ANS Training Navigazione

CAPITOLO 12 SISTEMI DI NAVIGAZIONE D AREA ED INTEGRATI Introduzione Il sogno di qualunque navigatore è sempre stato quello di poter muoversi dal punto di partenza a quello di arrivo, qualunque essi siano sulla Terra, seguendo il percorso diretto e di poter controllare costantemente la propria posizione e lo sviluppo del proprio volo. Questo oggi è reso possibile grazie alla navigazione d area (Area Navigation R/NAV). Definizione ICAO: La d area è un metodo di navigazione integrato che consente di fornire dati di rotta, distanza, tempo di volo e velocità al suolo da una qualunque posizione istantanea dell a/m verso un qualsiasi punto geografico futuro di una determinata area (WAYPOINT: WP ). In altre parole, la navigazione d area è un metodo di navigazione che permette l impiego degli aeromobili lungo qualunque traiettoria di volo entro una determinata area che può essere o l area di copertura di ausili alla navigazione facenti riferimento a stazioni emittenti (sistemi di radionavigazione) o l intera superficie terrestre quando ci si riferisce a sistemi globali (piattaforme inerziali o radar Doppler o sistemi saltellitari). La navigazione d area vera e propria nasce nel momento in cui sono stati disponibili computer con grande capacità di calcolo e di memoria, e di dimensioni sufficientemente ridotte per poter essere imbarcati sugli aeromobili. Tutti i sistemi di navigazione d area, infatti, sia che si avvalgano di segnali emessi da stazioni a terra, sia che si avvalgano di piattaforme inerziali, si limitano a ricavare la posizione dell aeromobile a intervalli di tempo brevissimi e a trasmettere i dati a un computer il quale provvede poi a elaborare in continuazione e in rapidissima sequenza le variazioni di posizione dell aereo sia in direzione sia in velocità, in modo da offrire istantaneamente non solo la posizione, ma tutto l insieme di dati necessari alla navigazione sia in forma numerica, sia in forma grafica sulle cosiddette mappe mobili. Il computer ha inoltre in memoria un data-base contenente un grandissimo numero di punti geografici chiamati waypoint che possono coincidere con località di interesse particolare per chi utilizza il sistema, ma che per la maggior parte coincidono con aeroporti,vor, NDB e intersezioni o punti di rotta. I waypoint sono invece definiti come località geografiche specifiche usate per definire rotte di navigazione d area o traiettorie di volo di aeromobili che effettuano la navigazione d area. 169

La configurazione comunemente adottata per gli aeromobili commerciali e dell aviazione d affari è essenzialmente costituita da un unità di ricezione ed elaborazione o RPU (Receiver Processor Unit), e da un unità di controllo e display o CDU (Control Display Unit). L RPU è il cervello del sistema. Gli apparati ricevitori e i computer che di cui è costituito sono di norma montati in fusoliera insieme al resto dell avionica. All RPU giungono sia i segnali radio di navigazione ricevuti dalle antenne, sia quelli provenienti dai sensori di bordo, relativi ai parametri di volo e di guida che si rendono via via necessari (temperatura, pressione, TAS, prua, assetto,ecc..). Il CDU costituisce invece il tramite tra il sistema e i piloti. Di norma montato nella consolle che separa i due posti di pilotaggio porta una tastiera alfanumerica con cui l equipaggio può selezionare i waypoint e istruire il sistema secondo necessità, e un display che permette di leggere le istruzioni impartite. I dati di navigazione vengono poi trasferiti direttamente sugli strumenti di volo, che sugli aerei delle ultime generazioni sono ormai tutti EFIS. Gli apparati destinati agli aerei più semplici dell aviazione generale sono invece costituiti da un unico elemento montato nel cruscotto, al cui interno si trovano il ricevitore e il computer, mentre sulla faccia si trovano i diversi pomelli e pulsanti di controllo e il display con i dati di navigazione. 170

IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Per descrivere il principio di funzionamento si fa riferimento ad un R/NAV che elabora dati ricavati solo da stazioni VOR/DME noto con il nome CLC (Course Line Computer). Le informazioni di azimut e distanza ricavate dai ricevitori VOR e DME di bordo vengono inviate al CLC il quale le utilizza per calcolare continuamente i parametri di navigazione utili per dirigere verso il WP previsto. Questi parametri vengono inviati al pilota attraverso una opportuna rappresentazione sull indicatore del VOR e attraverso indicazioni alfanumeriche su un display. Il procedimento di calcolo sviluppato dal CLC può essere illustrato attraverso un semplice esempio. Supponiamo di voler eseguire la tratta diretta dal punto A al punto B, individuati come Radiale/Distanza di una stessa stazione VOR/DME, cioè senza passare dalla verticale della stazione. Siamo sicuramente in grado di risolvere la pianificazione di questo semplice problema determinando la TC e la distanza tra i due punti mediante una soluzione grafica (carteggio) o matematica (risoluzione analitica del triangolo A-B-VOR). In modo analogo, siamo anche in grado di predisporre le operazioni necessarie per controllare ad intervalli prefissati il progredire della nostra navigazione (metodo della navigazione stimata su base radio assistita). Quindi, durante il volo, siamo in grado di controllare la navigazione prevista, ed in caso di informazioni diverse, correggere adeguatamente la nostra prua per rientrare eventualmente in rotta e contrastare l azione del vento. Il CLC è in grado di svolgere tutte queste operazioni, continuamente, molto più velocemente di noi e con maggiore precisione. Infatti, il CLC, una volta istruito dal pilota sul Waypoint desiderato, utilizza le informazioni di azimut e distanza ricevute in continuazione dalla stazione VORDME suddividendo la rotta in un numero praticamente infinito di punti intermedi. 171

