Il principio generale della determinazione del punto nave

1. Il principio generale della determinazione del punto nave Ogni misura definisce un luogo di posizione. Il luogo di posizione è un luogo geometrico ed è l’insieme dei punti dove presumibilmente si trova l’osservatore. A cura del prof. Giuseppe AnginoniITN “ Duca degli Abruzzi “ - Napoli

2. Dalla nave,in un punto prossimo ad un faro la sua sommità avrà un’altezza angolare ben determinabile

3. Se nello stesso istante consideriamo due punti di riferimento e facciamo due misure si ha:

4. Tuttavia, da tutti i punti che hanno la nostra stessa distanza dall’oggetto, l’angolo avrà sempre lo stesso valore; se ne deduce che c’è quindi una circonferenza, che ha il suo centro sull’oggetto, da dove vedremo la sommità sempre alla medesima altezza angolare.

5. Nei punti di intersezione delle due circonferenze un osservatore può vedere il faro e la statua ad altezze uguali a quelle misurate

6. Anche nell’osservazione degli astri dalla loro altezza vengono fuori delle circonferenze

7. Coordinate altazimutali

8. Coordinate orarie

9. Osservando l’altezza di un astro possiamo costruire una circonferenza di centro l’astro e di raggio z=90-hv che è la circonferenza di tutti possibili zenit di osservatori che vedrebbero l’astro alla stessa altezza nello stesso istante

10. Proiettando questa circonferenza sulla terra, lungo la verticale, con centro nel punto subastrale, e considerando la circonferenza di stima centrata sul Psotteniamo dalla loro intersezione l’arco LL che è il luogo di posizione che viene fuori dalla misura

11. Poiché l’arco LL è difficile da disegnare sulla carta di Mercatore, lo sostituiamo con l’arco di lossodromia ll in modo tale da avere :

12. Cosi come nella navigazione costiera e nella navigazione astronomica il Pn si può ottenere anche con l’ausilio dei satelliti, la misura che facciamo in questo caso è comunque una misura che ci consente di avere la distanza utente-satellite. Il luogo di posizione ad essa associata è una sfera di centro il satellite e di raggio la distanza utente-satellite

13. Misura della distanza utente-satellite

14. Tale distanza è calcolata mediante la semplice equazione cinematica distanza=(velocità x tempo) dove la velocità è quella della luce ossia circa 300000 Km al secondo.

15. distanza = Tempo di volo x 300000 Km/sec Pseudo Range

16. x miles Luogo di posizione associato alla misura

17. Questo è il principio su cui si basa il sistema satellitare G.P.S.

18. Sistemi di navigazione satellitare esistenti Esistono attualmente nel mondo due reti satellitari di radionavigazione : Il GPS (GlobalPositioningSystem) Statunitense Il GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) Russo

19. Il sistema NAVSTAR meglio noto come GPS costituisce un sistema satellitare di navigazione globale, continuo e tridimensionale. Esso fornisce la posizione tridimensionale del punto

20. La terna di riferimento è la seguente:

21. Le incognite Le incognite del ricevitore sono quindi X,Y,Z. Quindi andrebbero fatte le osservazioni di tre satelliti che porterebbero a formare un sistema di tre equazioni in tre incognite

22. I luoghi di posizione associati

23. La quarta incognita Poiché la misura della distanza avviene tramite la misura del tempo, tutti gli orologi dovrebbero essere sincronizzati perfettamente, ma mentre gli orologi dei satelliti possono essere ritenuti sincronizzati, ciò non è possibile per i ricevitori, quindi si deve introdurre come ulteriore incognita lo sfasamento dei tempi tra le scale dei due orologi.

24. Quindi il sistema di equazione è composto da quattro equazioni in quattro incognite (X,Y,Z,t) che richiede la presenza di almeno quattro satelliti

25. I luoghi di posizione associati

26. Il sistema di equazioni

27. Componenti del Sistema GPS Il GPS si compone di 3 sottosistemi:Segmento Spaziale(Space Segment) Segmento di Controllo(Control Segment)Segmento Utenti (Users Segment).

