Sistemi di navigazione aerea

Transcript

1 Sicurezza dei Trasporti 2016/2017 Gabriele Malavasi A cura di Marco Antognoli dalle dispense del prof. F.M.D. Accattatis 1

2 Navigazione aerea Il problema generale del moto è quello della conoscenza della propria posizione rispetto ad un riferimento fisso (generalmente non inerziale perché si prende come riferimento la Terra). Per la navigazione aerea in particolare è necessario conoscere il punto di posizione, proiezione dell'aeromobile sulla superficie della terra e la posizione (quota) sulla verticale passante per tale punto.

3 Sistemi di Navigazione aerea Sistemi che determinano la posizione attuale come estrapolazione di una posizione precedente: - navigazione a stima - navigazione inerziale - navigazione doppler Sistemi che consentono di determinare la posizione attuale senza riferimento alle posizioni precedenti: - pilotaggio - astronavigazione - radionavigazione

4 Sistemi di Navigazione aerea Pilotaggio. Il sistema di navigazione più elementare ed immediato è il volo a vista: il pilota conduce l'aeromobile da un punto all'altro mediante l'osservazione diretta di punti di riferimento sulla superficie terrestre, noti o riconoscibili attraverso l'ausilio di carte nautiche. Navigazione a stima. La posizione è determinata sulla carta tenendo conto della velocità e della rotta seguita nel tempo a partire da una posizione sicuramente nota. E' chiaro che occorre avere, ad intervalli opportuni, una verifica della validità della posizione stimata confrontandola con posizioni determinabili con precisione. Astronavigazione. La posizione è determinata mediante l'osservazione dei corpi celesti e l'individuazione delle coordinate relative fra corpo celeste e veicolo. Naturalmente è necessario conoscere le effemeridi, cioè le coordinate di questi corpi celesti rispetto alla Terra e come esse variano nel tempo.

5 Sistemi di Navigazione aerea Sistemi moderni di aeronavigazione. Con l incremento della velocità e della quota è sorto il bisogno di comprimere i tempi di elaborazione dei dati oltre alla necessità di elevate precisioni in relazione anche all'affollamento sempre più accentuato delle vie aeree. I sistemi moderni di navigazione aerea sono costituiti dai sistemi di: - navigazione inerziale - navigazione doppler - radionavigazione

6 Navigazione Inerziale Il sistema di navigazione inerziale si fonda sulla misura della accelerazione nel tempo, nelle sue tre componenti spaziali. Attraverso una prima integrazione nel tempo della funzione accelerazione si può determinare la funzione velocità nelle sue tre componenti e successivamente, attraverso una ulteriore integrazione nel tempo, la funzione spazio percorso sempre nelle sue tre componenti.

7 Navigazione Inerziale vantaggi - indicare in maniera istantanea e continua la posizione e la velocità effettiva,; - di essere un sistema autonomo, che non irradia né deve prelevare energia dall'esterno e quindi non può essere disturbato dall'esterno. - di poter essere usato sempre e dovunque senza bisogno di stazioni a terra. - di fornire informazioni sostanzialmente indipendenti dalle manovre del velivolo. - di fornire in maniera accurata azimuth, direzione della verticale, posizione e velocità rispetto al suolo. svantaggi - avere notevoli difficoltà di manutenzione. - di perdere di precisione per quanto riguarda la posizione e la velocità con il passare del tempo, man mano che ci si allontana cioè dalle condizioni iniziali di integrazione, in quanto gli errori di misura e di elaborazione si sommano con l'integrazione nel tempo. Ad esempio, su un percorso di 6000 km, quale può essere una traversata dell'oceano Atlantico, l'imprecisione finale all'arrivo può essere di 8 km. - di richiedere un allineamento iniziale prima della partenza, con conoscenza della posizione iniziale. - essere un sistema costoso.

