Da Marconi a Galileo: il sistema satellitare europeo di navigazione è in orbita

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.

 

Anche Galileo può quindi essere considerato uno dei padri fondatori della scienza della navigazione ed un precursore dei moderni sistemi oggi disponibili.

SETI@home: un sito Internet per la ricerca dell’intelligenza extraterrestre

SETI è l’acronimo dell’espressione inglese “Search for Extra Terrestrial Intelligence”, cioè ricerca dell’intelligenza extraterrestre. E’ anche il nome ufficiale di un programma scientifico che impegna ricercatori e radioastronomi in tutto il mondo, reso popolare dal film Contact, interpretato dall’attrice Jodie Foster e tratto dall’omonimo libro del defunto scienziato della NASA Carl Sagan (figura 1).



Figura 1: l’attrice Jodie Foster nel ruolo di ricercatrice SETI nel film “Contact”

Il programma SETI vuole rispondere alla domanda: “Esiste vita intelligente fuori della Terra? Siamo o no soli nell’Universo?”. I ricercatori del SETI utilizzano vari metodi, il più popolare dei quali è tuttavia l’ascolto sistematico dei segnali radio provenienti dalle stelle, alla ricerca di un segnale che sia artificiale, cioè generato da una qualche forma d’intelligenza extraterrestre. Nessuno sa per certo se esistano altre forme di vita intelligente nell’Universo, ma è molto probabile tuttavia che esse userebbero le onde radio per mettersi in contatto con noi.
Per ascoltare le stelle si utilizzano i radiotelescopi, come quello di Arecibo, in Puerto Rico (figura 2). Con i suoi 300 metri di diametro, è il più grande esistente al mondo.



Figura 2: il radiotelescopio di Arecibo

La mole di dati da analizzare è tuttavia enorme, tale che nemmeno il più potente computer al mondo sarebbe sufficiente a svolgere tutte le operazioni richieste. Si è allora pensato di utilizzare migliaia di computer più piccoli, che lavorano in parallelo analizzando ciascuno una piccola porzione dei dati raccolti. Queste migliaia di computer sono di fatto disponibili, sparsi per il mondo, in ciascuna delle nostre case: non è forse vero che per buona parte del loro tempo i nostri PC restano inutilizzati, magari “girando” pittoreschi quanto inutili salvaschermo?
Il progetto SETI@home, promosso dai ricercatori dell’Università di Berkeley, in California, ci chiede in prestito i nostri computer, che altrimenti consumerebbero corrente inutilmente, solo per il tempo durante il quale non li stiamo utilizzando. In pratica si tratta di far girare, al posto di un tradizionale “screensaver”, un programma “ad hoc”, dalla grafica molto accattivante, che parte automaticamente nei tempi morti del PC, salvo ritirarsi discretamente e in buon ordine quando torniamo ad operarlo. I dati da analizzare sono scaricati da Internet ed i risultati delle analisi vengono periodicamente rinviati al sito di provenienza (figura 3).



Figura 3: una tipica schermata dello “screensaver” SETI@home

Niente paura: il programma SETI@home si connette ad Internet solo per trasferire dati e ciò accade molto saltuariamente (per esempio, una volta alla settimana) e per un tempo molto breve (tipicamente 5 minuti); inoltre, chiede il permesso dell’operatore prima di connettersi.
L’idea è molto arguta e veramente affascinante: permette infatti a tutti gli appassionati della radio, BCL,SWL e radioamatori, di partecipare, nel loro piccolo, ad un’impresa scientifica di grande valore. Non c’è nemmeno bisogno dell’antenna e del ricevitore (in realtà si utilizzano antenna e ricevitori dell’osservatorio di Arecibo, e scusate se non è poco): bastano un computer ed una connessione ad Internet.
Per i collezionisti di diplomi, vale anche la pena di citare la possibilità di ottenerne uno dalla Planetary Society, associazione internazionale di appassionati dell’esplorazione spaziale, che supporta le attività del SETI Institute (figura 4).



