Da Marconi a Galileo?
Come “da Marconi a Galileo”, eventualmente “da Galileo a
Marconi”, diranno i più eruditi e critici fra i lettori.
Lo sanno anche i bambini che Galileo, padre della scienza
moderna, è vissuto quasi tre secoli prima di Marconi, padre della radio.
Il fatto è che in questo caso
Marconi è proprio quello al quale tutti siamo affezionati, specialmente i
radioamatori, mentre con Galileo, senza nulla togliere al grande scienziato
italiano, intendiamo il sistema satellitare europeo per la navigazione,
promosso dalla Commissione Europea e sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea.
L’arcano tuttavia non è ancora
completamente svelato. Che c’entra Marconi con Galileo? Come presto vedremo,
c’entra e molto, in quanto Marconi è stato il primo a immaginare e mettere in
pratica l’uso delle onde radio a scopi di navigazione, cioè della cosiddetta
radionavigazione.
Ma anticipiamo le belle notizie: dopo
molti anni di ricerche e sviluppi tecnologici, alla fine dello scorso anno, più
precisamente il 21 ottobre 2011, i primi due satelliti operativi della futura
costellazione Galileo sono stati felicemente messi in orbita, dopo un lancio
pressoché perfetto dalla base europea spaziale di Kourou, nella Guyana
francese, in Sud-America (figura 1).
Figura 1: il
lancio dei primi due satelliti della costellazione Galileo
La “navigazione cieca” di Marconi, lo Sputnik ed il Global Positioning System
La storia degli strumenti e dei
metodi per determinare la propria posizione è vecchia quanto il mondo. Nei
tempi antichissimi dei navigatori fenici e greci si usarono le stelle e la
posizione del sole, poi si passò, intorno all’anno mille, alla bussola
magnetica (forse già in precedenza inventata dai cinesi) ed a strumenti
sofisticati come il sestante, uniti all’uso di orologi di precisione
(cronometri marini).
Fino agli inizi del secolo scorso,
tuttavia, le tecniche per la determinazione della posizione, in termini di
latitudine e longitudine, furono essenzialmente basate sulla bussola magnetica
e sulle osservazioni astronomiche, seppur con tecniche e strumenti molto
avanzati.
E’ solo con l’invenzione della radio
da parte del nostro Marconi che si cominciò a pensare all’utilizzo delle onde
radio come ausilio alla navigazione. Il principio della radionavigazione
(“Radio Direction Finder”, RDF), basato sull’utilizzo di una sorgente radio
(radiofaro) per orientare la navigazione di un mezzo mobile (aereo o nave)
attraverso l’uso di un’antenna direzionale, era stato inventato dalla Marconi
Company nei primi anni del 1900.
Nel 1906 Marconi aveva chiesto un
brevetto per un ricercatore di direzione ("direction finder"), basato
sull'uso di antenne direzionali riceventi di tipo orizzontale disposte a
stella. Successivamente i tecnici della Marconi perfezionarono il
radiogoniometro concepito dal prof. Alessandro Artom fino ad impiantarne uno
operativo nel 1912 a bordo del Mauritania.
Guglielmo Marconi, nel ciclo delle
esperienze condotte insieme all'ing. Franklin nel 1921 impiegando onde
metriche, aveva dato il primo avvio alla costruzione dei radiofari direzionali
per navigazione marittima, i cui prototipi furono quelli girevoli di Inchkeith
nell'estuario del Forth e di South Foreland nella Manica, funzionanti
rispettivamente su onde di 4 e 6 metri.
Nel 1931 il sistema si era talmente
diffuso da diventare obbligatorio per tutte le imbarcazioni di stazza superiore
alle 5000 tonnellate.
Sempre nel 1931 Marconi aveva
iniziato a sperimentare l’uso delle microonde, conducendo una serie di
esperimenti che avrebbero poi portato nel 1932 al primo ponte radio a microonde
per collegare telefonicamente la Città del Vaticano con la residenza estiva del
Papa, Pio XI, a Castel Gandolfo.
Quasi contemporaneamente, iniziarono
a Sestri Levante degli esperimenti che utilizzavano radiofari a microonde per
dirigere la navigazione di imbarcazioni in mare.
La dimostrazione ufficiale del
sistema di “navigazione cieca” fu condotta il 30 luglio del 1934, a bordo dello
yacht Elettra, alla presenza di numerosi esperti e di rappresentanti inglesi
dei Lloyd’s di Londra.
Il panfilo era pilotato da un
capitano “neutrale”, il comandante inglese Austin Bates, della compagnia Cunard-White
Star Line. Partendo da circa dieci miglia dalla costa, il panfilo si diresse
verso Sestri Levante dove due boe erano ancorate nella baia alla distanza di 90
metri e ad 800 metri dalla riva,
simulando l’entrata di un porto (figura 2).
Figura 2: l’esperimento di navigazione cieca a Sestri
Levante
Con gli esperimenti di Marconi si
dimostravano le enormi possibilità derivanti dall’uso delle onde radio come
ausilio alla navigazione. Per arrivare a concepire una costellazione di
radiofari in orbita intorno alla terra bisogna però aspettare il 1957.
Il 4 ottobre 1957 un razzo russo si
alzava rombando da una rampa di lancio nel cosmodromo di Baikonour, mettendo in
orbita il primo satellite artificiale della Terra, lo Sputnik 1.
