Osservabili GPS > Modello a Thin layer e Mapping Function [Capitolo 3.3]

La situazione più comune che si riscontra nell’uso dei sistemi satellitari è quella in cui i satelliti si trovano lungo direzioni diverse da quella dello zenith del ricevitore,

quindi si può valutare il TEC lungo un percorso ricevitore-satellite non verticale ed obliquo (STEC). Tuttavia, per la mappatura di TEC da dati da GPS, il TEC lungo la verticale (VTEC) si presta alla costruzione di mappe bidimensionali per la sua univocità, ovvero si assume l’assenza di gradienti orizzontali [16].

L’approccio più comune alla stima del VTEC consiste nel proiettare il valore dello STEC lungo la verticale. Siccome il sistema GPS fornisce misure di STEC, è necessario usare una funzione di proiezione (mapping function)

Osservabili GPS > Combinazioni lineari [Capitolo 3.2]

La varietà delle applicazioni GPS implica la determinazione di diverse combinazioni delle osservabili. Ogni combinazione permette di eliminare un certo tipo di ritardo o di effetto in modo da ottenere la informazione desiderata. Si illustrano le combinazioni più popolari.

 
GPS differenziale

La mitigazione degli errori di misura nell’ambito del posizionamento può essere semplificata: gli errori associati alle fonti di errori più ragguardevoli (di orologio, di effemeride e propagazione atmosferica) sono simili per ricevitori posti non molto lontani gli uni dagli altri, e cambiano lentamente nel tempo. In altri termini,

gli errori sono correlati sia spazialmente che temporalmente.

Dalle Osservabili GPS al TEC > Equazioni di osservazione fondamentali [Capitolo 3.1]

Il codice C/A, P, o Y trasmesso dal satellite k al tempo  e registrato dal ricevitore i al tempo , è definito come

 (3.1)

dove

         denota il codice di osservazione (pseudorange), espresso in unità di lunghezza,

        è l’istante di arrivo del segnale, misurato all’orologio del ricevitore i

c         è la velocità della luce nel vuoto,

        è l’istante di trasmissione del segnale, misurato nel sistema di riferimento temporale del satellite k, e

        è il tempo di viaggio del segnale a meno di errori di orologio del satellite e del ricevitore.

I Sistemi Satellitari di Navigazione > I sistemi SBAS [Capitolo 2.9]

I sistemi di correzione basati su satellite (Satellite Based Augmentation Systems [ o SBAS]) sono

reti di stazioni di rilevamento al suolo e satelliti geostazionari disegnati per ricevere i segnali dei satelliti dei sistemi di navigazione e trasmettere misure di tempo e pseudoranges corrette che aumentano notevolmente l’accuratezza delle misure di posizione.

Le stazioni di rilevamento ed osservazione sono state situate in posizioni note e fisse sulla superficie terrestre.

Utilizzando i valori noti degli pseudoranges, gli SBAS correggono gli effetti dei ritardi atmosferici sui segnali trasmessi dai satelliti dei sistemi di navigazione, delle configurazioni scorrette dei satelliti (configurazioni prossime all’allineamento che compromettono la tecnica della triangolazione), aumentando notevolmente l’accuratezza del posizionamento in regioni specifiche.

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Errori GPS [Capitolo 2.8]

Le misure di pseudoranges e di fasi delle portanti GPS sono entrambe affette da numerosi tipi di rumore e errori sistematici (biases). Questi errori possono essere classificati come quelli che hanno origine ai satelliti, quelli che hanno origine al ricevitore e quelli che sono dovuti alla propagazione del segnale (rifrazione atmosferica).

Gli errori che hanno origine ai satelliti includono gli errori sulle effemeridi (errori orbitali), gli errori degli orologi dei satelliti e, fino a qualche anno fa, l’effetto della SA (selective availability). Quest’ultimo era stato intenzionalmente implementato dal DoD degli U.S.A. per degradare l’accuratezza autonoma GPS per ragioni di sicurezza. E’ stato comunque terminato alla mezzanotte del 1 maggio 2000.

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Misure di fase [Capitolo 2.7]

Un’altra misura dei ranges tra satellite e ricevitore può essere ottenuta mediante le fasi delle portanti (2.7). A meno di un bias (ambiguity bias),

la misura di fase in cicli del segnale ricevuto è la differenza di fase in cicli tra segnale generato dal ricevitore e segnale ricevuto dal satellite ovvero il rapporto tra range geometrico tra satellite e ricevitore e la lunghezza d’onda della portante.

