diversi enti governativi.

Per esempio:

• GPS: gestito dagli Stati Uniti, in particolare dal Ministero della Difesa americano. Sebbene inizialmente fosse stato sviluppato per uso militare, in seguito è stato reso disponibile anche per uso civile.
• Galileo: gestito dall'Unione Europea. È progettato per uso civile e integra i sistemi GPS e GLONASS.
• GLONASS: gestito dalle Forze di difesa aerospaziale russe. È progettato per funzionare in modo indipendente dagli altri sistemi di navigazione.
• BeiDou: gestito dalla Cina. Comprende satelliti in orbite geostazionarie e non.
• NavIC/IRNSS: gestito dall'Organizzazione Indiana per la Ricerca Spaziale. Serve principalmente il subcontinente indiano.
• QZSS: gestito dal Giappone. È complementare al GPS e ne migliora la copertura e l'accuratezza nell'area Asia-Oceania, in particolare nelle zone urbane caratterizzate da edifici alti.

Un sistema di potenziamento basato su satellite (SBAS) è una tecnologia geospaziale che fornisce correzioni ai sistemi GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou per migliorarne l'accuratezza. Utilizza stazioni di riferimento terrestri per ricavare correzioni differenziali per i satelliti GNSS e le trasmette tramite satelliti geostazionari.

Tecnologia dei ricevitori GNSS

L'architettura di base di un ricevitore GNSS può essere suddivisa nei seguenti blocchi funzionali:

• Antenna: le antenne GNSS hanno una polarizzazione circolare destra (RHCP) e lavorano nella banda di frequenza L. Il loro ruolo principale è quello di ottimizzare la ricezione dei segnali provenienti dai satelliti con angoli di elevazione più alti, riducendo al contempo l'impatto dei segnali multipath che spesso provengono da angoli più bassi.
• Preamplificatore: la sezione del preamplificatore può essere integrata nell'apparato dell'antenna ed è costituita da un amplificatore a basso rumore (LNA), filtri per la reiezione di disturbi e interferenze e una protezione contro il surriscaldamento.
• Frontend: questa sezione svolge tutte le operazioni di elaborazione del segnale analogico, quali il filtraggio (soppressione delle interferenze fuori banda), l'ulteriore amplificazione e la conversione a una frequenza intermedia (IF).
• Conversione A/D: il segnale IF analogico viene digitalizzato nella sezione del convertitore A/D.
• Elaborazione del segnale: l'elaborazione digitale del segnale comprende la rimozione dell'effetto Doppler, la miscelazione del segnale con i codici di telemetria e l'accumulo dei campioni per ottenere i valori di correlazione. L'unità di elaborazione del segnale fornisce la pseudodistanza, la fase della portante e le distanze delta come grandezze di base del GNSS.
• Elaborazione PVT: le grandezze GNSS di base vengono utilizzate per calcolare una soluzione di posizione, velocità e tempo (PVT). Ciò può essere ottenuto risolvendo le equazioni di osservazione GNSS mediante aggiustamenti dei minimi quadrati oppure applicando metodi più avanzati, come il filtro di Kalman.

Come opzioni, è possibile aggiungere sensori esterni e altre fonti di dati per il calcolo del PNT.

Esistono diversi tipi di ricevitori GNSS, ciascuno progettato per applicazioni specifiche:

• Ricevitori di livello topografico: rilievi geodetici, edilizia e altre applicazioni che richiedono un'accuratezza al centimetro
• Ricevitori di livello cartografico: raccolta di dati GIS, agricoltura e silvicoltura
• Ricevitori GNSS marini: specifici per la navigazione marittima e le applicazioni nel settore della pesca
• Ricevitori GNSS per l'aviazione: navigazione aerea, atterraggio e altre operazioni di volo
• Ricevitori per il settore automobilistico: navigazione integrata per automobili e altri veicoli
• Ricevitori personali/portatili: smartphone, orologi fitness e altri dispositivi portatili
• Ricevitori di temporizzazione: riferimenti temporali accurati per le telecomunicazioni, le reti elettriche e altre infrastrutture
• Ricevitori spaziali: navigazione orbitale e sincronizzazione nei satelliti e supporto per missioni scientifiche

Il tipo di ricevitore GNSS ne determinerà le caratteristiche specifiche e prestazionali. Le specifiche tipiche di un ricevitore GNSS comprendono il numero di canali, la copertura delle frequenze, la sensibilità, l'accuratezza, la frequenza di aggiornamento, il tempo necessario per la prima localizzazione (TTFF) e la compatibilità GNSS.

Vulnerabilità e minacce per il GNSS

Interferenze e fattori di vario tipo possono causare un deterioramento del segnale ed errori nel calcolo dei parametri PVT. In determinati settori possono addirittura causare un'interruzione del servizio.

Le cause del deterioramento del segnale possono essere suddivise in tre categorie:

• Deterioramento del segnale intrinseco al sistema causato dai satelliti, dall'infrastruttura e dall'architettura
• Deterioramento del segnale lungo il percorso di trasmissione causato dagli strati atmosferici, dall'effetto Doppler e dai fenomeni meteorologici spaziali
• Deterioramento del segnale dovuto all'ambiente circostante: non solo edifici e alberi, ma anche propagazione multipath e dispositivi di disturbo

Il deterioramento del segnale dovuto all'ambiente circostante può essere ulteriormente classificato in base alla tipologia, alla causa e alle conseguenze. Si può distinguere tra interferenze intenzionali e non intenzionali, entrambe causa di deterioramento del segnale o di interruzione del servizio. Per contro, esistono minacce che mirano a falsificare la posizione di un ricevitore, pratica nota come spoofing.

