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Il sistema di navigazione satellitare europeo Galileo
Un ponte tra tecnologia e mercato

Una finestra sugli scenari tecnologici dei prossimi anni, con un messaggio positivo sul futuro economico dell’Italia e dell’Europa. È questa la sintesi della lezione tenuta nell’Aula Magna Nuova della Sapienza da Giorgio Zappa che, come direttore generale di Finmeccanica e presidente di Alenia Aeronautica, sta realizzando il progetto del Sistema di navigazione satellitare europeo Galileo. A Giorgio Zappa l’Università di Pisa ha conferito, sabato 4 febbraio 2006, la laurea specialistica honoris causa in Ingegneria aerospaziale. Su Athenet pubblichiamo la Lectio Doctoralis letta da Zappa.

I sistemi di navigazione satellitare

antenne satellitari

Antenne satellitari

Da sempre l’uomo si è servito del cielo per orientarsi. I fenici individuarono la stella polare come indicatore del nord valido in tutto il mondo allora conosciuto. Poi per il calcolo della posizione sulla superficie terrestre si usò il sole, ma per lungo tempo la misura della sua altezza sull’orizzonte consentì la determinazione solo della latitudine. La possibilità di calcolare anche la longitudine rimaneva subordinata alla disponibilità di orologi che consentissero di coniugare l’altezza del sole con una determinazione sufficientemente precisa del tempo. Il primo ad occuparsene fu Galileo che nei suoi ultimi anni di vita si dedicò all’utilizzazione dell’orologio a pendolo per la soluzione del problema, ma senza pervenire a qualche risultato di applicazione pratica. Solo poco più di due secoli fa si arrivò a disporre di orologi a molla, dunque trasportabili, che consentissero la precisione necessaria per un calcolo della longitudine con una accettabile approssimazione (ancora all’inizio del ‘700 - pensate - il Parlamento inglese istituì un premio, pari a ben dieci milioni dei nostri euro, per chi avesse scoperto un metodo semplice ed efficace per stabilire la longitudine di una nave nell’oceano!). Ma nei tempi più recenti il progresso è stato tale da rendere insufficienti le possibilità offerte dagli astri, ancorché osservati con gli strumenti più sofisticati. L’uomo ha dovuto integrarli con astri artificiali che il suo ingegno è stato capace di concepire e realizzare: i satelliti artificiali specificamente dedicati alle esigenze di calcolo del posizionamento e, dunque, alle esigenze della navigazione.
Oggi la navigazione satellitare continua questa tradizione offrendo, grazie ad una tecnologia d’avanguardia, una precisione senza confronto rispetto a quella che si ricava dall’osservazione del sole e delle stelle.
Per navigazione si intende il processo attuato autonomamente da un mezzo mobile allo scopo di governare il proprio trasferimento da un luogo di origine ad un altro di destinazione.
In particolare, i sistemi di navigazione spaziale permettono il posizionamento tridimensionale e globale di un terminale fisso o mobile, sia esso ubicato in prossimità della superficie terrestre, sia in volo aereo o nello spazio.
Tali sistemi basano il loro funzionamento sulla misurazione delle distanze da almeno quattro punti noti. Anziché misurare angoli, com’è avvenuto sino alla metà del secolo scorso, determinano la posizione misurando distanze. Dal momento che ogni punto nello spazio è caratterizzato da tre riferimenti (X,Y,Z), è necessario misurare la distanza da almeno tre punti noti.
Queste distanze, chiamate pseudorange, si ricavano misurando il tempo che un segnale elettromagnetico emesso da punti dei quali è nota la localizzazione impiega per raggiungere il terminale ricevente. Per questo motivo, i segnali emessi da ciascun satellite includono sempre l’informazione del suo esatto posizionamento nello spazio e dell’istante in cui sono stati emessi.
A questo fine, sui satelliti sono installati orologi atomici di altissima precisione e accuratezza, tutti sincronizzati verso un riferimento unico e comune. A sua volta, il terminale utente è anch’esso dotato di un orologio, seppure di minor precisione e accuratezza, che misura la differenza di tempo intercorsa fra la trasmissione del segnale e la sua ricezione.
Per ottenere la risoluzione delle tre incognite spaziali e di quella temporale (errore di sincronizzazione fra orologi atomici presenti sui satelliti e l’orologio del terminale utente) occorrono misure contemporanee di distanza da almeno quattro satelliti diversi: tre per la misura delle distanze e uno per il controllo del tempo.
Al fine di assicurare in ogni momento ed in qualsivoglia punto del globo la ricezione contemporanea da almeno quattro satelliti, i sistemi devono prevedere una costellazione di satelliti opportunamente distribuiti.

