NDB (Non-Directional Beacon)

I.T.C. G.P.Chironi - Nuoro A.s. 2012/13 Radioassistenze per la navigazione aerea - Ing.T. Morreale

Radioassistenze per la navigazione aerea

La navigazione radioassistita (o radionavigazione) si basa su sistemi di terra per misurare la posizione attraverso la misura del tempo di propagazione di unonda elettromagnetica o la demodulazione di unopportuna informazione associata allonda portante. La posizione viene fornita in un qualsiasi sistema di coordinate (latitudine-longitudine, oppure coordinate polari, r-q, rispetto ad un punto al suolo, come nel caso di distanza da un radiofaro). La maggior parte dei sistemi elettronici di navigazione aerospaziali sfrutta lutilizzo di onde elettromagnetiche a frequenze comprese tra pochi kHz a qualche GHz (onde radio), basandosi sulla velocit di propagazione costante, che permette di misurare la distanza (range) tra due punti, attraverso misure di tempi di propagazione. La radionavigazione si distingue in attiva e passiva; in quella attiva il radiotrasmettitore di navigazione a bordo fissa la sua posizione trasmettendo una serie di impulsi alla stazione a terra, che immediatamente li ritrasmette su unaltra frequenza portante. Quella passiva si basa su un ricevitore passivo a bordo del velivolo. Le radioassistenze per la navigazione aerea si dividono in:

Radioassistenze usate per la navigazione a breve raggio, allinterno di una regione di controllo:

NDB (Non Directional Beacon); VOR (VHF Omnidirectional Range);

DME (Distance Measuring Equipment);

TACAN (Tactical Air Navigation) Radioaiuti per lavvicinamento finale e latterraggio sugli aeroporti:

ILS (Instrument Landing System);

MLS (Microwave Landing System);

Navigazione oceanica:

Loran;

Omega;

Sistemi satellitari:

GPS (Global Positioning System).Radiofaro non direzionale - NDB (Non-Directional Beacon) I primi sistemi di radionavigazione erano rudimentali, lorientazione rispetto ad una direzione di destinazione o ad un trasmettitore a terra veniva determinata da unantenna direttiva. Laereo veniva orientato verso la direzione di massima ricezione del segnale, irradiato isotropicamente dalla stazione di radionavigazione, usata come un faro: questo processo di ritorno a casa appunto chiamato homing. Per quanto riguarda il posizionamento della stazione NDB, idealmente dovrebbe essere installata su una superficie pianeggiante molto vasta, senza ostacoli in tutte le direzioni. In pratica la stazione adiacente ad un aerodromo, con conseguenti problemi derivanti dallesistenza di edifici (torre di controllo, serbatoi, hangar, ecc.). Gli errori di bearing attribuibili al posizionamento della stazione NDB provocano il fenomeno del multipath, cio la ricezione da parte dellantenna a bordo dellaereo di segnali indiretti, attraverso riflessioni da larghe strutture nel campo del trasmettitore o da radiazione diffratta da larghi ostacoli fra trasmettitore e ricevitore. Di questi, il primo il fenomeno pi frequente, e leffetto tipico che lantenna dellaereo punta ad una direzione intermedia fra quella vera e quella di un grosso ostacolo vicino alla stazione NDB, che ha riflesso il segnale irradiato dal velivolo. Il radiofaro ha per una grossa limitazione: la posizione relativa (la radiale, cio) tra esso e il velivolo sconosciuta, a meno di aggiungere informazioni complementari (ad esempio, una bussola magnetica che indica il nord). Questo giustifica lidea espressa dal nome inglese non-directional beacon (NDB) del radiofaro. Un secondo svantaggio dellNDB emerge, quando laereo vola direttamente verso la stazione: la traiettoria desiderata pu non essere rettilinea, perch il velivolo potrebbe essere portato fuori rotta dal vento, seguendo una curva, anche se mantiene il corretto bearing verso il radiofaro. Questo effetto di deriva pu essere significativo per grandi distanze, e pu essere corretto con un opportuno angolo di scarroccio (crab angle, che praticamente langolo tra le direzioni di heading e bearing), calcolabile sulla base della conoscenza dellentit del vento. Ma questo implicherebbe calcoli e tecniche di navigazione esterne alluso del radiofaro e aumenterebbe il lavoro del pilota. I radiofari non direzionali NDB sono delle stazioni, poste lungo le aerovie o in prossimit degli aeroporti, e ubicate in posizioni geografiche adatte a fornire fix per la navigazione in rotta o per gli avvicinamenti.

Fig.1 Indicazioni di bearing rispetto a un NDB I radiofari NDB trasmettono nel campo delle frequenze medio basse, comprese tra 200 e 500 KHz, solitamente trasmettono in continuazione (H24) e il loro segnale modulato a 1020 Hz si irradia uniformemente in tutte le direzioni. Questi segnali si propagano per onda superficiale, e superando gli ostacoli per rifrazione nella ionosfera possono essere ricevuti a quote basse. Normalmente la distanza alla quale si possono ricevere i segnali degli NDB molto maggiore della loro portata (se dotato di un ricevitore di buona qualit, anche doppia). Ogni NDB ha un proprio nominativo di riconoscimento, costituito da tre lettere dellalfabeto, esclusi i Locator che solitamente ne hanno due, o anche solo una. Le lettere si rifanno al nome della localit in cui ubicato il radiofaro (BOA per Bologna, CMO per Camogli, CHI per Chioggia), e vengono trasmesse in alfabeto Morse a intervalli di tempo prestabiliti. Il nominativo ricevuto da bordo come segnale audio, costituito da una serie di punti e linee. Quando un NDB viene impiegato come radioaiuto primario per la navigazione in rotta o per condurre un avvicinamento strumentale, deve sempre essere identificato onde evitare di seguire il segnale di un radiofaro diverso da quello che si intende usare. LNDB costituito da un ricevitore radiogoniometrico, posto sulla/m, in grado di determinare la direzione di provenienza delle radioonde ed indicato con il termine DF (Direction Finder). Inizialmente il ricevitore DF era munito di unantenna a telaio che il pilota doveva ruotare manualmente per puntarla al radiofaro trasmittente; quando lantenna era disposta con il piano del telaio perpendicolarmente alla direzione di provenienza del segnale non veniva percepito alcun segnale, determinando cos il rilevamento rispetto alla/m. Associando alla misura lindicazione letta sulla bussola magnetica, il pilota poteva determinare il rilevamento magnetico della/m rispetto alla stazione tracciando sulla carta una linea di posizione: usando i rilevamenti di due NDB si poteva ottenere la posizione della/m. Per volare verso il radiofaro (homing), dopo aver posto il piano del telaio nel piano trasversale della/m, il pilota doveva dirigersi in modo da rilevare continuamente un segnale nullo con ovvie difficolt in presenza di vento. Successivamente i telai ruotanti manualmente sono stati sostituiti da sistemi automatici in grado di determinare il rilevamento della stazione e di fornire tale informazione su un display; tali sistemi sono noti con il termine di ADF (Automatic Direction Finder).

