Strumenti di navigazione

Gli strumenti di navigazione sono l'insieme dei sistemi a bordo di un velivolo, a terra e in volo, che concorrono nella rilevazione della posizione dell'aeromobile da parte del pilota. Possiamo dividerli in radioaiuti e sistemi on-board.

Radioaiuti

Con radioaiuti intendiamo tutti quei sistemi di navigazione che utilizzano delle trasmittenti a terra per consentire al pilota di inferire la posizione del velivolo. Nel seguito presenteremo i diversi radioaiuti civili (NDB, VOR, DME, ILS), un radioaiuto militare (TACAN) e gli strumenti con i quali ricevere le informazioni. Oggi nei voli strumentali i radioaiuti vengono utilizzati di rado in fase di crociera; anche se spesso le aerovie utilizzano come punti di riporto NDB o VOR, la navigazione in crociera avviene per mezzo di sistemi satellitari come il GPS .

Tuttavia giocano ancora un ruolo fondamentale nelle fasi di salita iniziale (SID), avvicinamento (STAR) e atterraggio, anche negli ultimi anni iniziano a comparire alcuni sistemi basati su GNSS.

Simboli solitamente usati nelle carte aeronautiche e nei display dei Glass Cockpit:

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  NDB
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  NDB+DME
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  VOR
• 
  VOR+DME
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  TACAN
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  VORTAC

NDB

Il non-directional beacon o NDB è il più antico sistema di radioaiuto. Secondo lo standard ICAO le frequenze assegnate a questo sistema sono l'intervallo 190 kHz-1750 kHz, anche se la banda utilizzata è solitamente minore. Ad esempio in Italia sono presenti 23 NDB e la banda di frequenze usata è compresa tra 285 e 480 KHz.

È composto da una stazione di terra e un apparato ricevente a bordo chiamato ADF (automatic direction finder) il quale riceve il segnale attraverso un'apposita antenna. Il segnale verrà poi elettronicamente modificato a due scopi: fornisce l'indicazione circa la direzione in cui si trova la stazione di terra e estrapolare l'audio del codice Morse proveniente dal NDB stesso; infatti, ogni NDB possiede un particolare codice Morse che viene trasmesso congiuntamente al segnale NDB per consentire ai piloti di verificare l'effettivo ascolto dell'NDB voluto.

L'NDB è oggi sempre meno usato per due motivi principali:

• La modulazione AM è estremamente sensibile ai fenomeni meteorologici, non permettendo allo strumento di avere grande affidabilità;
• Non raggiungono grandi distanze;
• Come dice il nome stesso, non fornisce indicazioni sull'heading da seguire per avvicinarsi all'ndb con un preciso angolo: in caso di vento laterale, seguendo l'indicazione dell'ADF, l'avvicinamento non sarà diretto, ma subirà una deviazione in base al vento. NDB infatti (a differenza di VOR) non permette l'avvicinamento con una course precisa.

VOR

Il VHF Omnidirectional Range o VOR è un radio aiuto a corto raggio simile all'NDB che utilizza la banda VHF (108-117.95 MHz). In Italia sono presenti circa 50 VOR . Anche in questo tipo di radioaiuti una stazione di terra trasmette un segnale unidirezionale in una comunicazione di tipo simplex (la stazione non riceve nulla dall'aeromobile nè conosce la sua presenza o meno nello spazio aereo). A differenza dell'NDB, oltre a inviare un segnale omnidirezionale (chiamato master signal) invia anche un segnale altamente direzionale attraverso delle antenne phased array a una frequenza di 30 Hz.

Il principio di funzionamento del VOR è mostrato nella figura sottostante: il segnale direzionale ruota a 30 Hz e quando raggiunge 360° viene inviato il segnale omnidirezionale. Così facendo, il sistema VOR a bordo dell'aeromobile può capire da che direzione si sta avvicinando calcolando il tempo trascorso tra il segnale omnidirezionale e quello direzionale.

TACAN

TACAN

VORTAC

Il TACAN (Tactical air navigation system) è generalmente considerato come la versione militare del VOR e spesso vengono installati nello stesso luogo (in questi casi il radioaiuto prende il nome di VORTAC) e insieme a DME che viene condiviso. Opera nelle frequenze comprese tra 960-1215 MHz, cioè al confine tra la banda UHF e la banda L. Il funzionamento è simile a quello del VOR:

• Un segnale di riferimento omnidirezionale è inviato costantemente e ricevuto da tutti gli aeromobile idealmente nello stesso istante;
• Un altro segnale con pattern cardioide (mostrato qui sotto) è inviato e fatto ruotare a 15 Hz; il segnale viene così ricevuto dall'aeromobile come una sinusoide;

• L'aeromobile estrapola le informazioni sulla direzione confrontando il segnale di riferimento con il segnale direzionale ricevuto.