I sistemi di posizionamento satellitare attualmente in uso

Le costellazioni di satelliti attualmente in orbita fanno parte della prima generazione dei sistemi di navigazione (GNSS-1, Global Navigation Satellite Systems).
Lo sviluppo di queste tecnologie fu avviato negli anni Sessanta per finalità militari nell’ambito della guerra fredda tra Stati Uniti e Unione Sovietica.
In quegli anni ciascuna delle due superpotenze militari studiò sistemi concettualmente molto simili denominati rispettivamente GPS (Global Positioning System) e GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema).

I primi satelliti sperimentali furono lanciati negli anni Settanta, ma i governi americano e russo dichiararono operativi i loro sistemi (Initial Operational Capability), a pochi mesi uno dall’altro, non prima della fine del 1993.

Il sistema GLONASS non arrivò mai al completo e operativo spiegamento della costellazione prevista dal progetto iniziale, e tuttora sono attivi meno di dieci satelliti.
I sistemi sono sotto il controllo delle istituzioni militari: il Department of Defence negli Stati Uniti ed il Russian Federation Ministry of Defence in Russia.
L’utilizzo civile di questi sistemi, specialmente in settori non strategici, è aumentato gradualmente negli anni, anche se per il sistema GLONASS è rimasto sempre piuttosto limitato a motivo della scarsa disponibilità di terminali utente e delle modeste prestazioni consentite dai pochi satelliti in orbita.
Il sistema GPS ingloba nel segnale di navigazione due codici, di cui uno criptato e utilizzato esclusivamente per scopi militari, l’altro non criptato e dunque disponibile per scopi civili.
Per molti anni l’accuratezza ottenibile dai terminali civili fu limitata per ragioni politiche e militari a circa 100 metri, degradando intenzionalmente il segnale di navigazione (Selective Availability).
Dalla mezzanotte del 1° maggio 2000, per decisione dell’allora presidente degli Stati Uniti d’America, Bill Clinton, la Selective Availability fu rimossa dal segnale di navigazione e l’accuratezza oggi ottenibile dai terminali civili e militari è di circa 20 metri. Le tecnologie militari disponibili permettono di bloccare la ricezione dei segnali di navigazione in aree ristrette del globo, impedendo così l’uso del GPS ad eventuali nemici.
In caso di crisi internazionali, le autorità militari che controllano i sistemi di navigazione spaziale non garantiscono la piena operatività dei sistemi stessi. Poiché né il GPS né il GLONASS inglobano un sistema di monitoraggio autonomo delle prestazioni (segnale d’integrità) necessario nelle applicazioni di carattere strategico, quali ad esempio quelle inerenti i trasporti aeronautici o ferroviari, le prestazioni degli attuali sistemi di posizionamento spaziale non soddisfano gli attuali standard di sicurezza richiesti in termini di disponibilità, accuratezza, continuità ed integrità del servizio. Di conseguenza, le applicazioni commerciali di servizi legati alla navigazione possono avvalersi del sistema di posizionamento satellitare, ma, richiedendo un canale di comunicazione verso l’utente non integrato nei sistemi citati, postulano anche una rete di telecomunicazioni terrestre.
Per tutte queste ragioni, gli investimenti per lo sviluppo di infrastrutture e tecnologie per un consistente impiego civile di questi sistemi finora sono rimasti limitati.

