Avionica: campo elettromagnetico

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1 Avionica: campo elettromagnetico L'onda elettromagnetica trasmessa è caratterizzata da ampiezza, frequenza f, lunghezza d'onda λ e velocità di propagazione c ( km/s nel vuoto, poco meno in atmosfera): f c = λ Bande di frequenze Band Designation Frequency Wavelength Very Low Frequency VLF 3-30 khz km Low Frequency LF khz 10-1 km Medium Frequency High Frequency MF HF khz 3-30 MHz m m Very High Frequency VHF MHz 10-1 m Ultra High Frequency UHF MHz cm Super High Frequency SHF 3 30 GHz 10-1 cm Extr. High Frequency EHF GHz 10-1 mm 1

2 Bande di frequenza radiocom aeronautiche VHF: MHz per il militare, MHz per il civile) VHF/UHF: MHz per il militare Propagazione in linea retta, distanza ottica Bassa potenza necessaria Bassa sensibilità a fenomeni atmosferici e solari Al crescere della frequenza cresce l attenuazione Propagazione basse frequenze Propagazione su linee curve, rifrazione atmosferica, riflessione ionosferica Trasmissione a grande distanza: 1000 nm in MF e oltre in VLF Elevata potenza richiesta Alta sensibilità a fenomeni atmosferici e solari 2

3 Impianto di radiocomunicazione Impianto audio (microfono, cuffia, altoparlante): conversione onde sonore segnali elettrici; frequenze voce Hz Ricetrasmettitore: modulazione/demodulazione di una portante radio UHF o VHF con segnale audio Quadro di controllo: selezione e gestione frequenze Antenna: trasmissione/ricezione portante radio Antenna Connduttore eccitato da corrente alternata Lunghezza sottomultipla di lunghezza d onda accordatori di antenna Antenne isotrope o con direzioni preferenziali Diagramma polare di guadagno d antenna: 3

4 Antenna fortemente direzionale Trasmettitore: modulazione della portante Potenze nell ordine delle decine di W 4

5 Modulazione di ampiezza 1.0 SEGNALE IN AUDIOFREQUENZA SEGNALE IN RADIOFREQUENZA SEGNALE MODULATO IN AMPIEZZA Modulazione di frequenza SEGNALE IN AUDIOFREQUENZA SEGNALE IN RADIOFREQUENZA SEGNALE MODULATO IN FREQUENZA 5

6 Ricevitore Captazione banda di frequenza di interesse attraverso i circuiti rivelatori, che entrano in risonanza ad una certa frequenza Amplificazione con elevato rapporto segnale/rumore Demodulazione Caratterstiche principali: sensibilità (attorno ai microvolt), selettività e stabilità Radar Radio detecting and ranging Basato su riflessione onde elettromagnetiche Distanza del bersaglio: ottenuta da misura di tempo Posizione angolare del bersaglio: ottenuta da segnale fortemente direzionale Velocità dal bersaglio: ottenuta da effetto Doppler sulla frequenza riflessa 6

7 Radar W Switching da modo di trasmissione a modo di ricezione Sistema rotante di supporto antenna Radar Ricevitore: elevata amplificazione e filtraggio a causa del forte deterioramento del segnale causato da: 1. funzione quadratica inversa della distanza 2. assorbimento atmosferico 3. frazione che colpisce il bersaglio 4. frazione riflessa nella direzione del radar 7

8 Radar Frequenze MHz (VHF e UHF) Trasmissione per periodi di alcuni microsecondi Numero di impulsi/tempo: n = c / 2d d = portata max c = velocità di propagazione Portata max dipende da potenza di trasmissione (~ 250 nm) Portata min dipende da durata della trasmissione Elevato rapporto fra potenza di picco e potenza media: potenza di emissione molto elevata rispetto alla potenza assorbita Radar primario PSR - Primary Surveillance System Rilevamento di tipo ρ-θ con scanner a 360 Occasionalmente scansione verticale 8