Quindi, confronta i dati relativi alla posizione attuale dell aereo con la rotta prevista, e trasferisce i risultati di queste continue triangolazioni sull indicatore VOR/DME. In pratica, dopo aver inserito nel CLC le Coordinate polari del Waypoint, il pilota non deve fare altro che ruotare l OBS fino a portare la lancetta al centro con l indicazione TO e assumere la prua riportata sul Course. Da questo momento gli scostamenti del Course Deviator dal centro dell indicatore ci forniscono indicazioni circa la nostra posizione lungo la rotta che conduce al Waypoint, proprio come se in quel punto si trovasse una stazione VORDME. L unica differenza è rappresentata dal fatto che gli scostamenti laterali del Course Deviator in questo caso non corrispondono a spostamenti angolari, bensì a scostamenti lineari. In particolare, quando si opera nel modo NAV la lancetta a fondo scala rappresenta uno scostamento di 5 NM o più dalla rotta desiderata, quando si opera con una frequenza Localizer di 1,2NM o più. Riassumendo, il CLC, ricavata la posizione attuale dell a/m dai dati ricevuti dai sistemi di navigazione di bordo, calcola tutti i dati necessari (rotta, distanza, FT, ecc) per raggiungere il WP prescelto risolvendo il problema trigonometrico classico della navigazione e rappresenta poi i risultati come se il WP coincidesse con una radio assistenza (GHOST BEA- CON); da qui, la sigla R/NAV con cui la d Area è indicata. L IMPIEGO DEGLI APPARATI RNAV Quanto sopra descritto deve essere inteso solo come un esempio dell uso di un RNAV. Infatti, essendo il sistema costituito in pratica da un computer, si capisce ch e può avere delle possibilità di funzionamento e di utilizzo inimmaginabili, essenzialmente legate alle capacità di elaborazione, di velocità e di memoria del RPU ed ai sistemi di navigazione con cui è interfacciato. Oggi, gli apparati RNAV sono dotati di data-base, Earth oriented, cioè si orientano e riconoscono i punti della Terra solo ed esclusivamente tramite le coordinate geografiche anche quando si avvalgono dei segnali provenienti da stazioni VOR, DME o TACAN, ed i waypoint contenuti nel data-base devono necessariamente essere individuati mediante le loro coordinate geografiche. Però, dato che i piloti non sono abituati a individuare i punti con le coordinate geografiche, al fine di non creare complicazioni in cabina, ogni waypoint è identificato da un simbolo e da un nome in caratteri alfanumerici: per gli aeroporti sono adottati il simbolo usato sulle carte e l indicatore di località e/o il nome per i radiofari e il simbolo usato sulle carte e il nominativo d identificazione, eccetera. In tal modo, quando dialoga con il pilota per ricevere istruzioni e fornire informazioni, il computer riconosce e mostra i waypoint con i simboli e con i caratteri alfanumerici, mentre individua mediante le coordinate geografiche quando dialoga con il ricevitore (GPS, Loran, INS, eccetera) da cui ottiene la posizione. Il data-base degli apparati RNAV dell ultima generazione ha una capacità pressoché illimitata, essendo in grado di contenere i waypoint di tutta la Terra di solito organizzati nelle seguenti cinque categorie: 172

Airports VOR NDB Intersections User Sui waypoint delle prime quattro categorie, che costituiscono il database permanente dell apparato, i piloti non hanno possibilità di intervento, e perciò non li possono né cancellare né modificare. È invece possibile cancellare e/o modificare gli user waypoint. Il data base degli apparati RNAV utilizzabili per le partenze e gli avvicinamenti strumentali contiene inoltre tutte le procedure SID (Standard Instrument Departure), STAR (Standard Terminal Arrivai Route) e di avvicinamento pubblicate. Durante l esecuzione delle procedure, il computer estrae automaticamente i waypoint dal data base nella sequenza con cui l aereo li deve sorvolare per seguire la traiettoria prescritta. Date le continue modifiche cui vanno soggette sia la struttura delle rotte ATS e i radiofari che le definiscono, sia le procedure strumentali, è ovvio che il database degli apparati RNAV deve essere periodicamente aggiornato. La Jeppesen offre in abbonamento l aggiornamento del database con periodicità quadrisettimanale, consentendo di scegliere tra le diverse aree in cui suole suddividere la Terra. Per gli FMS l operazione di aggiornamento viene eseguita in pochi minuti in cabina di pilotaggio inserendo il dischetto nell unità di trasferimento dati o DTU (Data Transfer Unit) collegabile al computer di bordo. L aggiornamento quadrisettimanale è necessario per operare legalmente in IFR nelle aree, come l Europa, in cui è obbligatoriamente richiesta la capacità di effettuare la navigazione d area. Ovviamente le prestazioni di un RNAV sono strettamente collegate alla avionica a cui è collegato. Qualora possa integrare ed elaborare anche le informazioni di TAS e Altitudine che provengono dall ADC e quelle di MH che provengono dalla telebussola, integrandole con quelle relative al posizionamento, può calcolare continuamente anche il vento cui è soggetto il velivolo. Quando i parametri per definire la posizione gli arrivano solo da radioassistenze, trova i suoi limiti d impiego proprio nella portata di dette Radio Assistenze. Per ovviare a questi inconvenienti quest ultima versione integrata permette comunque di continuare il volo in DR (DEAD RECKONING). Infatti, in caso di perdita di contatto con il sistema di R/Ass., l RNAV passa automaticamente in DR utilizzando i parametri di direzione e intensità del vento memorizzati per ultimi e quindi, consente di proseguire la navigazione pur con un grado di precisione inferiore. Le applicazioni Le possibilità d impiego dell RNAV variano in funzione del tipo di strumento che abbiamo, dell avionica del velivolo e dell immaginazione del pilota. Citiamo di seguito alcuni esempi per poter apprezzare la grande disponibilità del sistema. 1- Mantenimento di una rotta IFR che non passi dalla verticale della stazione VORDME 173

