Richiami sulle radiofrequenze

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1 RADIO-NAVIGAZIONE In questa lezione vengono presentate sinteticamente le funzionalità ed i principi di funzionamento di una serie di impianti per la navigazione aerea che basano il loro funzionamento su segnali in radiofrequenza. Richiami sulle radiofrequenze Nella nostra breve lezione richiameremo brevemente i concetti di base di radiopropagazione, trasmissione e ricezione di segnali radio e di modulazione del segnale. Tutte le comunicazioni radio vengono effettuate con appositi apparati (trasmettitori e ricevitori). All interno di questi apparati ci sono diversi componenti elettronici che generano segnali elettromagnetici su frequenze ben definite. L oscillatore del trasmettitore, genera una portante, cioè un segnale in grado di portare delle informazioni. Tale portante può essere opportunamente modificata con un modulatore. La portante modulata può quindi contenere informazioni quali voce e dati. Per ricevere queste informazioni occorre un ricevitore il quale è in grado di sintonizzarsi sulla stazione trasmittente, e decodificare i segnali. Lo spettro delle frequenze radio è suddiviso in 9 bande, a ciascuna delle quali è stata attribuita una gamma di frequenza come da tabella. Nella tabella che segue sono riportati i Frequency Range riservati a vari sistemi di trasmissione in radiofrequenza, e si possono evidenziare le molteplici applicazioni tra cui trasmissioni di comunicazioni, radio altimetri, sistemi terrestri e satellitari di assistenza alla navigazione, ecc Si tratta di applicazioni che trovano ampia utilizzazione in tutti i campi della comunicazione e navigazione, quindi non solo aeronautica. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 1 di 29

2 Nelle brevi note che seguono sono richiamati alcuni fondamenti dei sistemi di Radiocomunicazioni. Emissione di onde radio La radiazione elettromagnetica è la forma di energia associata all'interazione elettromagnetica, responsabile della propagazione nello spazio-tempo del campo elettromagnetico sotto forma di onde elettromagnetiche. Si tratta di un fenomeno ondulatorio dato dalla propagazione in fase del campo elettrico e del campo magnetico, oscillanti in piani tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazione. Tale fenomeno è descritto matematicamente come soluzione dell'equazione delle onde, a sua volta ottenuta dalle equazioni di Maxwell secondo la teoria dell'elettrodinamica classica. In telecomunicazioni un'antenna è un dispositivo atto a irradiare o a captare/ricevere onde elettromagnetiche. In pratica le antenne trasducono il campo elettromagnetico che ricevono in un segnale elettrico, oppure viceversa irradiano, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico con il quale vengono alimentate, facendo dunque da interfaccia tra il canale radio e la parte elettronica di ricetrasmissione. Il diagramma di radiazione di un'antenna è un diagramma dell'intensità di campo delle onde radio emesse dall'antenna a diversi angoli. È tipicamente rappresentato da un grafico tridimensionale, o dal diagramma polare delle sezioni orizzontali e verticali trasversali. Il diagramma di propagazione di un'antenna isotropica ideale, che irradia in tutte le direzioni, sarebbe simile a una sfera. Molte antenne non direzionali, come monopoli e dipoli, emettono potenza uguale nel piano ortogonale all asse del dipolo, mentre la potenza decade al crescere dell angolo, questo modello di radiazione ha la forma di un toro. Il diagramma di radiazione di molte antenne mostra diversi massimi o "lobi" a varie angolazioni, separati da "nulli", angoli dove la radiazione scende a zero. Questo perché le onde radio emesse da RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 2 di 29

3 diverse parti dell'antenna possono interferire, causando dei massimi ad angoli dove le onde radio si sommano e degli zeri ad angoli dove le onde radio si annullano. In un antenna direzionale, progettata per proiettare onde radio in una direzione particolare, il lobo in quella direzione è progettato in modo di essere più grande degli altri e si chiama "lobo principale". Gli altri lobi rappresentano in genere le radiazioni indesiderate e sono chiamati "lobi laterali". L'asse attraverso il lobo principale si chiama "asse principale. L'antenna risente inoltre della posizione della sua installazione e della presenza di oggetti nelle sue vicinanze: Tipicamente un'antenna per comunicazioni velivolo-terra dovrà essere posta nella parte inferiore del velivolo. Oltre alla forma e costruzione dell'antenna è quindi fondamentale la sua installazione, che può essere studiata teoricamente, ma deve essere comunque ottimizzata in fase di messa a punto del velivolo durante le prove di volo. Le antenne UHF sono comunemente usate per i transponder e DME e si trovano sul fondo del velivolo. Esse sono lunghe circa quattro centimetri, e la stessa antenna viene spesso usata per RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 3 di 29