I radiofari NDB si distinguono in:

RADIOFARI HH: sono in genere NDB di navigazione installati sulle coste per servire le rotte che attraversano ampie distese di acqua. Hanno una potenza di emissione maggiore di 2000 Watt e una portata di 75 NM.

RADIOFARI H: sono radiofari per la navigazione in rotta normalmente disseminati lungo le aerovie. Hanno una potenza di emissione compresa tra 50 e 1999 Watt e una portata di 50 NM.

RADIOFARI MH: sono radiofari di avvicinamento, sui quali si basano normalmente le procedure strumentali. Hanno una potenza di emissione minore di 50 Watt e una portata di 25 NM.

RADIOFARI COMPASS LOCATOR, utilizzati per la fase di avvicinamento congiuntamente al sistema di atterraggio strumentale ILS, con potenza di circa 25 Watt e una portata di 15 NM. Questi radiofari sono collocati assieme ai markers del sistema ILS e prendono il nome di LOM (Locator Outer_Marker) o di LMM (Locator Middle Marker) a seconda che siano collocati nel marker esterno (OM) o in quello medio (MM). Gli NDB sono abbastanza diffusi, poich poco costosi e demandano la responsabilit della precisione della misura interamente al ricevitore di bordo. Ma lFAA (Federal Aviation Administration) ha previsto di cominciare a togliere dal servizio i radiofari NDB a partire dal 2005, per cui si avr una completa scomparsa di questo tipo di radioassistenza, in quanto ogni radiofaro egregiamente sostituito da un way point GPS.Radiofaro omnidirezionale - VOR (VHF Omnidirectional Range) Il VOR (VHF omnidirectional range) o radiosentiero omnidirezionale in VHF il sistema di radioguida, internazionalmente in uso dal 1949 come standard per la navigazione a corto raggio, operante nella gamma da 108.00 a 117.95 MHz (banda VHF) con intervalli di 50 KHz. Nella banda che va da 108.00 a 117.95 MHz, alcune frequenze sono assegnate al sistema di atterraggio radioassistito (ILS), mentre le frequenze di 108.00 e 108.05 MHz sono riservate per prove tecniche; inoltre esistono anche 40 frequenze non utilizzate per operazioni VOR, posizionate nei decimali dispari fra 108.00 e 111.90 MHz. Il VOR fornisce linee di posizione radiale, individuate dallintersezione con la superficie terrestre di piani verticali aventi come asse la verticale delle antenne delle stazioni a terra. Il sistema a funzionamento automatico con emissione di onde continue e permette di individuare un numero illimitato di rilevamenti noti come radiali (360, uno per ogni grado), cos da permettere a un a/m di avvicinarsi o allontanarsi rispetto alla stazione volando lungo la radiale selezionata. Il VOR congiuntamente al sistema DME costituiscono il sistema standard ICAO per la navigazione a corto e medio raggio, tale sistema consente al pilota di conoscere in ogni istante la sua posizione tramite un rilevamento fornito dal VOR e la distanza lungo di esso fornita dal DME. A bordo il pilota riceve le informazioni VOR da uno strumento suddiviso in due zone (Fig.2): la prima detta Omni Bearing Selector (OBS), e serve a selezionare il bearing voluto ruotando una manopola solidale ad una scala circolare graduata, mentre la seconda detta Course Deviation Indicator (CDI), ed un rivelatore di zero che indica se il velivolo a destra o a sinistra della rotta selezionata. Inoltre, un flag indica se ci si sta avvicinando (TO) o allontanando (FROM) dalla stazione di terra. In navigazione pratica, la procedura per il raggiungimento della radiale desiderata (detta intercettazione di radiale) si basa sulla regola del fly-to-the-needle (letteralmente, vola verso lago): ad esempio, se il CDI si trova a destra della posizione in rotta, significa che laeromobile a sinistra della radiale prefissata e deve virare verso destra. Si deve sempre tenere a mente che il VOR d indicazioni assolutamente indipendenti dallorientamento dellasse longitudinale dellaereo, cio della prua, ma che invece fa riferimento alla radiale selezionata e alla posizione dellaereo rispetto ad essa, indipendentemente dalla prua. Per quanto detto spetta a chi usa il VOR far si che le indicazioni risultino agevoli da interpretare. In genere si dice che lindicazione VOR

