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Cosa sono i sistemi di ingrandimento basati su satellite?

I sistemi di ingrandimento basati su satellite sono reti di stazioni di riferimento a terra, stazioni di controllo master e satelliti geostazionari che misurano e correggono gli errori nei segnali trasmessi dalle costellazioni GNSS core. Il problema fondamentale che SBAS risolve è che i segnali GPS standard possono essere degradati da ritardi atmosferici, la deriva dell'orologio satellitare, le imprecisioni orbitali e gli effetti multipath.

SBAS lavora implementando una rete di stazioni di terra con un'indagine precisa su un'ampia regione geografica. Ogni stazione monitora continuamente i segnali GNSS e calcola la differenza tra la posizione fissa nota della stazione e la posizione segnalata dai segnali satellitari. Queste correzioni differenziali vengono poi relè ad una stazione di controllo principale dove vengono elaborati in un modello di correzione regionale.

L’architettura di un SBAS comprende tre segmenti primari: il segmento di terra, il segmento spaziale e il segmento utente. Il segmento di terra comprende stazioni di riferimento che raccolgono misurazioni GNSS, monitor di integrità che rilevano errori e stazioni di controllo che calcolano i messaggi di correzione e i parametri di integrità. Il segmento di destinazione è costituito da satelliti geostazionari che trasmettono i dati di ingrandimento sulla stessa frequenza di GPS L1.

Parametri di performance chiave migliorati da SBAS

SBAS migliora quattro parametri di prestazione di navigazione critici: accuratezza, integrità, continuità e disponibilità. L'accuratezza si riferisce alla differenza tra la posizione stimata e la posizione vera. SBAS riduce questo errore da diversi metri a livelli di sotto-metraggio, consentendo approcci con altezze di decisione a partire da 200 piedi. L'integrità è la misura di fiducia che può essere posizionata nella correttezza delle informazioni di navigazione; SBAS fornisce un avviso di integrità entro sei secondi di errore

Come migliorare la sicurezza dell'aviazione SBAS?

Accuratezza avanzata per gli approcci di precisione

Con gli approcci standard di navigazione laterale (LNAV) fornire solo orientamento orizzontale, e la guida verticale richiede un altimetro barometrico o un sistema di ingrandimento separato. SBAS consente Localizer Performance con gli approcci di orientamento verticale (LPV), che forniscono sia la guida laterale che verticale fino a un minimo equivalente agli approcci di Instrument Landing System (ILS) Categoria I.

Monitoraggio dell'integrità in tempo reale e eliminazione

L’integrità del sistema è un limite superiore all’errore di posizione reale, calcolato in tempo reale dalla geometria del satellite, dal rumore di misura e dalle stime di errore residuo. Se il livello di protezione supera il limite di allarme (il massimo errore di atterraggio ammissibile per una determinata fase di volo), l’SBAS emette un “non usare” allarme.

Disponibilità aumentata in Aereo e Oceanico

La copertura standard del GPS può essere intermittente o vulnerabile in alcune regioni, in particolare ad alte latitudini, in valli profonde, o su vaste estese oceaniche. SBAS estende la disponibilità di segnali di navigazione affidabili fornendo un backup basato su spazio a aiuti basati su terra e utilizzando satelliti geostazionari che mantengono una linea costante di vista dalla maggior parte delle posizioni all'interno della regione di copertura.

Riduzione del carico di lavoro pilota e di controllo

Se i piloti e i controllori del traffico aereo hanno accesso a informazioni di navigazione precise, affidabili e continuamente monitorate, il carico di lavoro cognitivo associato a controllo incrociato di più fonti di navigazione è notevolmente ridotto. Senza SBAS, un pilota potrebbe essere necessario verificare la posizione GPS contro le letture VOR o DME, i cuscinetti NDB a referenza trasversale e la correzione manuale di calcolo degli errori.

Esempi globali di SBAS

WAAS (Sistema di aumento delle zone umide) – Stati Uniti

WAAS è gestito dalla Federal Aviation Administration (FAA) ed è stato dichiarato operativo per l'aviazione nel 2003. Utilizza una rete di oltre 38 stazioni di riferimento (WRS) dislocate in Nord America, due stazioni master e sei satelliti geostazionari. WAAS fornisce la capacità di avvicinamento LPV in oltre 3.900 aeroporti in tutto il territorio degli Stati Uniti, molti dei quali non hanno un sistema di atterraggio degli strumenti.