Il sistema Galileo

Il sistema Galileo è un’iniziativa dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e dell’Unione Europea nell’ambito di una strategia maturata alla fine degli anni Novanta. Lo scopo è di affrancare l’Europa dal monopolio americano in un settore strategico come quello spaziale, ed in particolare in quello della navigazione.
Negli ultimi dieci anni l’industria aerospaziale europea si è sviluppata sotto ogni aspetto: manifatture, lanciatori, gestione e controllo, indotto relativo ai servizi, etc. In alcuni settori applicativi l’Europa ha conquistato posizioni di avanguardia tecnologica.
Ora un ulteriore e decisivo passo è costituito dallo sviluppo del sistema Galileo, vale a dire un sistema civile sotto il controllo internazionale europeo. In particolare, è considerato dalle istituzioni comunitarie una infrastruttura di trasporto, e come tale è posta sotto il controllo del Direttorato generale per l’energia e i trasporti. La componente spaziale del Sistema Galileo è composta da trenta satelliti posti ad un’altezza di 27.000 chilometri che orbitano a gruppi di sei su diversi piani orbitali in modo da coprire costantemente il globo terrestre.
La progettazione di un sistema così affascinante e complesso richiede un’integrazione sinergica di molte discipline e competenze e tecnologie, alcune delle quali non affini, almeno finora, al settore aerospaziale.
Dal punto di vista tecnologico, quindi, Galileo costituisce una sfida importante e renderà l’industria europea competitiva in tutti i segmenti della catena del valore. Gli studi già effettuati hanno dimostrato che l’indotto potrà generare nuovi posti di lavoro in una misura stimabile, per l’intera Europa, oltre le centomila unità, con evidenti benefici anche dal punto di vista sociale. Si ipotizza che, così come oggi nessuno può fare a meno di conoscere “che ora è”, nessuno potrà fare a meno di conoscere, in un prossimo futuro, la propria esatta posizione.
Il settore dei trasporti, in particolar modo, potrà incrementare la propria efficienza e sicurezza. I cittadini potranno avvalersi di questa tecnologia attraverso i nuovi e migliori servizi che sarà possibile rendere disponibili. A solo titolo esemplificativo, i sussidi alla navigazione e le informazioni aggiornate sui percorsi ottimali saranno disponibili come infrastruttura di trasporto, con prevedibili e positivi impatti sulla diminuzione del traffico stradale e quindi sull’ambiente. Tornando alla definizione generale del sistema di navigazione satellitare, è opportuno accennare ad alcuni tra i principali problemi tecnologici che pone la sua realizzazione:

Per controllare costantemente la costellazione di satelliti in orbita è necessario un Centro di Controllo dedicato, e per il progetto Galileo si è pensato di realizzarne due, entrambi in territorio europeo: un Centro di Controllo primario, ed uno di back-up per sicurezza e ridondanza. Questi centri avranno anche altri compiti tra i quali la sincronizzazione degli orologi atomici imbarcati, l’elaborazione del segnale di integrità e il trattamento dei dati trasmessi.
Questi Centri, denominati GCC (Galileo Control Centers) provvederanno al controllo centralizzato della componente spaziale e di quella terrestre, costituendo così il cuore nevralgico dell’intero sistema. Nei GCC si effettueranno quindi le operazioni di routine per il controllo orbitale dei satelliti, ma anche le diverse e delicate operazioni di gestione e verifica del segnale elettromagnetico emesso dai satelliti.

