Progetto e collaudo di un ricevitore GPS satellitare per il satellite universitario PiCPoT

Negli ultimi decenni molti progetti di ricerca hanno puntato sulla sperimentazione
e la ricerca in campo aerospaziale. In particolare si è assistito alla nascita ed alla
realizzazione di numerosi satelliti di piccole dimensioni, destinati a molteplici
applicazioni, soprattutto per scopi didattici. Tale svolta è stata incoraggiata dalla
crescente facilità realizzativa, grazie al rapido sviluppo tecnologico di componenti
elettronici commerciali (COTS), ed in particolare dalla sostenibilità economica dei
lanci anche per Università e piccoli enti privati.
Molte Università in tutto il mondo hanno realizzato il proprio satellite e nel gennaio
del 2004 anche il Politecnico di Torino ha aderito all’iniziativa internazionale
di progettare un picosatellite universitario. Tale progetto chiamato PiCPoT, acronimo
di PIccolo Cubo del POlitecnico di Torino, è stato sviluppato da studenti,
tesisti e dottorandi sotto la supervisione di docenti di alcuni Dipartimenti dell’Ateneo,
in particolare, Ingegneria Areonautica e Spaziale, Ingegneria Elettronica e delle
Telecomunicazioni ed Ingegneria Fisica.
PiCPoT, come tutti i picosatelliti articiali, non dispone di un sistema di propulsione
autonomo, necessario nei satelliti classici per correggere l’orbita descritta o per
ridirezionare l’assetto. Pertanto, la traiettoria dell’orbita viene determinata esclusivamente
dalla sua posizione e velocità nel momento del distacco dal lanciatore
e mantenuta sotto stretto controllo dal servizio americano NORAD che, periodicamente,
rileva la posizione del satellite tramite radar rendendo disponibili le eemeridi,
da cui è possibile calcolare la posizione del satellite da inviare tramite la stazione
di terra.
La dipendenza dal servizio americano NORAD per la determinazione dell’orbita
di PiCPoT rappresenta però un limite, in quanto rende impossibile l’acquisizione
immediata della posizione del satellite, inoltre si tratta di un servizio non gestito
direttamente. Nasce, quindi, la necessità di sviluppare una valida alternativa: un
I
sistema di localizzazione GPS a bordo del satellite.
La tesi consiste nello sviluppo di un sistema di localizzazione GPS per applicazioni
spaziali da equipaggiare a bordo di PiCPoT.
Dopo una prima fase di documentazione sul sistema GPS, si è intrapresa la ricerca
di ricevitori GPS basati su componenti commerciali, adatti per l’applicazione. Tra
i numerosi ricevitori GPS presenti in commercio si è scelto di utilizzare il ricevitore
SigNaV MG5001, il quale integra il correlatore a 12 canali Zarlink GP4020, l’RF
Front-end GP2015 e l’ARM7TDMI in una struttura che possiede un’ampia RAM, indispensabile
per sviluppare applicazioni custom. Inoltre, test sperimentali dimostrano
la sua buona immunità alle radiazioni cosmiche presenti su un satellite di tipo LEO,
rendendolo il candidato ideale per PiCPoT. Tuttavia, a causa delle restrizioni imposte
dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, i ricevitori GPS costruiti per
l’esportazione devono implementare software con limiti di altezza e velocità che, una
volta superati, impediscano il calcolo della soluzione nale di navigazione. Tipicamente
tali limiti si aggirano intorno ai 18km in altezza e 514m/sec per la velocità,
sicuramente troppo stringenti per applicazioni satellitari: PiCPoT infatti orbita a
7,4546km/s ad un’altezza di 800km dalla supercie terrestre.
La tesi è sfociata, pertanto, nello studio di una possibile implementazione software
per il ricevitore GPS e, contemporaneamente nell’analisi dell’eetto Doppler
dovuto alla rivoluzione del satellite PiCPoT, principale ostacolo alla navigazione
satellitare. Inoltre, si è provveduto alla realizzazione di una piattaforma di sviluppo
per il software, comprendente un tool di sviluppo per PC ed una board di sostegno
per programmare il ricevitore GPS.
Lo studio del software per il ricevitore GPS si è aancato al progetto Open Source
GPL-GPS, il software GPS Open Source terrestre sotto licenza della GNU General
Public License. A partire da tale implementazione e sulla base delle funzionalità
del ricevitore SigNaV MG5001 si è provveduto alla stesura del sistema GPS completo
tramite descrizione UML, un linguaggio di modellazione graco molto utilizzato
nel campo dei sistemi embedded. Nel modello UML si è distinto tra Diagramma
delle Classi, che fornisce una chiara rappresentazione delle classi che compongono
il sistema ottenute per estrapolazione dal codice GPL-GPS e dai blocchi principali
costituenti il ricevitore, e Diagrammi Collaborazionali, che evidenziano le relazioni
presenti tra oggetti del ricevitore GPS ed oggetti software. Utilizzando tale modello,
la tesi è proseguita nello studio di modiche da eettuare sul rmware GPL-GPS
II
per renderlo coerente con le speciche di PiCPoT.
L’analisi ha richiesto l’ausilio di numerose simulazioni in MATLAB R
, diuso
strumento di calcolo, molto utile per valutare le soluzioni proposte atte ad arontare
i problemi di alta dinamica presenti nello spazio. In particolare, sono state prese in
considerazioni due fasi indispensabili del funzionamento del ricevitore: la ricerca ed
il tracking del segnale GPS. L’alta dinamica a bordo di PiCPoT rende inutilizzabile
l’algoritmo di ricerca del rmware terrestre, pertanto sono state proposte e valutate
diverse tipologie di ricerca bidimensionale per l’aggancio contemporaneo del codice e
della frequenza del segnale GPS.
La fase nale della tesi ha previsto lo studio di un possibile ambiente di collaudo.
Data l’impossibilità di simulare l’intero ambiente spaziale, si è scelto di emulare i
segnali provenienti dai satelliti GPS, includendo i tempi di propagazione e l’eetto
Doppler che si registra a bordo del satellite PiCPoT. Utilizzando Codesimulink,
strumento di cosimulazione integrato in MATLAB R
, si è sviluppato un emulatore
di segnale GPS che, iniettato direttamente sui pin del chipset GP4020 attraverso
un generatore di segnali, simulasse il segnale GPS ricevuto dal ricevitore a bordo di
PiCPoT. Il segnale GPS è stato ottenuto ricostruendo il messaggio di navigazione a
partire dai dati acquisiti dal ricevitore GPS per alcuni satelliti, integrando ad esso
il codice PRN dei suddetti satelliti, ottenuto implementando il generatore di codice
per ciascun satellite, e modulandolo alla frequenza di lavoro del ricevitore.
Nell’emulazione del segnale GPS è stata considerata la distanza tra i satelliti
GPS che emettono il segnale ed il ricevitore che lo riceve, utilizzandola per ricavare
l’istante temporale in cui il segnale viene emesso, diverso da quello in cui viene
ricevuto a causa del tempo di propagazione dovuto alla distanza. In tal modo si
è ottenuto una buona ricostruzione del segnale GPS, in grado di emulare l’eetto
Doppler presente nello spazio e quindi utile per valutare la bontà del rmware
implementato