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.

A proposito di Sputnik

Due belle foto (ho detto le foto!) del sottoscritto e dell'amico Francesco IK0WGF vicino ad una copia ufficiale del satellite Sputnik 1, in mostra al SatExpo 2008 di Roma.

Anatomia di un satellite

Il primo satellite artificiale ad orbitare nello spazio fu lo Sputnik I, lanciato il 4 ottbre 1957 dall’Unione Sovietica. Lo Sputnik era una sfera con un diametro di 58 centimetri e pesava 84 chilogrammi (figura 1). Il suo “bip-bip”, trasmesso sulle frequenze di 20,005 e 40,010 MHz, fu ascoltato da migliaia di radioamatori ed SWL in tutto il mondo. L’era spaziale era cominciata.

Figura 1: Sputnik I, il primo saterllite artificiale

L’era delle comunicazioni spaziali ha però avuto effettivo inizio solo nel 1962, con il lancio del satellite NASA Telstar; questo fu presto seguito dal primo satellite geostazionario per telecomunicazioni commerciali, Early Bird, anche noto come Intelsat I (figura 2).

Figura 2: il primo satellite per telecomunicazioni, Intelsat I (“Early Bird”)

L’infrastruttura delle comunicazioni spaziali cominciò come complemento delle reti terrestri esistenti (per esempio, la rete telefonica o “Public Switched Telephone Network”, PSTN), consistendo principalmente di ripetitori trasparenti (in inglese “bent pipe”, cioè “cavo ripiegato”) che facevano da ponti radio nello spazio trasmettendo voce e dati fra due punti sulla Terra (figura 3).

Figura 3: il satellite è un ponte radio nello spazio

In seguito, queste applicazioni punto-punto (“trunking”) sarebbero state in gran parte soppiantate dalla distribuzione TV e dalla distribuzione diretta di servizi televisivi (“direct-to-home”, DTH).
All’inizio di questa esaltante epopea resta comunque il satellite artificiale, nelle sue varie realizzazioni. Ma che cos’è e come è fatto un satellite artificiale?
In generale, un satellite è un qualunque oggetto che, soggetto alle leggi della fisica newtoniana, orbiti intorno ad un corpo celeste. Ad esempio, la Luna è un satellite della Terra, e la Terra è un satellite del Sole.
In particolare, a noi interessano quegli oggetti fabbricati dall’uomo e che dall’uomo vengono posti in orbita intorno alla Terra, chiamati satelliti artificiali (figura 4).

Figura 4: un tipico satellite per applicazioni commerciali

Ciascuno di questi satelliti è composto di molte parti, che variano a seconda del tipo di applicazione e dell’orbita. Due elementi sono tuttavia comuni a tutti i satelliti e sono chiamati “carico utile” (“payload”) e carrozza (“bus”) (figura5).

Figura 5: gli elementi della carrozza e del carico utile

Il carico utile è l’insieme di tutti gli equipaggiamenti che il satellite necessita per svolgere le sue funzioni. Esso può includere antenne, fotocamere, radar e apparati elettronici. Il carico utile è tipico per ciascun satellite. Per esempio, il carico utile di un satellite meteorologico include fotocamere dotate di telescopi per ottenere immagini delle formazioni nuvolose, mentre il carico utile di un satellite per comunicazioni include antenne di grandi dimensioni per trasmettere segnali telefonici o TV verso la Terra.
Il carico utile di un satellite per telecomunicazioni viene detto ripetitore (“repeater”) o transponditore (“transponder”). I due termini derivano dall’analogia con i ponti radio terrestri. L’architettura di un ripetitore per satellite è di fatto identica a quella di un ripetitore per ponte radio. Nella sua versione più essenziale, essa si compone di un’antenna ad alto guadagno, che riceve il segnale trasmesso da una stazione terrestre; di un amplificatore a basso livello di rumore (“Low Noise Amplifier”, LNA); di un convertitore di frequenza (normalmente la frequenza di ricezione è maggiore di quella di trasmissione, quindi si parla di un “down-converter”); di un amplificatore di potenza (spesso preceduto da un amplificatore pilota o “driver”) e di un’antenna ad alto guadagno in trasmissione.
E’ bene a questo punto ricordare che i collegamenti tra satellite e terra avvengono normalmente nelle bande di frequenza comprese tra 1 e 30 GHz (anche se alcuni satelliti radioamatoriali operano già a 30 MHz e per contro molti satelliti militari raggiungono i 44GHz). Frequenze inferiori ai 30 MHz non sarebbero in grado di “perforare” la ionosfera (quella stessa ionosfera che tanto invece ci è utile nelle comunicazioni terrestri a lunga distanza) e risulterebbero quindi assai poco praticabili.
Alcuni satelliti imbarcano transponditori operanti a varie frequenze. La figura 6, ad esempio, mostra la configurazione del satellite per telecomunicazioni Artemis, realizzato dall’Alenia Spazio per conto dell’Agenzia Spaziale Europea; questo satellite utilizza la banda L (1,5 GHz), la banda S (2,5 GHz), la banda Ka (20 – 30 GHz) ed opera persino un terminale sperimentale per comunicazioni ottiche.