Fig.2 Indicatore VOR

istintiva quando la lancetta spostata dalla parte dove il pilota ha la radiale che intende intercettare o seguire. a/m Radiale selezionata

radiale opposta

a/m Fig.3 Considerando che gli indicatori VOR in Fig. 3 sono disposti nello stesso modo in cui li vedrebbe un pilota seduto a bordo, per un pilota che sta volando parallelamente alla radiale selezionata (dal basso verso lalto), lindicazione sarebbe istintiva, in quanto la lancetta indica che la radiale alla sua (del pilota) destra. Supponendo adesso che il pilota esegua una virata di 180 e inverta la rotta, durante la virata e mentre la/m vola poi in senso inverso, lindicatore del VOR non cambia, esso rimane TO con la lancetta a destra. Per ora il pilota ha la radiale selezionata alla sua sinistra, e quindi lindicazione del VOR, che non cambiata adesso antiistintiva. Qualora il pilota dopo linversione voglia nuovamente avere la comodit di considerare istintiva lindicazione, deve ruotare lOBS e selezionare la radiale opposta a quella selezionata prima, durante questa operazione, la bandierina cambia da TO a FROM e la lancetta si sposta a sinistra, fornendo unindicazione opposta alla precedente, e quindi nuovamente istintiva per il pilota. Quindi per avere unindicazione istintiva necessario selezionare la radiale in modo da avere la bandierina in TO se si sta volando verso la stazione, o in FROM se ci si allontana da essa. Prua e OBS devono cio essere concordi, anche se non uguali. Un a/m A, indipendentemente dalla sua prora, si trova sulla radiale 030 FROM o, sulla radiale 210 TO Fig. 4, ovvero la/m assumendo una prora magnetica uguale a 030 in volo di allontanamento o outbound rispetto alla stazione (FROM), se invece assume una prua uguale a 210 in volo di avvicinamento o inbound (TO). Nello stesso modo un a/m B, indipendentemente dalla sua prora, si trova sulla radiale 210 FROM o sulla radiale 030 TO.

Fig. 4 Scelta della radiale TO o FROM In Fig. 5, il pilota dalla posizione 1 inizia la virata in modo da intercettare con un angolo di 45 la radiale prescelta (030 TO). Nella posizione 1 la/m si trova sulla radiale 010 TO (valore che pu ricavarsi dallo strumento ruotando lOBS fino a portare la barra verticale al centro) e, quindi la barra risulta spostata verso sinistra a fondo scala. Quando la/m si avvicina alla radiale, non appena la differenza dei rilevamenti inferiore ai 10, la barra si sposta verso il centro. Appena viene indicato il valore in corrispondenza del quale opportuno iniziare la virata (lead point, posizione 2), il pilota accosta mantenendo la barra centrata e la bussola sulla prora magnetica di avvicinamento (posizione 3). In assenza di vento la/m segue la radiale di avvicinamento se il pilota mantiene la barra verticale centrata e la prora magnetica sul valore 030, in presenza di vento, mantenendo la stessa prora, il pilota si accorge che la barra verticale si sposta verso la direzione da cui proviene il vento.

Fig. 5 Procedure di rotta con il VOR Lintensit dei segnali VOR nulla lungo la verticale della stazione allinterno di una superficie conica avente il vertice sulla stazione e lasse coincidente con la verticale (cono di confusione). Quando la/m entra nel cono di confusione la barra verticale del VOR oscilla a destra e a sinistra mentre lindicatore di senso fluttua tra TO e FROM ed appare il segnale OFF tra le scritte TO e FROM. Non appena la/m esce dal cono di confusione lindice di senso passa dalla posizione TO alla posizione FROM (o viceversa); il volo procede in allontanamento mantenendo sempre la barra centrata. E necessario ridurre il pi possibile la semiapertura di tale cono per ovvi motivi.

La lettura VOR va sempre accoppiata ad unindicazione di heading (tipicamente, data da una radiobussola o RMI, Radio Magnetic Indicator. Oltre a mostrare lorientazione della prua dellaereo, lRMI ha anche un ago detto ADF pointer, che punta alla direzione dove si trova la stazione VOR di terra, fornendo quindi la rotta effettivamente seguita dal velivolo. Nellintercettazione di radiali, questo heading prende il nome di prua dintercettazione. Langolo fra lheading del velivolo e la rotta prefissata con lOBS si chiama invece angolo dintercettazione.

Sullaeromobile, le antenne VOR sono tipicamente installate sulla parte anteriore dello stabilizzatore verticale, e sono utilizzate per ricevere sia i segnali VOR che i segnali della funzione localizer (LOC) dellILS. Il sistema di bordo formato da una o pi antenne, un ricevitore e un indicatore. Il VOR trasmette due segnali elettromagnetici: un segnale di riferimento la cui fase costante in tutte le direzioni e un segnale variabile la cui fase varia con il rilevamento. Il segnale di fase variabile modulato in modo che nella direzione del nord magnetico i due segnali sono esattamente in fase luno con laltro. Il ricevitore di bordo misura la differenza di fase tra i due segnali che uguale al rilevamento magnetico della/m rispetto alla stazione.

Unanalogia ottica chiarir il concetto. Il segnale di riferimento un faro visibile da ogni direzione, e quello variabile uno stretto fascio che ruota con velocit nota, un osservatore in una certa posizione vedr il segnale variabile solo, quando punta verso di lui. Supponendo che il segnale di riferimento lampeggi, quando il segnale variabile punta a una direzione zero (il nord magnetico), losservatore pu calcolare il suo bearing rispetto alla direzione di riferimento calcolando il tempo trascorso dal lampo di sincronizzazione a quello del fascio luminoso rotante quando punta su di lui.

Fig. 6 Segnale di riferimento e variabile in funzione del bearing relativo. Il trasmettitore VOR di terra traduce nelle VHF questa idea, la comparazione di fase effettuata facendo ruotare un segnale a 1800 giri al minuto (30 Hz), e il segnale contiene uninformazione di riferimento (una fase costante in tutte le direzioni) e una variabile (una fase che dipende dallorientazione relativa dellosservatore). Il ricevitore VOR di bordo elabora i due segnali (Fig. 6) e ricava il bearing dalla misura dello sfasamento relativo. In pratica il segnale variabile lampeggia quando in fase con il segnale di riferimento (Nord magnetico) ed il loro sfasamento aumenta a mano a mano che il fascio rotante continua il suo giro.