4 entrambi i sistemi perché la frequenza transponder è al centro della banda di frequenze DME. Due tipi di antenna sono comunemente usati, spike e blade. La spike deve essere utilizzato solo per i transponder, perché la lunghezza dell'antenna è sintonizzata su un unica frequenza. Le antenne spike sono inclini a incrostazioni che riducono il raggio di trasmissione. Spesso la pulizia di un antenna permette di raddoppiare la sua distanza di trasmissione. I portelloni del carrello d atterraggio spesso alloggiano queste piccole antenne L'antenna a lama è invece un'antenna a banda larga perché è adatta per una gamma di frequenze DME. Le antenne a lama sono da preferire perché il diagramma di radiazione è migliore ed è meno probabile che la formazione di ghiaccio possa romperle. Le antenne blade sono suscettibili di delaminazione, che tende a desintonizzare la risposta in frequenza e a distorcere il segnale trasmesso. La Ionosfera e la riflessione delle onde Quando le onde radio colpiscono una superficie, tale superficie può rifletterle nella stessa maniera delle onde luminose. Onde radio di tutte le frequenze sono riflesse dalla superficie della terra. Le caratteristiche dell'onda riflessa dipendono da diversi parametri quali ad esempio l'angolo tra il raggio incidente e l orizzontale, il tipo di polarizzazione, la frequenza, e le proprietà della superficie, A una minor frequenza delle onde corrisponde una loro maggiore capacità di penetrazione. A frequenze molto basse, i segnali radio possono essere ricevuti ad una certa distanza al di sotto della superficie del mare. Un cambiamento di fase occorre quando un'onda viene riflessa dalla superficie della terra. La variazione della fase cambia in rapporto alla conducibilità della terra e alla polarizzazione dell'onda, raggiungendo un massimo di 180 per un'onda polarizzata orizzontalmente riflessa dall acqua di mare. Quando onde dirette e onde riflesse arrivano a un ricevitore, il segnale totale è la somma vettoriale dei due. Se i segnali sono in fase, si rafforzano a vicenda, producendo un segnale più forte. Se vi è una differenza di fase, i segnali tendono ad annullarsi reciprocamente, essendo la cancellazione completa se la differenza di fase è 180 e i due segnali hanno la stessa ampiezza. Questa interazione è chiamata interferenza. e può verificarsi a causa del cambiamento di fase di un'onda riflessa, o perché un onda ha seguito un percorso diverso rispetto all onda diretta. Il secondo effetto diminuisce con l aumentare della distanza tra trasmettitore e ricevitore, in queste condizioni infatti la differenza relativa di lunghezza del percorso è minore. A frequenze più basse non esiste una soluzione pratica ai disturbi causati in questo modo. Per VHF e frequenze più alte, la condizione può essere migliorata elevando l'antenna, se l'onda è RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 4 di 29

5 polarizzata verticalmente. Inoltre, le interferenze a frequenze più elevate possono essere ridotte grazie alla maggiore facilità di irradiare il segnale in fasci direzionali, purtroppo tale soluzione non è sempre disponibile per i sistemi di navigazione aerea. Varie superfici riflettenti esistono nell'atmosfera, alle alte frequenze le riflessioni possono essere legate alla pioggia, a frequenze ancora più elevate le riflessioni possono essere legate alle nubi, Riflessioni possono anche verificarsi in presenza di una superficie di confine ben definita tra le masse d'aria, come quando aria calda e umida scorre sopra aria fredda e secca. Quando tale superficie è approssimativamente parallela alla superficie della terra, le onde radio possono viaggiare per distanze maggiori rispetto alle condizioni normali. Ma la fonte principale di riflessione delle onde radio è la ionosfera. Poiché un atomo normalmente ha un numero pari di elettroni a carica negativa e protoni caricati positivamente, è elettricamente neutro. Uno ione è un atomo o gruppo di atomi che sono diventati elettricamente carichi, positivamente o negativamente, a causa della perdita o del guadagno di uno o più elettroni. La perdita di elettroni può verificarsi in una varietà di modi. Nell'atmosfera, gli ioni sono di solito formati dalla collisione di atomi con particelle in rapido movimento, o per l'azione dei raggi cosmici o luce ultravioletta. Nella parte inferiore dell'atmosfera, la ricombinazione si verifica subito, lasciando una piccola percentuale di ioni. Nella parte sottile dell atmosfera, molto al di sopra della superficie della terra, tuttavia, gli atomi sono ampiamente distanziati e un gran numero di ioni può essere presente. La regione in cui esistono numerosi ioni positivi è chiamata ionosfera. L'entità della ionizzazione dipende dai tipi di atomi presenti nell'atmosfera, dalla densità dell'atmosfera, e dalla posizione relativa al Sole (ora del giorno e della stagione). Dopo il tramonto, ioni ed elettroni si ricombinano più velocemente, diminuendo la ionizzazione dell'atmosfera. Un elettrone può essere separato dal suo atomo solo con l'applicazione di energia superiore a quella che lo tiene legato. Poiché l'energia dell'elettrone dipende principalmente dal tipo di un RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 5 di 29

6 atomo di cui è parte, e la sua posizione rispetto al nucleo dell'atomo, diversi tipi di radiazioni possono provocare la ionizzazione di sostanze differenti. Nelle regioni più periferiche dell'atmosfera, la densità è così bassa che l'ossigeno esiste per lo più sotto forma di atomi separati, piuttosto che sotto forma di molecole come avviene vicino alla superficie della terra. A grandi altezze il livello della radiazione solare è intenso. Questo strato è noto come strato F. Sopra questo livello la ionizzazione diminuisce a causa della mancanza di atomi che possono essere ionizzati. Sotto questo livello diminuisce perché l energia ionizzante è già stata assorbita. Durante il giorno, due livelli di ionizzazione massima F possono essere rilevati, lo strato F2 a circa 125 miglia terrestri sopra la superficie della terra, e lo strato F1 a circa 90 miglia. Di notte, si combinano per formare un singolo strato F. Ad una altezza di circa 60 miglia terrestri, la radiazione solare non assorbita dallo strato di F, per la prima volta incontra un gran numero di molecole di ossigeno. Una nuovo massimo di ionizzazione si presenta, noto come strato E. L'altezza di questo strato è abbastanza costante, in contrasto con lo strato F fluttuante. Di notte lo strato E diventa più debole di due ordini di grandezza. Sotto lo strato E, una debole ionizzazione forma lo strato D ad un'altezza di circa 45 miglia terrestri, in cui la radiazione incontra l'ozono per la prima volta. Lo strato D è la principale fonte di assorbimento di onde ad alta frequenza, e di riflessione delle onde LF e VLF durante la luce del giorno. Quando un'onda radio incontra una particella con una carica elettrica, essa viene indotta a vibrare. La particella vibrante assorbe energia elettromagnetica dal segnale radio e la re-irradia. L'effetto netto è una variazione di polarizzazione ed un alterazione del percorso dell'onda. La porzione di onda nella regione più fortemente ionizzata viaggia più velocemente, causando un inclinazione del fronte d'onda che si rivolge verso una regione di ionizzazione meno intensa. Dall esempio in figura in cui si schematizza un solo strato della ionosfera si nota che: Il Raggio 1 entra nella ionosfera a un angolo tale che il suo percorso è alterato, ma passa attraverso e procede verso l'esterno nello spazio. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 6 di 29