8 Radionavigazione La radionavigazione sfrutta la propagazione di segnali radio. Essa richiede strumenti al suolo ed a bordo, di diversa, affidabilità, precisione e portata, che consentono di conoscere direzione e senso di provenienza di un segnale elettromagnetico e di stabilire la posizione del veicolo, aeromobile o nave che esso sia. L affidabilità di un sistema di radionavigazione si può aumentare o con l uso di più radioaiuti per la stessa funzione (ridondanza complementare) o duplicando alcuni componenti del sistema particolarmente delicati (ridondanza in parallelo). S I sistemi di radionavigazione possono essere classificati in funzione della portata, cioè della distanza alla quale il segnale emesso può essere utilmente ricevuto

9 Radionavigazione

10 Sistemi satellitari La navigazione per mezzo dei satelliti è un perfezionamento della navigazione astronomica, con il vantaggio che può essere utilizzata in qualunque ora del giorno e indipendentemente dalle condizioni atmosferiche. Per conoscere la propria posizione rispetto alla Terra è necessario stabilire la posizione reciproca veicolo satellite e conoscere la posizione del satellite rispetto alla Terra (effemeridi). Con riferimento ad un sistema piano bidimensionale, costituito da un satellite S, una nave N ed una stazione di terra T. La stazione di terra invia un segnale al satellite che lo rinvia a sua volta verso la nave. La distanza TS è nota (costituisce l effemeridi del satellite). La distanza NS può essere determinata conoscendo l istante di emissione del segnale t dalla stazione di terra e quello t di ricevimento a bordo. La conoscenza precisa di tali tempi richiede la presenza sia a bordo che a terra di un orologio atomico. Per evitare la presenza a bordo del costoso orologio atomico, il segnale inviato dalla stazione di terra alla nave tramite il satellite è rinviato alla stazione di terra dalla nave tramite il percorso inverso.

11 Sistema GPS Il principio di funzionamento del sistema GPS è quello di misurare la distanza del punto P (fisso o mobile) di cui si vuole conoscere la posizione da un certo numero di satelliti. Ciascun satellite trasmette ad intervalli regolari un messaggio. Pertanto per conoscere le tre coordinate del punto P occorre considerare l intersezione di almeno tre superfici sferiche con centro ciascuna in un satellite diverso che hanno il punto P in comune. Perché il sistema sia veramente globale occorre che in ogni parte del mondo ed in ogni istante siano sempre visibili almeno 4 satelliti, perciò questi sistemi satellitari si compongono di più satelliti su opportune orbite. I satelliti periodicamente devono essere sostituiti al termine della loro vita utile, stimata in 5 anni, anche se alcuni satelliti del sistema GPS erano ancora attivi dopo 9 anni.

12 Sistemi satellitari

13 Sistemi a breve e corto raggio Radiogoniometro (DF = Direction Finder). E stato il primo radio aiuto alla navigazione aerea ed è ancora usato (nella sua versione automatica) nelle zone del globo dove non sono usati ancora i sistemi più moderni. Ogni stazione radio a terra può essere infatti usata dal sistema ricevente di bordo come punto di riferimento. La semplicità dell apparecchiatura, però, si accoppia con la sua scarsa precisione. Radiosentieri (LFR = Low Frequency Range). E storicamente uno dei primi radioaiuti da terra realizzati proprio per l aviazione e richiede a bordo solo una radio ricevente. Oggi è soppiantato da altri sistemi.

14 Sistemi a breve e corto raggio V.O.R. (Very High Frequency Omnidirectional Range). I radiosentieri a bassa frequenza avevano i seguenti inconvenienti: - incertezze dovute al meccanismo di propagazione delle basse e medie frequenze (sensibili ai disturbi atmosferici) - solo quattro rotte individuabili - i voli a quote sempre più alte possono utilizzare i collegamenti ad onda diretta fino a distanze di centinaia di chilometri. Si passò così alla banda VHF per un radiosentiero ad alta frequenza (100 MHz) detto VOR, introdotto nel Con questo sistema si possono fornire al pilota infiniti sentieri radiali, con una indicazione visiva della fase che caratterizza ciascun sentiero rispetto ad una direzione di riferimento, per esempio il Nord magnetico. Il segnale ha la frequenza portante nel campo VHF ed è costituito da un segnale a bassa frequenza la cui fase in ricezione dipende dall angolo che la direzione di provenienza del segnale fa con la direzione di riferimento. Così a bordo arriva un informazione angolare che va messa insieme con quella indicata dalla bussola

15 Sistema ILS (Instrumental Landing System) E una radio assistenza per atterraggio e decollo con trasmettitori a terra e ricevitori a bordo. Non c è quindi bisogno dell operatore a terra, ma questa volta è il pilota ad avere direttamente l informazione sulla posizione dell aereo rispetto al corretto sentiero di discesa e a dover provvedere direttamente ovvero l informazione può essere trasferita al pilota automatico. Viene materializzata una traiettoria ottima di discesa attraverso l intersezione di due campi magnetici, uno giacente su un piano verticale comprendente l asse della pista e l altro su un piano pseudo-orizzontale, inclinato con la pendenza della corretta traiettoria di discesa. Completano il sistema due marker, radiofari ad emissione verticale posti a terra sulla traiettoria di discesa l uno alla distanza di 7200 m dalla soglia della pista (OM: Outer Marker o Marker esterno) e l altro alla distanza di 1500 m dalla soglia della pista (MM: Middle Marker o Marker intermedio).