Applicazioni specifiche del GNSS

Le applicazioni specifiche del GNSS offrono tecniche avanzate per una navigazione e un localizzazione ottimizzati:

1. Le applicazioni multifrequenza e multiconstellazione utilizzano segnali provenienti da diversi sistemi satellitari e frequenze per garantire una maggiore precisione.

2. Le applicazioni multiveicolo consentono la navigazione cooperativa.

3. Le applicazioni multiantenna migliorano la ricezione del segnale.

4. Le applicazioni avanzate di compensazione delle interferenze contrastano le interruzioni del segnale, garantendo un funzionamento accurato e affidabile del GNSS in diversi contesti.

Simulazione GNSS e test dei ricevitori

I test GNSS sono fondamentali durante lo sviluppo dei ricevitori e la produzione di chipset e dispositivi al fine di garantire prestazioni ottimali. Essi caratterizza le prestazioni del ricevitore, verificano le sue funzionalità specifiche e ne valutano la resistenza alle minacce GNSS, quali il jamming, lo spoofing e i problemi di coesistenza. Test approfonditi contribuiscono a garantire l'affidabilità e l'accuratezza delle informazioni relative alla localizzazione, alla navigazione e alla temporizzazione.

I test GNSS possono essere effettuati tramite prove sul campo, ma ciò comporta alcuni limiti, quali condizioni di sistema sconosciute, possibilità di personalizzazione limitate e l'impossibilità di ripetere i test stessi. Inoltre, richiede molto tempo e denaro.

È qui che entra in gioco la simulazione. In una simulazione, le condizioni del sistema sono ben definite e gli scenari di test possono essere ripetuti tutte le volte che è necessario. I parametri di prova, inoltre, possono essere configurati in base alle esigenze dell'utente.

Ci sono sette elementi che devono essere presi in considerazione in una simulazione GNSS:

1. Disturbi e interferenze: per simulare un ambiente GNSS reale, è necessario tenere conto di fattori esterni quali i segnali di disturbo e di interferenza. È quindi possibile simulare la presenza di segnali aggiuntivi e valutarne l'influenza sulla ricezione del segnale GNSS.

2. Simulazione della distanza: la distanza tra il satellite e l'antenna ricevente è la misura fondamentale che un ricevitore GNSS effettua per calcolare la propria posizione. Per una simulazione realistica della distanza, è necessario tenere conto (a) degli effetti ionosferici e troposferici, (b) degli errori intrinseci al sistema, quali gli errori di clock, e (c) degli errori imprevisti di misura della distanza.

3. Simulazione delle orbite satellitari: una simulazione GNSS realistica deve consentire di simulare diverse classi di orbite satellitari (LEO/MEO/GEO/IGSO), compresi gli errori orbitali e le perturbazioni.

4. Sistemi e segnali: oggi, un simulatore GNSS deve supportare scenari multicostellazione e multifrequenza, simulando contemporaneamente tutti i sistemi e i segnali rilevanti in tutte le bande di frequenza GNSS.

5. Ostacoli ai segnali: i segnali GNSS sono spesso ostacolati dagli edifici, specialmente negli ambienti urbani. In molti casi, l'ostacolo al segnale deve essere combinato con la simulazione del multipath, poiché il segnale in linea di vista potrebbe essere completamente ostacolato e il ricevitore potrebbe elaborare solo le componenti del multipath.

6. Movimento del veicolo: molti test devono simulare un ricevitore in movimento che tenga conto dell'assetto del veicolo. Per verificare i ricevitori in movimento in condizioni di elevata dinamica del segnale, il simulatore GNSS deve supportare scenari in cui l'utente simulato è sottoposto a velocità e accelerazioni elevate.

7. Simulazione del multipath: per verificare le prestazioni del ricevitore in presenza di multipath, un simulatore GNSS offre solitamente diverse modalità per riprodurre tali effetti. Ad esempio, ciò può includere modelli di ritardo con derivazione o di multipath di terra, modelli statistici di canale o modelli deterministici del multipath.

Soluzioni di test GNSS per migliorare l'affidabilità dei sistemi PNT

Rohde & Schwarz propone generatori di segnali e software per la simulazione GNSS, che soddisfano ogni esigenza: dai semplici scenari con un solo satellite fino a costellazioni multisatellitari con scenari multicanale, multifrequenza e di interferenza. Offriamo, inoltre, opzioni di automazione dei test GNSS per i nostri generatori di segnali, in modo da consentirvi di eseguire test completamente automatizzati in condizioni controllate e riproducibili in laboratorio e sulla linea di produzione.

I nostri analizzatori di reti vettoriali (VNA) sono strumenti indispensabili per lo sviluppo di ricevitori GNSS. I VNA vengono utilizzati per:

• Verificare e ottimizzare le prestazioni dell'antenna
• Valutare filtri e amplificatori in termini di risposta in frequenza, guadagno e linearità
• Assicurare un corretto adattamento di impedenza
• Misurare la figura di rumore (un indicatore chiave delle prestazioni)
• Aiutare a caratterizzare i percorsi del segnale all'interno del sistema del ricevitore
• Determinare l'isolamento tra le diverse porte per evitare interferenze

Per i test in fase di sviluppo, qualificazione e produzione, offriamo un'ampia gamma di oscilloscopi.