Grazie all RNAV è possibile simulare la presenza una R/ass. (Ghost Beacon) su qualsiasi punto individuato come radiale/distanza, ciò permette di navigare lungo la rotta che conduca direttamente ad un qualsiasi punto dell area servita con la stessa naturalezza di quando si vola inbound alla stazione. È possibile costruire una rete di rotte alternative (Rotte RNAV) alle tradizionali rotte ATS, in alcuni parallele, in altri completamente diverse, con evidenti vantaggi di tempo, e quindi costi, e di decongestionamento delle rotte classiche. 2- Fuori asse parallelo È una manovra che consiste nello scostarsi lateralmente da una rotta di una distanza prefissata per il tempo necessario per salire o scendere di livello senza intralciare altro traffico. 3- Creazione di procedure strumentali di arrivo (STAR), di partenza (SID) e di avvicinamento su aeroporti privi di specifiche radioassistenze, ma che si trovano nell area di copertura di una stazione VORDME. 4- Ubicare un WP in corrispondenza di un punto di riporto. Capita spesso di ricevere l autorizzazione a riportare direttamente un punto di riporto (ADOLO, MARAS...); dal momento che questi punti sono molto spesso identificati da una radiale/distanza di un VORDME, può tornare veramente molto comodo impostarlo come un WP. 5- Ubicare il WP su un punto cardine di una procedura di attesa (Holding). - l a/m1 dirige dal WP1 al WP2 senza passare dalla verticale del VOR. - l a/m2 si scosta dalla rotta ATS per eseguire un cambio di livello, pio rientrerà in rotta sul WP2. - l a/m3 segue una rotta RNAV parallela ad una rotta ATS 174

La precisione Non essendo un sistema di navigazione non ha molto senso parlare di precisione di un RNAV. Infatti, la precisione delle informazione che può fornire in uscita sono essenzialmente legate alla precisione dei sistemi di navigazione ai quali è interfacciato. Comunque, l ICAO nel DOC 9613-1994 indica due livelli di precisione dei sistemi RNAV: 1- RNP5 (Required Navigation Performance) il cui margine di errore nella determinazione del punto deve essere inferiore o al massimo uguale a 5NM. Gli apparati che soddisfano questo requisito sono definiti Basic RNAV (B/RNAV). 2- RNP1 il cui margine di errore nella determinazione del punto deve essere inferiore o al massimo uguale a 1NM. Gli apparati che soddisfano questo requisito sono definiti Precision RNAV (P/RNAV). Con l attuazione del sistema CNS/ATM (Comunication Navigation Surveillance/Air Traffic Management), la navigazione d area è destinata a diventare l unico metodo di navigazione aerea. IL CRITERIO RNP (REQUIRED NAVIGATION PERFORMANCE) Con il Documento 9613 del 1994, l ICAO ha introdotto il criterio RNP (Required Navigation Performance). Questo nuovo concetto rientra nell ambito della realizzazione del sistema CNS/ATM. L RNP definisce i minimi operativi di precisione che devono avere i sistemi di navigazione di bordo degli aeromobili. L RNP è funzione sia delle apparecchiature di bordo usate per navigare, sia delle attrezzature al suolo o in orbita da cui le apparecchiature stesse possono trarre i segnali di navigazione. L introduzione di questo criterio permette di aumentare la capacità di traffico dello spazio aereo, soprattutto nelle aree ad alta densità di traffico, ed costituisce una componente importante nello sviluppo del sistema di sorveglianza dipendente automatica ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast). Con questo criterio un a/m è libero di scegliere la rotta più conveniente determinando la propria posizione con un qualunque sistema di navigazione, purchè questi assicuri una precisione conforme all RNP stabilito per quel determinato spazio aereo. Per rispettare le minime RNP è necessario che a bordo vi sia un computer che fornisca la posizione dell a/m utilizzando una o più fonti d informazione (NDB, VOR, DME, Loran, INS, GPS). 175

Tale compito è destinato all FMS(Flight Management System) che svolge anche i compiti relativi ai sistemi di comunicazione e alla condotta del volo tenendo conto delle perfomance dell a/m. Il concetto di RNP si applica sia alla navigazione lungo rotte attestate su radiofari al suolo, sia alla navigazione d area. Essendo un semplice requisito di navigazione, l RNP è solo uno dei fattori che le autorità competenti devono prendere in considerazione per stabilire le minime di separazione in un determinato spazio aereo. I valori con cui sono identificati i quattro tipi di RNP (RNP type) istituiti dall ICAO, non indicano le minime di separazione applicabili in un determinato spazio aereo, bensì la deviazione massima TSE (Total System Error) (espressa in miglia nautiche) dalla mezzeria nominale di una determinata rotta, concessa agli aeromobili che la percorrono. Durante il volo, l incertezza della posizione varia in modo casuale, pertanto è necessario fare ricorso a valutazioni di natura statistica. In viene considerata una probabilità del 95%. Ad esempio, quando si vuole adottare una separazione laterale di 60 NM, al raggio del cerchio di probabilità del 95% deve essere assegnato un valore di 12,6 NM. Su questo principio l ICAO definisce i seguenti tipi di RNP: RNP 1: La precisione delle prestazioni di navigazione di tutti gli aeromobili che operano in uno spazio aereo RNP l deve essere pari o migliore di ± 1 miglio nautico per il 95 per cento del tempo di volo totale. L RNP l è previsto per le aree terminali, in modo particolare per la navigazione lungo le rotte di arrivo STAR (Standard Terminal Arrival Route) e di partenza SID (Standard Instrument Departure) ed è ottenibile con misure DME o mediante la copertura Radar. Un tipo di RNP di maggior precisione (RPN 0,5) è allo studio per la navigazione lungo i segmenti delle procedure di avvicinamento strumentale. RNP 4: La precisione delle prestazioni di navigazione di tutti gli aeromobili che operano in uno spazio aereo RNP4 deve essere pari o migliore di ± 4 miglia nautiche per il 95 per cento del tempo di volo totale. L RNP 4 è previsto per le rotte ATS delle aree continentali servite da radioaiuti posti a distanze ravvicinate (< 50Nm), cioè quelle come l Europa e il Nord America ricche di stazioni VOR/DME o VORTAC. Al fine di consentire le operazioni di volo con le attuali apparecchiature di bordo senza modificare la struttura delle rotte ATS esistenti, è previsto che in determinate aree (per esempio l Europa) e per un periodo transitorio, invece dell RNP 4 sia istituito l RNP 5, nell ambito del quale le prestazioni di navigazione, anziché ± 4 miglia nautiche, devono essere pari o migliori di ± 5 miglia nautiche per il 95 per cento del tempo di volo totale. 176