16 Instrumental Landing System

17 Sistema MLS (Microwawe Landing System) E un perfezionamento dell ILS, che consente una maggiore flessibilità nel definire il sentiero di discesa sia planimetricamente che altimetricamente in quanto è maggiore il volume di copertura del segnale, sia planimetricamente che altimetricamente. Consente pertanto di realizzare traiettorie di discesa inclinate rispetto all asse della pista, che consentono di adeguarsi meglio alla conformazione orografica del terreno. Il pilota seleziona una fra le possibili traiettorie di discesa previste per la pista ed il sistema consente di confrontare la posizione istantanea dell aereo con quella teorica della rotta corretta.

18 Sistema MLS (Microwawe Landing System)

19 Servizi per la navigazione aerea Lo spazio aereo è comune sia al traffico aereo generale, civile e militare, che segue le procedure internazionali dell ICAO, sia al traffico aereo operativo, cioè esclusivamente militare, che non segue le procedure ICAO. In Italia si occupa del traffico aereo generale l Ente Nazionale di Assistenza al Volo (ENAV), mentre per il traffico operativo se ne occupa l Aeronautica Militare Italiana (AMI).

20 Servizi per la Navigazione aerea Tabella 6 I servizi per la navigazione aerea Air Navigation Services ANS Air Traffic Control Service ATCS Air Traffic Service Flight Information Service FIS ATS Alerting Service ALS Meteorological Service MET Search and Rescue Service SAR Fixed Service Telecommunication Mobile Service Service TLC Radio/Radar Navigation Service Broadcasting Service Aeronautical Information Service AIS

21 Suddivisione dello spazio aereo Lo spazio aereo italiano è suddiviso in tre volumi detti FIR (Flight Information Region). Tali volumi si estendono in quota fino a circa 6 km (FL 195) e sono gestiti da un FIC (Flight Information Center). Le FIR sono: - Nord (Milano, gestita da due FIC: Milano e Padova) che comprende due ACC: Milano ACC (area control center)(parte ovest) e Padova ACC (parte est) - SudOvest (gestita dal FIC di Roma) con l unico ACC di Roma - SudEst (gestita dal FIC di Brindisi) con l unico ACC di Brindisi Sopra le FIR si ha la corrispondente UIR (Upper Information Region), che si estende fino a FL 460 (circa 14 km).

22 Suddivisione dello spazio aereo FIR Flight Information Region

23 Regimi di volo Seguendo le procedure ICAO, i voli possono essere effettuati secondo le regole del volo a vista (VFR = Visual Flight Rules) o del volo strumentale (IFR = Instrumental Flight Rules). Nel primo caso il volo si svolge sostanzialmente in spazi non controllati, con una navigazione basata sul riconoscimento dei luoghi sorvolati, in idonee condizioni meteorologiche di visibilità (VMC = Visual Meteorological Condition), con minimi prestabiliti di visibilità e distanza dalle nubi. Negli spazi aerei non controllati gli aeromobili ricevono soltanto informazioni utili per il volo, ma non sono soggetti ad un servizio di controllo. Nel secondo caso (IFR) il volo è normalmente condotto in spazi controllati. Può svolgersi in sicurezza anche con scarsa o nulla visibilità. Nel volo IFR il compito di prevenire le collisioni è affidato ad un agente esterno e non a regole generiche di comportamento (cfr. il caso stradale) come nel volo VFR.

24 Classificazione degli spazi aerei Gli spazi aerei secondo l ICAO (1992) sono classificati in sette classi individuate da una lettera, da A a G. Ogni classe si distingue per i servizi che vengono offerti, diversi in generale per i voli IFR e per quelli VFR. Le prime cinque classi (da A ad E) comprendono spazi aerei controllati, mentre le ultime due classi F e G comprendono spazi aerei assistiti. La classe A è riservata esclusivamente ad i voli IFR, mentre le classi da B a G possono riguardare sia voli IFR che voli VFR.

