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Sistema di posizionamento Galileo, dal 2020 localizzazione al centimetro

Attualmente, 4 miliardi di strumenti utilizzano le informazioni che provengono da un sistema di navigazione satellitare globale. Nel 2022 saranno 7 miliardi. Questa crescita è dovuta al crescente successo di nuove applicazioni che vanno al di là del semplice posizionamento e della navigazione.

Per aiutare a tracciare queste nuove rotte, l’Unione Europea sta lanciando una nuova generazione della rete di sistemi di navigazione satellitare Galileo. E questo sistema si basa su una tecnica di radiosegnalazione sviluppata dall’ingegnere francese Laurent Lestarquit, dal suo collega spagnolo José Ángel Ávila Rodríguez e da un team della Signal Task Force del progetto Galileo.

Oltre a concepire lo schema di segnalamento alla base dal progetto Galileo, il team ha progettato e brevettato le tecniche di modulazione di tipo spread-spectrum (spettro-espanso) che migliorano ulteriormente l’elevata precisione di Galileo e assicurano l’interoperabilità con altri importanti sistemi di navigazione satellitare.

Per questo risultato Laurent Lestarquit, José Ángel Ávila Rodríguez e la loro squadra sono stati nominati finalisti allo European Inventor Award 2017 nella categoria ‘Ricerca’. I vincitori della 12ª edizione del premio, istituito dallo European Patent Office, saranno annunciati nel corso di una cerimonia che si terrà a Venezia il 15 giugno.

José Ángel Ávila Rodríguez e Laurent Lestarquit con un modello di satellite
José Ángel Ávila Rodríguez e Laurent Lestarquit con un modello di satellite

La tecnica di segnalamento sviluppata da Lestarquit e dai suoi collaboratori è un elemento importante di questo sistema di navigazione satellitare che pone anche nuovi livelli di accuratezza», ha detto il Presidente dello European Patent Office, Benoît Battistelli, annunciando i finalisti dello European Inventor Award 2017. «La rete di satelliti Galileo promette benefici significativi per l’Europa, promuove la crescita economica, e pone le basi per importanti sviluppi tecnologici che potranno migliorare la vita quotidiana di milioni di persone».

Al momento, la rete Galileo ha messo in orbita 18 dei 30 satelliti previsti, ma presto affiancherà le altre due reti globali di satelliti: l’americano Global Positioning System (GPS) e il russo GLObal Navigation Satellite System (GLONASS). A differenza dei suoi predecessori, la costellazione Galileo non ha le sue radici nel mondo militare e buona parte dei suoi servizi sono indirizzati a un uso civile. Essendo il sistema di navigazione satellitare più recente e più avanzato, Galileo metterà a disposizione una migliore performance e molte nuove caratteristiche e servizi che i suoi equivalenti non offrono.

Per esempio Galileo offrirà una migliore accuratezza nel definire la posizione anche alle alte latitudini, un problema che limita l’utilizzo del GPS in settori come l’aviazione civile. Offrirà anche una funzione di ‘ricerca e salvataggio’ globale che permetterà al personale medico e di soccorso di localizzare meglio le persone in difficoltà e fornire più tempestivamente la loro assistenza. I satelliti di Galileo possono raccogliere segnali da radiofari di emergenza a bordo di navi e aerei e perfino indossati da persone, localizzandole accuratamente e comunicando le informazioni ai servizi di pronto intervento.

Günter Hein e Lionel Ries
Günter Hein e Lionel Ries

La rete Galileo è stata concepita per supportare sia le applicazioni esistenti sia quelle in sviluppo che vanno da una maggiore efficienza e sicurezza nei sistemi di comunicazione mobili, al traffico navale, aereo e degli automezzi per usi che variano dalla logistica multimodale (e quindi uno spostamento più efficiente delle merci) all’agricoltura e perfino alla gestione degli spazi urbani (smart city) per una pianificazione e un controllo delle città più efficaci.

I recenti progressi nella tecnologie di guida automatica e le tendenze nel mondo delle app che offrono servizi geolocalizzati, indicano le direzioni verso le quali si indirizza la tecnologia della navigazione e del posizionamento satellitare.

Per rispondere a queste crescenti esigenze occorre una maggiore accuratezza nel posizionamento. Questo, a sua volta, implica nuove modalità di trasmissione del segnale radio utilizzato. Nel 2004 l’Unione Europea e gli Stati Uniti hanno firmato un accordo che permette la coesistenza di GPS e di Galileo ma al sistema europeo è stata assegnata una gamma di frequenze piuttosto ristretta ponendo dei limiti che Lestarquit e il suo team hanno affrontato come una vera sfida. «Fin da subito abbiamo puntato a una tecnica di radiosegnalazione con la robustezza necessaria per durare almeno vent’anni», dice Ávila Rodríguez, «la nostra ambizione era sviluppare un sistema di navigazione che potesse essere usato per svariati decenni e fosse pari e persino più efficiente del GPS».

