RICHIAMI DI RADIONAVIGAZIONE

SISTEMI DI RADIONAVIGAZIONE

LORAN C GPS GLONASS CARTOGRAFIA ELETTRONICA

LORAN C

LONG RANGE NAVIGATION

il LORAN-C. Si basa su un certo numero di stazioni radio, sparse in tutto il mondo e raggruppate in "catene", ciascuna delle quali si compone di una stazione "master" e di stazioni "slave", in numero variabile da due a cinque e sincronizzate, mediante un orologio atomico, con la stazione master.

LORAN C

LONG RANGE NAVIGATION

La posizione di tutte queste stazioni, nonchè le frequenze di trasmissione e tutti i particolari tecnici necessari sono ovviamente noti ai naviganti. Periodicamente la stazione master invia un segnale a cui fanno seguito i segnali delle stazioni slave. L'apparato ricevente, a bordo di una nave, è dotato di un orologio sincronizzato con quello delle stazioni emittenti ed è quindi in grado di calcolare la differenza dei tempi di emissione e di arrivo per ogni stazione.

LORAN C

LONG RANGE NAVIGATION

Nota la velocità di trasmissione delle onde radio, pari a quella della luce, 300.000 Km./sec, si può infine calcolare la distanza di ogni stazione. Esistono infiniti punti sulla Terra che, in un determinato istante, misurano una certa distanza da una stazione. Essi si trovano tutti lungo una circonferenza che ha, al centro, la stazione emittente. Si determinano così tanti cerchi di posizione quante sono le stazioni considerate e, soprattutto, ricevute. La nave si trova all'intersezione di questi cerchi.

LORAN C

Il sistema si caratterizza per la semplicità e per il basso costo di impianto e di esercizio, se lo si confronta con i costi e le difficotà tecniche dei sistemi satellitari, ma non permette una copertura gobale del pianeta (ogni stazione ha una portata di circa 1000 miglia nautiche) ed ha una precisione inferiore, dell'ordine del centinaio di metri, nelle migliori condizioni di esercizio.

LORAN C

LE STAZIONI DEL MEDITERRANEO SONO Sellia Marina (I) MASTER Lampedusa (I) Slave X Karga Burun (Tur) Slave Y Estartit (SP) Slave Z

GPS GLOBAL POSITION SYSTEM

è un sistema di individuazione della posizione che utilizza 24 satelliti artificiali, divisi in gruppi di quattro (6

x

4 = 24) che ruotano attorno alla terra alla quota di circa 20.200 Km in orbite distanti fra loro di un angolo di 60° (6

x

60°=360°)

• 4 ottobre 1957 lancio dello Sputnik 1 • 1964 Lo US Navy Astronautics Department iniziò il lancio di satelliti dedicati al posizionamento. Il primo sistema operativo prese il nome di NAVSAT (Navy NAVigation SATellite).

• 1967 I’ impiego del Navsat viene esteso anche al mondo civile.

• Fine anni 70 viene sviluppato il NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging) • 1982-1993 Lancio di satelliti russi GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikova Sistema )

Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di radioposizionamento spaziale, gestito dal U.S. Department of Defence (DoD). Il GPS è stato progettato come un sistema a doppio uso, l’uso primario è quello militare, il secondario quello civile.

GPS

Di questi satelliti, 21 sono attivi, mentre tre sono di scorta, cioè sono in attesa di entrare in funzione quando qualcuno dei 21 cesserà di essere attivo E’ previsto anche un piano di manutenzione che ha portato alla sostituzione di diversi satelliti nel 2002 e prevede il lancio di altri satelliti nel 2010, per sostituire quelli che man mano esauriranno le loro capacità

I satelliti G.P.S. generano due diversi segnali di tipo numerico, che vengono chiamati L1 ed L2, alle frequenze rispettivamente di 1,5 e 1,2 GHz circa, dei quali il primo serve per la localizzazione grossolana, quella di tipo civile, e l’altro per la localizzazione più precisa, di tipo militare.

Il primo segnale consente la determinazione della

propria posizione con la precisione di circa 100 metri, il secondo invece, con la precisione del metro.

GPS

I satelliti, dotati di orologi atomici al cesio di grandissima precisione, che vengono sincronizzati dalla stazione americana di Colorado Spring ogni qual volta vi passano sopra, trasmettono in continuazione dati numerici che comprendono le proprie coordinate X, Y, Z, e l’istante esatto T di trasmissione.

Questi dati vengono elaborati dal ricevitore il quale, confrontandoli con il proprio tempo locale (essendo dotato di orologio al quarzo di precisione funzione del costo dell’apparato) e conoscendo la velocità delle onde elettromagnetiche, deduce a che distanza si trova da ognuno dei satelliti di cui sta ricevendo il segnale.