7 Mentre il raggio diventa più orizzontale aumenta l effetto di riflessione e si raggiunge un valore critico quando il raggio 2 è riflesso indietro verso la terra. Se l angolo diminuisce ancora, come per il raggio 3, il ritorno a terra avviene ad una distanza maggiore dal trasmettitore. Un'onda che raggiunge un ricevitore attraverso la ionosfera è chiamata Skywave. Questa espressione è propriamente applicata ad un'onda riflessa da un confine di masse d'aria. Nell'uso comune, tuttavia, è generalmente associata anche con la riflessione ionosferica. L'onda che viaggia lungo la superficie della terra è chiamata onda di terra. Ad angoli superiori all'angolo critico, nessun segnale viene ricevuto tramite Skywave. Pertanto, vi è una distanza minima dal trasmettitore al quale le skywaves possono essere ricevute. Questa distanza è chiamata la skip distance Se l'onda di terra si estende per minore distanza rispetto alla skip distance, appare una zona di salto dove nessun segnale viene ricevuto. L'angolo di radiazione critico dipende dall'intensità della ionizzazione, e dalla frequenza delle onde radio. All'aumentare della frequenza, l'angolo critico diventa più piccolo. A frequenze superiori a circa 30 MHz praticamente tutta l'energia penetra attraverso o viene assorbito dalla ionosfera. Pertanto, in qualsiasi ricevitore basato su skywaves vi è una frequenza massima utilizzabile. Vi è anche una frequenza inferiore pratica oltre il quale i segnali non sono utilizzabili. La banda di frequenza ottimale per dare i risultati migliori non può essere troppo vicina alla frequenza massima utilizzabile, perché questa frequenza fluttua con i cambiamenti di intensità all'interno della ionosfera. Ad esempio durante le tempeste magnetiche la densità della ionosfera diminuisce. In concomitanza con tali eventi la frequenza massima utilizzabile diminuisce e la minima utilizzabile aumenta. La banda di frequenze utilizzabile è quindi ridotta. In condizioni estreme, può scomparire completamente, isolando il ricevitore e causando un blackout radio. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 7 di 29

8 Modulazioni del segnale e digitalizzazione I tre parametri chiave di un onda sinusoidale sono l ampiezza, la fase e la frequenza, questi possono essere modificati in accordo all informazione a bassa frequenza da trasmettere per ottenere il segnale modulato. La modulazione è necessaria essenzialmente a causa dell occupazione di banda e delle dimensioni dell antenna. Esistono due tipi di modulazione della portante, la modulazione analogica sia in frequenza che in ampiezza e la modulazione digitale sia in ampiezza che in frequenza e fase. Questi tipi di modulazione sono schematizzati nelle figure successive in cui è riportata la portante, il segnale modulante e l onda risultante. Modulazione analogica AM ed FM RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 8 di 29

9 modulazione digitale ASK, FSK, PSK Un segnale discretizzato viene rappresentato non come continuo ma attraverso opportuni livelli come mostrato in figura. Tali livelli possono poi essere digitalizzati semplicemente rappresentandoli nel sistema binari come serie di 1 e 0. La trasmissione digitale è: - Meno suscettibile agli errori - Facile da rigenerare - Ha la possibilità di applicare algoritmi di controllo Per discretizzare un segnale è necessario definire un intervallo di campionamento, a tal fine ci aiuta il Criterio di campionamento di Nyquist-Shannon: Sotto opportune ipotesi, in una conversione analogico-digitale la minima frequenza di campionamento necessaria per evitare ambiguità e perdita di informazione nella ricostruzione del segnale analogico originario (ovvero nella riconversione digitale-analogica) con larghezza di banda finita e nota è pari al doppio della sua frequenza massima. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 9 di 29

10 Un esempio di segnale campionato è quello in figura. L accuratezza deriva dal numero di bit che associo ad ogni campione con un numero M di livelli dove M=2n livelli (n numero di bit).l accuratezza si ottiene da Acc=(range/M)/2. L Accuratezza incide su numero di bit a campione, La Frequenza di campionamento incide su numero di campioni al secondo: Bit rate = (n campioni / sec) *(bit/campione) = n bit/sec Es: 50 tensioni, 50 temperature, 1 volta ogni 10 secondi con accuratezza 1,5 %, calcola bitrate. Valore max =100, se uso 5 bit ottengo 25 livelli=32 da cui 100/32= circa 3, acc=3/2=1,5 OK! Bitrate = (100 camp/10sec)*(5bit/campione)=50 bit/s Generalità dei sistemi di radiocomunicazione Un Sistema di Radiocomunicazione o Radiocollegamento è essenzialmente composto da: - canale trasmissivo che comprende oltre alla tratta radio anche l'emettitore e il Ricevitore, - antenne (emittente e ricevente), - MODEM cioè un modulatore in trasmissione e un demodulatore in ricezione - CODEC ovvero un codificatore del segnale in ingresso e un decodificatore del segnale in uscita al canale radio (trasmissione digitale). In un sistema radio ricetrasmittente tipicamente l'antenna fisica è unica e deputata sia alla trasmissione che alla ricezione e opportunamente disaccoppiata dalla catena trasmissiva e da quella ricevente attraverso un duplexer che agisce da commutatore. I ricevitori devono prima di tutto captare dall'antenna la banda di frequenza di interesse e successivamente da questa ricavare il segnale utilizzato per la modulazione del segnale trasmesso. I circuiti rivelatori sono circuiti che entrano in risonanza ad una certa frequenza e quindi sono in grado di captare dall'antenna segnali anche molto deboli ed inviarli, dopo un opportuna amplificazione, al demodulatore. Le caratteristiche importanti dei ricevitori sono la sensibilità (capacità di ricevere segnali anche molto deboli), la selettività (gamma di frequenza ai quali sono sensibili) e la stabilità. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 10 di 29

