Progetti innovativi

Dal lancio del primo satellite GPS (Global Positioning system) nei lontani anni 1970 moltissima strada è stata percorsa nel campo della navigazione satellitare sia per quanto concerne la realizzazione di nuove applicazioni (si pensino agli attuali programmi Comunitari nell’ambito del pagamento automatico dei pedaggi basato su GPS) sia per quanto riguarda le tecnologie innovative di base (es. orologi atomici di nuova generazione per la sincronizzazione dei satelliti). Se poi in aggiunta si considera il grande impegno della Commissione Europea nello sviluppo di un sistema di Navigazione satellitare (chiamato Galileo), completamente indipendente e interoperabile con GPS, risulta evidente l’interesse a livello internazionale e strategico in questo settore.

L’effetto pratico è stato quello di una rapida evoluzione di tutte le attività di ricerca e sviluppo tra cui lo studio di innovative tecniche di analisi dei segnali satellitari e del loro relativo processamento, al fine di esasperare gli aspetti più importanti legati alle prestazioni dei ricevitori, in termini di accuratezza, sensibilità, complessità e affidabilità. Algoritmi sempre più sofisticati per migliorare le prestazioni durante la fase di acquisizione, di sincronizzazione e la reiezione dei segnali riflessi sono solo alcuni dei molti esempi di queste strategie avanzate. Parallelamente, dal punto di vista implementativo, la ricerca nel campo delle telecomunicazioni si è orientata verso implementazioni di terminali in tecnologia Software Radio. Questa strategia prevede che le funzionalità del terminale siano sostanzialmente delle routine software in grado di essere eseguite da un micro processore generico e quindi non realizzato per lo specifico compito. In pratica un qualsiasi processore disponibile sul mercato (es. quelli dei normali PC) può comportarsi da modem per comunicazioni, se opportunamente programmato e se opportunamente interfacciato alla parte di Radio Frequenza.

Le tecnologie basate su un’implementazione completamente software risultano quindi particolarmente efficaci per la realizzazione dei ricevitori GPS/Galileo/EGNOS grazie all’elevato grado di flessibilità e riconfigurabilità (essendo SW siamo vicini al 100%). In particolare si possono sfruttare sistemi hardware completamente configurabili quali Field Programmable Gate Array (FPGA) e Digital Signal Processor (DSP) oppure semplicemente processori commerciali (es. famiglia Intel Pentium).

I vantaggi di sviluppare un ricevitore software sono innumerevoli soprattutto per realizzare non solo dei dispositivi altamente performanti, ma anche delle piattaforme per ricerca e sviluppo nell’ambito della definizione di algoritmi innovativi. Inoltre, le varie iniziative rivolte alla realizzazione di nuovi sistemi di navigazione satellitare che affiancano già o che affiancheranno in futuro GPS (esempi sono il GLONASS Russo e il futuro sistema Cinese Beidou), compresi i vari piani di ammodernamento per gli attuali segnali trasmessi (es. piano di ammodernamento dell’attuale GPS), rendono questo tipo di tecnologia appropriata in relazione al fatto che avere un sistema flessibile e riconfigurabile garantisce la possibilità di adattamento a standard in continua evoluzione. Tuttavia, non si deve trascurare che l’ostacolo principale di queste tecnologie è rappresentato dalla elevata capacità di calcolo richiesta. Per questo motivo durante lo sviluppo di un ricevitore di questo tipo risulta di estrema importanza porre una particolare attenzione nello studio degli algoritmi al fine di raggiungere gli obiettivi prestazionali con i requisiti (definiti in termini di potenza di calcolo) della piattaforma hardware impiegata.

Il gruppo di ricerca NavSAS (Navigation Signal Analysis and Simulation) (www.navsas.eu) dell’Istituto Superiore Mario Boella e del Politecnico di Torino opera ormai da tempo su progetti focalizzati nell’ambito della navigazione satellitare con specifico riferimento agli sviluppi di Galileo. Il NavSAS ha oggi raggiunto una produzione scientifica di oltre 130 articoli applicapresentati alle principali conferenze del settore e pubblicati sulle maggiori riviste internazionali.

Il NavSAS ha inoltre lanciato varie soluzioni prototipali per le attività di ricerca e sviluppo in ambito Galileo, oggi usate da varie aziende e gruppi di ricerca in tutto il mondo. Il ricevitore chiamato N-Gene (Navigation Gene) è un ricevitore fully-software capace di processare in tempo reale i segnali liberi (non a pagamento) trasmessi da GPS e da Galileo sulla banda L1/E1. Il ricevitore utilizza un modulo di front-end a radio frequenza per il collegamento dell’antenna ad un classico personal computer tramite la porta USB. Da qui in avanti tutto il processamento dei dati viene effettuato dal software N-Gene eseguito dal personal computer. Il ricevitore risulta essere uno strumento estremamente flessibile, in grado di essere riadattato per applica zioni estremamente diverse l’una dall’altra.

Ad esempio, la sua struttura costituita da moduli operativi separati ma comunicanti tra di loro permette tramite un’opportuna configurazione di operare misure chiamate di radio occultazione, con le quali è possibile effettuare previsioni meteorologiche. Possibilità chiaramente impossibile per un ricevitore GPS standard. N-Gene oltre ad essere lo strumento per eccellenza per la ricerca e sviluppo in questo settore, risulta inoltre essere un ricevitore GPS/Galileo estremamente performante paragonabile ai ricevitori professionali operanti nelle stesse condizioni. Il ricevitore, infatti, è in grado di effettuare sia misure di codice con le quali si possono raggiungere accuratezze sulla posizione dell’ordine della decina di metri, ma anche misure di portante con le quali queste accuratezze vengono ridotte all’ordine di un paio di metri in condizioni dinamiche. Il ricevitore è anche capace di lavorare in condizioni assistite connettendosi tramite la rete GSM e scaricando informazioni di compatibilità con lo standard OMASUPL e di ridurre i tempi di calcolo della prima posizione da circa 30 a soli 6 secondi.

N-Gene permette anche di salvare tutti i parametri decodificati in formati sia standardizzati come il RINEX 3.0 e NMEA, ma anche per mezzo di formati proprie - tari trasmessi anche tramite un protocollo proprietario. Grazie ad una flessibilità del 100% N-Gene è quindi uno strumento unico in grado di testare tutte le nuove funzionalità dei sistemi di navigazione del futuro contribuendo in modo concreto allo sviluppo del sistema Europeo Galileo.