FAA WAAS Program Office (Link esterno)

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

EGNOS è un progetto comune dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), della Commissione Europea e dell'Eurocontrol. È entrato in servizio operativo nel 2009 e copre l'intero continente europeo, comprese le parti del Nord Africa e del Medio Oriente. EGNOS utilizza una rete di 40 stazioni di monitoraggio di ampiezza e integrità (RIMS), quattro centri di controllo master e tre satelliti geostazionari.

Agenzia europea dell'Unione per il programma spaziale – EGNOS (Link esterno)

MSAS (Multi-funzionale sistema di ingrandimento satellitare) – Giappone

MSAS è gestito dal Japan Civil Aviation Bureau (JCAB) e copre l’arcipelago giapponese e le aree oceaniche adiacenti. Utilizza due Multifunzione Transport Satellite (MTSAT) e una rete di stazioni di monitoraggio del terreno situate in Giappone, Hawaii e Australia. MSAS System è stato dichiarato operativo nel 2007 e fornisce una guida di approccio di precisione a decine di aeroporti in Giappone, comprese le isole remote.

GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation) – India

GAGAN è sviluppato dall’Organizzazione per la Ricerca Spaziale Indiana (ISRO) e dall’Autorità per gli Aeroporti dell’India (AAI). Il sistema è diventato operativo per l’utilizzo dell’aviazione nel 2015 e copre l’intero spazio aereo indiano e le regioni circostanti. GAGAN utilizza 15 stazioni di riferimento, tre centri di controllo master, e due satelliti geostazionari (GSAT-8 e GSAT-10) che offrono approcci di controllo del suolo più veloci, consentendo agli sbarchi degli strumenti di maggiore velocità di sviluppo dei piani di sviluppo dei piani.

SDCM (Sistema di correzione differenziale e monitoraggio) – Russia

SDCM è SBAS Russia, gestito da Roscosmos e l'impresa statale "Spazia russa Sistemi." Aumenta sia i satelliti GPS e GLONASS, fornendo correzioni e monitoraggio dell'integrità sul territorio russo e Stati vicini. SDCM utilizza stazioni terrestri situate in Russia e all'estero, e la componente Luch-5A e Luch-5B geostazionari per trasmettere segnali di correzione.

SouthPAN (Southern Positioning Augmentation Network) – Australia e Nuova Zelanda

SouthPAN è un’iniziativa congiunta tra Geoscience Australia e Land Information Nuova Zelanda, finanziata dai rispettivi governi. È la più recente SBAS operativa, che inizia i servizi iniziali nel 2022 con piena capacità operativa prevista dal 2027. SouthPAN copre l’Australia, la Nuova Zelanda e le aree marittime del Pacifico meridionale. Fornisce un’allargamento per GPS e Galileo, offrendo capacità di approccio LPV per gli aeroporti regionali e sostenendo la maggior parte delle aree di precisione agricoltura e di assistenza al mondo marittimo.

Framework tecnico: Come SBAS ottiene i suoi vantaggi

Correzioni differenziali e modellismo ionosferico

Le stazioni di terra SBAS con coordinate note misurano il ritardo ionosferico in diversi punti di riferimento e generano una griglia di stime di ritardo verticale. Questa griglia viene trasmessa come parte del messaggio SBAS, e il ricevitore di ritardo aereo applica la correzione appropriata in base alla posizione dell'utente.

Intervalli di fiducia: Livelli di protezione

Per ogni soluzione di posizione, il ricevitore SBAS calcola un livello di protezione orizzontale (HPL) e un livello di protezione verticale (VPL) che si basano sull'errore residuo dopo le correzioni, la geometria satellitare (diluizione della precisione), e i parametri di integrità trasmessi dal satellite geostazionario.

Rischio di integrità e tempo di allerta

Il monitoraggio dell’integrità SBAS si basa sul monitoraggio in tempo reale della salute di ciascun satellite e sulla qualità dei segnali di trasmissione. Il segmento di terra elabora i dati ogni secondo e calcola i valori di rischio di integrità. Se un satellite non riesce (ad esempio, una deriva dell’orologio oltre la soglia), la stazione di controllo supera immediatamente un “non usare” bandiera al satellite geostazionario.