11 La sensibilità deve essere molto alta per poter ricevere segnali anche molto deboli; i segnali da ricevere possono avere intensità talmente bassa da richiedere un amplificazione di milioni di volte: amplificazioni di tale tipo sono sensibili anche ai rumori di fondo presenti in tutti i circuiti elettronici; è necessario quindi che l'amplificazione sia tale da aumentare il rapporto segnale/rumore il più possibile. La selettività deve essere tale da amplificare solo la banda necessaria attorno alla frequenza portante e tagliare il più possibile le frequenze al di fuori di questo campo, che costituirebbero solo una distorsione dell'informazione trasmessa. Le frequenze più utilizzate, come si notoa dalle tabelle iniziali, sono nelle bande: - VHF Low MHz Modulazione frequenza - VHF High MHz - Modulazione ampiezza Marittima MHz - Modulazione frequenza UHF MHz I canali prevedono una separazione 25 khz per un totale di canali. I ricetrasmettitori moderni sono in grado di lavorare su tutte le gamme di frequenza, riunendo quindi in un unica apparecchiatura tutto ciò che una volta faceva parte di diversi apparati; essi consentono inoltre di preimpostare un certo numero di canali, o di selezionare direttamente una determinata frequenza. La potenza di trasmissione è dell'ordine della decina di Watt. In telecomunicazioni il termine inglese link budget indica una relazione formale che stabilisce il bilancio di potenza di un sistema di telecomunicazione tra la potenza ricevuta dal ricevitore in funzione di quella emessa dall'apparato trasmittente e che include tutti i fattori di amplificazione e dissipativi lungo il canale di comunicazione. Nel caso di comunicazione su mezzo radio ovvero radiocomunicazione (bilancio di radiocollegamento) esso diventa: dove G1 e G2 rappresentano i guadagni d'antenna (in trasmissione e in ricezione), il termine (1/4πR) 2 rappresenta l'attenuazione isotropica dello spazio libero mentre A rappresenta l'attenuazione del mezzo radio reale (in genere l'atmosfera) tipicamente anch'essa con andamento esponenziale lungo il percorso, λ la lunghezza d'onda alla sorgente. In ogni caso il bilancio può essere scritto in forma logaritmica ovvero in decibel e sfruttando le proprietà dei logaritmi può essere espresso in termini di somme e sottrazioni con relativi termini espressi appunto in DB. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 11 di 29

12 Sistemi di Radionavigazione. ADF ( Automatic Direction Finder ) Il sistema ADF è un tipo di radio-assistenza che opera in modo autonomo, nel senso che il segnale viene emesso dalla stazione a prescindere dalla presenza di velivoli. Mediante il segnale emesso è possibile determinare l angolo formato tra l asse longitudinale del velivolo e la sua congiungente con la stazione ADF. Dal momento che ogni stazione ADF si trova in una posizione geograficamente nota si può immaginare che il Velivolo si trovi nel momento della ricezione in un qualunque punto della congiungente, e quindi se ci sono due stazioni rilevabili il punto di intersezione individua in modo univoco la posizione del velivolo rispetto alle due stazioni e quindi la posizione geografica. La singola stazione ADF trasmette su una ben determinata frequenza ( compresa nel campo di cui alla tabella recedente) sempre fissa ed in modo omni-direzionale. Quando il pilota seleziona la frequenza di una certa stazione ADF dal Pannello di Controllo ADF il suo sistema di ricezione del velivolo individuerà il segnale di quella sola stazione. I vantaggi che ha sono le lunghe portate (dovute alle basse frequenze) e l'intuibilità/facilità di utilizzo, mentre gli svantaggi sono la scarsità di precisione (± 2 ) e la facile degradabilità dei segnali a causa di eventi atmosferici di tipo temporalesco (interferenza con le onde elettromagnetiche). Il sistema ADF del velivolo è costituito da un ricevitore radio con le sue antenne, un pannello di selezione ed uno strumento di presentazione. Il ricevitore radio è dotato di due antenne : una omni-direzionale ed una a telaio rotante. I segnali trasmessi dalla stazione pervengono al ricevitore ADF del velivolo nel quale vengono eseguite alcune elaborazioni: Riconoscimento della stazione. Confronto tra le ricezioni delle due antenne. L antenna rotante a telaio quando si pone ortogonalmente alla stazione riceve il segnale massimo ( in questa condizione le linee di flusso che attraversano il telaio sono massime ed altrettanto la corrente indotta ), mentre quando è parallela il segnale sarà minimo. Il Ricevitore, amplificando e combinando i segnali delle due antenne,comanderà mediante un servomotore, sia l orientamento della antenna a telaio sia l indicatore dello strumento ADF ricercando la condizione di minimo. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 12 di 29

13 L'ADF può essere realizzato anche tramite due antenne la loop e la sense. L'antenna loop in uso comune oggi è una piccola antenna piatta, senza parti in movimento. All'interno dell'antenna ci sono diverse bobine spaziate ad angoli diversi. L antenna loop riesce a determinare la direzione della stazione misurando la potenza del segnale su ogni bobina, ma non può determinare se il senso è TO o FROM dalla stazione. L'antenna sense fornisce quest ultima informazione, e anche la ricezione della voce quando la funzione ADF non è necessaria. Le antenne più recenti combinano in uno stesso pacchetto l antenna loop ed il cavo di sense ed usualmente vengono alloggiate nella parte inferiore dell aereo o nella parte posteriore. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 13 di 29