Ad esempio, ammesso che il fascio rotante compia un giro ogni 10sec, un ipotetico osservatore pu determinare la radiale sulla quale si trova, semplicemente misurando con un cronometro lintervallo di tempo tra listante in cui egli vede lampeggiare la luce pulsante e listante in cui il fascio rotante lo investe, passando per la sua posizione. Se per esempio, si misura un intervallo t di 2 sec tra i due segnali, significa che il fascio rotante ha fatto di giro, pari a 72, dal momento in cui si trovava in fase con la luce pulsante,

t : a =10sec : 360

2sec : a =10sec : 360

Langolo di 72 langolo di cui i due segnali risultano sfasati e rappresenta la radiale su cui si trova losservatore.

Per finire lo spettro del segnale composito VOR comprende: la portante a frequenza fc modulata in ampiezza (segnale variabile); le due sottoportanti a distanza 9960 Hz, modulate in frequenza da un tono a 30 Hz (segnale di riferimento); Un segnale a 1020 Hz che d lidentificativo Morse della stazione di terra, emesso almeno 3 volte in 30 sec; un segnale voice (banda 4 kHz) per la trasmissione di eventuali comunicazioni vocali. Il range di funzionamento tipico del sistema VOR dipende dalla quota del velivolo ed di 200 NM circa 370.4 km.

Le stazioni VOR si suddividono in base alle loro caratteristiche e alle funzioni svolte, in:

Stazioni VOR di navigazione - (VOR/NAV), detti anche en route. Forniscono assistenza lungo le aerovie. Le potenze trasmesse tipiche sono dellordine di 200 W, e la distanza tra due stazioni successive 180 km. Queste stazioni operano su una banda di frequenze da 112.00 a 117.95 MHz.

Stazioni VOR terminal - . Esistono stazioni non provviste di apparato di riserva (dette TVOR) e provviste di apparato di riserva (LVOR o HVOR, Low-altitude VOR o High-altitude VOR). Queste stazioni sono poste in prossimit degli aeroporti, trasmettono una potenza di circa 50 W ed operano sulla banda 108.00-111.85 MHz (decimali pari).

Stazioni VOR test - Trasmettono un segnale campione in modo isotropico (cio, il segnale trasmesso con intensit uguale in tutte le direzioni), per consentire il controllo del funzionamento delle apparecchiature di bordo. Sono localizzate nelle aree ad intenso traffico aereo.

DME (Distance Measuring Equipment) Il DME (Distance Measuring Equipment) il sistema che offre al pilota la possibilit di leggere direttamente a bordo la distanza tra la/m ed una stazione DME a terra e spesso usato congiuntamente allinformazione radiale di un VOR per fornire il posizionamento di un velivolo. La determinazione della distanza resa possibile dal dialogo continuo tra il trasmettitore di bordo, chiamato interrogatore, e il transponder o risponditore, della stazione a terra (Fig. 7). Il DME opera in UHF da 962 a 1213 MHz (banda L).

Fig. 7 Principio di funzionamento del DME. Linterrogatore di bordo funziona nella banda di frequenze UHF comprese tra 1025 e 1150 MHz, ha quindi 126 canali a disposizione, emettendo coppie di impulsi opportunamente spaziate, che, ricevuti da un transponder nella stazione VOR/DME di terra, innescano la risposta. Dopo un tempo di reazione fissato, tr, dipendente dallelettronica del transponder di terra, questo ultimo invia una replica (reply) allinterrogazione, su una frequenza 63 MHz al di sotto o al di sopra della portante trasmessa. Lapparato di bordo mediante un calcolatore misura il tempo intercorso tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi e, noti la velocit di propagazione e il ritardo costante, determina la distanza tra la/m e la stazione. La distanza D (espressa in miglia nautiche) tra laereo e il transponder DME di terra semplicemente data da:

dove t il ritardo di propagazione, c la velocit della luce (2.9979108 m/s nel vuoto), e il fattore 2 tiene conto di andata e ritorno (round-trip delay) del segnale.

Fig. 8 Slant range e round range. La distanza D chiamata slant range distance (Fig. 8) e differisce dalla distanza misurata orizzontalmente; a una certa distanza dalla stazione la differenza trascurabile, ma quando la/m opera nelle vicinanze della stazione a quote considerevoli la differenza non pu essere trascurata. D lipotenusa di un triangolo rettangolo i cui cateti sono la quota del velivolo e la distanza a terra (ground, o map, range). Lassunzione di Terra piatta accettabilissima, visti gli ordini di grandezza delle quote (5-20 km) rispetto al raggio terrestre medio (6378.14 km), anche se, come detto prima, per aerei ad alta quota la differenza tra lo slant range e il map range, quando laereo a grande distanza dal transponder DME, pu diventare significativa.

Lequipaggiamento di bordo trasmette coppie di impulsi a RF in banda L; tali impulsi dinterrogazione vengono trasmessi a coppia per ridurre o evitare interferenze con altri sistemi ad impulsi nella banda di lavoro del sistema DME.

Il transponder di terra riceve gli impulsi RF, si accerta che lintervallo di tempo che li separa abbia il valore corretto, introduce un ritardo tr, e trasmette una replica di due impulsi simili a quelli ricevuti, ma ad unaltra frequenza portante (detta frequenza di reply, per distinguerla dalla frequenza di interrogazione), per fare in modo che laereo riceva solo segnali dalla stazione di terra, anzich una mescolanza di segnali di terra e da altri velivoli, che possono avere grosse variazioni in intensit. Il transponder di bordo misura il t utilizzando come riferimento listante in cui il primo dei due impulsi di reply raggiunge il 50% del suo valore massimo.