Impatto operativo sulle operazioni di volo

In aree di percorso e terminali, SBAS consente agli aerei di volare profili laterali e verticali ottimizzati senza affidarsi a navaidi terrestri. L'aeromobile può seguire le rotte di navigazione (RNAV) e le prestazioni di navigazione richieste (RNP) con elevata precisione e tenuta prevedibile.

Approcci di precisione e precisione

L'impatto operativo più trasformativo di SBAS è la fornitura di capacità di approccio di precisione a praticamente qualsiasi fine pista che ha una procedura LPV pubblicata.A differenza di ILS, che richiede attrezzature di terra costose ed è limitato a un unico percorso di approccio, gli approcci SBAS-LPV possono essere sovrapposti alle procedure di non precisione esistenti e possono servire più piste allo stesso aeroporto.

Operazioni di elicotteri e rotorcraft

SBAS è particolarmente utile per le operazioni di elicotteri, compresi i servizi medici di emergenza, la ricerca e il salvataggio, e il trasporto di petrolio e gas offshore. Queste operazioni richiedono spesso il volo in aree confinate, con siti di sbarco che non hanno alcun aiuto di avvicinamento. SBAS fornisce la guida verticale necessaria per approcci sicuri a eliporto e piattaforme offshore, riducendo significativamente il rischio di attacchi di filo e volo controllato in terreno.

Sviluppo e tendenze future

SBAS Multi-Constellation (DFMC) a doppia frequenza

L'altra generazione di SBAS utilizzerà la tecnologia di multi-constellazione a doppia frequenza (DFMC) e la geometria di sviluppo di GAS (L1 (1575.42 MHz), che è suscettibile di ritardo e interferenza ionfosferici. DFMC SBAS utilizzerà sia le frequenze L1 che L5, permettendo ai ricevitori di misurare e rimuovere direttamente gli errori di ionospheric.

Espansione delle aree di copertura

L'Africa e il Medio Oriente stanno sviluppando l'Africa e l'Indian Ocean SBAS (AIO-SBAS) e un'iniziativa congiunta Arab SBAS. Il progetto SBAS per l'Africa, condotto dalla African Civil Aviation Commission (AFCAC) e supportato dall'ESA, mira a implementare l'infrastruttura di terra e utilizzare le espansioni di costose in America per portare gli aeroporti di base LPV

Integrazione con NextGen e SESAR

SBAS è una pietra angolare del sistema di trasporto aereo di prossima generazione (NextGen) e della ricerca europea di Sky ATM (SESAR). Entrambi i programmi prevedono una transizione alla navigazione basata sulle prestazioni (PBN) dove gli aerei utilizzano GNSS potenziato da SBAS come fonte di navigazione primaria, consentendo disegni di spazio aereo più flessibili ed efficienti.

Sfide e considerazioni

Vulnerabilità all'interferenza e al giamming

Come tutti i servizi GNSS, SBAS è vulnerabile alle interferenze radiofrequenze (RFI), tra cui interferenze non intenzionali da altri sistemi e jamming intenzionale o spoofing. Anche se i ricevitori SBAS hanno qualche resilienza dovuta all'uso di segnali di spettro e di controllo dell'integrità, la minaccia di spoofing - dove un trasmettitore malizioso invia falsi segnali GPS per errore al ricevitore - è una crescente preoccupazione.

Anomalie Ionosferiche a bassa latitudini

Nelle regioni a bassa latitudine vicino all'equatore (ad esempio, Sud-Est asiatico, parti dell'Africa e del Sud America), la ionosfera presenta forti gradienti, scintillazioni e rapidi cambiamenti nella densità degli elettroni. Queste anomalie possono degradare le prestazioni di SBAS monofrequenza perché il modello ionosferico utilizzato può essere insufficientemente accurato.

Costo e certificazione

Non tutti i paesi hanno le risorse o la capacità tecnica di costruire un SBAS standalone. Di conseguenza, molti paesi stanno partecipando alle iniziative SBAS regionali o negoziando per utilizzare sistemi adiacenti (ad esempio, l'uso di EGNOS da parte degli Stati nordafricani, o il potenziale per SouthPAN per servire le nazioni dell'isola del Pacifico del Sud).

Conclusioni

Grazie alla sua accuratezza, integrità, continuità e disponibilità dei segnali GNSS, SBAS consente di avvicinarsi a migliaia di aeroporti, riduce il rischio di volo controllato in terreno e migliora l'efficienza in tutte le fasi del volo.

ICAO – Sistemi di ingrandimento basati su satellite (Link esterno)[]