14 Nello Strumento ADF in cabina piloti, mediante una scala graduata, si potrà leggere l angolo formato l asse longitudinale del velivolo e la stazione in quel momento. Se sullo stesso strumento viene riportata anche la corolla del segnale bussola si potranno leggere, contemporaneamente sia l orientamento dell asse velivolo rispetto al Nord magnetico, sia quello dello stesso asse rispetto alla stazione ADF selezionata. I piloti che utilizzano ADF devono essere consapevoli delle seguenti limitazioni: Le onde radio riflesse dalla ionosfera ritornano a terra ad una distanza di km dalla stazione e possono causare fluttuazioni del puntatore ADF. L'effetto crepuscolo è più pronunciato durante i periodi immediatamente precedenti e successivi all'alba / tramonto. Generalmente, maggiore è la distanza dalla stazione maggiore è questo effetto. Esso può essere minimizzato mediando la fluttuazione, volando a una quota più elevata, o selezionando una stazione con una frequenza più bassa (le trasmissioni NDB a frequenze inferiori a 350 khz hanno poco effetto crepuscolare). Montagne o scogliere possono riflettere le radio onde, producendo un effetto di terreno. Alcune di queste possono avere depositi magnetici che provocano indicazioni indefinite. Le linee di costa possono rifrangere o piegare le onde radio a bassa frequenza che passano dalla terra all'acqua. I piloti che volano sopra l'acqua non dovrebbero usare un segnale NDB che RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 14 di 29

15 attraversa la costa rispetto agli aeromobili con un angolo inferiore a 30. Il litorale ha poco o nessun effetto su onde radio che raggiungono il velivolo ad angoli maggiori di 30. Quando un temporale è vicino, l'ago ADF punta alla sorgente dei fulmine piuttosto che alla stazione selezionata perché i fulmini inviano radio onde. Il pilota dovrebbe notare i lampi e non utilizzare le indicazioni causate da questi. L'ADF è soggetto ad errori quando l'aereo vira perché l'antenna ad anello che ruota per rilevare la direzione del segnale in ingresso è montata in modo che il suo asse sia parallelo all'asse normale dell'aeromobile. L Errore di virata è un fattore significativo nel corso di approcci a stazioni NDB. Mentre l'adf ha inconvenienti in situazioni particolari, il sistema ha alcuni vantaggi di carattere generale. Due di questi vantaggi sono il basso costo di installazione delle stazioni NDB e il loro grado relativamente basso di manutenzione. Per questo motivo le NDB sono in grado di fornire servizi di navigazione nelle zone senza copertura VOR. Attraverso l'installazione di NDB molti aeroporti più piccoli sono in grado di fornire un avvicinamento strumentale che altrimenti non sarebbe economicamente fattibile. Le NDB trasmettono nella banda di frequenza di khz. Il segnale non viene trasmesso in na linea di vista come per VHF o UHF, ma segue la curvatura della terra, ciò consente la ricezione a bassa quota a grandi distanze VOR ( VHF Omni Range ) Si tratta di un importante sistema di radio navigazione che opera sulle frequenze VHF ( vedi tabella precedente). Esistono vari tipi di stazioni VOR: quelle di assistenza in prossimità di aeroporti TVOR ( VOR Terminali) operano con potenze limitate e sono rilevabili fino a circa 30 miglia, e quelli di assistenza nelle aerovie (VORNAV) si rilevano fino a circa 100 miglia. Prima di dare qualche elemento base sul funzionamento del VOR cercheremo di farne comprendere il funzionamento mediante la similitudine con caso un Faro per la navigazione marittima che emetta due tipi di segnali luminosi: un fascio di luce di colore A perfettamente unidirezionale che ruota a velocità costante (ad esempio 10 al secondo) e che quindi sarà visibile dall Osservatore solo quando allineato alla congiungente stazione/osservatore, ed un fascio di luce B che viene emesso in tutte le direzioni solo quanto la antenna rotante punta il Nord magnetico. Se con un contasecondi si misurasse il tempo tra l osservazione del lampo di luce B e quello della osservazione della luce A si potrebbe dedurre l angolo rispetto al Nord della antenna rotante quando punta l osservatore. Tale angolo rispetto al Nord individuerà la radiale (semiretta) che dalla stazione intercetta l osservatore: essendo note le coordinate del Faro per fare il punto geografico dell osservatore mancherebbe solo la distanza dalla stazione. Il sistema di radionavigazione VOR opera in modo simile, mediante la trasmissione di due segnali VHF opportunamente modulati: uno segnale omni-direzionale a fase costante su tutti i 360 detto Fase di riferimento. un segnale rotante con uno sfasamento che dipende dall angolo formato rispetto al nord magnetico. I due segnali sono perfettamente in fase solo quando l antenna rotante punta il Nord magnetico Demodulando i due segnali ricevuti dall Osservatore nella sua posizione e confrontando le due Fasi si può ricavare la Differenza di Fase e quindi risalire alla Radiale lungo la quale si trova la ricevente dell Osservatore In questo modo la posizione geografica dell Osservatore sarà uno dei punti della semiretta che si irradia dalla stazione VHF (di posizione nota) RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 15 di 29