GPS

Infatti, noto l’istante T1 trasmesso dal satellite in cui è partito il segnale, e l’istante T2, indicato dall’orologio locale, in cui il segnale è stato ricevuto a terra, si conosce il tempo impiegato a percorrere la distanza dal satellite al ricevitore, ed essendo la velocità della luce c, nota, la distanza D del satellite dal ricevitore risulta: D = c (T1 – T2) La conoscenza della distanza da un solo satellite è un dato del tutto insufficiente per determinare la propria posizione, in quanto non è nota la posizione azimutale né quella zenitale dello stesso, analogamente non è sufficiente conoscere la distanza da due satelliti; infatti, l’intersezione di due sfere di raggio noto, cioè le distanze calcolate, dà luogo ad un cerchio e non ad un punto.

GPS

L’intersezione di tre sfere di raggio noto, invece, determina due punti, dei quali, ovviamente, uno è di norma inaccettabile in quanto si trova ad altissima quota e risulta anche muoversi ad altissima velocità.

Soltanto l’intersezione di quattro sfere di raggio noto, invece, consente con certezza, di determinare una posizione univoca nello spazio, il che spiega perché è necessario aspettare del tempo, anche se si tratta di minuti, per elaborare i dati, in quanto bisogna aspettare il passaggio di almeno quattro satelliti ed avere anche il tempo di effettuare numerosi calcoli ed approssimazioni successive (circa 30 min.).

I dati del quarto satellite, infatti, oltre a rendere univoca la soluzione al sistema di quattro equazioni in quattro incognite, consentono di correggere il valore del tempo proprio del ricevitore per mezzo dei tempi dei quattro satelliti.

Le quattro incognite da determinare sono X, Y, Z, T, cioè le tre coordinate indicanti la posizione geografica dell’utente fornito di ricevitore, più il tempo proprio che è indispensabile per determinare con grande precisione le distanze dei satelliti, distanze che costituiscono i dati di partenza.

La X rappresenta la longitudine, la Y rappresenta la latitudine, la Z, la quota sul livello del mare, e T il tempo proprio, corretto dagli orologi ad altissima precisione che orbitano sui satelliti.

Errori

• • •

Errori dovuti al rumore Errori dovuti al bias Errori dovuti a sbagli

Errori dovuti al rumore

• •

Rumore legato al segnale trasmesso dal satellite (1metro) Rumore interno al ricevitore (1 metro)

Errori dovuti al bias

• • Errore dovuto alla Selective Availability (SA). E’ un errore introdotto dalla DoD per degradare l’accuratezza del servizio SPS da 30 metri a 100 metri. Viene prodotto alterando la percisione del segnale di tempo. La SA è differente da satellite a satellite pertanto il suo valore è funzione dei satelliti impiegati.

Errori di tempo (1 metro)

Errori dovuti al bias

• • • • Errori nelle effemeridi (1 metro) Errore dovuto alla troposfera (1 metro). Dovuto alla differente temperatura pressione e umidità della troposfera in funzione del cambiamento del tempo.

Errore dovuto alla ionosfera (10 metri) Multipath (0,5 metri). Il multipath è provocato dalla riflessione dei segnali GPS contro le superfici vicine al ricevitore.

Errori dovuti alla ionosfera e alla atmosfera

La correzione dovuta alla troposfera può essere valutata matematicamente. L’errore residuo è di circa 10 metri

A causa della variabilità delle condizioni della ionosfera, non è possibile l’impiego di un modello matematico. L’errore è di circa 1 metro

Errori dovuti a sbagli

• • • Errori legati al segmento di controllo dovuti a computer o fattori umani (da 1 a centinaia di chilometri) Uso non corretto del sistema per esempio datum errato (da 1 metro a centinaia di metri) Errori dovuti a malfunzionamento del ricevitore.

satelliti.

carta.

Problema Geodetico

navigazione è stata incrementata dall’uso dei L’aumento della accuratezza rende non più irrilevante il problema geodetico ovvero la differenza che si ha tra il dato di posizione letto sul ricevitore e il dato di posizione della Il problema nasce dal fatto che spesso la carta e il ricevitore non utilizzano lo stesso datum.

Problema Geodetico

A seconda del datum utilizzato uno stesso punto sulla superficie terrestre ha differenti coordinate.

Come esempio si riportano le coordinate del faro di South Foreland inghilterra.

51° 08’.39 N – 001° 22’.37E OSGB 36 51° 08’.47 N – 001° 22’.35E ED50 51° 08’.42 N – 001° 22’.26E WGS 72 51° 08’.42 N – 001° 22’.27E WGS 84

Problema Geodetico

ED 50 133 metri WGS 84 161 metri WGS 72 11 metri 136 metri OSGB 36

errore:

Problema Geodetico

Esistono solo due metodi per eliminare questo – Ricostruire le carte con rilievi effettuati con il GPS – Ricalcolare le carte attraverso algoritmi di conversione tra un datum e l’altro. Questa seconda via teoricamente più semplice, talvolta è impossibile per la mancanza di un algoritmo.

