I satelliti LEO PNT (Positioning, Navigation and Timing) opereranno in orbita terrestre bassa (LEO) per fornire prestazioni di localizzazione ancora più avanzate e disponibili ovunque, grazie alla maggiore potenza e a nuove frequenze di lavoro.
La navigazione satellitare si sta avvicinando sempre di più agli utenti. In ogni senso.
L’ESA, l’Agenzia Spaziale Europea, sta infatti pianificando una dimostrazione con nuovi satelliti di navigazione che orbiteranno a poche centinaia di chilometri nello spazio, in aggiunta ai satelliti Galileo, distanti 23.222 km dalla superficie terrestre. I nuovi satelliti, denominati LEO-PNT valuteranno un nuovo approccio ai sistemi di navigazione satellitare, su più piani, per fornire servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione senza soluzione di continuità, ancora più accurati, robusti e disponibili ovunque.
Gli attuali satelliti Galileo in orbita terrestre media (MEO)
Con copertura globale, gratuiti per tutti, i sistemi GNSS (Global Navigation Satellite Systems) come l’europeo Galileo hanno già trasformato la nostra società e, grazie alla loro onnipresenza, continuano ad aumentare la loro pervasività. Nel 2021, il numero dei ricevitori satellitari ha raggiunto i 6,5 miliardi di unità in tutto il mondo, con un tasso di crescita annuale superiore al 10%.
Tuttavia, da diversi punti di vista, l’approccio GNSS standard sta raggiungendo i suoi limiti operativi e prestazionali; per migliorare ulteriormente saranno necessari modifiche sostanziali all’infrastruttura.
“Negli ultimi anni la navigazione satellitare ha consentito una vasta gamma di applicazioni, ma proprio questo successo sta spingendo verso nuove esigenze per il prossimo decennio“, osserva Lionel Ries, alla testa del team di ricerca e sviluppo GNSS Evolutions dell’ESA, che sta supervisionando gli studi LEO-PNT dell’Agenzia.
I satelliti LEO PNT opereranno in orbita terrestre bassa (LEO)
“Per casi d’uso come veicoli autonomi, navi o droni, robotica, Smart Cities o Industrial Internet of Things, i requisiti di posizionamento stanno crescendo dall’attuale scala metrica a scala centimetrica o anche più precisa, in base a segnali di grande affidabilità, disponibili ovunque e in qualsiasi momento, anche all’interno, superando interferenze o disturbi.”
“Finora la soluzione GNSS tradizionale come Galileo, situata in orbita terrestre media e basata su segnali in banda L, è stata quella su cui ci affidiamo per il nostro posizionamento. Il GNSS standard da solo non sarà in grado di soddisfare tutte le future esigenze degli utenti. L’Europa deve invece cogliere l’opportunità per studiare il potenziale del tipo di costellazioni in orbita terrestre bassa (LEO) che sono già operative nel mercato globale per abilitare nuovi tipi di servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione (PNT).”
La fisica ci insegna che una riduzione della distanza porta ad un aumento della potenza del segnale, in grado di superare le interferenze e raggiungere luoghi dove i segnali dei navigatori satellitari odierni non possono arrivare.
E adottando nuove tecniche di navigazione e una più ampia gamma di frequenze, i satelliti possono soddisfare particolari esigenze degli utenti: ad esempio a orbite più basse i satelliti stessi si muovono più rapidamente rispetto alla superficie terrestre – si pensi alla Stazione Spaziale Internazionale a 400 km che orbita attorno alla Terra ogni 90 minuti – che offre un possibile vantaggio nel tempo necessario per raggiungere posizioni molto precise. Inoltre alcune bande potrebbero offrire una maggiore penetrazione in ambienti difficili mentre altre bande potrebbero offrire maggiore robustezza e precisione.
L’ESA intende realizzare una dimostrazione in orbita di satelliti operanti in orbita bassa (LEO) per valutare i tipi di segnale, le tecnologie abilitanti e il loro potenziale per i servizi futuri.
Il piano prevede di mettere in orbita una mini-costellazione iniziale di almeno una mezza dozzina di satelliti per testare capacità e tecnologie chiave, oltre a dimostrare segnali e bande di frequenza per l’uso da parte di una costellazione operativa successiva, nello stesso modo con cui i satelliti di prova GIOVE hanno aperto la strada a Galileo. Il successo porrà l’industria europea in pole position per le imprese commerciali successive, nonché per i programmi istituzionali pianificati.
Una visione del futuro a più livelli, che si estende dalla Terra alla Luna
“Ogni singolo satellite sarebbe relativamente piccolo, con una massa inferiore a 70 kg, rispetto ai 700 kg di un satellite Galileo attuale”, aggiunge Roberto Prieto-Cerdeira, Galileo Second Generation satellite payload manager, e LEO-PNT project preparation manager all’interno del programma FutureNAV dell’ESA.
“Possono essere relativamente più snelli perché possono trarre vantaggio da altri mezzi per calcolare l’ora precisa senza orologi atomici a bordo, compresi i segnali trasmessi dai satelliti Galileo sopra di loro. Questi satelliti sarebbero anche costruiti in lotti per risparmiare tempo e costi: puntiamo a tre anni al massimo dalla firma dei contratti per i primi satelliti in orbita, lo stesso lasso di tempo impiegato per GIOVE-A all’inizio anni 2000”.
“L’ambizione dell’ESA è garantire che l’Europa mantenga un’industria spaziale di livello mondiale e la navigazione oggi costituisce il più grande settore spaziale a valle, con un valore di circa 150 miliardi di euro all’anno e una crescita del 10% all’anno“, commenta Javier Benedicto-Ruiz, ESA Director of Navigation. “Stare fermi non è un’opzione; dobbiamo invece esplorare nuove strade per stimolare la competitività dell’Europa“.
Una versione operativa della costellazione LEO-PNT offrirebbe una prospettiva completamente nuova, specie se combinata con i GNSS tradizionali e col posizionamento basato anche sulle reti terrestri 5G/6G, in una fusione con i dei sensori nei terminali degli utenti.
Interesse da parte dell’industria
L’ESA è al lavoro sui concetti fondamentali LEO-PNT dal 2016. Ora, poiché numerose costellazioni in orbita terrestre bassa stanno già prendendo forma in tutto il mondo, è il momento giusto per passare dalla ricerca di base alla dimostrazione in orbita.
Anche l’interesse dell’industria europea per il progetto LEO-PNT è sempre stato molto alto, con numerose aziende che recentemente hanno presentato nuovi concetti e possibili contributi.
LEO-PNT è supportato dal programma FutureNAV della Directorate of Navigation dell’ESA, che include anche il satellite GENESIS per misurare la forma della Terra in modo più accurato che mai, migliorando al contempo le prestazioni di posizionamento dei satelliti per la navigazione satellitare. Il programma FutureNAV, che comprende sia GENESIS che l’iniziativa ‘LEO-PNT’, sarà al centro delle decisioni alla prossima conferenza ministeriale dell’ESA nel mese di novembre.
