Sistemi di posizionamento satellitare

Ultimo aggiornamento: 21/11/2013

I sistemi di posizionamento satellitari hanno lo scopo di effettuare dei posizionamenti (determinazioni di coordinate o differenze di coordinate, in un datum assegnato) di punti ed oggetti situati sulla superficie terrestre o in prossimità di essa, con accuratezze che vanno da alcuni metri a un centimetro circa.

 

I sistemi GNSS
I sistemi che interessano l'area europea sono tre: GPS (Stati Uniti), GLONASS (Federazione Russa) e GALILEO (Comunità Europea, in corso di realizzazione), raggruppabili sotto l'unica sigla GNSS (Global Navigation Satellite Systems). 
Essi sono basati su tre componenti o segmenti:

- segmento spaziale (costellazione di satelliti);

- segmento di controllo (centri di controllo delle costellazioni satellitari e delle reti GNSS a terra);

- segmento dell'utenza (ricevitori e software a disposizione degli utenti).

La posizione tridimensionale dei satelliti è nota in funzione del tempo mediante le effemeridi orbitali, calcolate in vari modi dal segmento di controllo del sistema.

Per poter effettuare un posizionamento GNSS, dal sito di misura deve essere visibile senza ostacoli una adeguata porzione del cielo, al di sopra dei 10° - 15° di altezza rispetto all'orizzonte. Non è invece richiesta la intervisibilità tra i diversi punti di misura.

Molte delle tecniche attuali consentono una interoperabilità tra i diversi sistemi satellitari, che possono essere utilizzati contemporaneamente, con notevoli vantaggi nelle zone in cui la visibilità del cielo è limitata da ostacoli naturali o artificiali.

 

Segnali e osservabili

I segnali trasmessi su varie frequenze radio dai satelliti vengono acquisiti dai ricevitori; il segnale viaggia quindi solo nel senso satellite → ricevitore.

I segnali GNSS sono piuttosto complessi, specie nelle versioni più recenti, ma la loro struttura è sempre costituita da uno o più codici (sequenza di numeri binari) modulati su un'onda portante sinusoidale. Le osservabili GNSS sono quindi riconducibili a due categorie: codice e fase della portante.  Mediante opportune elaborazioni delle osservabili si perviene a una stima delle distanze satellite-ricevitore e delle coordinate del ricevitore.

Le frequenze utilizzate variano per i diversi sistemi GNSS ma restano comprese nel range 1100 - 1600 MHz. Per stimare efficacemente il ritardo subito dal segnale nella ionosfera è necessario disporre di almeno due frequenze. Le versioni più recenti dei satelliti utilizzano tre frequenze, con risultati ancora migliori.

Posizionamento
Si intende per posizionamento la determinazione delle coordinate di un punto della superficie terrestre o situato in prossimità di essa. Più in dettaglio, i posizionamenti effettuabili con i sistemi satellitari GNSS vengono distinti in posizionamento assolutorelativo e differenziale. per saperne di più ) 
Va osservato che con alcune tecniche non si ottengono coordinate assolute ma differenze di coordinate rispetto ad altri punti (baselines); in tal caso la rete di baselines va collegata ad almeno un punto di coordinate note.

 

Coordinate 

E' possibile definire una posizione mediante diversi tipi di coordinate
Quelle più utilizzate nella geodesia moderna sono le seguenti:

  • Coordinate cartesiane geocentriche, riferite a una terna d'assi solidale alla terra e con origine in un centro convenzionalmente definito;
  • Coordinate geografiche ellissoidiche: latitudine, longitudine e altezza ellissoidica riferite a un ellissoide terrestre opportunamente dimensionato e orientato;
  • Coordinate piane cartografiche, definite sul piano di una rappresentazione cartografica associata a un datum.

Sistemi di Riferimento ( datum geodetici ) 

Le coordinate possono essere espresse in diversi sistemi di riferimento o datum geodetici, tra cui i principali, con riferimento alla situazione italiana, sono i seguenti:

  • ITRS: Sistema definito internazionalmente dallo IERS (International Earth Rotation Service) unitamente allo IGS (International GNSS Service). 
    Si tratta di un datum globale, unico per tutta la Terra, con realizzazioni successive (soluzioni di coordinate e velocità) denominate ITRFyy (dove le lettere yy indicano l'anno a cui si riferisce la realizzazione) che rispecchiano le deformazioni nel tempo della crosta terrestre. Sino a qualche anno fa questo sistema era destinato esclusivamente ad applicazioni scientifiche; oggi, la disponibilità di reti operanti in continuo e di procedure di trasformazione ben definite permettono di lavorare (con un po' di attenzione) in questo sistema anche a scopi tecnici. 

  • ETRS89: Datum europeo nel quale viene considerata la variazione delle coordinate nel tempo in modo analogo ad ITRS, ma vincolando il datum alla piattaforma continentale europea, per cui le variazioni di coordinate nel tempo sono molto più lente che in ITRS, e ai fini pratici le coordinate possono essere considerate costanti per anni. Le realizzazioni più importanti di questo datum sono la ETRF89, che è stata utilizzata per il calcolo della rete geodetica nazionale IGM95 ed è quindi coerente con tale rete ed i suoi raffittimenti (Regioni, Province, Catasto, ...), e la più recente ETRF2000 nella quale è inquadrata la rete dinamica nazionale RDN (sono anche disponibili le coordinate aggiornate per la rete IGM95). 
    Ai fini pratici, le realizzazioni ETRF possono essere considerate coincidenti con il datum WGS84 nel quale opera il sistema GPS. E' il datum più utilizzato nelle applicazioni tecniche e cartografiche, in quanto è coerente con la cartografia numerica, i GIS e i DB topografici di più recente produzione, che utilizzano la proiezione cartografica denominata correntemente UTM-WGS84.

  • ROMA 40: E' il sistema geodetico utilizzato per la cartografia IGM e delle regioni fino a pochi anni fa, con la proiezione cartografica Gauss-Boaga. A differenza dei due datum sopra descritti, le coordinate Roma 40 non possono essere ottenute direttamente da rilievi satellitari ma solo a posteriori mediante procedure di trasformazione, e risultano conseguentemente meno accurate.

L'altimetria
Le tecniche satellitari di posizionamento forniscono le altezze ellissoidiche dei punti rilevati. Mediante la conoscenza di un modello del geoide, queste vengono  trasformate in quote ortometriche o geoidiche (dette comunemente quote sul livello del mare), congruenti con la rete di livellazione nazionale che definisce il Datum altimetrico nazionale. 
Nelle applicazioni ingegneristiche, infrastrutturali e cartografiche si utilizzano le quote ortometriche (che hanno un significato fisico legato al campo gravitazionale terrestre), mentre le altezze ellissoidiche hanno solo un contenuto geometrico e vengono impiegate solo in casi particolari.