28. Componenti del Sistema GPS • Il Segmento Spaziale si compone di 24 satelliti ognuno dei quali trasmette informazioni su tempo e posizione; • Il Segmento di Controllo si compone di Stazioni a terra le quali monitorano continuamente i satelliti e che periodicamente aggiornano le informazione che verranno trasmesse; • Il Segmento Utente è composto da numerosi radio ricevitori che captano e decodificano i segnali inviati dai satelliti;

29. Utente Segmenti GPS Spaziale Colorado Springs Controllo

30. Segmento Spaziale: • Il sottosistema spaziale NAVSTAR si compone di una costellazione di 24 satelliti disposti su 6 orbite circolari, inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale terrestre, il cui raggio è pari a circa 26000Km.

31. Segmento Spaziale: • I satelliti percorrono un’orbita in 11 ore e 58 minuti e ripercorrono o stesso cammino ogni 23 ore e 56 minuti. • Grazie alla notevole altezza delle orbite, pari a circa 20000Km dalla superficie terrestre, almeno 4 satelliti sono visibili da ogni punto della Terra in ogni istante.

32. Segmento spaziale

33. Segmento di Controllo • Il Control Segment si compone di tutte le strutture che controllano i satelliti. Si compone di una stazione principale e di 5 stazioni a terra equispaziatelungo l’equatore, la cui posizione è nota con grande precisione. In base alle funzioni che svolgono sono classificate in:Monitor Stations(MSS), Master Control Station (MCS) e GroundControl Stations (GCS).

34. Segmento di Controllo • La MCS si trova a Colorado Springs(Colorado, ed è la “Falcon Air Force Base” gestita da “U.S. Air Force’s 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS). Le stazioni di monitoraggio sono situate presso la Falcon AFB, Hawaii, Kwajailein, Diego Garcia, Ascensio, e servono per ricevere informazioni dai satelliti.

35. Segmento di Controllo • Nella MCS confluiscono in tempo reale e vengono processati i dati registrati dalle MSs, ricavandone le correzioni per le orbite e per gli orologi dei satelliti.Tali dati vengono inviati ai satelliti una o due volte al giorno tramite collegamento radio. Le comunicazioni fra le varie stazioni base avvengono tramite il sistema di comunicazione satellitare della difesa degli USA (DSCS).

36. Segmento di controllo

37. Segmento Utente • E’ costituito da tutti gli utenti civili e militari dotati di almeno una antenna e di un ricevitore, capaci di acquisire i segnali emessi dai satelliti e di fornire il posizionamento tridimensionale in tempo reale.

38. Segmento utente • Forze armate • Navi mercantili • Applicazioni scientifiche • Applicazioni topografiche

39. Il satellite e il ricevitore a terra generano uno stesso codice nello stesso momento e a questo punto si può misurare il ritardo tra codice generato internamente nel ricevitore e quello ricevuto dal satellite. Questo ritardo è il tempo di propagazione del segnale, che ci permette di calcolare la distanza di un ricevitore da un satellite.

40. Confronto fra codici

41. Segnali trasmessi • Ogni satellite NAVSTAR trasmette grazie a 4 oscillatori ad alta precisione un segnale elettromagnetico continuo con frequenza fondamentale f=10,23MHZ a partire dalla quale si ottengono le 2 onde portanti che compongono il segnale:

42. Segnali trasmessi • L1 a 1575,42 MHZ: trasporta il segnale per la localizzazione grossolana e il tempo; • L2 a 1227,60 MHZ: trasporta il segnale per la localizzazione di precisione;La scelta di usare due frequenze è dovuta al fatto che le perturbazioni causate dalla ionosfera variano in funzione della frequenza e usandone due se ne possono valutare gli effetti.

43. Segnali trasmessi • Le due portanti sono modulate in fase con dei codici: C/A code, che modula L1 P code, che modula L1 ed L2 D code, che trasmette il messaggio di navigazione.

44. Segnale G.P.S.

45. Operazioni del ricevitore • Un ricevitore GPS per determinare con esattezza posizione velocità e tempo deve effettuare diverse operazioni: Ricercare tutti i satelliti visibili e scegliere quelli in posizione migliore

46. GDOP “Geometric-Dilution Of Position”:rappresenta la geometria del sistema, in merito alla distribuzione dei satelliti

47. Possibili configurazioni • Good GDOP bad GDOP

49. Precisione • IL GPS fornisce due tipi di servizio di posizione: • PPS : più preciso, per uso militare, è disponibile solo a persone autorizzate. Il segnale che porta tali informazioni è il P-code trasmesso sia su L1 che L2.

50. Precisione • SPS : è un servizio accessibile a tutti gli utenti GPS, quindi meno accurato di quello militare. E’ trasmesso dal C/a code solo su L1.