Di conseguenza, il range tra satellite e ricevitore è un numero incognito di cicli interi più la frazione di ciclo misurata.

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Misure di pseudorange [Capitolo 2.6]

Lo pseudorange è la misura del range, o distanza, tra il ricevitore GPS (più precisamente: la distanza tra il centro di fase dell’antenna del ricevitore GPS e il centro di fase dell’antenna del satellite GPS). Come già accennato, si ha bisogno dei ranges tra ricevitore e satellite per il calcolo della posizione. A tal fine possono essere utilizzati sia il codice P che il codice C/A.

La procedura per la determinazione del range, detta pseudoranging, può essere descritta come segue. Si assuma che entrambi gli orologi del satellite e del ricevitore, i quali controllano la generazione del segnale, siano perfettamente sincronizzati. Quando il codice PRN viene trasmesso dal satellite, il ricevitore genera una replica esatta del codice. Dopo un certo intervallo di tempo, equivalente al tempo di viaggio del segnale nello spazio, il codice trasmesso viene captato dal ricevitore.

Confrontando il codice trasmesso e la sua replica, il ricevitore può calcolare il tempo di viaggio del segnale. Moltiplicando il tempo di viaggio per la velocità della luce (299729458 m/s) si ha il range tra il satellite ed il ricevitore.

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Tipi di ricevitori GPS [Capitolo 2.5]

I ricevitori commerciali GPS (Fig. 2.6) possono essere divisi in gruppi, a seconda delle loro capacità di ricezione. Essi sono: ricevitori di codice a singola frequenza, ricevitori di codice a singola frequenza carrier smoothed, ricevitori di codice a singola frequenza e portante, ricevitori a doppia frequenza. I ricevitori a singola frequenza hanno accesso soltant oalla frequenza L1, mentre i ricevitori a doppia frequenza hanno accesso ad entrambe le frequenze L1 e L2.

I ricevitori GPS possono essere catalogati anche in base al numero di canali traccianti, che varia da 1 a 12. Un buon ricevitore GPS dovrebbe essere multicanale, con ogni canale dedicato al tracking continuo di un particolare satellite. Attualmente, la maggiorparte dei ricevitori GPS hanno da 9 a 12 canali independenti (o paralleli).

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Struttura del Segnale GPS [Capitolo 2.4]

Come già accennato, ogni satellite GPS trasmette un segnale radio UHF composto di due frequenze portanti L1 e L2 (onde sinusoidali) modulate da due codici digitali ed un messaggio di navigazione. Dalla relazione

(2.1)

ove c è la velocità della luce e ν la frequenza dell’onda, si ricava che le lunghezze d’onda delle portanti sono approssimativamente di 19.0 cm e 24.4 cm per L1 e L2 rispettivamente.

La disponibilità delle due frequenze portanti permette di correggere uno dei maggiori errori da GPS, la rifrazione ionosferica. Tutti i satelliti GPS trasmettono le stesse frequenze L1 e L2. D’altra parte la modulazione del codice è diversa per ogni satellite, il che minimizza l’interferenza del segnale.

I due codici GPS vengono chiamati coarse acquisition (o codice C/A) e precision (o codice P). Ogni codice consiste in una successione di cifre binarie (Fig. 2.4), zero e uno, note come bits. I codici sono comunemente noti come PRN (pseudo random noise ossia rumore pseudo casuale) perché assomigliano a segnali random (i.e., hanno l’aspetto di segnali rumore).

I Sistemi Satellitari di Navigazione > Caratteristiche del GPS [Capitolo 2.3]

Il GPS consiste, nominalmente, di una costellazione di 24 satelliti operativi, approvata al DSARC (Defense System Acquisition and Review Council) nel 1973, nell’ambito del progetto concepito dal DoD. In origine si avevano otto satelliti in ognuna delle tre orbite circolari con inclinazione di 63 gradi, orbite equispaziate attorno all’equatore geografico.

Questa configurazione prevedeva da un minimo di sei satelliti in vista ad ogni istante, fino ad un massimo di undici. Come risultato di questa ridondanza, il sistema era robusto nel senso che poteva tollerare asincronie occasionali.

Due modifiche sono state operate fin dalla proposta della costellazione originale, per arrivare alla costellazione odierna. Questa costellazione, conosciuta come la initial constellation capability (IOC), venne completata nel luglio 1993. L’annuncio IOC ufficiale venne dato però l’8 dicembre 1993. Attualmente, per assicurare una continua copertura del globo, i satelliti GPS sono sistemati in modo che quattro satelliti siano piazzati in ognuno dei sei anzichè tre piani orbitali della configurazione originale.