9 Radar secondario Di solito associato a radar primario, ma su frequenza diversa Invia segnale di richiesta nello spazio aereo Transponder ricevente risponde con identificativo, velocità e quota Radar meteo Basato su riflessione onde elettromagnetiche da gocce d acqua Intensità dell eco proporzionale a LWC Frequenze: SHF Collocato nel cono di prua 9

10 Radar altimetro Emissione verticale a bassa potenza Elevata precisione per quote inferiori ai 5000 ft Fascio sufficientemente ampio per fornire una lettura soddisfacente anche con elevati angoli di manovra Radar doppler Variazione di frequenza eco dovuta a effetto Doppler: f = 2 f t v/c MTI Moving Target Indication: eliminazione eco di bersagli fissi tramite filtraggio 10

11 Navigazione per la determinazione della posizione: 1. Radiofari ed altre emittenti fisse a terra 2. Satelliti 3. autonomi Tipi di rappresentazione della posizione: 1. Coordinate geografiche 2. Coordinate polari ρ - θ 3. Scostamento da traiettoria prefissata (atterraggio e decollo) ADF Automatic Direction Finder 11

12 ADF Segnale emesso da radiofari MF a terra Ricezione tramite coppia di antenne: una direzionale e una isotropa Confronto dei due segnali per individuare direzione e verso ADF Segnale rilevato con antenna direzionale 12

13 VOR/DME e TACAN VHF Omni-directional Range system Distance Measuring Equipment TACtical Air Navigation system VOR: funzionamento Segnale direzionale rotante Segnale omnidirezionale emesso ad ogni passaggio del segnale direzionale dal Nord magnetico 13

14 VOR: funzionamento Segnale a fase costante in tutte le direzioni Segnale a fase variabile con la direzione, in fase verso Nord magnetico Radiale funzione dello sfasamento DME Trasmettitore di bordo genera sequenza casuale di impulsi Transponder di terra riceve e, dopo un ritardo costante, ritrasmette la sequenza ricevuta Ricevitore di bordo riconosce la sequenza e calcola distanza in base al tempo: d = c t + t t ( trasm ricez att) Per le coord geografiche occorre quota 14

15 TACAN Creato per applicazioni militari combina le funzioni di VOR e DME La funzione DME può essere inibita per evitare l emissione di segnali da parte del velivolo Navigazione iperbolica Basato su serie di radiofari sincronizzati a terra alle basse frequenze (portate gobali) Principali sistemi: 1. Decca, LF, Omega, VLF, Loran C, LF, Precisione dai 100 m alle 2 nm (dipende da sistema e distanza radiofari) Loran C attualmente in funzione come back-up GPS, ma in via di totale disattivazione 15

16 Loran LOng RAnge Navigation system M 1. Master trasmette 2. Slave riceve e, dopo ritardo r, trasmette 3. Ricevitore di bordo riceve segnale Master e, dopo t, segnale Slave 4. Veicolo si trova nel luogo di punti del piano avente differenza di distanza costante da Master e Slave, pari a: c ( t - r) 5. Necessarie due coppie di radiofari per la posizione GPS Global Positioning System Fornisce coordinate geografiche, altezza e velocità Proprietà dell US DOD, originariamente con segnale degradato per utilizzatori civili, degradazione sospesa nel 2000 Precisione superiore ai 10 m, fino ai cm per DGPS (differential GPS) 16

17 Segmenti GPS Segmento spaziale: 24 satelliti su 6 orbite equidistanziate, con 4 satelliti a 90 per orbita Segmento terrestre: gruppo di stazioni di terra per controllo/ricalcolo delle effemeridi, correzioni orbitali, controllo stato di funzionamento satelliti, controllo orologi atomici Segmento utente: ricevitori passivi Segmento spaziale 17

18 Funzionamento Ogni satellite trasmette segnale isotropo UHF contenente: 1. Identificativo 2. Coordinate satellite (x i,y i,x i ) 3. Tempo inizio trasmissione Ricevente misura t i e calcola distanza d i da ogni satellite e quindi posizione (x,y,x): ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) = d = c t i i i i i Errore nel calcolo del tempo Orologi atomici sui satelliti Orologi al quarzo nelle riceventi Errore nel calcolo di t i Con un quarto satellite si può rimuovere l errore t e che è uguale per tutti i canali rilevati: ( t t ) d + i = c i = 1,...,4 i e c = km/s (1 µs = 300 m) 18