RNP 12,6:La precisione delle prestazioni di navigazione di tutti gli aeromobili che operano in uno spazio aereo RNP 12,6 deve essere pari o migliore di ± 12,6 miglia nautiche per il 95 cento del tempo di volo totale.l RNP 12,6 è previsto per gli spazi aerei oceanici ad elevata densità di traffico (es. Nord Atlantico) e rotte ATS delle continentali scarsamente servite da radio aiuti scarso traffico, come per esempio molte regioni dell Africa e dell Asia centrale. Questa incertezza viene garantita dal sistema di navigazione Inerziale rifasato periodicamente attraverso il sistema GPS. RNP 20: La precisione delle prestazioni di navigazione di tutti gli aeromobili che operano in spazio aereo RNP20 deve essere pari o migliore di ± 20 miglia nautiche per il 95 per cento tempo di volo totale. L RNP 20 è il livello di precisione minimo previsto per qualsiasi aeromobile che operi in qualsiasi spazio aereo controllato, e si attaglia in modo particolare alle rotte oceaniche a basso volume i traffico. Questa incertezza viene garantita dal sistema di navigazione Inerziale, anche non rifasato periodicamente. La responsabilità di verificare e certificare un aeromobile è capace di soddisfare i requisiti di un determinato tipo di RNP è demandata alla competente autorità aeronautica dello Stato di immatricolazione. Il Basic RNAV o B-RNAV Basic RNAV è il termine con cui si fa riferimento sia allo spazio aereo dei Paesi europei aderenti all ECAC (European Civil Aviation Conference) entro il quale dal 23 aprile 1998 è obbligatoria l applicazione dell RNP 5, sia alla capacità degli aeromobili di praticare la navigazione d area con la precisione richiesta all interno di detto spazio. Lo spazio europeo entro cui sarà richiesta l applicazione dell RNP l è chiamato Precision RNAV, o P-RNAV. Le apparecchiature di bordo certificabili per soddisfare i requisiti B-RNAV si possono avvalere di uno o più dei seguenti sistemi di navigazione: VOR/DME DME/DME INS o IRS Loran C GPS. Le direttive di Eurocontrol lasciano ai singoli Stati la discrezionalità di stabilire quali porzioni dei rispettivi spazi aerei debbano essere B-RNAV. 177

LA NAVIGAZIONE INERZIALE INS (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM) Introduzione Il sistema di navigazione inerziale si definisce un sistema di navigazione autonomo globale (self-contained). Esplicitiamo questa affermazione: - sistema di navigazione : significa che è in grado di risolvere il problema fondamentale della Aerea, cioè, la determinazione del punto aereo. - autonomo : significa che è in grado di operare indipendentemente da installazioni al suolo o da riferimenti astronomici. - globale : significa che è in grado di operare su tutti i punti della terra senza vincoli di latitudine. Il sistema inerziale è capace di fornire rotte ortodromiche tra due punti qualunque della Terra senza la necessità di comunicare in alcun modo con nessuna fonte esterna all aereo. È l unico sistema esistente che presenti una autonomia assoluta da tutto ciò che è esterno all aereo e che non può subire in nessun modo interferenze dall esterno. In particolare, rispetto agli altri sistemi di navigazione presenta i seguenti vantaggi: a) non irradia e non deve ricevere nulla, perciò è insensibile ad interferenze esterne; questa caratteristica è molto apprezzata in campo militare. b) è in grado di fornire informazioni di posizione e velocità con accuratezza in tutte le condizioni meteo e, con particolari accorgimenti, in qualunque luogo della terra. c) è in grado di fornire informazioni di azimut e verticale in qualsiasi condizione di manovra dell aereo. d) può essere impiegato anche in navigazione spaziale. Il sistema, comunque, presenta anche i seguenti svantaggi: a) necessita di una preliminare operazione di allineamento e livellamento. b) è un sistema di navigazione relativo, pertanto le informazioni di posizione e velocità peggiorano con il trascorrere del tempo sia che l aereo sia fermo, sia che si trovi in volo. Per questo motivo, quando deve essere usato per lungo tempo, necessita di periodici riallineamenti. c) impiega una tecnologia molto avanzata ed un hardware abbastanza complesso, pertanto è un sistema abbastanza costoso che richiede un accurata e frequente manutenzione. Il Principio Questo sistema risolve il problema fondamentale della navigazione misurando le accelerazioni subite dall aereo. In particolare, consideriamo un piano a individuato da un sistema di assi cartesiani (x,y). Prendiamo un aereo che partendo dall origine degli assi si muova sul piano a, e che disponga di strumenti in grado di misurare costantemente le accelerazioni d inerzia subite lungo le direzioni degli assi di riferimento, possiamo da queste risalire alla posizione istantanea occupata dall aereo. 178

Infatti, ricordiamo che integrando una prima volta l accelerazione si ricava la velocità, integrandola una seconda volta si ricava lo spazio percorso. v = a dt... =>... s = v dt Pertanto, dalla misura delle accelerazioni lungo i due assi, si può risalire agli spostamenti eseguiti dall aereo lungo gli stessi e quindi, nota la posizione iniziale, alla determiazione di quella attuale. Per risolvere quanto detto è sufficiente disporre dei seguenti elementi: - due accelerometri - strumenti in grado di misurare le accelerazioni lungo i due assi di riferimento. - due o tre giroscopi - sono indispensabili per fornire la direzione degli assi di riferimento a bordo dell a/m. - un elaboratore - che, ricevute le informazioni dagli accelerometri, compiendo la doppia integrazione calcoli gli spostamenti Δx e Δy e, nota la posizione iniziale, trovi quella attuale. La navigazione inerziale si basa sui principi della Dinamica enunciati da Newton nel 1687. 1. un corpo non soggetto a forze esterne (o ad un sistema di forze in equilibrio) mantiene il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. 2. un corpo di massa (m) soggetto ad una forza esterna (F) assume un moto definito in ogni istante da una accelerazione (a) individuata dalla relazione: a= F m È di fondamentale importanza scegliere un sistema di riferimento. Dovendo un aereo collegare due punti della Terra, è necessario assumere un sistema di riferimento terrestre. Il sistema più opportuno è quello che ha come origine il punto aereo e come direzioni la verticale locale e le direzioni cardinali (N/S,E/W) (Triedro di Calcolo). Un tale sistema non è sicuramente inerziale, infatti: - l origine non è un punto fisso 179