Problema Geodetico

E’ quindi necessario effettuare delle campagne intese a misurare e confrontare i diversi datum. Rimangono molte aree del mondo dove queste misure non sono state effettuate e pertanto nulla si sa della differenza tra il datum usato nella carta e il WGS 84.

Problema Geodetico

Ove è stato possibile sono state effettuate misure e le correzioni relative per passare dalle coordinate della carta a quelle WGS 84 sono riportate nel titolo della carta stessa.

Si tratta di valori medi validi per tutta la carta. L’errore che si commette è generalmente inferiore ai 10 metri.

Nel pacifico sono stati apportati shift di 7 miglia.

GLO.NA.S.S.

GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM

• è un sistema satellitare di individuazione della posizione prodotto dalla Ex. U.R.S.S. circa nello stesso periodo del G.P.S. americano e che ha caratteristiche molto simili, non è criptato e ha anche esso copertura mondiale

GLO.NA.S.S.

GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM

• Questo sistema è dotato di 24 satelliti, ma suddivisi in tre orbite distanti 120° fra loro e ad una quota leggermente superiore di quella dei satelliti

G.P.S.

(25.510)inoltre la frequenza di trasmissione è determinata in base ad un fattore variabile ed il tempo non corrisponde a quello di Colorado Spring.

G.P.S. + GLO.NA.S.S.

• Nonostante le considerevoli differenze tecniche fra i due sistemi, esistono già alcuni fra i migliori ricevitori

G.P.S.

che possono ricevere sia l’uno che l’altro sistema ed ottenere una precisione complessiva simile a quella di un sistema militare evoluto, cioè meno di 50 cm., mentre in campo militare si può ottenere una precisione centimetrica in meno di 10 minuti potendo contare su 48 satelliti dei quali 11 satelliti sempre visibili

E.C.D.I.S.

Electronic Chart Display and Information System

La rivoluzione digitale

(Produttore)  Processo elettronico di produzione  Cambiamento radicale delle strumentazioni per posizionamento, scandagliamento e processazione  Cartografia digitale (ENC/S57) che non è più un immagine ma un file strutturato che contiene molte più informazioni di quanto era possibile prima

La rivoluzione digitale

(Utente) Impatto considerevole ENC/S 57 (Electronic Navigational Chart) :

Carta tradizionale Il Il formato è uno standard internazionale dell’IHO. Ogni Istituto Idrografico del mondo produttore e distributore di carte nautiche digitali parlerà nello stesso

    Carte intelligenti (Smart Chart)

legalmente equivalente alle carte di carta Le carte elettroniche (formato vettoriale)

Display personalizzato

differenti oggetti può essere modificato in base alle esigenze del navigante ed alle situazioni A prescindere da quale ECDIS sceglie esso l’ENC/S-57 e la navigazione sarà più facile e sicura l’utente sarà in grado di caricare ENC

ECDIS

(Electronic Chart Display and Information System)

Il sistema informativo standard per la navigazione, internazionalmente riconosciuto, che utilizza l’ENC/S-57.

L’ECDIS non consiste solamente di un computer e di un software di visualizzazione per rappresentare la carta nautica, ma coinvolge una serie di ulteriori componenti, quali sistemi di posizionamento, di navigazione, Radar, ecoscandagli, ecc..

VTS

Criteri fondamentali alla base dell’ECDIS

Miglioramento della sicurezza della navigazione

• • • • • Posizionamento in tempo reale Aggiornamento automatico Emissione allarmi ed indicazioni antigrounding + anticollision Voyage data recorder

Componenti ECDIS

DISPLAY ECDIS

Scandaglio AIS Radar/ARPA Computer Periferiche Componenti Hardware Complesso hardware ENC/S 57 DATI Componenti Software Sistema operativo Aggiornamenti ENC/S 57 Girobussola Solcometro Sistema Posizionamento (GPS) Software applicativo

Tipi di Display

Display Base Display Standard All other information Istituto Idrografico della Marina

Visualizzazione di informazioni ARPA

Istituto Idrografico della Marina

Aggiornamenti alle carte Produzione Cartografia Nautica in formato digitale ENC

(Electronic Navigational Chart)

Distribuzione tramite Rete sicura

Aggiornamento

ECDIS Distribuzione tramite CD - ROM

Dati Cartografici

Aggiorna mento

1

Aggiorna mento

2 Dati posizionamento

Sistemi di cartografia elettronica – Stato funzionale

ECDIS di Tipo approvato + = Sistema equivalente Hw + Sw Dati ENC/S57 + PC con software Simil-ECDIS ECDIS di Tipo approvato = Sistema non equivalente Dati non ENC/S57 + Hw + Sw PC con software Simil-ECDIS + = Sistema non equivalente = Sistema non equivalente

RICHIAMI DI RADIONAVIGAZIONE