Il Global Positioning System (GPS) è diventato un'utilità invisibile che sottopone la vita moderna. Da direzioni di guida a turn-by-turn e l'agricoltura di precisione alla sincronizzazione delle reti finanziarie e del controllo del traffico aereo, i segnali GPS guidano innumerevoli operazioni. Tuttavia, il segnale civile standard, mentre notevolmente utile, non è impeccabile.

Cosa sono i sistemi di ingrandimento basati su satellite?

I sistemi di ingrandimento basati su satelliti sono reti basate su terra e spazio che trasmettono messaggi di correzione differenziali e avvisi di integrità ai ricevitori GPS su un'ampia area geografica. A differenza dei sistemi di ingrandimento local-area che si basano su trasmettitori a breve raggio, SBAS utilizza satelliti geostazionari per coprire interi continenti o regioni. I componenti principali includono una rete di stazioni di riferimento sotto terra con precisione, stazioni di controllo master che calcolano le retti e le stazioni di dati satellitari.

Il concetto nasce dalla necessità di fornire una guida di approccio di precisione per l'aviazione, dove la sicurezza richiede non solo accuratezza ma anche rigida integrità—il sistema deve avvertire l'utente entro pochi secondi se il segnale diventa inaffidabile. Nel tempo, SBAS è stato adottato in agricoltura, indagine sul territorio, navigazione marittima e dispositivi di consumo che richiedono una precisione migliore di 3 metri.

Come SBAS Differisce da altri sistemi di Augmentation

I sistemi di ingrandimento basati sul suolo (GBAS), come quelli utilizzati negli aeroporti, forniscono correzioni localizzate con una precisione molto elevata (sottometro), ma il loro raggio di copertura è limitato a circa 50 chilometri.

Come SBAS migliora l'accuratezza GPS

Per comprendere l'aumento di precisione fornito da SBAS, è necessario esaminare le fonti di errore che degradano il GPS standard. La tipica accuratezza GPS non aumentata è di circa 5 a 10 metri orizzontalmente (95% probabilità). Con le correzioni SBAS, la precisione orizzontale migliora a più di 1,5 metri in molti sistemi, e la precisione verticale diventa sufficiente per gli approcci di strumento in aviazione (a partire da 3-4 metri).

Correzioni atmosferiche

La rete di distribuzione di dati e di controllo di sicurezza, che consente di effettuare un'analisi di dati, è in grado di fornire un'analisi più approfondita delle informazioni e delle informazioni relative alle informazioni e alle informazioni relative alle informazioni relative alle informazioni e alle informazioni relative alle informazioni.

Correzioni di Orbit e Orologio Satellite

I satelliti GPS trasmettono le loro orbite predette (efemeri) e gli offset dell'orologio, ma queste previsioni contengono piccoli errori che si accumulano nel tempo. Le stazioni di controllo principali tracciano continuamente le orbite e gli orologi reali dei satelliti GPS utilizzando la rete di riferimento.

Monitoraggio e avvisi di integrità

Per applicazioni di sicurezza-critiche, l'utente deve sapere se un satellite fornisce dati difettosi. SBAS incorpora una funzione di monitoraggio dell'integrità che controlla la salute di ogni satellite GPS e di qualsiasi satellite SBAS. Se un satellite supera le soglie di errore predefinite, il sistema imposta una bandiera "non usare" nel messaggio di correzione e trasmette un avviso entro secondi (tipicamente 6 secondi per l'aviazione rapida).

Correzione differenziale al ricevitore

Tutte le correzioni calcolate, ionfo, efemeri, orologio, sono imballate in un formato di messaggio definito da ICAO Minimo Standard di Performance Operativa (MOPS). I ricevitori abilitati SBAS decodificano il messaggio, applicano le correzioni alle misurazioni pseudo-linee, e poi calcolano una posizione più accurata.

I principali sistemi SBAS intorno al mondo

Diversi sistemi SBAS regionali sono operativi o in fase di sviluppo, ciascuno che serve la propria area geografica, condividono tutti gli stessi principi fondamentali ma differiscono nell'hardware satellitare, nella densità di rete di terra e nella supervisione normativa.

WAAS (Sistema di aumento delle aree abitative) – Nord America

Operato dalla Federal Aviation Administration (FAA), WAAS è stato il primo SBAS operativo, dichiarato completamente funzionale nel 2003. Utilizza una rete di oltre 38 stazioni di riferimento terrestri negli Stati Uniti, Canada e Messico, oltre a due satelliti geostazionari. WAAS fornisce precisione orizzontale migliore di 1,5 metri e precisione verticale adatta per Localizer Performance con Vertical Guidance (LPV), che portano gli aerei a 200–250 piedi sopra il percorso auto WAS.

EGNOS (Servizio europeo di sovrapposizione della navigazione geostazionario) – Europa

ELTOS, sviluppato congiuntamente dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA), dalla Commissione Europea e da Eurocontrol, copre tutta l'Europa e si estende in alcune parti del Nord Africa e del Medio Oriente. Utilizza quattro satelliti geostazionari e oltre 40 stazioni terrestri. EGNOS supporta gli stessi approcci LPV come WAAS e viene utilizzato in applicazioni che vanno dall'agricoltura di precisione alla navigazione marittima.

MSAS (MTSAT Satellite Augmentation System) – Giappone e Asia-Pacifico

Operato dal Japan Civil Aviation Bureau (JCAB), MSAS utilizza due satelliti geostazionari (MTSAT-1R e MTSAT-2) per coprire il Giappone e estendere la copertura a parti del Sud-Est asiatico e del Pacifico occidentale. MSAS fornisce accuratezza orizzontale di circa 1–2 metri e supporta gli approcci di aviazione.