Un interrogatore DME di un aereo potrebbe ricevere impulsi di replica non destinati ad esso, ma ad altri aerei che hanno interrogato la stazione di terra, per cui gli impulsi di replica che la stazione DME intende inviare ad un altro velivolo, cos come impulsi che il transponder trasmette anche quando non c nessuna interrogazione costituiscono il fenomeno dello squitter, e linterrogatore deve separare le repliche giuste dallo squitter. Pi precisamente, deve riconoscere le repliche ad esso destinate e rifiutare tutte le altre coppie di impulsi (questa funzione chiamata searching), e deve ricavare le opportune informazioni di distanza, una volta riconosciuta la reply corrispondente alla sua interrogazione (questa funzione detta tracking).

Generalmente, dopo uninterrogazione un certo numero di impulsi sar ricevuto dal transponder, e il tempo di ritardo t tra linterrogazione e la risposta dovrebbe essere pi o meno lo stesso per interrogazioni successive, con lievi differenze dovute al moto dellaereo. Il metodo per separare repliche indesiderate si basa su questo concetto. Viene inviato un certo numero di interrogazioni, e vengono analizzate le repliche, verificando che, tra le diverse coppie di impulsi ricevuti dopo una singola interrogazione, solo una replica per ogni interrogazione arrivata dopo lo stesso t, mentre le rimanenti hanno tempi di arrivo casuali, e costituiscono, per il velivolo in esame, squitter. Oltre alla distanza dalla stazione il calcolatore del DME misura anche la velocit di variazione di tale distanza e la traduce in velocit al suolo espressa in nodi. Naturalmente il valore della GS mostrata dal DME corrisponde alla velocit al suolo, quando la/m si sta allontanando o avvicinando direttamente alla stazione. Nei casi limite in cui la/m vola al traverso o in un cerchio intorno alla stazione, la velocit indicata dal DME zero, in quanto la distanza non subisce alcuna variazione.

Altra funzione del DME, consequenziale alle due precedenti, il calcolo del tempo in minuti primi necessario a giungere alla stazione (TTS = Time To Station). Tale indicazione valida solamente quando la/m si muove direttamente verso la stazione.

Un tipico numero di aeromobili gestiti da una stazione DME 100. Il pannello frontale di una tipica apparecchiatura DME da aereo, fornisce simultaneamente la distanza (in N/M), la velocit al suolo (in Kts) e il tempo (in minuti) oltre alla frequenza. Sia lapparato di bordo sia la stazione a terra trasmettono e ricevono attraverso ununica antenna. Quella dellapparato di bordo installate sugli aeromobili sono del tipo a lama, tipicamente posizionate nella parte inferiore della fusoliera, isolate con opportune guarnizioni (Fig. 9), mentre quella della stazione a terra unantenna omnidirezionale. Ogni 30 secondi le stazioni al suolo emettono il proprio segnale di riconoscimento, costituito da tre lettere in alfabeto Morse modulate sulla frequenza di 1350 HZ.

Fig .9 Forma e posizione tipiche delle antenne DME(due interrogatori, per il comandante e il primo ufficiale).

Nelle stazioni aeroportuali le stazioni DME possono essere associate con lILS o con lMLS, e definite DME-P (o di precisione) in quanto permettono di ottenere la distanza con un margine di errore compreso entro 15 m.TACAN (Tactical Air Navigation) Il Tactical Air Navigation o semplicemente TACAN un sistema di navigazione aerea a breve raggio utilizzato dai militari statunitensi e da alcune nazioni della NATO. Il TACAN Fornisce all'utente una distanza e una radiale da una stazione a terra. una versione pi accurata del sistema VHF Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment (VOR/DME) che fornisce la gamma e le informazioni in radiale per aeronautica civile. Un TACAN dovrebbe fornire teoricamente un aumento nell'esattezza confrontata ad un VOR, ma l'uso operativo ha indicato un aumento di soltanto 1.5 - 2 volte. L'esattezza del componente di azimut di 135 hertz 1 o 63 m. a 3.47 chilometri. L'esattezza della parte del DME di 185 m. (miglio nautico 0.1). Poich le unit della distanza e dell'azimut sono riunite in un unico complesso ne consegue uninstallazione pi semplice. Un sistema di TACAN richiede meno spazio che un VOR, perch pu essere installato teoricamente (ma anche in pratica) su un edificio, su un grande camion, su un aeroplano, o su una nave ed operativo in un breve periodo di tempo. Il TACAN, per esempio, usato sulle aviocisterne di rifornimento di carburante.ILS (Instrument Landing System) Il sistema di atterraggio strumentale ILS (Instrumen Landing System) un radioaiuto che consente al pilota di intercettare la traiettoria ottimale di discesa e di mantenere su di essa la/m in posizione corretta. Per cui lILS rientra nei sistemi abilitati per gli avvicinamenti di precisione, individuando cos tre categorie di approccio alla pista, determinate da limitazioni basate sulla visibilit:Categoria dellILSAltezza di decisioneRVR

IDH 60mRVR 550m

(o visibilit 800m)

II30 < DH < 60m 350m

IIIA0 < DH < 30m 200m

IIIB0 < DH < 15m50 < RVR < 200m

IIICDH = 0RVR = 0

Tabella 1. LRVR (Runway Visual Range) un sistema posizionato in una zona adiacente alla pista datterraggio. Una sorgente luminosa di intensit nota proiettata lungo una distanza predeterminata (396 m, o 1200 piedi), e un rivelatore elettronico, detto trasmissometro , determina se la luce visibile o meno. Questa informazione comunicata alla torre di controllo, e comunicata al pilota per il processo decisionale relativo allatterraggio. Con il sistema ILS si pu effettuare un avvicinamento strumentale fino allaltezza di decisione (DH, Decision Height) negli avvicinamenti di precisione, ed la quota alla quale il pilota, se non vede le luci datterraggio o la pista, deve riattaccare, attendere un miglioramento del clima, o dirigersi verso un altro aeroporto. Nel caso in cui riattacchi, il pilota esegue una procedura che si chiama missed approach, o atterraggio mancato, che essenzialmente un allontanamento dalla pista controllato e regolato da apposite istruzioni. Una pista tipica per atterraggi di precisione larga 50 m e lunga da 2700 a 4000 m. Attualmente, circa 1000 aeroporti nel mondo hanno una pista certificata per la categoria III, mentre circa 1500 sono gli ILS (al 1996) operativi nel mondo, con circa 117 000 aerei equipaggiati con uno o pi ricevitori ILS. La stazione ILS di terra emette due fasci di radioonde che permettono di definire altrettanti piani, con polarizzazione orizzontale, uno detto glide slope e laltro localizer: il primo un piano inclinato rispetto alla pista di circa 2,5, tale da intercettare la pista a una distanza di circa 1000ft oltre la soglia (Fig. 10); e il secondo un piano verticale contenente lasse centrale della pista e indica lo scostamento del velivolo rispetto allasse centrale della pista. Dallintersezione dei due piani si ottiene la corretta traiettoria di discesa (glide path). Localizer Glide Slope