Componenti fondamentali di un Sistema Inerziale Accelerometro L accelerazione è una grandezza fisica che non può essere misurata direttamente, ma può essere calcolata misurando la forza esercitata sui vincoli da una massa campione soggetta all accelerazione stessa. Quindi, nel caso più semplice, è costituito da una massa (m) libera di muoversi senza attrito lungo una direzione (s) (un grado di libertà) collegata alla struttura attraverso una molla di coefficiente elastico (k). Le caratteristiche principali di un accelerometro di un sistema inerziale sono: - campo di lavoro: ±20g - sensibilità: (1 10-6 g) - risposta elastica lineare (k=costante) Giroscopio Abbiamo visto come la conoscenza dell orientamento sia indispensabile in navigazione inerziale. Infatti, sarebbe inutile disporre di accelerometri di tale precisione se non si conoscesse con altrettanta precisione l orientamento dei loro assi di sensibilità rispetto alla terna di riferimento scelta. Inoltre è necessario disporre a bordo di un riferimento fisso rispetto alla terna scelta per poter determinare i movimenti angolari del velivolo rispetto ad essa. Il problema si risolve impiegando dei giroscopi ; in particolare - due giroscopi liberi a tre gradi di libertà posti tra loro perpendicolari, oppure - tre giroscopi a due gradi di libertà con i rotori posti lungo gli assi della terna di riferimento. Dalle caratteristiche dei giroscopi dipende molta della qualità dell intero sistema, pertanto c è stato un grande lavoro finalizzato alla ricerca di soluzioni sempre migliori; ci sono i giroscopi a galleggiamento - il rotore è immerso in un liquido (fluorolube) che ha bassa viscosità ed alta densità; giroscopi sospesi elettrostaticamente; giroscopi al laser; giroscopi a risonanza nucleare magnetica; ecc... Il Navigatore Inerziale Per realizzare un sistema inerziale gli accelerometri, assieme ai giroscopi devono essere montati sullo stesso supporto. L insieme prende il nome di PIATTAFORMA INERZIALE. Vi sono due diversi modi di realizzazione della piattaforma: 1- Tecnologia a Piattaforma Asservita (INS): la piattaforma è isolata dai movimenti dell aereo mediante un sistema di sospensione cardanica ed è vincolata, per mezzo dei giroscopi, a conservare un orientamento fisso rispetto alla terna di riferimento. 2- Tecnologia Strapped-down (IRS): la piattaforma è legata rigidamente al velivolo in modo da determinare le accelerazioni rispetto agli assi del velivolo stesso. In questa soluzione i giroscopi servono per conoscere l orientamento degli assi del velivolo rispetto alla terna di riferimento. 180

Allineamento iniziale della piattaforma La precisione di un navigatore inerziale è legata, oltre che alle prestazioni dei vari componenti (accelerometri e giroscopi), anche alla perfetta conoscenza della posizione iniziale ed all allineamento della piattaforma. La posizione iniziale si intende sempre perfettamente nota. Per l allineamento vengono utilizzati gli stessi componenti del sistema. L allineamento viene effettuato in due fasi: a) Livellamento b) Orientamento in azimut. Sistemi Strapped-Down (Strapdown) L impiego di giroscopi al laser e di calcolatori digitali molto veloci e molto potenti ha permesso di realizzare i Sistemi strapped-down, noti anche come IRS (Inertial Reference System). In questi sistemi viene ridotta di molto la parte meccanica in quanto gli accelerometri sono montati rigidamente alla struttura dell aereo, ciascuno con la direzione di lavoro coincidente con uno dei tre assi dell aereo e non c è la piattaforma inerziale. Ora però, le uscite dei tre accelerometri non possono più essere utilizzate direttamente per i nostri fini, ma devono prima essere trasformate in componenti lungo gli assi della terna di riferimento e ripulite dell effetto della gravità e queste sono operazioni complesse che richiedono computer molto potenti e veloci. Per poter fare ciò, è necessario che sia sempre perfettamente noto l orientamento della terna dell aereo rispetto a quella terrestre di riferimento. Questo è reso possibile per la presenza di tre giroscopi laser montati in modo da rilevare le velocità angolare del velivolo attorno ai tre assi (pitch, roll, yaw). ALLINEAMENTO (ALIGN) Quando l aereo è fermo al parcheggio, l IRS individua le direzioni di riferimento terrestre dalle misure percepite dai tre Gyrolaser che sono influenzati dalla velocità angolare della terra. Da queste misure, il sistema è in grado di ricavare, la latitudine del posto, la direzione della verticale locale, la direzione dell asse longitudinale del velivolo rispetto al Nord geografico. (la longitudine del punto di partenza deve essere inserita manualmente tramite il CDU). Durante questa fase l aereo deve rimanere rigorosamente fermo. L IRU completa la fase di allineamento in un tempo variabile da 2 a 10 minuti a seconda della latitudine di partenza. Terminata questa fase, l IRS entra automaticamente nella fase di NAVIGAZIONE e l aereo può essere spostato. Il sistema IRS ha la capacità di fornire le informazioni di MH senza l ausilio di nessun apparato magnetico, ma semplicemente sommando algebricamente la VAR alla TH che si calcola autonomamente; è quindi sufficiente inserire nel computer un data base che contenga i valori di VAR di tutte le zone della terra comprese tra le latitudini di 70 S e 70 N e poi ci pensa lui a fornire le MH. 181

