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Misure Ionosferiche con ricevitori GPS


 

Generalità sul sistema GPS

Il sistema GPS (Global Positioning System) è un sistema di radio posizionamento satellitare basato su una costellazione di 24 satelliti posti in orbita intorno alla Terra.
Questo sistema è stato sviluppato dal Ministero della Difesa degli Stati Uniti (United States Department of Defense, DOD) per le sue applicazioni militari. L’impegno economico degli Stati Uniti nello sviluppo del sistema GPS è stato enorme. Il sistema GPS, comunque, ha trovato vastissima applicazione tra gli utenti non militari e per scopi di ricerca scientifica. 

Figura 1 La costellazione di satelliti GPS è composta da 24 satelliti posti in 6 piani orbitali inclinati di 55 gradi. In ogni piano sono posti 4 statelliti che orbitano ad una quota di 20200 km.

I ricevitori GPS mobili, usati per la navigazione marittima, aerea e per il radioposizionamento terrestre, hanno per lo più un solo canale di frequenza di ricezione. Un posizionamento ottenuto con questo tipo di ricevitori è soggetto ad un errore che è la somma di diversi contributi. Questi contributi sono riassunti nella seguente tabella. I singoli valori sono soggetti a variazioni.

Contributi degli errori di posizionamento
Effetti ionosferici ± 5 m
Spostamento nelle orbite dei satelliti  ± 2.5 m
Errori dovuti agli orologi  a bordo dei satelliti ± 2 m
Effetti di multipath ± 1 m
Effetti troposferici ± 0.5 m
Errori di calcolo e di arrotondamento ± 1 m

I ricevitori GPS con due canali di frequenza di ricezione hanno il vantaggio di eliminare (al primo ordine) gli errori ionosferici. I ricevitori GPS con due canali sono usati nella geodesia, nella sorveglianza del suolo e nel monitoraggio dei movimenti della crosta terrestre.

L’effetto ionosferico sulle osservazioni con ricevitori GPS a doppia frequenza è stato usato per ricavare informazioni sulla ionosfera: dalla differenza tra le misure sulle due frequenze può essere calcolato il contenuto elettronico totale (Total Electron Content, TEC) lungo la traiettoria del segnale tra il satellite GPS e il ricevitore al suolo.
Il TEC è definito come il numero totale di elettroni nella ionosfera contenuti in un tubo ideale avente la sezione di 1 m2 collocato tra il satellite GPS e il ricevitore. Poiché la ionosfera presenta variazioni con l’ora del giorno, la stagione e l’attività solare anche il TEC presenta corrispondenti variazioni.

I ricevitori GPS a doppia frequenza possono anche essere usati per monitorare le scintillazioni ionosferiche. Esse sono delle rapide fluttuazioni in fase ed ampiezza di un segnale che è passato attraverso la ionosfera (tipicamente attraverso il canale di propagazione satellite-suolo).

Ricevitori GPS a doppio canale per monitoraggio ionosferico gestite dall’INGV.

Figura 2 L’antenna del ricevitore GPS installato sul tetto della stazione  “Dirigibile Italia”, Nyälesund, Isole Svalbard (Norvegia).

 

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