LOC GS Glide Path

Fig. 10 Rappresentazione del Glide Path. Idealmente, un velivolo dovrebbe discendere decrementando la sua quota di 300 piedi per ogni NM (91 metri ogni 1852 metri percorsi sul sentiero di discesa). Fig. 11 Il sentiero ILS, costituito dallintersezione fra il piano localizzatore e il piano di planata e un indicatore ILS. Il localizer, costituito da un sistema di antenne, che emettono una frequenza VHF, compresa tra 108.10 MHz e 111.95 MHz, con 40 canali spaziati di 50 kHz fra loro, e potenza trasmessa dellordine di 100 W. Le antenne del localizer sono situate tra 200 e 330 m dalla fine della pista. Il segnale del localizer viene ricevuto entro un settore, centrato nelle antenne, di ampiezza 35 rispetto allasse della pista fino a una distanza di 17 NM, mentre tra 17 NM e 25 NM il segnale pu essere ricevuto soltanto in un settore di 10. Nel piano verticale il segnale viene ricevuto entro 7 di elevazione (Fig. 12). -35 -10

10NM 17NM +35 25NM +10

7 LOC

Fig. 12 Copertura orizzontale e verticale del localizer. Le antenne del localizer possono emettere lo stesso segnale anche sulla parte opposta rispetto alla pista (localizer back course) in modo da guidare gli aeromobili durante la manovra di mancato atterraggio o nel corso di avvicinamenti dalla direzione opposta. Limpiego del back corse per avvicinamenti strumentali ammesso solo in presenza di una specifica procedura pubblicata negli AIP, previa autorizzazione dellATC, i sistemi attualmente in uso in Italia non lo impiegano. La portante modulata in ampiezza a 90 e 150 Hz, in modo che prevale la modulazione di 90 Hz quando la/m a sinistra rispetto alla traiettoria di discesa ottimale; in tal caso sul ricevitore di bordo un indice invita il pilota ad accostare a dritta (fly right), (Fig. 13). Il contrario avviene quando la/m si trova spostato a destra dove predomina la modulazione di 150 Hz. 90 Hz 150 HzFig. 13 ILS e varie posizioni rispetto al piano localizzatore. Il glide slope costituito da un sistema di antenne poste su di un traliccio verticale collocato lateralmente rispetto allasse pista a una distanza di circa 500 ft, approssimativamente allaltezza del punto in cui i carrelli toccano la pista stessa (touch-down point), in modo da non ostacolare gli aa/mm in fase di atterraggio. Le antenne emettono una portante UHF, la cui banda compresa fra 329.15 MHz e 335.00 MHz, con 40 canali spaziati di 150 kHz. Le frequenze del glide slope sono abbinate a quelle del localizer in modo che sufficiente sintonizzare il ricevitore di bordo sul localizer e automaticamente verr ricevuto anche il segnale del glide slope. Anche la portante glideslope viene modulata con due toni a 90 e 150 Hz. Il diagramma di irradiazione risultante tale che , se la/m al di sotto del sentiero di discesa, prevale la modulazione di 150 Hz e un indicatore a bordo d al pilota un segnale di fly up, se invece la/m al di sopra del sentiero di discesa, prevale la modulazione a 90 Hz e il pilota invitato a volare verso il basso (fly down). Se la/m si trova sul corretto sentiero di discesa la barra orizzontale apparir centrata, segnalando che la discesa corretta (on glide path) (Fig. 14).

90Hz

150HzFig. 14 ILS e varie posizioni rispetto al piano di planata.

Le antenne, normalmente due poste a 14 e 28 ft di altezza, vengono poste su un traliccio ubicato su una superficie dotata di un buon potere riflettente; negli ILS di categoria II e III, le antenne sono tre, poste a 14, 28 e 42 ft rispetto al suolo, in modo da garantire maggiore sicurezza nel caso in cui la/m si avvicinasse troppo basso rispetto alla traiettoria corretta.

La copertura orizzontale del glide slope definita da un settore circolare di ampiezza uguale a 8 fino a una distanza di 10NM; la copertura verticale, indicando con langolo di planata (tra 2 e 4), compresa tra 0,45 e 1.75 per una distanza di 10 NM (Fig. 15).

- 8

10NM + 8

1.75

GP 0.45

Fig.15 Copertura orizzontale e verticale del glide slope. Il sistema completato da due o tre radiofari marcatori (marker beacons, almeno due sono richiesti dalle specifiche ICAO per gli impianti ILS), che trasmettono un segnale alla frequenza di 75 MHz, sono situati lungo il prolungamento della pista, approssimativamente a 7.5 km, 900 m e (opzionalmente) tra 450 m e 75 m dallinizio della pista, e irradiano un fascio verticale a ventaglio, ad angolo retto rispetto alla linea di approccio alla pista. Ogni marcatore ha una codifica particolare, e il pattern stretto assicura che il codice ascoltato solo per pochi secondi al passaggio del velivolo. Il marker esterno (OM, Outer Marker) posto a circa 5 NM prima della soglia pista, quando la/m lo attraversa, sul quadro di controllo del ricevitore si accende una luce blu e pu essere udito in cuffia un segnale costituito da una serie di linee ottenuto attraverso una modulazione a 400 Hz.

