La Scuola di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Roma “La Sapienza” porta avanti da diversi anni un’attività didattica e di ricerca nel campo della navigazione satellitare e delle sue applicazioni in campo spaziale, aeronautico e dei veicoli terrestri (soprattutto per quanto riguarda i trasporti ferroviari).

Il positivo contributo – in termini di migliori prestazioni e costi ridotti – dei sistemi satellitari alla navigazione aerea è accertato da numerosi studi e verificato nelle prime applicazioni: si considerino a titolo di esempio gli atterraggi in visibilità zero eseguiti a San Francisco (lavori del gruppo di Stanford) e l’entrata in servizio per la FAA del WAAS. Restano però da identificare e codificare, anche in termini di sicurezza e integrità, le migliori procedure operative, fattori che rendono l’attività di ricerca nel settore interessante e ricca di immediati riflessi applicativi.

Questa presentazione desidera mettere in evidenza alcune linee di ricerca sui sistemi satellitari attive presso la Scuola e più legate alla navigazione aerea:

- Analisi di visibilità e prestazioni mediante valutazione dei parametri DOP

- Utilizzo del GPS per RNAV (analisi dei dati del programma MFF di ENAV)

- Il programma GBAS (analisi dati ENAV/Thales)

- Il progetto del ricevitore software e il programma OpenGPS

L’interesse verso i temi della navigazione satellitare deriva da un’esperienza più che decennale nel campo della meccanica orbitale, e in particolare dei sistemi spaziali costituiti da un insieme di piattaforme (costellazioni e formazioni di satelliti).

Con riguardo alle costellazioni di satelliti, che costituiscono il segmento spaziale dei sistemi di navigazione, gli studi avevano per oggetto le coperture offerte dalle differenti configurazioni - La geometria relativa costellazione/ricevitore ha anche un immediato riflesso, evidenziato dai parametri dilution of position sulle prestazioni, secondo la relazione GPS= GDOP x UERE

-Il GBAS (Ground Based Augmentation System) è un sistema safety – critical che migliora le prestazioni fornite dal servizio di navigazione GPS mediante la correzione differenziale del suo segnale.

- Supporta le fasi di approccio, salita/discesa, decollo/atterraggio e movimenti a terra, superando le limitazioni di un tradizionale ILS (Instrumental Landing System).

Vantaggi:

• supporta più piste

• elevata accuratezza nel dato di posizione

• bassa sensibilità al sito di installazione (interferenze, multipath)

Immagine tratta da un documento Federal Aviation Administration (FAA)

• Costruzione di uno strumento numerico per la valutazione delle prestazioni di un sistema GBAS

• Modello basato sull’approccio di Bryson (“Control of Spacecraft and Aircraft”, 1994)

• Validazione mediante analisi dei dati raccolti in flight trials effettuati a Milano Linate

• Particolarizzazione del modello al caso di Linate (analisi del vento, analisi del segnale ILS/LOC-GP, velivolo impiegato [Citation II])

attesa/crociera: descrive la fase di volo di crociera immediatamente antecedente l’acquisizione del segnale ILS.

LOC/GP: descrive la fase di discesa lungo il sentiero nominale descritto dal segnale ILS.

flare: descrive la fase finale della discesa caratterizzata da una traiettoria curvilinea che porta l’aereo ad essere allineato con la pista per consentirne l’atterraggio.

Il programma MATLAB per la simulazione della fase di approccio consta di 3 blocchi:

Al segnale ILS può essere accoppiato/sostituito il segnale GPS/GBAS con le proprie caratteristiche di rumore

Esempi di controllo longitudinale e latero-direzionale per un velivolo Ryan-Navion.Seguendo l’approccio di Bryson, e’ stato implementato un simulatore del SAS (Stability Augmentation System), usando i metodi del controllo ottimo (LQR, Linear Quadratic Regulator e LQG, Linear Quadratic Gaussian)

Sviluppi della navigazione aeronautica con l’utilizzo dei sistemi satellitari

Giovanni B. Palmerini - Silvano Sgubini - Pier Domenico Tromboni

Scuola di Ingegneria Aerospaziale dell’ Università di Roma “La Sapienza”, Via Eudossiana 18 – 00184 Roma

giovanni.palmerini@uniroma1.it silvano.sgubini@uniroma1.it pdtromboni@enav.it

Background

GPS/GNSS nella fase di avvicinamento

0 5 10 15 20 250.5

1

1.5

2

2.5

3

time (h)

Andamento giornaliero dei parametri GDOP, VDOP e HDOP per l’aeroporto di Pescara

Marzo 2006

Costellazione GPS con 27 satelliti operativi (su 29)

Per valutare l’utilizzo del GPS per RNAV sono stati analizzati alcuni fra i dati registrati durante i flight trials effettuati nell’ambito del programma Mediterranean Free Flight (MFF) di ENAV, finalizzato allo studio di concetti innovativi di navigazione come il Free Flight e il Free Routing.