Necessità dell’utente e definizione dei servizi

Per parecchi anni è stato condotto uno studio sulla definizione dei servizi che può essere possibile fornire in funzione delle frequenze disponibili e di quelle che, su richiesta, la WARC (World Administrative Radio Conference) potrebbe assegnare sul programma di frequenza in linea con i programmi esistenti e con l’allocazione delle frequenze che venivano richieste. La possibilità di fornire servizi nella quantità e della qualità richiesta, infatti, è univocamente legata alla banda di frequenza che poteva essere assegnata al programma europeo, a scapito ovviamente delle frequenze già assegnate a GPS e GLONAS, che però allo stadio attuale non occupano tutto lo spettro loro assegnato.

La conseguente negoziazione ha assunto ovviamente aspetti di grande rilevanza strategica dato che le limitazioni della banda possono sensibilmente alterare la tipologia dei servizi che si possono effettuare. Il sistema sarà in grado di offrire così servizi di vario tipo e di differente intensità sociale tra cui:

Questo servizio potrebbe essere utile fra l’altro per migliorare gli strumenti e i mezzi utilizzati dall’Unione Europea nella lotta contro le esportazioni illegali e l’immigrazione clandestina.
È comunque necessario accertare le reali necessità dei futuri fruitori di Galileo prima che le caratteristiche del pacchetto dei servizi possano essere definite. In ogni caso, alcuni studi di standardizzazione sono già stati effettuati presso vari istituti ed organismi internazionali, come l’Organizzazione Internazionale di Aeronautica Civile e l’Organizzazione Marittima Internazionale, ecc.
La gamma dei servizi di Galileo è destinata comunque a soddisfare obiettivi e aspettative pratiche poiché:

La precisione e la disponibilità del segnale saranno di aiuto al settore delle assicurazioni per rintracciare i veicoli rubati, registrare la percorrenza dei veicoli nel caso questa determini particolarità tariffarie, seguire i movimenti di merci pericolose, ecc., e saranno di ausilio anche in settori high-tech come la ricerca di petrolio, la gestione dei raccolti agricoli, la programmazione dei trasporti, ecc. La fornitura di un messaggio di integrità, oltre che fondamentale per determinare l’affidabilità del segnale del satellite, sarà essenziale anche in molti settori nei quali è richiesta una certificazione legale, o nei quali sono in gioco vite umane. In determinate fasi di volo, per esempio, l’aviazione civile richiede che il ritardo fra l’accertamento di un malfunzionamento e la segnalazione di allarme non superi i sei secondi.
Galileo può anche essere usato per trasmettere informazioni commerciali dai centri di servizio agli utenti. Il contenuto dettagliato di tali informazioni (come la distribuzione delle chiavi di decodificazione della crittografia, le informazioni sul traffico, l’indicazione sulla strada meno trafficata ecc.) potrà essere determinato dal fornitore del servizio in funzione del business plan che avrà scelto. I servizi offerti da Galileo saranno accessibili da tutto il mondo e saranno quindi di particolare utilità per le zone svantaggiate geograficamente e per quelle meno dotate di infrastrutture di comunicazione.
Quattro servizi di navigazione ed un servizio di supporto alle operazioni di ricerca e salvataggio sono stati identificati per risolvere i vari tipi di necessità degli utenti, compresi gli utenti professionali, gli scienziati, gli utenti del mercato di massa, e per garantire la sicurezza della vita. I servizi del sistema Galileo sono suddivisi nelle seguenti macroaree, in funzione dei requisiti degli utenti e delle diverse prestazioni richieste dalle applicazioni.