GAGAN (GPS aiutato GEO navigazione aumentata) – India

GAGAN è l'Indian SBAS, sviluppato dall'Organizzazione per la Ricerca Spaziale Indiana (ISRO) e dall'Autorità Aeroporti dell'India (AAI), che utilizza tre satelliti geostazionari e 15 stazioni di riferimento terrestri sparse in India e nei paesi vicini. GAGAN fornisce una guida a livello LPV per gli aerei e viene utilizzato anche in agricoltura, ferrovie e gestione delle risorse.

SDCM (Sistema per correzioni differenziali e monitoraggio) – Russia

L’ASB russo, noto come SDCM (spesso denominato omologo russo a WAAS), è gestito da Roscosmos. Utilizza stazioni terrestri in Russia e nei territori vicini, con correzioni trasmesse tramite satelliti geostazionari (serie Luch).

BDSBAS (BeiDou Satellite-Based Augmentation System) – Cina

La Cina sta sviluppando i propri SBAS all'interno del framework BeiDou Navigation Satellite System (BDS) e BDSBAS utilizzerà i satelliti BeiDou in orbita geostazionaria per trasmettere correzioni per GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou stesso.

Applicazioni e vantaggi di SBAS

Il valore di SBAS si estende ben oltre l'aviazione, dove consente approcci più sicuri ed efficienti negli aeroporti senza costosi sistemi di atterraggio a terra.

Aereo

SBAS è la spina dorsale della navigazione moderna (RNAV) e delle procedure di navigazione richieste (RNP) che consente agli aerei di volare percorsi ottimizzati, risparmiare carburante e ridurre le emissioni. Durante l'approccio, SBAS fornisce una guida verticale a meno di 200 piedi, che equivale a molti sistemi di atterraggio degli strumenti di Categoria I (ILS) ma senza il costo e la manutenzione dei trasmettitori ILS basati sul suolo.

Agricoltura

Con SBAS, i trattori possono seguire percorsi pre-pianati con precisione sub-metro, anche senza stazione di base in campo. Questa capacità riduce la sovrapposizione, salva gli input e aumenta la resa. Gli agricoltori in Nord America, Europa e India usano regolarmente WAAS, EGNOS, o GAGAN per la guida automatica.

Indagine e mappatura

I sondaggi utilizzano spesso SBAS come controllo di qualità in tempo reale o per compiti di medio-accuratezza in cui è sufficiente la precisione dei sottometri. In combinazione con le correzioni locali, SBAS può aiutare a raggiungere l'accuratezza di livello dei centimetri dopo il post-elaborazione.

La navigazione costiera e interna delle vie navigabili beneficia degli avvisi di integrità di SBAS, che avvertono i marinai dei guasti di sistema. L'Organizzazione marittima internazionale (IMO) riconosce SBAS come mezzo per soddisfare i requisiti di trasporto per i sistemi elettronici di visualizzazione e di informazione dei grafici (ECDIS).

Veicoli autonome e trasporto intelligente

Mentre i canyon urbani e i tunnel richiedono sensori aggiuntivi, SBAS fornisce l'accuratezza necessaria per la localizzazione delle corsie e delle intersezioni autostradali. Poiché le costellazioni SBAS si espanderanno e supportano più costellazioni GNSS, la robustezza della navigazione autonoma migliorerà.

Infrastrutture ferroviarie e di utilità

Le ferrovie utilizzano SBAS per il posizionamento e l'elusione di collisione dei treni, in particolare nei corridoi a bassa velocità, dove le attrezzature a binario costoso non sono economiche.

Sfide e sviluppi futuri

Nonostante i suoi successi, SBAS affronta i limiti. La copertura più significativa è: i sistemi attuali sono regionali, lasciando grandi parti del globo - come l'Africa, il Sud America, e gran parte dell'oceano aperto - senza l'aumento SBAS. I segnali dai satelliti geostazionari possono anche essere bloccati da edifici alti o terreni, che limitano le prestazioni in ambienti urbani densi. Inoltre, SBAS monofrequency soffre ancora di errori solari ad alta frequenza

Il futuro di SBAS coinvolge l'aumento multi-constellazione e multi-frequenza. La prossima generazione di sistemi correggerà non solo il GPS ma anche Galileo, GLONASS e BeiDou simultaneamente, migliorando la disponibilità e ridondanza. Ad esempio, EGNOS v3, pianificato per la fine del 2020, sarà un aggiornamento multi-constellation che fornisce il servizio su tutta la zona con meno sensibilità alla tempesta Nuova Zelanda

Un'altra direzione promettente è l'integrazione di SBAS con reti basate sul suolo e servizi cinematici in tempo reale (RTK) per offrire precisione a livello di centimetri su aree ampie. Questo approccio ibrido è già in fase di distribuzione sotto forma di servizi "PPP-RTK", che combinano la portata globale di posizionamento preciso punto con la rapida convergenza di RTK.

Conclusioni

Grazie alla sua posizione di guida, la SBAS ha trasformato il GPS da uno strumento utile ma impreciso in una risorsa di navigazione affidabile e sicura. Correggendo gli errori atmosferici, orbitali e orologi, e monitorando continuamente l'integrità del segnale, SBAS fornisce l'accuratezza e l'affidabilità richieste da aviazione moderna, agricoltura, indagine e innumerevoli altre industrie.