25 Spazi aerei VFR Visual Flight Rules (only classes B-G) IFR Instrumental Flight Rules Classification Classes A-E: controlled airspace with different characteristics Classes F-G: uncontrolled airspace Each controlled airspace has its own control centre which monitors traffic (radar) and radio communications with aircraft.

26 Classificazione degli spazi aerei Lo spazio aereo è suddiviso inoltre per le modalità con cui è realizzato il servizio di controllo. Con riferimento ad un aeroporto si ha, allontanandosi da esso: - ATZ (Aerodrome Traffic Zone: Zona di Controllo Aeroportuale), che comprende il volume sovrastante l aeroporto e quello immediatamente circostante. - CTR (Control Zone: Zona di Controllo): volumi sovrastanti uno o più ATZ che fanno parte di un medesimo sistema aeroportuale. - CTA (Control Area) le quali a seconda del tipo di traffico che si svolge al suo interno si distinguono a loro volta in: - TMA (Terminal Manoevring Area: Area Terminale di Manovra): volume sovrastante uno o più CTR relativi a sistemi aeroportuali interferenti dal punto di vista del traffico e delle mutue distanze. Per esempio il TMA di Milano comprende anche Torino e Genova. La TMA fa capo all ACC (Area Control Center). - AWY (Airways = Aerovia): sono corridoi aerei che collegano fra loro le TMA o, più generalmente, punti fissi dello spazio aereo. Fanno parte dello spazio controllato anche le tratte di raccordo fra aeroporti ed aerovie, che sono le: - SID (Standard Instrumental Departure: le rotte standard strumentali di partenza) - STAR (Standard Arrival Procedure: le rotte standard strumentali di arrivo).

27 Classificazione degli spazi aerei AWY Airway ATZ Airport Terminal Zone CTR Control zone TMA Terminal Manoeuvring Area

28 Aerovie Le aerovie sono volumi che hanno di norma larghezza pari a 10 miglia nautiche (NM) e sono verticalmente suddivise in livelli di volo (FL = Flight Level), corrispondenti numericamente alla quota espressa in centinaia di piedi, così intervallati: - dal livello 40 (corrispondente a 4000 piedi sul livello del mare) al livello 250 (corrispondente a piedi sul livello del mare) vi è un intervallo di 500 piedi fra un livello ed il successivo; - dal livello 250 al livello 290 (corrispondente a piedi sul livello del mare) vi è un intervallo di 1000 piedi fra un livello ed il successivo; - dal livello 290 al livello 390 (corrispondente a piedi sul livello del mare) vi è un intervallo di 2000 piedi fra un livello ed il successivo. Quindi vi sono aerovie inferiori (AWY, al di sotto dei 6000 m) ed aerovie superiori (UWY), al di sopra dei 6000 m.

29 Aerovie livelli di volo Flight Levels FL Actual altitude in ft above 1013,25 hpa isobar

30 Fasi di volo

31 Riepilogo dei principi ispiratori della navigazione aerea 1/5 Il problema del volo dell aeromobile isolato è la conoscenza con continuità della propria posizione tridimensionale: ciò costituisce quella che si può chiamare la dimensione individuale del volo. Tale conoscenza può avvenire attraverso i tradizionali metodi della navigazione a vista, supportati da strumenti di bordo per la misura delle grandezze fisiche necessarie (quali l altimetro e la bussola), o attraverso opportuni sistemi di navigazione che possono essere di tipo autonomo (apparecchiature di bordo che non hanno bisogno di scambiare informazioni con postazioni esterne, quali le apparecchiature per la navigazione inerziale salvo l iniziale precisazione dell origine del moto) o di tipo dipendente (da stazioni esterne con le quali vi è uno scambio mono o bidirezionale di informazioni tramite segnali radioelettrici).

32 Riepilogo dei principi ispiratori della navigazione aerea 2/5 Quando un aeromobile vola in presenza di altri aeromobili esso deve mettere a confronto la rotta del proprio aeromobile con la rotta degli altri aeromobili potenzialmente interferenti e quindi non occorre solo conoscere la propria posizione istantanea e la posizione istantanea degli altri aeromobili, ma anche come tale posizione evolverà nel tempo. Perché possa essere fatta una sufficiente previsione della traiettoria di un aeromobile nell immediato futuro, esistono delle regole di comportamento individuale da rispettare che vanno sotto il nome di regole generali del volo. Quando un pilota deve destreggiarsi autonomamente nel traffico vige il principio di vedere ed essere visti: il pilota è responsabile della sicurezza riguardo le collisioni con altri aeromobili.

