Per comprendere il GNSS (Global Navigation Satellite Systems), è utile prima capire la relazione tra GNSS e GPS. Il modo migliore per riassumere il concetto è che il Global Positioning System (GPS) è solo una parte di supporto della rete GNSS. Mentre il GPS è molto importante per il GNSS, ci sono altre quattro costellazioni che compongono l'intero sistema GNSS. Una funzione principale di avere più sistemi (costellazioni) è che crea una maggiore sicurezza nel caso in cui una costellazione diventi non affidabile o non possa funzionare in determinate condizioni.
Le 5 costellazioni GNSS sono state sviluppate rispettivamente da governi separati e dall'UE:
- US (GPS)
- QZSS (Giappone)
- BEIDOU (Cina)
- GALILEO (UE)
- GLONASS (Russia)
1. GPS
Il GPS è stato il primo sistema GNSS che è iniziato nel 1978 ed è diventato completamente disponibile per l'uso globale nel 1994. Il GPS è stato introdotto per agire come un sistema di navigazione militare indipendente dopo che il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha realizzato il potenziale valore della tecnologia. Il sistema è stato intenzionalmente progettato per fornire un'alta precisione e una grande sicurezza contro il rumore e le interferenze dei nemici in guerra. Il GPS è stato reso pubblico per la prima volta con un ordine esecutivo di Reagan nel 1983.
Il GPS opera in una porzione dello spettro radio tra 1 e 2 GHz chiamata banda L. Questo è stato scelto per i seguenti motivi principali:
- Le frequenze più basse hanno un maggiore ritardo ionosferico
- Il design dell'antenna potrebbe essere semplificato
- L'effetto del tempo sulla propagazione del segnale GPS sarebbe minimizzato
Nonostante sia il primo sistema GNSS, il GPS rimane ancora il sistema di navigazione più preciso al mondo oggi. I nuovi satelliti GPS utilizzano orologi al rubidio e sono sincronizzati con orologi al cesio a terra per una precisione ancora maggiore.
2. QZSS
Il QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) è un sistema satellitare regionale giapponese talvolta definito come il "GPS giapponese".
Il QZSS utilizza un satellite geostazionario in orbita e tre nel QZO che presentano un'orbita a forma di otto con asimmetria nord-sud.
Il sistema di cronometraggio di prima generazione del QZSS (TKS) si baserà su orologi al rubidio e porterà un prototipo di base di un sistema sperimentale di sincronizzazione degli orologi a cristallo. La tecnologia TKS (Time Keeping System) è un nuovo sistema che non richiede orologi atomici a bordo ed è già utilizzata dai sistemi di navigazione satellitare, inclusi GPS, GLONASS e Galileo. Ciò consente al sistema di operare in modo ottimale quando i satelliti sono in contatto diretto con la stazione terrestre, rendendolo una soluzione ottimale per la costellazione QZSS.
Il QZSS è compatibile con il GPS, il che è una caratteristica importante per garantire la presenza di sufficienti satelliti per la stabilità con il posizionamento ad alta precisione.
3. BeiDou
BEIDOU è un sistema di navigazione satellitare cinese che consiste in tre costellazioni separate di satelliti, BeiDou-1 e BeiDou-2, e BeiDou-3.
BeiDou-1
Il Sistema Sperimentale di Navigazione Satellitare BeiDou-1 (BeiDou-1) è stato costruito nel 2000 utilizzando solo tre satelliti con capacità di navigazione e copertura limitate. È stato principalmente utilizzato in Cina e nelle regioni limitrofe ed è stato interrotto alla fine del 2012.
BeiDou-2
BeiDou-2 (COMPASS) è la seconda iterazione del sistema che ha iniziato a operare nel dicembre 2011 con un utilizzo parziale di 10 satelliti. Il sistema ha fornito servizi ai clienti nella regione Asia-Pacifico dal 2012.
BeiDou-3
Il sistema di terza generazione denominato BeiDou-3 è iniziato nel 2015 con l'obiettivo di copertura globale. La distribuzione è stata completata nel 2020, consentendo funzionalità di transponder per ricerca e soccorso nel sistema.
4. Galileo
GALILEO è il sistema GNSS europeo progettato per essere compatibile con GPS e GLONASS e ha iniziato a fornire servizi nel dicembre 2016.
I ricevitori del sistema utilizzano il "Sistema di Riferimento GALILEO" per tracciare la posizione dei satelliti implementando i principi della triangolazione.
In totale, il sistema Galileo è composto da tre parti principali: Spazio, Terra e Utente.
- Il segmento spaziale funziona per generare e trasmettere segnali di codice e fase portante all'interno della struttura del segnale Galileo. Memorizza e ritrasmette anche i dati di navigazione inviati dal Segmento Terrestre.
- Il segmento terrestre controlla l'intera costellazione, inclusi i servizi di navigazione e diffusione. Le parti principali del segmento terrestre sono:
- Due Centri di Controllo Terrestre (GCC)
- Una rete di Telemetria
- Stazioni di Tracking e Controllo (TT&C)
- Rete di Stazioni di Uplink della Missione (ULS)
- Rete di Stazioni Sensoriali Galileo (GSS)
- Il segmento utente è composto dai ricevitori GALILEO il cui scopo principale è tracciare le coordinate delle costellazioni satellitari e fornire servizi di sincronizzazione. Per farlo, ricevono i segnali Galileo, misurano la pseudodistanza e completano le equazioni di navigazione.
5. GLONASS
GLONASS è la versione russa del GPS che ha iniziato lo sviluppo nel 1976 sotto l'Unione Sovietica. Dall'inizio, sono state realizzate 5 versioni in totale:
- GLONASS (1982)
- GLONASS-M (2003)
- GLONASS-K (2011)
- GLONASS-K2 (2015)
- GLONASS-KM (2025 - Attualmente in fase di ricerca)
Il GLONASS assistito (A-GLONASS) ha le stesse funzioni di base con più funzionalità specifiche per gli smartphone. La navigazione step-by-step e i dati sul traffico in tempo reale sono esempi dell'utilità aggiuntiva disponibile con A-GLONASS e si basano pesantemente sulle torri cellulari per tracciare rapidamente la posizione con precisione.
Cosa differenzia il GLONASS e il GPS GNSS?
La rete GPS degli Stati Uniti utilizza 31 satelliti mentre il GLONASS ne ha 24. Il sistema GPS degli Stati Uniti è leggermente più preciso rispetto al GLONASS e opera a una frequenza più bassa. Ciò significa che il GPS fornisce una rete più forte agli utenti e non ha grandi compromessi rispetto al GLONASS. A causa della maggiore potenza della rete, il GLONASS viene generalmente utilizzato come backup del GPS quando i segnali vengono persi.