Una delle molte sfide che il Signal team di Galileo doveva affrontare era offrire una precisione molto maggiore mantenendo interoperabilità con i segnali GPS e con la loro prevista evoluzione. «Dovevamo condividere le stesse frequenze del GPS senza causare interferenze», dice Lestarquit, «e garantendo i livelli di performance della rete Galileo». Il compito di trovare una soluzione è stato affidato a un team che comprendeva Lestarquit e Ávila Rodríguez, insieme al docente tedesco Günter Hein, all’ingegnere franco-belga Lionel Ries e a un team della Agenzia Spaziale Francese (CNES) guidato Jean-Luc Issler.

Per assicurare compatibilità e interoperabilità, cioè per fare in modo che i segnali della rete Galileo non interferissero con quelle del GPS o di GLONASS e che i ricevitori potessero ricevere quei segnali insieme a quelli di Galileo, il team ha inventato una nuova forma d’onda chiamata Composite Binary Offset Carrier (CBOC, portante composita a offset binario).

Questo segnale viene generato componendo due sottosegnali, uno a banda stretta, abbastanza facile da implementare sugli attuali sistemi di ricezione, e uno a banda molto più larga, pensata per le prossime generazioni di tecnologia di alta-gamma.

«Questo concetto si presta a una grande flessibilità» osserva Ávila Rodríguez, «i produttori di dispositivi riceventi possono decidere se impiegare solo una parte del segnale, o se sfruttarlo interamente per ottenere una precisione elevatissima nella localizzazione». Il segnale CBOC viene trasmesso sulle stesse frequenze usate da GPS e GLONASS garantendo la massima interoperabilità, ma senza creare alcuna interferenza.

Contemporaneamente Lestarquit si è posto il problema di aumentare la precisione riducendo il consumo di preziosa energia necessaria per trasmettere il segnale dal satellite. Ha quindi messo a punto una tecnica di modulazione nota come Alternative Binary Offset Carrier (Alt-BOC), che incorpora quattro tipi di segnali in un segnale più complesso. Due di questi segnali supportano i servizi aperti (OS) di Galileo, il canale ad accesso gratuito delle applicazioni rivolte ai consumatori, gli altri due supportano i servizi salvavita (‘Safety of life’), quelli in cui la vita delle persone – come avviene ad esempio nel trasporto aereo – può dipendere dall’integrità del segnale satellitare.

«Alt-BOC è il segnale geodetico con banda più ampia al mondo: due volte più larga rispetto a quelli trasmessi da GPS o da GLONASS», sottolinea Jean-Luc Issler. Questa larghezza di banda si traduce in un posizionamento molto preciso: i ricevitori più moderni possono sfruttare la capacità a duplice-flusso per canale di Alt-BOC per ottenere una accuratezza misurabile in pochi centimetri. E i ricevitori meno recenti possono usare uno dei segnali per localizzare un punto con una precisione comunque inferiore al metro.
Alt-BOC, che è interoperabile con il canale SOL previsto dalla costellazione GPS, permette ai satelliti di Galileo di sfruttare al meglio la limitata energia disponibile perché i quattro segnali possono essere trasmessi usando un solo amplificatore.

La rete di satelliti di posizionamento Galileo è proprietà dell’Unione Europea che l’ha finanziata ed è sviluppata dalla European Space Agency (ESA). Galileo è nata per offrire agli europei un sistema di navigazione satellitare indipendente e non controllata dai militari e per assicurare all’Europa quote crescenti del mercato dei sistemi di posizionamento satellitare che è attualmente stimato in 175 miliardi di euro annui.

Le funzionalità di Galileo stanno già portando fatturato ad aziende che vanno dai grandi produttori si smartphone a piccole società specializzate. Nel 2016 almeno 17 produttori di microprocessori, pari al 95% dell’offerta globale, hanno inserito ricevitori per i segnali Galileo nei loro chip. Nella sola Baviera 119 start up legate ai servizi di Galileo realizzano insieme un fatturato stimato in 130 milioni di euro. A partire dal 2020 una volta raggiunta la piena operatività, Galileo dovrebbe avere un impatto economico di 90 miliardi in 20 anni.

Lionel Ries, Günter Hein e Jean-Luc Issler
Lionel Ries, Günter Hein e Jean-Luc Issler

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