16 * Il ricevitore VOR del velivolo misura la differenza di fase tra due segnali inviati dalla trasmittente VOR: un segnale 30 Hz omni-direzionale modulato in frequenza ( FM) detto Reference Signal un segnale 30 Hz modulato in ampiezza(am) a fase variabile creato da un sistema di trasmissione rotante. Dal momento che il segnale rotante ruota a 30 giri al secondo dalla differenza di fase si deduce l angolo della Radiale. Le stazioni VOR trasmettono un segnale radio VHF composito che comprende l identificatore della stazione, la voce (se in dotazione), e il segnale di navigazione. L'identificatore è in genere una stringa di due o tre lettere in codice Morse. Il segnale vocale, se utilizzato, di solito comprende il nome della stazione, avvisi di volo registrati o dal vivo, trasmissioni di servizio. Il segnale di navigazione che permette di determinare l angolo tra il nord magnetico e la direzione tra stazione e aeromobile. Le stazioni VOR nelle zone di inaffidabilità della bussola magnetica sono orientate rispetto al nord geografico. L accuratezza del sistema VOR è ± 1,4. Tuttavia, i dati di test indicano che il 99,94% del tempo il sistema VOR ha meno di ± 0,35 di errore Il controllo interno di una stazione VOR provvederà il suo spegnimento, o passaggio a standby, se l'errore della stazione supera un certo limite. Un VOR Doppler tipicamente commuta o si arresta quando la precisione supera 1,0.Le autorità nazionali dello spazio aereo possono impostare limiti più severi. Per esempio, in Australia, un limite di allarme primario è impostato a partire da ± 0,5 su alcuni radiofari VOR Doppler I radiofari VOR possono automonitorarsi grazie ad una o più antenne riceventi collocate a distanze note. I segnali provenienti da queste antenne vengono elaborati per controllare vari aspetti dei segnale. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 16 di 29

17 IMPIANTI AERONAUTICI GIORGIO GIORGI FABRIZIO PIERGENTILI I segnali monitorati sono definiti in vari standard americani ed europei. La norma principale è lo Standard ED-52 dell Organizzazione Europea per le apparecchiature dell'aviazione civile (EuroCAE). I cinque principali parametri monitorati sono la precisione, gli indici di modulazione del segnale variabile e del segnale di riferimento, il livello del segnale e la presenza ditagli in frequenza (causata da guasti antenna singoli). Il display VOR ha quattro elementi: A) Scheda rotante, tarata da 0 a 360, che indica il puntamento VOR scelto come riferimento per volare TO o FROM. In figura è stata selezionata la radiale 345. In figura è mostrato un ricevitore VOR che indica anche digitalmente la radiale di navigazione selezionata. B) L'Omni Bearing Selector, o manopola OBS, è utilizzata per ruotare manualmente la scheda rotante. C) Il CSI, o Course Deviation Indicator è un ago che oscillando a sinistra o a destra indica la direzione dove girare per tornare sul percorso selezionato. Quando l'ago è a sinistra, si deve girare a sinistra e quando l'ago è a destra, si deve girare a destra, l ago è al centro quando il velivolo è sul percorso corretto. Ogni punto dell arco sotto l'ago rappresenta 2 di deviazione dalla traiettoria. Questo ago è spesso chiamato left-right needle, In figura l aereo è sulla traiettoria corretta. D) L indicatore TO-FROM. Questa freccia rivolta verso l'alto, o verso il naso del velivolo, indica che si è in volo verso (TO) la stazione VOR. Se la freccia inverte direzione ci si trova in volo di allontanamento (FROM) dalla stazione VOR. Una bandiera rossa sostituisce queste frecce quando il VOR è al di là del campo di ricezione, la stazione non è stata adeguatamente sintonizzata o il ricevitore VOR è disattivato. Allo stesso modo, la bandiera viene visualizzato se la stazione VOR non è operativa, o in fase di manutenzione. Nel caso in figura, l'aereo è in volo verso la Stazione. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 17 di 29

18 L aereo in figura è a nord della stazione VOR e si trova sulla radiale 345 in posizione FROM rispetto alla stazione L ago direzionale indica che l aereo è sul percorso corretto. Il flag TO-FROM è indirizzato verso il basso. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 18 di 29

19 L aereo in figura è a sud della stazione VOR e si trova sulla radiale 345 in posizione TO rispetto alla stazione L ago direzionale indica che l aereo è sul percorso corretto. Il flag TO-FROM è indirizzato verso l alto. DME ( Distance Measuring Equipment) Questo tipo di Radio-Assistenza permette di misurare la distanza tra il velivolo ed una determinata stazione che è stata selezionata. Il trasmettitore DME del velivolo trasmette sulla frequenza UFH una serie di impulsi, che lo identificano, in tutte le direzioni. La stazione ricevente elabora il segnale ricevuto e lo restituisce su una frequenza UHF diversa (per distinguerlo da segnali riflessi da terra). La valutazione della distanza si basa sulla capacità di misurare il tempo intercorso tra la trasmissione di un segnale codificato da parte del trasmettitore del Velivolo e la ricezione dello stesso segnale ritrasmesso dalla stazione di terra, dopo averlo elaborato. Il ricevitore DME posto sul velivolo avrà nel tempo la sequenza di distanze dalla stazione e quindi potrà calcolare la velocità del velivolo rispetto al suolo. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 19 di 29

20 L idea di funzionamento del DME è semplice, ma ci sono due problemi principali: 1) L apparato dell aeromobile deve essere in grado di distinguere tra il proprio fascio di ritorno e quello degli altri aerei. L apparato dell aeromobile deve distinguere gli impulsi di ritorno della stazione DME con quelli riflessi dal terreno. Per risolvere il primo problema, i fasci di impulsi sono stati resi unici per ogni aeromobile, variando le caratteristiche del segnale, cosicché l intervallo di tempo fra due coppie di impulsi sia unico. Questo sistema è in elettronica chiamato Jitter. 2) Per evitare invece la riflessione delle onde radio provocate dal terreno, la stazione di terra rilancia il segnale ricevuto, separandolo di 63 MHz da quello trasmesso dall aeromobile. Queste coppie di frequenze vengono chiamate canali e ne esistono 252 utilizzabili. I canali sono distinti in 126 canali X e 126 canali Y per la trasmissione del segnale. La spaziatura è di 1 MHz per tutti i canali, con una banda radio di 100 khz. La differenza tra i canali X e Y riguarda la distanza tra i singoli impulsi nella coppia inviata dall aereo al ricevitore di terra. I singoli impulsi nei canali X hanno tra loro una spaziatura di 12 microsecondi, mentre nei canali Y c è una spaziatura di 30 microsecondi. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 20 di 29