Numerosi scienziati ed ingegneri
americani cominciarono a ricevere i segnali radio emessi dallo Sputnik,
deducendo dalla variazione della frequenza Doppler utili informazioni circa la
sua orbita.
Alcuni di questi scienziati
pensarono che sfruttando l’effetto Doppler e conoscendo con precisione l’orbita
del satellite, si sarebbe potuta ricavare la posizione del ricevitore a terra.
Da questa idea originale nacque il
programma Navy Navigation Satellite System, con il suo primo satellite in
orbita, Transit 1B, nel 1960. Da questo sistema fu in seguito sviluppato
l’attuale sistema globale di navigazione americano, il Navstar Global
Positioning System, comunemente noto come GPS.
Il sistema di
navigazione europeo Galileo
Galileo è il programma europeo per
un sistema satellitare globale per la navigazione concepito per scopi ed
applicazioni essenzialmente pacifici. Il sistema consiste di una costellazione
di almeno 24 satelliti (con eventuali satelliti di riserva) ed una complessa
infrastruttura terrena di supporto (figura 3).
Figura 3: l’architettura del sistema Galileo
I satelliti della costellazione saranno disposti in modo uniforme su tre piani orbitali inclinati di 56 gradi rispetto all’Equatore ed orbiteranno a circa 23 mila chilometri d’altezza (figura 4).
Figura 4: la
costellazione dei satelliti Galileo
Con questa configurazione è possibile garantire che ovunque nel mondo, incluse le regioni
polari, ci
saranno almeno quattro satelliti in visibilità.
Ogni satellite (figura 4) ha una massa di circa
700 chilogrammi ed è progettato per operare 12 anni in orbita, sviluppando
attraverso i pannelli solari una potenza di circa 1400 watt.
Figura 4: il
satellite della costellazione Galileo
L’infrastruttura di terra o segmento
terreno (“Ground Segment”) ha, fra i vari suoi compiti, quello essenziale di
garantire l’accuratezza del sistema in termini di tempo e posizione.
Fondamentale è il contributo degli orologi atomici a bordo, tenendo presente
che un loro errore di un miliardesimo di secondo si traduce in un errore sulla determinazione
della posizione di ben trenta centimetri (ricordiamo che la velocità delle onde
elettromagnetiche è pari a 300 mila chilometri al secondo, cioè 30 miliardi di
centimetri al secondo).
L'infrastruttura di terra include
stazioni di monitoraggio sparse in tutto il mondo, due centri di controllo
(figura 5), stazioni di uplink per aggiornare i dati del messaggio di
navigazione generato a bordo dei satelliti, e stazioni TT&C (Telemetria,
Tracking e Comando).
Figura 5: il centro di controllo Galileo della Telespazio
al Fucino
Come funziona un sistema di
navigazione satellitare?
Pensiamo
ai satelliti per la navigazione come dei fari che emettono radioonde (i
“radiofrequency beacons” utilizzati da Marconi per i suoi esperimenti). Così
come i fari marittimi venivano costruiti in posizioni elevate, in modo da poter
essere maggiormente visibili ai naviganti, i nostri satelliti, posti nello
spazio, sono visibili da vaste regioni sulla Terra.
Il
segnale trasmesso da ciascun satellite è una microonda modulata, contenente il
tempo al quale il segnale è stato trasmesso e la posizione orbitale del
satellite.
Poichè
la velocità della luce è conosciuta, il tempo impiegato da un segnale per
raggiungere un ricevitore può essere usato per calcolare la distanza del
ricevitore stesso dal satellite.
Come già detto, gli orologi atomici
a bordo dei satelliti Galileo sono accurati al nanosecondo (cioè al
miliardesimo di secondo), quindi questa distanza può essere determinata molto
accuratamente.
Combinando
le misure derivate da molti satelliti contemporaneamente, è possibile
determinare la propria posizione nello spazio, con un’accuratezza inferiore al
metro.
Maggiore
è il numero di satelliti in visibilità, migliore l’accuratezza, ma un numero
minimo di quattro satelliti è necessario per ricavare la propria posizione: tre
sono usati per “triangolare” (per essere precisi, più che di una
“triangolazione” si tratta di una “trilaterazione”) longitudine, latitudine ed
altezza sul livello del mare del ricevitore, il quarto per determinare lo
scarto temporale fra l’orologio preciso a bordo dei satelliti e quello, meno
preciso, integrato nel ricevitore (figura 6).
Figura 6: il concetto di “trilaterazione” da satelliti in
orbita
La
scelta della costellazione (numero di satelliti, numero di piani orbitali,
diametro ed inclinazione dell’orbita) è appunto orientata a massimizzare il
numero di satelliti in vista da ogni punto della Terra, garantendone almeno
quattro.
Ma che c’entra Galileo?
Prima di concludere, dobbiamo ancora
spiegare come mai il sistema satellitare europeo di navigazione è stato
chiamato Galileo.
Abbiamo
già accennato all’estrema difficoltà sperimentata per molti secoli nella
determinazione della posizione in mare aperto.
Nel
1610 (quindi ben prima dell’invenzione del cronometro marino da parte di John
Harrison, avvenuta nel 1773), Galileo Galilei scoprì per mezzo del telescopio
le prime quattro lune di Giove. Osservandone il movimento, si rese anche conto
che esse costituivano una sorta di orologio molto preciso, visibile ovunque
sulla Terra, e che attraverso la loro osservazione si sarebbe potuta calcolare
la longitudine con elevata accuratezza.