Errori del Sistema Inerziale Il sistema inerziale è, come abbiamo detto, un sistema relativo, perchè ogni movimento percepito è rapportato alla posizione precedente. Pertanto, tutti gli errori contenuti nella posizione iniziale vengono mantenuti, tutti gli errori successivi si accumulano e l errore totale è funzione del tempo di funzionamento. Gli errori si possono così schematizzare: - errori strumentali dei giroscopi, degli accelerometri, degli integratori e dei motori di coppia. - errori dell allineamento iniziale - errori nei valori correttivi per i giroscopi - errori nella posizione iniziale. Precisione La deriva complessiva dei sistemi in dotazione ai civili è normalmente dell ordine di 2 NM all ora, quelli militari di pochi metri all ora. La deriva accumulata dal sistema durante un volo può essere azzerata immettendo nel calcolatore le coordinate di un nuovo punto ottenute mediante un altro sistema di navigazione (VOR/DME o GPS). Componenti del Sistema Il sistema nel suo complesso è chiamato INS (Inertial Navigation System) ed è costituito da: 1- INU (Inertial Navigation Unit) a sua volta composto da a) Piattaforma con accelerometri e giroscopi b) Computer 2 - MSU (Mode Selector Unit) che consente l energizzazione del sistema e la selezione del tipo di funzionamento. 3 - CDU (Control Display Unit) che consente: - la lettura dei vari dati di navigazione e guida - l inserimento dei dati di input (pos. iniziale e way points) 4 - Batteria:ha la funzione di alimentare il sistema (è mantenuta in stato di carica da un alimentatore collegato alle barre dell impianto elettrico di bordo); in caso di mancanza alimentazione le batterie garantiscono un autonomia di funzionamento superiore a 15 minuti. 182

MSU CDU 183

LORAN-C Il Loran-C è un sistema di navigazione a lungo raggio (LOng RAnge Navigation) classificato tra quei sistemi definiti Iperbolici. Il Loran usa una rete di stazioni basate al suolo studiata per fornire un accurata determinazione della posizione dell aeromobile. La versione attuale di navigazione Loran è la terza generazione (appunto Loran-C) di un sistema ideato durante la seconda guerra mondiale. Il suo utilizzo è quasi esclusivamente limitato agli USA e Canada, dove è stato progettato e incorporato nel National Airspace System, con lo scopo di valutarne possibili sviluppi su scala mondiale. L ICAO non ha ratificato l utilizzo del Loran come accettabile sistema di navigazione, la sua applicazione per tanto è demandata ai singoli stati. Il Loran si serve di una catena di stazioni trasmittenti (Chains) costituite da una stazione Master e un gruppo di stazioni Slaves. Le stazioni della catena trasmettono un gruppo di segnali impulsivi nella banda dei 100kHz (LHF) intervallati tra loro da un dato tempo (Group Repetition Interval). Tutte le Stazioni trasmettono impulsi a gruppi d otto e la stazione Master ha un ulteriore nono impulso. Le catene si distinguono tra loro per il diverso GRI. Prima che un ricevitore Loran possa fornire all equipaggio, indicazioni di navigazione, e necessario che lo strumento agganci una catena ed acquisisca il segnale da almeno tre stazioni della stessa catena. Il principio di base su cui lavora il ricevitore Loran-C l è il calcolo della differenza di tempo di arrivo del segnale della stazione Master e quello delle altre stazioni secondarie (TD time difference). L accuratezza con cui queste differenze di tempo di ricezione del segnale sono calcolate è dell ordine di un microsecondo (non oltre 30 metri). Con il primo calcolo di differenza di tempo di ricezione (il primo TD) sarà possibile stabilire la prima LOP (Line of Position), o linea di posizione dell aeromobile (in un sistema di navigazione Loran la linea di posizione è sempre un iperbole). La seconda differenza di tempo di ricezione del segnale della stazione Master e di un altra stazione secondaria, sarà utilizzata per definire una seconda LOP. L intersezione tra queste due iperbole, identificherà la posizione dell aeromobile che, il computer di bordo, tramuterà in longitudine e latitudine. Avendo a disposizione due posizioni geografiche (sempre attraverso le LOPs) il computer potrà anche fornirci valori di Ground Speed, Track Error, ETA - ecc. Il valore di Course Track Error, può essere presentato da un Course Deviation lndicator o da un display digitale in termini di gradi e/o miglia. Antenna LORAN di Lampedusa 184

SISTEMI DI NAVIGAZIONE BASATI SU SATELLITE NAVSTAR GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) Il Navstar Global Positioning System, più comunemente conosciuto come GPS, è una rete radio satellitare in grado di fornire ad utilizzatori equipaggiati, dati sulla velocità, posizione e tempo (PVT). Il sistema, quando operativo, copre tutto il pianeta in modo costante nel tempo. Il GPS è stato sviluppato dallo US Department of Defense. Lo scopo dello sviluppo del Navstar GPS è quello di ottenere un sistema di radionavigazione in grado di soddisfare le esigenze di diversi operatori (marina, esercito, aviazione sia militare che civi1e). Il GPS è in grado di omogeneizzare le procedure di radionavigazione, consentendo un risparmio rispetto all organizzazione attuale della rete di radionavigazione. Altro vantaggio enorme del GPS è che gli utilizzatori non comunicano con la stazione satellitare ma utilizzano solo il segnale (sistema passivo), permettendo quindi l utilizzo contemporaneo ad un numero illimitato di utenti. Le principali caratteristiche del GPS: 1. Accurata determinazione della posizione in 3D, posizione, velocità e tempo. 2. Operazioni passive (l utente non comunica ma riceve ed utilizza il segnale). 3. Operazioni ogni tempo (all-weather operation). 4. Operazioni costanti nel tempo. 5. Determinazione della posizione in tempo reale. STRUTTURA DEL SISTEMA NAVSTAR GPS Il GPS è diviso in 3 segmenti, ognuno con compiti e responsabilità specifici: 1. Segmento spazio : i satelliti 2. Segmento controllo : MCS, MS, GA (Master Control Station, Monitor Station, e Ground Antenna). 3. Utilizzatore : ricevitore e computer. 185

SEGMENTO SPAZIO I satelliti dedicati al GPS sono collocati su sei piani orbitali, ognuno di questi piani contiene quattro satelliti (24 satelliti, di cui 21 necessari e 3 riserve attive). I piani orbitali sono inclinati di 55 rispetto all equatore e le orbite sono poste ad una altezza di circa 20.200 km. I satelliti completano un giro intorno alla terra in 12 ore e sono disposti in modo che almeno 6 satelliti siano sempre in vista dall utilizzatore. Il segnale irradiato dal satellite è chiamato Signals in Space (STS). Ciascun satellite trasmette un segnale su due frequenze della banda L delle microonde (1-3Ghz), la L1=1575,42Mhz (frequenza primaria) e L2=1227,6Mhz (frequenza secondaria). 186