Il marker medio (MM, Middle Marker) posto a circa 0.6 NM prima della soglia pista, in modo che nel momento del suo sorvolo la/m si trovi ad unaltezza di 200 ft che laltezza di decisione per un avvicinamento di I categoria. Quando la/m attraversa il MM, sul quadro di controllo del ricevitore si accende una luce di colore ambra, e pu essere udito in cuffia un segnale costituito da punti e linee, ottenuto attraverso una modulazione a 1300 Hz. Per gli ILS di categoria superiore alla I, c un marker interno (IM, Inner Marker) posto a una distanza dalla soglia pista, tale che, quando la/m lo attraversa, si trova allaltezza di decisione relativa alla categoria dellILS; sul quadro di controllo del ricevitore si accende una luce bianca e pu essere udito in cuffia un segnale costituito da una serie di punti ottenuto attraverso una modulazione a 3000 Hz.RICEVITORE MARKERCOLORECODICE MORSE

OUTER MARKERBLUE_ _ _ _

MIDDLE MARKERAMBRA . _ . _

INNER MARKERWHITE. . . . .

In alcuni aeroporti associato allOM o al MM, installato un radiofaro NDB che aiuta il pilota durante la manovra di avvicinamento iniziale; in alcuni casi associato al LOC, pu essere installato un DME in modo da fornire una continua informazione di distanza.

Fig. 16 Piani glide slope e localizer

Negli aeroporti minori sui quali, per motivi economici, non conveniente installare un ILS, pu essere installato un localizer semplificato in grado di fornire una semplice informazione di azimut anche se non eccessivamente accurata. Tale sistema prende il nome di SDF (Simplified Directional Facility) ed ovviamente utilizzato per gli avvicinamenti strumentali non di precisione. Le maggiori limitazioni alla precisione di un ILS nascono dai disturbi causati dalle riflessioni di segnali da parte del terreno circostante lantenna, da edifici ed altri aerei a terra, disturbi che limitano la precisione con cui pu essere nota la giacitura dei due piani di riferimento. Laccuratezza di un impianto ILS per atterraggi di categoria III di 1.04 m per lerrore verticale, e 1.50 m per lerrore laterale. Il range di funzionamento 9.318.5 km.

Prima di intercettare il glide slope dellILS, bisogna assicurarsi di stabilizzare velocit e quota ed arrivare ad una prua magnetica che terr la/m centrato sul localizer. Volando a velocit costante essenziale raggiungere dolcemente il sentiero di discesa e seguirlo fino alla DH. Lintercettazione del GS alla velocit appropriata consente una discesa pi stabile e comunque, una velocit troppo alta dopo lintercettazione del sentiero richiede una successiva riduzione di potenza. Non appena la velocit si abbassa, il pilota dovr regolare il beccheggio per tenere il velivolo sul sentiero. Dopo aver stabilizzato il rateo di discesa bisogna regolare la potenza per mantenere una velocit di avvicinamento costante, per fare ci il pilota adopera piccole variazioni di beccheggio per mantenere il glide.

Fig. 17 Atterraggio su un aeroporto dotato di equipaggiamento ILS.MLS-LORAN -OMEGA

Le limitazioni dellILS hanno favorito lo studio di un sistema pi flessibile, MLS (Microwave Landing System), capace di migliori prestazioni, basato sullimpiego di microonde. Il sistema MLS presenta i seguenti vantaggi:

Permette lutilizzo di traiettorie di avvicinamenti pi flessibili; possibile effettuare, nel rispetto delle minime di separazione, avvicinamenti simultanei;

Il possibile impiego di pi traiettorie in avvicinamento minimizza limpatto acustico sullambiente in quanto, a differenza dellILS che prevede ununica traiettoria, gli aa/mm sono distribuiti su uno spazio maggiore;

Lo stesso impianto pu essere usato per piste adiacenti;

Le antenne, di modeste dimensioni, possono essere facilmente trasportate;

Il sistema dispone di 200 canali di frequenza;

I segnali, a differenza di quelli dellILS, sono meno soggetti ad interferenze.

Il LORAN (Long RAnge Navigation, navigazione a lungo raggio) fu ideato e realizzato negli Stati Uniti, durante il periodo della seconda guerra mondiale, come sistema sostitutivo della navigazione astronautica. Il LORAN fa parte della famiglia dei sistemi di navigazione iperbolica. Con lavvento dei sistemi di navigazione satellitare, MLS, LORAN e OMEGA sono ormai in disuso o addirittura dimessi. GPS (Global Positioning System), cenni Il Global Positioning System (GPS) risponde allesigenza di unassistenza alla navigazione con copertura globale, in senso spaziale e temporale (in ogni posto sulla Terra, in ogni momento e con qualsiasi condizione meteorologica), ed accuratezza dellordine delle decine di metri. Il programma GPS stato sviluppato ed attualmente gestito dal GPS Joint Program Office (JPO), situato nello Space and Missile Systems Center della base dellAir Force di Los Angeles, California.

Attualmente esistono due sistemi di posizionamento e navigazione basati su satellite: il NAVSTAR GPS, o semplicemente GPS, sviluppato dal Dipartimento della Difesa (Dod, Department of Defense) degli Stati Uniti, e dal dicembre del 1973, esiste un secondo GPS, sviluppato dalla Russia, chiamato GLONASS (GLobal Orbiting NAvigation Satellite System).

Nel febbraio 1999 la Commissione Europea (EC) ha proposto di sviluppare il contributo dellEuropa al GNSS, ed a giugno fu fondato un comitato scientifico internazionale per la definizione di Galileo, un nuovo sistema di navigazione satellitare combinato con infrastrutture terrestri. Anche se con gradualit e in tempi diversi nelle varie aree del mondo, e sempre integrato con altri sistemi simili, il GPS destinato a diventare lunico sistema di navigazione globale, per tutte le fasi del volo, denominato GNSS (Global Navigation Satellite System).