Figura 4: il certificato di supporto al SETI@home della Planetary Society

Ma entriamo un po’ più nel dettaglio del software che andremo ad installare sul nostro PC. Si tratta in realtà di un programma molto sofisticato di Digital Signal Processing (DSP), cioè di processamento digitale dei segnali. Esso opera, al pari di un analizzatore di spettro, un’analisi spettrale molto accurata del segnale ricevuto, basata su un algoritmo chiamato Fast Fourier Transform (FFT), o trasformata di Fourier discreta.
Nella ricerca dei segnali SETI si fanno alcune assunzioni fondamentali. La prima è che il segnale sarà ricevuto ad una frequenza prossima ai 1420 MHz (21 centimetri). Questa è la frequenza corrispondente alla linea spettrale dell’idrogeno atomico, il più comune elemento dell’Universo, e pertanto un probabile punto di riferimento per specie aliene intelligenti. Pochi forse sanno che questa teoria fu proposta per la prima volta da un italiano, il fisico e ricercatore Giuseppe Cocconi (figura 5), che nel 1959 scrisse insieme a Philip Morrison un articolo sull’argomento (“Searching for interstellar communications”, cioè “Alla ricerca di comunicazioni interstellari”), pubblicato dalla prestigiosa rivista scientifica Nature.



Figura 5: il fisico italiano Giuseppe Cocconi, padre del SETI

La seconda ipotesi è che il segnale occupi una banda di frequenza molto stretta, per meglio concentrare la potenza trasmessa e meglio distinguersi da altri segnali cosmici di origine naturale (che sono invece tipicamente a banda larga). L’ultima ipotesi assume che il segnale passi da un livello minimo ad un massimo e decresca quindi di nuovo nel giro di circa 12 secondi: questo andamento “a campana” (o gaussiano) dell’andamento della potenza in funzione del tempo è dovuto all’effetto combinato della rotazione terrestre e della larghezza del fascio in ricezione del radiotelescopio di Arecibo (figura 6).



Figura 6: l’andamento “a campana” del segnale

Si è appena affermato che il padre della ricerca di segnali radio provenienti da civiltà extra terrestri è considerato il fisico italiano Cocconi. In realtà anche ad un altro, ben più famoso, italiano può esserne attribuita la paternità: Guglielmo Marconi.
Marconi era convinto di aver ricevuto, nel corso dei suoi esperimenti con la radio, segnali elettromagnetici di provenienza extraterrestre. Il 2 settembre 1921 l'autorevole New York Times riportò addirittura, con grossi titoli in prima pagina, che egli avrebbe captato alcuni misteriosi segnali provenienti da Marte, il tuttora inesplorato Pianeta Rosso.
Ma la geniale preveggenza di Marconi si evince anche dalle sue affermazioni: “I messaggi radiotrasmessi dieci anni fa, non hanno ancora raggiunto alcuna delle stelle più vicine. E quando vi saranno arrivati, perché dovrebbero fermarsi?”.
E perché dovremmo essere la sola razza intelligente in tutta l’immensità dell’Universo? Per rispondere come la protagonista del film “Contact”, “sarebbe uno spreco di spazio”. Il quesito tuttavia rimane aperto e ci guardiamo bene dal prendere una qualunque posizione in proposito. Piuttosto ci piace citare la conclusione dello storico articolo di Cocconi e Morrison, sulla rivista Nature: “La probabilità di successo è difficile da stimare; ma se mai tentiamo, la probabilità di successo è zero”.


Riferimenti:

1. Sito Web SETI@home: http://setiathome.ssl.berkeley.edu/
2. Sito Web della Planetary Society: http://www.planetary.org
3. Sito Web del SETI Institute: http://www.seti-inst.edu/

Lo storico brevetto "7777"

Ricevo e pubblico con molto piacere dal mio carissimo amico Giuseppe Grelli le immagini dello storico brevetto "7777" di Marconi, con il quale rivendicava l'invenzione del "circuito sintonico", cioè del circuito di sintonia a induttanza e capacità variabili così come lo conosciamo tuttora.

Pochi dei non addetti ai lavori sanno che i primi trasmettitori a scintilla trasmettevano su bande larghissime (lo spettro di una scarica elettrica in aria), l'unico elemento di sintonia, a bassissimo Q, essendo costituito dal circuito risonante antenna-terra.

La radio così come la conosciamo oggi, con un manopola di sintonia che permette di selezionare un numero elevato (ma non infinito) di stazioni, sulla base della loro frequenza di trasmissione, la dobbiamo a questa invenzione di Marconi, che per certi aspetti è quasi più importante della stessa telegrafia senza fili.

Il brevetto porta la data del 26 aprile 1900. Di lì a nove anni, Marconi avrebbe conseguito il premio Nobel per la Fisica per le sue rivoluzionarie invenzioni. E proprio quest'anno, 2009, cade il primo centenario di questo illustre riconoscimento.

Un bellissimo video su come realizzare un ricevitore a "coherer"