33 Riepilogo dei principi ispiratori della navigazione aerea 3/5 Quando vengono meno le condizioni meteo ovvero il traffico è troppo intenso, decadono le regole del volo a vista VFR e si deve passare alle regole del volo strumentale IFR, cioè la regolarità e la sicurezza del volo nei confronti della collisione con altri aeromobili sono demandate al personale di terra, che deve essere in grado di conoscere la posizione istantanea e di valutarne la progressione temporale per tutti gli aeromobili potenzialmente in situazione di conflitto. Questo comporta la definizione di rotte prestabilite che gli aeromobili devono percorrere che in realtà diventano dei canali tridimensionali più o meno stretti (le aerovie, caratterizzate da una quota di volo e da una direzione di volo).

34 Riepilogo dei principi ispiratori della navigazione aerea 4/5 Quando è stato introdotto il radar, i controllori hanno avuto uno strumento di misura della posizione dell aeromobile non dipendente dal pilota, più preciso, che ha reso possibile ridurre alcune separazioni e questo ha portato ad un aumento di capacità. Il passo ulteriore è stata l introduzione del radar secondario, che interroga ciascun aeromobile che in maniera automatica tramite il trasponder comunica sia i dati di volo che di identificazione dell aeromobile, consentendo un ulteriore miglioramento della capacità a causa dell aumentata precisione di informazione.

35 Riepilogo dei principi ispiratori della navigazione aerea 5/5 La numerosità delle rotte possibili e quindi la capacità dello spazio aereo è quindi in relazione ai livelli di volo previsti in una aerovia ed alla presenza dei VOR necessari a segmentare i percorsi, in quanto in generale la traiettoria di volo fra due aeroporti difficilmente sarà realizzata da un unico arco tra un VOR iniziale ed un VOR finale ma risulterà composta da un insieme di archi che formano una spezzata con i vertici nei vari VOR o comunque punti fissi di riferimento presenti. Un miglioramento a questa situazione, soprattutto per le zone in cui non è possibile installare postazioni fisse, è quella offerta dalla cosiddetta navigazione d area (R-NAV), che sfrutta la possibilità di creare col calcolatore di bordo dei punti virtuali di riferimento (Way-point) dai quali o verso i quali creare i segmenti di rotta

36 Nuove prospettive del volo strumentale La possibilità di un ulteriore miglioramento nella capacità dello spazio aereo risiede in un cambiamento di prospettiva: dal volo su rotte discrete, legate a punti fissi reali o virtuali, al volo che può attraversare tutto lo spazio aereo senza altri vincoli che non siano quelli di evitare le collisioni tra gli aeromobili presenti in una certa zona. destreggiarsi autonomamente tra un aereo e l altro con l obiettivo di seguire magari la rotta più breve o comunque più conveniente. Ciò sarà possibile quando ciascun pilota potrà essere a conoscenza, quindi vedere ed essere visto sia pure con occhi elettronici, della sua posizione in relazione alla posizione degli altri aeromobili e ciascun aeromobile sarà individuabile non solo attraverso la sua immagine

37 Nuove prospettive del volo strumentale E questo il principio del FREE FLIGHT verso il quale si sta orientando l ICAO per aumentare la capacità dello spazio aereo e ridurre il carico di lavoro dei controllori di volo i quali non saranno più in prima persona i soli responsabili della sicurezza del volo, che invece in prima persona sarà affidata ai singoli piloti.

38 Nuove prospettive del volo strumentale La premessa perché possa realizzarsi un tale obiettivo è la realizzazione del volo RNP (Required Navigation Performance). RNP è un tipo di navigazione basata sulla prestazione (PBN = Performance Based Navigation) che permette ad un aeromobile di volare su una determinata rotta fra due punti dello spazio definiti in tre dimensioni. I sistemi di navigazione RNAV e RNP sono fondamentalmente simili. La differenza fra i due è la presenza a bordo di una prestazione di monitoraggio e di allerta. Una specificazione di navigazione di questo tipo viene detta specificazione RNP. In mancanza di tale requisito si parla di specificazione RNAV (in quanto la sicurezza contro le collisioni e l allerta conseguente è demandata a dispositivi di terra).

39 Sistemi di navigazione - confronto NEXT GEN project in the USA SESAR project in Europe