• posizionamento
• bias
• augmentation
• satellite
• formato
• DOP
• GNSS

Il termine “orientamento” che letteralmente indica trovare l’oriente, deriva dal verbo latino orìri, che significa “nascere”; orientarsi significa dunque capire dove costantemente ci si trova e quale sarebbe la direzione opportuna da seguire per raggiungere l’obiettivo.
Gli strumenti utilizzati per la determinazione della posizione sono diversi: il Sole di giorno, le stelle di notte, il muschio che si forma sui tronchi degli alberi, la bussola, le carte.
Oggigiorno con l’introduzione dei Global Navigation Satellite System, ovvero i sistemi di posizionamento satellitare a copertura globale, si è resa possibile a tutti gli utenti dotati di apposito ricevitore di conoscere in modo pressoché istantaneo e preciso la propria posizione.
Tali sistemi trovano applicazione dapprima in ambito militare, in quanto primi investitori in tale materia e successivamente in tutti gli ambiti civili. I GNSS sono largamente utilizzati in ambito quotidiano: in attività sportive, per monitorare il percorso compiuto e sulla base di questo effettuare un calcolo stimato delle calorie bruciate od altri parametri vitali; nelle automobili come sistema antifurto, permettendo la rintracciabilità anche da smartphone; in ambito lavorativo come nel campo geofisico per effettuare studi sui processi tettonici o vulcanici.

Nell’ottobre 1957, l’Unione Sovietica lanciò il primo satellite artificiale, lo Sputnik. Iniziò la corsa verso lo spazio tra le due superpotenze USA e URSS, con lo sviluppo di missili sempre più performanti dal punto di vista offensivo. Essi richiedevano, per colpire in maniera selettiva i loro bersagli, distanti migliaia di chilometri, dei sistemi di navigazione di alta precisione. Non essendo i sistemi di radio-posizionamento dell’epoca in grado di fornire dati sufficientemente precisi per la guida dei missili, le due superpotenze decisero di sviluppare due complessi sistemi basati su dati satellitari: il NAVSTAR (GPS) statunitense ed il GLONASS sovietico.
Ovviamente, essendo stati progettati per usi militari, questi sistemi operarono inizialmente in maniera protetta, ovvero i dati venivano cifrati per impedirne l’uso agli avversari. A tale proposito la preoccupazione che attività civili, come il controllo del traffico aereo, sarebbero dovuti dipendere da un sistema controllato da forze militari di un unico Paese, portò le Nazioni europee a progettare, alla fine degli anni ’90, un nuovo sistema di navigazione satellitare, chiamato GALILEO, questa volta sotto controllo civile. Con il tempo anche altre Potenze hanno deciso di sviluppare il proprio sistema di posizionamento, dapprima regionale ma con la volontà di poter implementare ulteriori satelliti a raggiungere una copertura globale: è questo il caso sistema cinese BeiDou e quello giapponese QZSS.
Tali considerazioni offrono lo spunto per la realizzazione di questo lavoro di tesi nei cui primi due capitoli l’obiettivo sarà quello di valutare, in un panorama in continua evoluzione, le attuali prestazioni dei principali GNSS a livello di precisione, affidabilità ma anche coerenza tra le diverse soluzioni, ponendo anche l’attenzione sui sistemi satellitari c.d. augmented che migliorano la precisione e l’affidabilità delle misurazioni satellitari, partendo da sistemi già noti ed effettuando determinate correzioni. Questi sistemi, che verranno analizzati nel capitolo terzo, sono strutturati in maniera differente: i GBAS, ad esempio, non richiedono un segmento spaziale dedicato, ma sfruttano il GPS differenziale per effettuare correzioni precise sulle posizioni; gli SBAS, quelli largamente più diffusi, che necessitano di un segmento satellitare che vada ad implementare quello dei sistemi già esistenti.
Lo sviluppo dei GNSS non sarebbe stato certamente possibile senza l’ausilio di accurati studi in ambito matematico: il quarto capitolo si appresta ad enunciare elementi di teoria del posizionamento, tenendo conto che i satelliti trasmettono un segnale radio complesso, composto di portanti e codici modulati, che contiene anche informazioni identificative del satellite e della propria orbita, con le quali è possibile calcolarne la posizione in modo accurato. Il posizionamento GNSS si basa sulla stima della distanza ricevitore-satellite 𝜌i𝑗(𝑡) dove con i si indica il generico ricevitore e con j il generico satellite; nella stima bisognerà considerare, inoltre, il caso di posizionamento statico, ovvero quando il ricevitore è fisso o cinematico quando questo è in movimento.
Tutto ciò che non può essere interpretato come distanza ricevitore-satellite viene implementato come errore. Questi errori influiscono sia sulle misure che sulla precisone con cui si può determinare la posizione con i GNSS. Obiettivo del quinto capitolo sarà di analizzare queste tipologie di errore che essenzialmente sono di tre tipi: accidentali di misura, sistematici di modello ed errori vari di osservazione.
Negli ultimi capitoli verranno esposti argomenti utili alla completezza della misurazione e affidabilità della stessa: il sesto capitolo affronterà il tema di progettare la misura in modo da ottimizzare la precisione delle coordinate, ma anche di risolvere problemi logistico-operativi legati alla disponibilità di strumentazione e personale. Importante è calcolare il periodo ottimale di misura, cioè dove si possono osservare il maggior numero di satelliti; questo dato prende il nome di GDOP che si scorpora in diverse componenti, calcolate in sede di progetto. Il settimo capitolo porrà l’attenzione sul segmento utente costituito dai ricevitori, i quali implicano una relazione direttamente proporzionale tra costi ed affidabilità. Le caratteristiche del ricevitore stesso, a misura di codice, a singola frequenza, multi-costellazione, ad esempio, contribuiscono insieme agli altri elementi costitutivi, correttivi o di progettazione del sistema satellitare a rendere una misurazione sempre affidabile e con un livello di precisione sub-centimetrico. I ricevitori sono in grado di memorizzare dati di codice e fase o correzioni differenziali in diversi formati proprietari; presentarli e analizzarli sarà l’obiettivo dell’ottavo ed ultimo capitolo.
Il fine di questa tesi vuole essere quello di dare un’immagine del posizionamento satellitare come una materia in continua evoluzione soprattutto in un futuro dove la lotta per il predominio dell’informazione sarà la nuova frontiera che si combatterà per il controllo dello spazio che nel corso dell’ultimo summit della NATO, tenutosi a Londra nel 2019 è stato riconosciuto come dominio a sé stante.
La “Quarta dimensione” ha imposto una dirompete rivisitazione della dottrina militare e delle strategie delle varie nazioni, nell’ottica sempre più attuale e sempre più concreta che chi controllerà lo spazio sarà in grado di controllare le economie mondiali.