- Determinazione a bordo dello stato cinematico tramite GPS

- Broadcasting verso velivoli presenti nella stessa area e confronto con le soluzioni del segmento di terra (soluzione tradizionale)

- Pianificazione del volo sulla base del traffico di prossimità

A Cockpit Display of the Traffic Information Architettura del sistema avionico

2 velivoli – uno operante (chaser) e un target - impegnati nei flight trials 2 tipologie di applicazioni analizzate: follow e merge (spacing applications)Confronto fra i dati airborne e la soluzione calcolata a partire dai dati ground

Traiettoria eseguita da uno dei

velivoli Impegnati nei flight trials

• La ricerca sul miglioramento delle prestazioni dei sistemi satellitari di navigazione è volta alla risoluzione dei casi più “difficili”:

• - perdita del lock del segnale (elevata dinamica, multipath, jamming)• - acquisizione difficile o time consuming (geometrie sfavorevoli, cold start)• Lo soluzione di questi problemi implica procedimenti di acquisizione e tracking del segnale “flessibili” e una

intensa sperimentazione• Il ricevitore software, intrinsecamente riconfigurabile, offre grandi vantaggi (tempi, costi) rispetto ai ricevitori

integrati in commercio

Architettura di un ricevitore softwareArchitettura di un ricevitore tradizionale

• La frequenza del segnale GPS è 1575MHz, ma il nostro interesse è per una banda di soli 2MHz -> Bandpass sampling• Loop di ricerca estremamente oneroso computazionalmente

• similitudine correlazione/convoluzione – Analisi nel dominio della frequenza - DFT inversa del prodotto fra il segnale campionato e la replica del codice -> il loop nella fase del codice è eliminato

Campionamento

Acquisizione

Inseguimento

Sincronizzazione

Interpretazione del messaggio

Calcolo della soluzione

Identificazione dei PRN ricevuti, indicazione sommaria della frequenza di ricezione e dell’inizio del codice

Chiusura dei loop in codice e fase o frequenza conoscenza puntuale della fase del codice e della frequenza di trasmissione per ogni segnale utilizzabileLocalizzazione del preambolo del messaggio

Controllo di paritàValutazione della validità del messaggio, dello Z-count, delle effemeridi dei satelliti, dei parametri per i modelli di correzione degli errori

Correzione degli errori modellabiliValutazione della posizione a partire da una stima iniziale

La sequenza delle operazioni

svolte dal codice:

fase del codice (1023 celle)

scostamentoDoppler

PR

N

poss

ibil

i

(

30

cell

e)

Alcune caratteristiche importanti:

Il ricevitore di confronto rileva anche il PRN 3 - (intervallo analizzato 30 s)

Prova acquisizione (Roma 2/05) - Identificati PRN 15-16-18-22 - TCorr 1 ms

Componenti del ricevitore software

- Esempi di correlazione con e senza riconoscimento del segnale

-individuzione del valore di soglia

- utilizzo di intervalli più lunghi per incrementare S/N

- possibilità della transizione di bit dovuta al messaggio

L’attività sul software receiver, oltre ad avere un innegabile interesse scientifico, ha anche una forte caratterizzazione didattica, offrendo una comprensione del funzionamento di un ricevitore non facilmente ottenibile mediante prove su ricevitori commerciali.

Al fine di completare questo approccio, il team di navigazione della Scuola intende intraprendere a breve una nuova linea di ricerca su ricevitori a codice aperto, operanti attraverso hardware direttamente collegato al bus di un PC ospite [GPS Open Receivers]. In questo caso le operazioni di correlazione vengono materialmente svolte dai tradizionali componenti del ricevitore, ma la sequenza delle operazioni è regolata da un codice che gira sul PC ospite e può quindi essere implementato mediante un codice in linguaggio C, assai più facile da comprendere e modificare.

Esempio di hardware utilizzato negli open receivers (immagine GPS Creations)

La scheda contiene la sezione RF e i banchi di correlazione – il processo è governato dall’unità centrale del PC, che accede ai registri hardware sulla scheda e valuta soluzione di navigazione

GPS/GNSS per la navigazione in rotta

Ricerca e didattica nel campo dei ricevitori satellitari