19 Altri errori Precisione della posizione del satellite Riflessione e rifrazione atmosferica del segnale radio Rumore radio Posizione satellite sopra l orizzonte DGPS Ipotesi: errore locale costante entro ~100 nm (stessi satelliti in vista) Gruppo di stazioni a terra fisse, di coordinate note e dotate di ricevente GPS Errore locale calcolato dalla stazione di zona ed inviato via radio a riceventi GPS Coperture territoriali Errori entro 0.7 m a 100 km dalla stazione di terra (10 cm con soppressione rumori) Evoluzione: WADGPS (Wide Area DGPS), in cui un gruppo di stazioni di terra invia pacchetto di correzione a satellite geostazionario 19

20 di navigazione autonoma Forniscono posizione senza assistenza esterna Importanti in campo militare Fondamentale prima del GPS su rotte non coperte da radiofari Due tipi: doppler e inerziale Navigazione doppler Fasci radar doppler coerenti e inviati verso terra in 3 o 4 direzioni (configurazione λ o X) Misurate componenti velocità sulle varie direzioni e rotta Integrazione nel tempo a partire da posizione nota Errore accumulato ~10 nm ogni 300 nm 20

21 Navigazione inerziale Piattaforme inerziali di tipo strapdown: 3 accelerometri (rollio-beccheggio-imbardata) 3 sensori di velocità angolare (stessi assi) Ricostruzione dell orientamento per integrazione delle rotazioni finite nello spazio Ricostruzione della posizione dalle accelerazioni lungo gli assi globali ed integrazione doppia Navigazione inerziale 21

22 Accelerometro: principio di funzionamento Piezoelettrici, piezoresistivi, MEMs capacitivi (più diffusi) INS: a cardano e strapdown 22

23 per l atterraggio strumentale ILS (Instrument Landing System), normalmente installato negli aeroporti MLS (Microwave Landing System), uso militare per consentire avvicinamenti con angoli maggiori ILS: principio di funzionamento 23

24 ILS: glidepath e localiser Glidepath e localiser generati da due coppie di segnali UHF e VHF modulati in frequenze diverse di 90 e 150 Hz Ricevitore con misuratore d intensità delle due modulazioni ILS: glidepath e localiser 24

25 ILS: glidepath, localiser e marker Inclinazione glidepath 3-6 Radiofari verticali (marker) sull allineamento pista a 4, 0.5 e 0.1 nm da inizio, con avvisatori acustici in cabina Differenti categorie di ILS a seconda della precisione, la più alta per atterraggio con visibilità nulla e altezza decisionale nulla ILS: display 25

26 MLS: principio Pennello radio SHF illumina settore sul prolungamento pista, in azimut (40-60 ) ed elevazione (15 ) Ricevitore di bordo percepisce passaggi successivi del pennello e calcola posizione PDME per distanza MLS 26

27 MLS MLS 27

28 MLS: vantaggi Il pilota è più libero di decidere l allineamento per l atterraggio Possibilità di guida per elicotteri Back guidance per assistenza ad atterraggio abortito e decollo Sviluppo attuale: in USA progetto abbandonato in favore WADSGP, in EU alcune installazioni EGPWS Enhanced Ground Proximity Warning System, basato su confronto tra database orografico locale con: posizione (GPS), quota (RA), velocità, assetto e angolo di discesa; si attiva in caso di: 1. Potenziale collisione col terreno 2. Eccessiva velocità di discesa 3. Perdita di quota durante salita 4. Eccessiva vicinanza al terreno 5. Eccessiva deviazione sotto glideslope 6. Eccessivo angolo di rollio 28

29 TCAS Traffic Collision Avoidance System, basato su transponder che si interrogano in area circostante (7 nm, ±1600 ft) e si comunicano rotta e quota, negoziando manovra diversiva il pilota esegue correzione di quota in modo manuale seguendo indicazione su variometro TCAS 29