21 La precisione del DME è 185 m (± 0,1 NMI). E 'importante capire che il DME fornisce la distanza fisica dal velivolo al transponder DME. Questa distanza viene spesso indicato come 'slant range' dipende sia dalla quota sopra il transponder che dalla distanza al suolo da esso. Ad esempio, un aereo direttamente sopra la stazione DME a 6076 ft (1 NMI) di altitudine mostrerebbero 1,0 nmi (1,9 km) sulla lettura DME. Il velivolo è tecnicamente ad un miglio di distanza, ma è una distanza verso l'alto. L errore di Slant è più pronunciato ad alta quota e nelle vicinanze della stazione DME- I Radio-aiuti alla navigazione devono mantenere un certo grado di precisione (fissato da standard internazionali, FAA, EASA, ICAO, ecc). Per garantire il rispetto di tali parametri, le organizzazioni di controllo di volo controllano periodicamente i parametri critici con aeromobili dotati di mezzi adeguati per calibrare e certificare la precisione DME. L ICAO raccomanda una precisione inferiore alla somma di 0,25 nmi più 1,25% della distanza misurata. Le frequenze DME sono accoppiate alle frequenze VOR e l interrogatore DME è progettato per sintonizzarsi automaticamente sulla frequenza DME corrispondente al radiofaro VOR selezionato. Un transponder DME viene identificato con un identificatore morse a 1350 Hz. Se collocato con un VOR o un ILS esso avrà lo stesso loro codice identificativo.l identità DME è trasmessa a 1350 Hz per differenziarla dai toni a 1020 Hz dei VOR o dell ILS. Tacan Il TACAN (Tactical Air Navigation, banda UHF tra i 962 e i 1213 MHz) è un apparato di radionavigazione in grado di fornire sia la radiale che la distanza dalla stazione trasmittente. Il principio di funzionamento del TACAN è simile a quello del VOR/DME, nel senso che l'indicazione della radiale viene fornita dallo sfasamento fra un impulso di riferimento ed un segnale ruotante, anche se questo viene creato in modo differente rispetto al VOR e può contenere una codifica di informazioni. La distanza dalla stazione viene fornita su interrogazione da parte del velivolo: questi invia un interrogazione alla stazione di terra la quale reagisce inviando una risposta; la misura del ritardo fra interrogazione e risposta consentono la misura della distanza. Per l'identificazione della risposta da parte dell'unica stazione che può essere interrogata da più velivoli occorre che ogni velivolo sia in grado di riconoscere la propria risposta. La codifica completa inviata contiene informazioni utili per misurare con accuratezza la radiale e vi è spazio per la risposta contemporanea all'interrogazione di distanza da parte di 100 differenti velivoli. Il sistema può essere usato anche solo in modo passivo, senza cioè trasmissione da parte del velivolo, ma in questo caso si ha solo l'indicazione di radiale. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 21 di 29

22 L Antenna ha un primo elemento centrale che trasmette l onda modulata senza variazioni di ampiezza. Questo elemento centrale è circondato da un elemento riflettore rotante. Il riflettore direziona l energia RF in modo da creare un pattern di radiazione che ppare come quello in figura, detto cardioide: Mentre il riflettore ruota il lobo principale del cardiode ruota con esso, In tal modo si ottiene una modulazione di ampiezza tramite mezzi meccanici che può essere rilevata da un velivolo dotato di ricevitore TACAN. Il segnale di riferimento non variabile è un ping che viene generato da un disco alla base dell antenna TACAN ogni volta che il lobo del cardiode è orientato verso ovest.. Grazie al pattern di radiazione rotante. L ampiezza dell onda ricevuta dall aereo è variabile per velivoli a differenti radiali ma tutti I velivoli ricevono il segnale di riferimento allo stesso tempo. In figura è mostrato un esempio della ricezione di velivoli ad angoli diversi Dunque l aereo determina la sua radiale rispetto alla stazione sulla base della forma d onda ricevuta e del segnale di riferimento Per ottenere una maggiore accuratezza, il TACAN usa lo stesso principio del riflettore rotante con una spaziatura più fine tra diversi riflettori, viene infatti montato, esternamente al primo riflettore rotante, un ulteriore elemento con 9 riflettori equidistaziati che ruotando crea una più fine RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 22 di 29

23 vartzaione di ampiezza come in figura. Grazie all ausilio di un ulteriore segnale di riferimento si ottiene una maggiore accuratezza angolare sulla radiale. Il TACAN opera su canali di frequenza tra i 960 e 1215 MHz: più precisamente, per trasmissioni stazione - aeroplano si usano le frequenze nell'intervallo MHz e MHz, mentre per trasmissioni aeroplano - stazione le frequenze sono nel range MHz. Il punto è fornito in coordinate polari ed è in grado di essere ricevuto contemporaneamente da 100 aeroplani fino ad una distanza massima di 195 miglia nautiche (circa 360 km). Una stazione TACAN consiste in un apparato ricetrasmittente dotato di un'antenna a filo interna, polarizzata verticalmente attiva per la trasmissione, un'antenna a filo parassita che ruota intorno alla prima, che implementa il sistema di ricezione detto "a cardioide" dal quale si può ottenere il rilevamento grossolano, e altre otto antenne, sempre parassite, che ruotano anch'esse coassialmente alla prima, trasformando lo schema di ricezione in una "cardioide lobata", che permette il rilevamento di precisione. Lo Space Shuttle era equipaggiato con l'avionica TACAN, anche se ora è stato "aggiornato" con il GPS. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 23 di 29