  1. Open service
    Il servizio gratuito di Galileo è destinato al mercato di massa e metterà in grado qualsiasi utente provvisto del terminale Galileo di calcolare la propria posizione. L’accuratezza del calcolo della posizione sarà migliore rispetto al GPS attuale. Il servizio di localizzazione ed il broadcast del segnale orario sarà gratuito ed il segnale non sarà criptato. L’Open Service non prevede la garanzia del servizio e neppure l’informazione di integrità.
  2. Safety-of-life service
    Il servizio garantito di Galileo è destinato ai casi in cui alle prestazioni del sistema è legata in qualche modo la sicurezza delle persone. Il servizio Safety Life, oltre alle prestazioni dell’Open Service, garantirà un segnale di integrità che avviserà tempestivamente l’utente nel caso in cui le prestazioni del sistema siano degradate. I servizi Safety Life verranno utilizzati specialmente per aumentare la sicurezza dei trasporti marittimi, aeronautici e ferroviari. La Galileo Operating Company garantirà il servizio, certificherà gli apparati e avrà la responsabilità della funzionalità del sistema.
  3. Public-regulated service
    Il PRS sarà un messaggio di comunicazione criptato, utilizzato essenzialmente da organi di pubblica sicurezza, come ad esempio le forze di polizia, la protezione civile, le forze armate per trasmissioni sicure. I servizi PRS sfrutteranno un canale di comunicazione sotto il controllo dei governi degli stati membri dell’UE.

Applicazioni aeronautiche A questo proposito e proprio con il contributo dell’Università di Pisa è in atto uno studio per verificare la possibilità di istallare a bordo di un UAV (Unmanned Aircraft Vehicle) un sistema di guida basato su Galileo.
Gli UAV potrebbero essere usati in modo estensivo per il controllo del territorio o per il controllo di eventi catastrofici laddove l’intervento dell’uomo può essere pericoloso, come negli incendi, nelle tempeste, o negli uragani.
Sfortunatamente nessun UAV è abilitato al volo sul territorio nazionale, per timore che un’eventuale perdita del segnale di controllo possa causarne la caduta incontrollata.
Un sistema di guida autonomo e autogestito che a questo punto prendesse il controllo dell’aereo potrebbe portarlo, guidato da Galileo, ad atterrare in luoghi predeterminati senza il rischio di impatti catastrofici.
Ho già detto che la realizzazione del sistema Galileo è una sfida ai limiti che la conoscenza ha raggiunto in molteplici discipline. Avviandomi alla conclusione, voglio aggiungere che il fascino dell’avervi partecipato va anche oltre: origina dalla consapevolezza che il sistema, una volta realizzato ed operante, sarà lo strumento sul quale l’inventiva e l’ingegno degli uomini potranno trovare vaste praterie da percorrere. Se i sistemi già disponibili hanno già consentito a chiunque di dotarsi di un terminale in grado di guidarlo a destinazione anche per le strade di una metropoli sconosciuta, o di individuare sempre la rotta di ritorno se la domenica si trova al timone di un motoscafo, o ancora di segnalare l’esatta posizione di un naufrago dotato del trasmettitore di un apposito segnale, è sconfinato il campo delle applicazioni innovative e dei servizi che la precisione, l’affidabilità e la versatilità del sistema Galileo rende potenzialmente possibili. Si apre un mercato del tutto nuovo sul quale l’Europa ha l’opportunità di conquistare un primato verosimilmente destinato a durare almeno qualche decennio. Dico Europa, ma posso dire anche Italia, perché rilevante è stato l’apporto del nostro Paese alla definizione del progetto come rilevante sarà il ruolo nella sua ormai prossima realizzazione e nella gestione che poi dovrà esserne fatta negli anni.
Potrei chiudere questa mia presentazione del Sistema di Navigazione satellitare Europeo Galileo con le parole di una canzone che Auden scrisse, magari travisando un po’ le cose, quando l’epico capitan Cook sperimentò con successo il calcolo della longitudine basato sulla precisione di un cronometro: “Le stelle non servono più, adesso; spegnetele tutte; mettete la luna in una cassa e smantellate il sole”. Non lo farò perché stelle, luna e sole continueranno ad essere parte imprescindibile della vita dell’umanità. Ma per le esigenze del posizionamento e della navigazione davvero se ne potrà fare a meno; gli astri artificiali dell’uomo già sono ed ancor più saranno ben più utili alla bisogna.

Giorgio Zappa
direttore generale di Finmeccanica