SEGMENTO CONTROLLO È composto da una MCS (Master Control Station) e cinque MS (Monitor Station). Le MS sono poste in luoghi diversi del globo (Hawaii, Diego Garcia, Kwjalein, Ascension e Colorado Springs). La Master Control Station (situata a Colorado Springs) è il cuore del sistema Navstar GPS, controlla costantemente tutti i satelliti al momento in vista (fino a 11 simultaneamente) e raccoglie i dati di ognuno, verifica che lo standard operativo di ogni satellite sia accettabile per la radionavigazione. Le MS sono ricevitori accuratissimi e forniscono alla MCS dati non 187

elaborati raccolti dai satelliti. Le GA (ground antenna) (Diego Garcia, Kwjalein, Ascension) sono utilizzate dalla MCS per trasmettere e caricare le memorie (RAM) dei satelliti con dati corretti per il tempo e le effemeridi che saranno poi utilizzati dagli utenti del Navstar GPS. UTILIZZATORE Il GPS è stato progettato per due livelli di utilizzo, Il SPS (Standard Positioning Service) e il PPS (Precise Positioning Service). Normalmente il PPS è riservato a scopi militari. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL GPS Il sistema GPS si basa sull emissione, da parte di una costellazione di satelliti, di segnali complessi che permettono di ricavare informazioni relative al tempo, e di conseguenza alla distanza, tra satellite e ricevitore. L ipotesi fondamentale su cui si basa il sistema è che sia perfettamente nota in ogni istante la posizione del satellite. Il satellite (S) trasmette un segnale in R/frequenza. Il ricevitore di bordo (R) è in grado di misurare il tempo impiegato dal segnale a percorrere lo spazio S-R e risalire da questa alla distanza che corrisponde al raggio della sfera di posizione (sfera di centro S e raggio S-R) che è la lop del sistema. Eseguendo rilevamenti contemporanei di due satelliti diversi si determinano due sfere di posizione che si intersecano lungo una cfr, uno dei cui punti è occupato in quel momento dal ricevitore. Per arrivare alla determinazione del punto a/m occorre una terza sfera di posizione; questa può essere la Terra, e allora si determina la posizione sulla terra (bidimensionale), oppure un altra sfera di posizione ricavata dalla misurazione eseguita con un terzo satellite e allora si ottiene la posizione nello spazio (tridimensionale). 188

Per rappresentare la posizione di ogni punto nello spazio è necessario assumere un sistema di riferimento. Il sistema adottato come standard dall ICAO nel 1984 è il WGS84 (World Geodetic System). È questo un sistema cartesiano con: - origine coincidente con il centro di massa della terra - asse z : coincidente con l asse di rotazione terrestre - asse x : individuato dall intersezione del piano equatoriale con quello del meridiano di Greenwich. - asse y : è quello che completa la terna destrorsa, è individuato dall intersezione del piano equatoriale con quello del meridiano 90 E, Pertanto, le coordinate ottenute da misure GPS possono essere espresse in forma cartesiana (x,y,z) e convertite in coordinate elissoidiche (latitudine, longitudine e altezza). La costellazione di satelliti è tale che da ogni punto della terra ed in ogni momento si possono ricevere i segnali provenienti da almeno sei satelliti; tre sono indispensabili per determinare il fix nello spazio ed il quarto per correggere eventuali errori di sincronizzazione del ricevitore; per determinare il fix sulla Terra (bidimensionale) sarebbero sufficienti due satelliti (come terza sfera si una la Terra) ma anche in questo caso è necessario un ulteriore satellite per correggere eventuali errori di sincronizzazione del ricevitore. 189

FATTORI CHE LIMITANO L ACCURATEZZA Gli errori nelle misurazioni del ricevitore UERE (user equivalent range errors) e possono essere innescati da: 1. Instabilità del timer satellitare 2. Instabilità dell orbita satellitare 3. Errori nel NAV-msg 3. Imprecisione del ricevitore GPS nella sequenza di individuazione del PRN. Errore nel calcolare il modello ionosferico Lo UERE dipende prevalentemente dalla qualità del segnale del satellite (in termini di qualità di trasmissione e contenuti del segnale), dalle caratteristiche e dalla bontà del ricevitore/ processore. Un termine indicativo dell accuratezza del sistema Navstar GPS è definito dal valore di GDOP (geometric diluition of precision), direttamente influenzato dalla posizione dell utilizzatore e dei satelliti selezionati. Alti valori di GDOP indicano che piccoli errori di misurazione possono diventare grandi errori nella determinazione della posizione. La determinazione della propria posizione con l uso di quattro satelliti riduce il GDOP. Un alto valore di GDOP può verificarsi quando i satelliti sono molto vicini tra loro (o quando sono in fila o in cerchio) A volte questa particolare condizione può creare dei valori di GDOP cosi elevati da impedire al GPS di bordo il calcolo della posizione. Il Navstar GPS è un sistema preciso (errore max accettabile per il SPS 100mt, errore max accettabile per lo PPS 27mt) 190

GPS DIFFERENZIALE Una tecnica per ridurre gli effetti dei fattori che possono limitare l accuratezza del sistema GPS è quella differenziale. In questa procedura, uno speciale ricevitore GPS è sistemato in un punto noto della superficie terrestre. I segnali ricevuti sono continuamente comparati ai segnali che si dovrebbero essere ricevuti da quella posizione; l eventuale differenza tra i due segnali costituisce l errore del sistema e viene inoltrata agli utilizzatori che potranno accrescere l accuratezza della determinazione della propria posizione grazie al differenziale che esiste tra segnali ricevuti e quelli previsti in quella zona. RICEVITORE GPS L architettura del GPS è la seguente: 1. Antenna per la ricezione dei segnali satellitari in banda- L 2. Ricevitore radio in modulazione di fase 3. Processore per la soluzione delle equazioni che determinano la posizione 4. Interfaccia utente (pannello di controllo e schermo) L equipaggiamento GPS non è un normale equipaggiamento elettronico che può essere acceso, usato e spento, è un elaboratore e necessita di tempo per avviare i programmi caricando, ordinando ed elaborando i dati. 191