24 Esistono solo 3 funzioni sul Pannello TACAN. - CNI Switch La posizione predefinita è UFC (Up Front Controls), il che significa che le informazioni di navigazione verranno dal computer principale di missione. Se si sposta nella posizione di BACKUP le informazioni di navigazione verranno dal sistema TACAN. - TACAN Function knob La posizione predefinita è AA / TR (aria-aria / trasmissione e ricezione). Questa è la modalità usata per ricevere informazioni da aerei cargo per il rifornimento in aria. La posizione T / R (ricezione e trasmissione) riceve i segnali da una stazione TACAN di terra. - TACAN Station Selector L'impostazione predefinita è 106x, che raccoglierà informazioni dalla stazione TACAN con sede presso l aeroporto internazionale di Kimpo. È possibile impostare questi numeri in modo da comporre l identificativo della stazione TACAN dalla quale si desidera ricevere le informazioni di navigazione. Radio Altimeter Tale dispositivo permette di determinare la distanza del velivolo dal terreno sottostante. Il suo campo di azione è solo al di sotto dei 2500ft. Il sistema è formato da un Trasmettitore, da un Ricevitore e le rispettive antenne. Il Trasmettitore opera con una portante di 4300 Mhz ad ampiezza fissa e frequenza modulata di più o meno 50 Mhz. Pertanto la trasmissione avviene ad ampiezza costante e frequenza tra 4350 Mhz e 4250 Mhz, e pertanto la velocità di variazione della frequenza è di 100 volte al secondo. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 24 di 29

25 Il Trasmettitore, tramite la sua antenna, emette un segnale verso terra che verrà riflesso e ricevuto dalla antenna del Ricevitore. Confrontando il segnale in emissione in un certo istante con quello in ricezione nello stesso istante si avrà una differenza di frequenza che dipende dal tempo che ha impiegato il segnale ad andare e tornare dopo aver incontrato il terreno. Se consideriamo che il segnale viaggia alla velocità della luce si potrà ricavare la lunghezza del percorso, pari al doppio della distanza che si vuole stimare. ILS ( Instrumental Landing System) Il sistema ILS è un tipo di radio assistenza che permette al pilota l avvicinamento e l atterraggio ad un aeroporto attrezzato con ILS anche in assenza di visibilità, mantenendo il velivolo allineato all asse della pista e con il corretto assetto sul sentiero di discesa. Questo dispositivo è oggi disponibile su quasi tutti gli aeroporti più importanti e permette degli atterraggi di notte o con condizioni meteorologiche estremamente critiche. L impianto nel suo insieme assolve a tre compiti fondamentali: guida la discesa rispetto all asse della pista guida la discesa rispetto ad un piano ideale di planata informa il pilota, in modo approssimato, della distanza dall inizio pista. Il sistema ILS si basa sul concetto di realizzare una linea ideale di discesa del velivolo come intersezione di un piano verticale passante per l asse longitudinale della pista ed un piano inclinato che taglia la pista nel punto teorico di toccata. Se il velivolo seguisse una traiettoria perfettamente coincidente con tale intersezione si avrebbe l atterraggio corretto. I due piani vengono tecnicamente simulati mediante due trasmettitori che mettono fasci fortemente direzionali (vedi figure che seguono). Il piano dell asse pista ( Localizer ) viene realizzato mediante un Trasmettitore Localizer su banda VHF che trasmette due fasci di onde elettromagnetiche sulla stessa frequenza costituiti da due lobi RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 25 di 29

26 che si intersecano lungo l asse longitudinale della pista. Questi due fasci hanno la stessa frequenza, ma sono modulati in ampiezza uno a 150Hz e l altro a 90Hz. Il piano di discesa ( Glide Path ) viene individuato alla stessa maniera mediante un Trasmettitore Glide Path su frequenza UHF : trasmette due lobi sul piano verticale modulati in ampiezza uno a 150Hz e l altro a 90Hz. I Ricevitori ILS posti sul velivolo ricevono separatamente i due segnali Localizer e Glide Path, individuano le modulazioni in ampiezza e rilevano la prevalenza del un segnale modulato rispetto all altro: solo quando la intensità è uguale l indicatore dello strumento sarà sulla posizione di zero sia per l asse pista che per il sentiero di discesa. ** RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 26 di 29

27 * ** Marker Beacons Nella fase di avvicinamento il pilota viene assistito anche dai segnali ricevuti da trasmettitori allineati all asse pista e posti a distanza standard (Marker Beacons) i quali trasmettono con dei coni verticali sulla frequenza 75Mhz e sono diversamente Modulati in Ampiezza ( vedi figura). Il segnale ricevuto a bordo (indicazione luminosa e segnale sonoro) permettono di valutare la distanza dall inizio pista in quanto i Marker Beacons sono posizionati a distanza standard. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 27 di 29

28 Categorie ILS Il sistema ILS viene convenzionalmente classificato in tre categorie ed in ciascuna di esse varia la visibilità minima alla quale può essere eseguito l atterraggio. I parametri fondamentali sono due: RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 28 di 29

29 DH (Decision Height ): indica la altezza alla quale deve essere eseguita la riattaccata se non ci sono riferimenti visivi per l atterraggio). RVR ( Runway Visual Range): visibilità pungola pista misurata in modo standard). La terminologia usata è: CAT I, CAT II e CAT III In particolare si ha: CAT I : DH maggiore/uguale 200 ft; DVR maggiore/uguale 800 metri CAT II : DH tra 200 e 100ft DVR maggiore/uguale 350 metri CAT III A : DH sotto 100 ft DVR maggiore 200 metri CAT III B : DH sotto 50 ft DVR tra 50 e 200 metri CAT III C : DH nessuna limitazione DH o DVR ove accettata la CAT III C Queste categorie si riferiscono alle condizioni di atterraggio e comprendono l insieme di caratteristiche che devono essere garantite dagli impianti aeroportuali, di bordo e dallo standard di addestramento dell equipaggio. RADIONAVIGAZIONE 2012/13 Pagina 29 di 29