Figura 6: il satellite per telecomunicazioni Artemis

La carrozza è quella parte del satellite che porta il carico utile e tutti i suoi apparati nello spazio. Ha il compito di tenere strutturalmente unite tutte le parti del satellite e di provvedere energia elettrica, elaborazione dati e propulsione. La carrozza contiene anche apparati che permettono al satellite di comunicare dati con le stazioni di controllo terrestri. I dati trasmessi dalla carrozza verso Terra riguardano lo stato lo stato di salute dei vari apparati a bordo e sono detti “telemetrie”. I dati ricevuti da Terra riguardano invece comandi impartiti dalle stazioni di controllo, e sono quindi detti “telecomandi”.
La struttura di una carrozza è un’intelaiatura meccanica realizzata in metallo (di solito alluminio) oppure con materiali avanzati (plastiche speciali e fibra di carbonio). La struttura deve essere abbastanza resistente da sopravvivere indenne alle terribili accelerazioni subite dal satellite al lancio. E’ la struttura inoltre che scherma gli apparati elettronici dalle particelle atomiche e dai raggi cosmici, oltre che da eventuali interferenze elettromagnetiche (RFI).
Sulla struttura sono montati i vari sottosistemi della carrozza: oltre al già citato sottosistema T&C (Telemetria e Comando), i sottosistemi Controllo Termico, Potenza, Controllo di Assetto e di Orbita, Propulsione e Processamento Dati.
Il Controllo Termico svolge l’importante funzione di mantenere la temperatura del satellite entro limiti accettabili. Un satellite in orbita è esposto a temperature estreme: dai meno 120 gradi della parte in ombra ai 180 gradi sopra lo zero della parte esposta al sole, un’escursione termica di 300 (o più) gradi centigradi. Questo sottosistema utilizza riscaldatori (controllo attivo) e vernici, superfici riflettenti, “coperte termiche” (strati di materiale altamente riflettente ed isolante) per mantenere la temperatura degli apparati elettronici entro un’escursione più contenuta (tipicamente da - 20 a +50 gradi centigradi).
Il sottosistema Potenza è composto dei pannelli di celle solari (“Solar Arrays”), delle batterie di accumulatori, degli alimentatori a commutazione (“DC-DC Converters”) e della rete di distribuzione (“Power Bus”). L’energia solare, convertita in elettricità dalle celle fotovoltaiche, è la sorgente primaria di potenza a bordo di un satellite. Raramente, per missioni di esplorazione planetaria, vengono usati generatori nucleari, basati sull’effetto termoelettrico (conversione diretta di calore in elettricità in una termocoppia).
Il sottosistema Controllo di Assetto e di Orbita ha il compito di mantenere le antenne ed i pannelli solari del satellite orientati nella giusta direzione e di mantenere il satellite stesso sulla giusta orbita, compensando eventuali perturbazioni.
Il sottosistema Propulsione si occupa dell’iniezione del satellite nella sua orbita finale (attraverso il cosiddetto motore d’apogeo) e dell’esecuzione delle manovre necessarie per mantenere il satellite nel giusto assetto e sulla corretta orbita. E’ costituito di un serbatoio (“tank”) di propellente liquido (normalmente, Idrazina), di una rete idraulica per la distribuzione dello stesso e di vari motori (“thrusters”), in grado di “bruciare” ed espellere piccole quantità, accuratamente controllate, di propellente.
Ultimo, ma non in termini d’importanza (come dicono gli inglesi, “last, but not least”), il sottosistema Processamento Dati. Questo è un po’ il cervello di tutto il satellite. E’ composto di un computer centrale, di una serie di programmi software molto complessi e di varie unità d’interfaccia verso gli altri sottosistemi del satellite.

Figura 7: uno dei satelliti della costellazione Globalstar