IL GPS A BORDO Il GPS può essere a bordo di aeroplani piccoli e medi, di aviazione generale, essere inserito in un FMS (flight management system) di un jet commerciale, utilizzato da un aliante o persino su un deltaplano. Può essere portatile o inserito nell avionica di bordo. Alcuni GPS hanno la possibilità di memorizzare migliaia di waypoints e la posizione di molti aeroporti. I GPS portatili montati sui piccoli aerei pur fornendo quasi le stesse informazioni dei modelli più sofisticati, presentano degli svantaggi che non vanno sottovalutati: deve essere equipaggiato con un antenna posizionata esternamente (o almeno sul parabrezza) poiché il segnale del satellite non penetra la struttura dell aeroplano, manovre brusche potrebbero porre in ombra l antenna e le informazioni da 3 D passano a 2D (addirittura possono causare la perdita della determinazione di posizione). Alcuni però sono dotati di buone caratteristiche: c è la possibilità di essere avvisati approssimandosi al waypoint o un warning indica che si sta entrando in uno spazio aereo vietato o soggetto limitazioni; consentono con la semplice pressione di un tasto di conoscere la distanza dall aeroporto più vicino e la prua per raggiungerlo. Alcuni GPS hanno il display con le informazioni ordinate secondo una o più linee alfanumeriche. I displays possono essere a cristalli liquidi, LED, fluorescenti o CRT. Altri GPS dispongono di una moving map che consente al pilota di vedere la posizione dell aeroplano in relazione al terreno sorvolato. Le moving map aggiungono al dettaglio geografico anche la posizione di tutte le tradizionali radio assistenza (VOR, NDB), degli aeroporti in range (il range può essere variato secondo le esigenze di volo da 1NM a 200 NM) e dei confini degli spazi aerei. 192

GLONASS Il GLONASS (Global Navigation Satellite System) è un sistema satellitare globale realizzato dall Ex Unione Sovietica più o meno in concomitanza con quello americano. Tutti i satelliti sono lanciati dal cosmodromo di Baikonur in Kazakistan, il primo lancio risale al 12 ottobre 1982 e la costellazione si è completata nel periodo di massima efficienza con 24 satelliti nel 1997. Negli anni successivi a causa della grave situazione economica interna la Russia non ha avuto la possibilità di mantenere attiva l intera costellazione. Nel 2002 con il migliorare della situazione economica è stato dato il via al programma di rilancio del sistema satellitare Glonass. Il sistema GLONASS verrà utilizzato in affiancamento al GPS. Il vantaggio che deriva dall uso coordinato di entrambe le costellazioni è caratterizzato dal fatto che se si osservano più satelliti contemporaneamente si ottengono precisioni più accurate e risparmio nei tempi di acquisizione. 193

EGNOS EGNOS è acronimo di European Geostationary Navigation Overlay System, ovvero Sistema Geostazionario Europeo di di Sovrapposizione. È costituito da una rete di satelliti e basi terrestri progettate per offrire un servizio di incremento della accuratezza dei sistemi GPS e GLONASS in Europa. L accuratezza di EGNOS è di circa un metro e di conseguenza, l integrazione su detta porterà al massimo la risposta dei sistemi GPS + GLONASS. Per capire meglio, ipotizziamo di trovarci su un campo da calcio, con un localizzatore GPS potremo trovarci geo-referenziati in un punto qualsiasi tra l area di rigore avversaria e la porta della nostra metà campo. Con EGNOS, saremo in grado di localizzare la nostra posizione in un area di incertezza non superiore a quella del cerchio di centrocampo. GPS /GLONASS /EGNOS 194

GALILEO Il sistema di posizionamento Galileo (Galileo Positioning System) è un sistema satellitare globale di navigazione civile sviluppato in Europa come alternativa al GPS. La sua entrata in servizio è prevista per il 2013 e conterà su 30 satelliti orbitanti su 3 piani inclinati rispetto al piano equatoriale terrestre e ad una quota di circa 24.000 km. Il programma Galileo fu avviato ufficialmente il 26 maggio 2003 con un accordo tra l Unione europea e l Agenzia Spaziale Europea (ESA). Diversamente dal sistema GPS, sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d America (che si riserva il diritto di ridurre la copertura del segnale, la sua accuratezza o sospendere del tutto il servizio in qualunque momento), Galileo è rivolto principalmente al settore civile-commerciale mondiale. Il sistema europeo sarà sempre disponibile sia ai civili che ai militari e con la massima accuratezza. Un ritorno economico per le industrie europee si avrà anche con la produzione dei ricevitori Galileo, mentre ora con il GPS il mercato è esclusivamente americano. ENAV partecipa in modo importante a detto progetto. I principali scopi di Galileo sono: Una maggior precisione nella geo-localizzazione degli utenti rispetto a quella attualmente fornita dal GPS; Un aumento della copertura globale dei segnali inviati dai satelliti, soprattutto per le regioni a più alte latitudini (> 75 ); Un alta disponibilità del segnale nelle aree urbane; Una certificata affidabilità, supportata anche dall invio del messaggio di integrità che avverte immediatamente l utente di eventuali perdite di integrità nel segnale della costellazione o, viceversa, ne conferma l esattezza del segnale ricevuto; Una elevata continuità di servizio che, essendo indipendente dagli USA, potrà funzionare sempre e non verrà disattivato senza preavviso (come successo in tempi di guerra per il GPS). Galileo nasce anche per essere un sistema di navigazione da applicare nel campo dei trasporti ed è stato progettato per soddisfare le molteplici necessità dei vari segmenti di utenza presenti nel mercato; in campo aeronautico, l integrazione con gli altri sistemi di navigazione satellitare (Global Navigation Satellite System) porterà alla possibilità di effettuare, senza nessun rischio, operazioni di volo critiche quali avvicinamenti e atterraggi in condizioni di scarsissima visibilità, portando ad una progressiva riduzione dell utilizzo dei sistemi di avvicinamento basati a terra (ground-based). 195

Satellite GIOVE-B 196