Fra queste infrastrutture, va ricordato il servizio EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), costituito da una rete di stazioni di terra che elaboreranno i segnali di navigazione di Galileo e di alcuni satelliti geostazionari. Il 2010 la data fissata per il funzionamento a regime.

Il principio di base di entrambi i sistemi, GPS e GLONASS, simile: un certo numero di satelliti (una costellazione) in orbita irradiano una serie di segnali radio con un preciso riferimento temporale. Lutente a terra registra listante in cui ha ricevuto i segnali e calcola la sua distanza dal satellite, e quindi la posizione del suo ricevitore, misurando i ritardi di propagazione e conoscendo la posizione del satellite al momento della trasmissione. La tecnica di ranging (misura della distanza) quindi basata sul tempo darrivo dellonda elettromagnetica (TOA, Time Of Arrival), ed denominata anche one-way ranging, a differenza delle tecniche radar di determinazione della distanza, che sfruttano la propagazione di un impulso in andata e ritorno da un bersaglio (two-way ranging).

Le caratteristiche generali che distinguono i sistemi di radionavigazione basati su satellite da quelli basati su stazioni di terra sono essenzialmente tre:

il sistema GPS a copertura globale, senza zone cieche o riduzione di precisione in determinate aree, mentre molti sistemi terrestri a lungo raggio hanno anomalie di propagazione dovute ad effetti atmosferici, ionosferici e da sorgenti terrestri e/o solari/planetarie, anomalie che degradano laccuratezza di posizionamento. I sistemi satellitari possono fornire informazioni di navigazione tridimensionali (latitudine, longitudine e quota). Il GPS, in particolare, pu essere utilizzato per applicazioni che richiedono la sincronizzazione di segnali e il trasferimento di informazioni temporali (time-transfer applications), grazie allelevatissima accuratezza degli standard di frequenza (orologi atomici) a bordo di ogni satellite. Linformazione temporale ha unaccuratezza di 340 ns rispetto al tempo UTC.

la precisione e laccuratezza del sistema GPS possono essere molto pi spinte rispetto ai sistemi terrestri di navigazione a corto e lungo raggio (TACAN, VOR/DME), perch la propagazione delle onde elettromagnetiche rigorosamente line-of-sight, senza multipath che pu introdurre distorsioni o ritardi incogniti. La politica del Dod anzi quella di soppiantare completamente, almeno sui velivoli militari, i sistemi di navigazione radioassistita a corto e medio raggio.

Il sistema GPS si suddivide in tre componenti: il segmento spaziale, che costituito da una costellazione di 24 satelliti, di cui 21 operativi e 3 di scorta, uniformemente spaziati a quattro a quattro su sei diverse orbite, il segmento di controllo, costituito da cinque stazioni di controllo a terra, di cui la pi importante la Master Control Station (MCS), situata nella Falcon Air Force Base, nei pressi di Colorado Springs (USA), e infine il segmento di impiego, costituito dai ricevitori GPS installati su un aereo, una nave o addirittura portatili. Il costo stimato del sistema GPS intorno ai 10 miliardi di dollari.

Segmento spaziale. I satelliti orbitano ad una quota di 20200 km, ad una velocit di circa 3.9 km/s, e con una inclinazione di 55 rispetto al piano equatoriale terrestre, in orbite praticamente circolari, con periodo di ripetizione dellorbita tale che esattamente due orbite vengono percorse in un giorno sidereo (24h).

Segmento di controllo. Ha la funzione di stazione di sorveglianza ed il compito di verificare il corretto funzionamento della costellazione GPS, inviando ai satelliti i segnali necessari per correggere la posizione e per ricalibrare giornalmente gli orologi atomici di bordo, ci serve per determinare la posizione tridimensionale con la dovuta precisione. Segmento di impiego. costituito dagli utilizzatori che possono essere i pi disparati e senza limitazione di numero: navi, aerei militari e civili, mezzi terrestri, sottomarini e singoli soldati. A differenza del DME che misura il tempo impiegato, da un impulso di energia elettromagnetica emesso da bordo dellaereo, a compiere il percorso di andata e ritorno tra laereo e la stazione e lo trasforma in distanza moltiplicandolo per met della velocit della luce, il GPS misura direttamente il tempo impiegato dai segnali emessi dai satelliti a raggiungere il ricevitore e lo trasforma in distanza moltiplicandolo per la velocit della luce. Il DME un sistema attivo in quanto deve sollecitare con uninterrogazione la risposta di una stazione a terra altrimenti muta, il GPS passivo poich misura le distanze elaborando i segnali che i satelliti emettono comunque in continuazione. Fig.18 Esempio di satellite Fig.19 Satellite in fase di realizzazione

Tabella 2VOR/DME, Loran-C, ILS e radiofari (NDB) a confronto con i sistemi di radionavigazione satellitari.Bibliografia

Assistenza al volo e controllo del traffico aereo V. Nastro-Ed. Ulrico Hoepli-MI.

Teoria del volo conforme a JA-FCL Rizzardo Trebbi Ed. Aviabooks luglio 2003.Da un aeroporto allaltro. Da VFR a IFR-Radar IV edizione Giancarlo Gazia-IBN Editore.

Appunti Sistemi di guida e navigazione aerospaziali Salvatore Ponte.CIRCUITO DI RANGING

TRASMETTITORE

RICEVITORE

RICEVITORE

TRASMETTITORE

ANTENNA

RITARDO

FUSOLIERA

Slant Range (line of singht)

QUOTA

Ground (map) range

Stazione DME

In avionica il termine transponder utilizzato per indicare un ricetrasmettitore che in generale risponde a segnali dinterrogazione. A rigore, quindi, la stazione DME di terra ad essere equipaggiata con un transponder. uso comune, in ogni caso, riferirsi anche allinterrogatore di bordo col nome transponder.

Il giorno sidereo lintervallo di tempo necessario alla Terra per ruotare di 360

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