Il TACAN risulta essere più preciso rispetto al VOR (±1° contro ±3°) e soprattutto non necessita il grande spazio richiesto alle stazioni VOR (infatti, nelle stazioni VOR la phased-array-antenna richiede una superficie notevole). Per questo motivo, stazioni base TACAN possono essere montate su navi, mezzi terrestri o addirittura altri aerei, come ad esempio gli aerei cisterna.

DME

Il DME (Distance Measuring Equipment) è un sistema che permette ai piloti di conoscere la distanza da un punto di riferimento. Solitamente, come già detto precedentemente, si trova nello stesso luogo di radioaiuti VOR e TACAN, ma è spesso presente anche con i sistemi ILS descritti nella prossima sezione. Il sistema DME utilizza il classico approccio "radar secondario" per il calcolo della distanza: l'aereo invia alla stazione a terra un segnale, la stazione a terra lo ritrasmette e il sistema dell'aeromobile può così dedurre la distanza misurando il tempo trascorso. La stazione a terra è quindi slave rispetto all'aeromobile e non trasmette nulla se non richiesto. La potenza richiesta dalle stazioni a terra varia fino a un massimo di 1 kW in banda UHF che consente una distanza massima di circa 300 nm, mentre è notevolmente ridotta se la stazione è installata in aiuto di sistemi ILS per evitare interferenze (in questo caso la distanza non supera le 20-30nm).

Il DME lavora con frequenze simili a quelle TACAN: tra 962 e i 1213 MHz. Analizziamo ora in dettaglio il funzionamento del DME:

• L'aeromobile interroga la stazione di terra con impulsi variabili tra 150Hz e 60Hz;
• La stazione a terra quando riceve gli impulsi risponde con un ritardo fissato di 50ms;
• Quando l'aeromobile è in grado di ricevere gli impulsi inviati, aggancia la stazione e riduce l'invio a 24Hz.

La stazione DME non può servire un numero illimitato di aeromobili, ma è solitamente sufficiente, in quando ha un rateo di risposta sufficiente a garantire risposta a ~100 aeromobili.

ILS

L'ILS (Instrument Landing System) è un sistema ideato per guidare gli aeromobili durante la fase di atterraggio. Questo sistema ha rivoluzionato il mondo dell'aviazione in quanto consente un sicuro avvicinamento anche con condizioni meteo avverse e visibilità prossima a zero. L'ILS è composto principalmente da due sistemi:

• Il localizer (LOC) che guida l'aeromobile nell'allineamento orizzontale con la pista;
• Il Glideslope (GS) che guida l'aeromobile verticalmente nel corretto sentiero di discesa

Inoltre esso è spesso accoppiato con i cosiddetti markers, più avanti descritti, e con il sistema DME.

Principio di funzionamento

LOC e GS lavorano indipendentemente con antenne diverse: le antenne per la parte LOC sono posizionate alla fine della pista, mentre per il GS lateralmente alla stessa a circa 1000ft dalla soglia. Si noti che per questo motivo, se ad esempio la pista 36 ha ILS, non necessariamente la pista 18 (che è la stessa pista) ne è provvista (necessita di un ILS a parte).

Il LOC emette il proprio segnale a una frequenza compresa tra 108.1 e 111.95 MHz e, come mostrato in figura, su di essa vengono modulati due segnali: destro a 150Hz e sinistro 90Hz. La strumentazione a bordo dell'aeromobile inferisce l'allineamento con la pista attraverso la differenza di intensità di segnale tra il destro e il sinistro; semplificando, se il segnale a 90Hz è più forte del segnale a 150Hz, l'aeromobile si troverà a sinistra rispetto alla pista.

Il GS emette il proprio segnale a una frequenza compresa tra 329.15 e 335.0 MHz; questa frequenza è strettamente correlata al LOC e non è selezionabile dal pilota. Ogni frequenza LOC ha sempre una corrispondente frequenza GS, qui è possibile trovare la tabella di riferimento. Il principio di funzionamento è equivalente a quello del LOC e facilmente intuibile dalla figura.

Markers

I markers o più propriamente marker beacons sono dei particolari radiofari che inviano la propria informazione solo verticalmente, in modo che un aeromobile possa ricevere il segnale solo se passa sopra essi. Utilizzati principalmente nei primi anni dell'aviazione, trovano posto al giorno d'oggi come aiuto al sistema ILS, anche se la loro funzione non è essenziale se è presente il sistema DME.

I markers si dividono in outer, middle e inner e si posizionano a una distanza rispetto alla soglia della pista di rispettivamente 3.9nm-6.0nm, 0.6nm e 0.15nm. Le distanze sono indicative e possono variare in base alle esigenze della procedura di avvicinamento. Spesso, non sono tutte presenti, anzi, è difficile trovare aeroporti con tutti e tre i marker attivi. Essi indicano al pilota la distanza dalla soglia della pista (verificando sulle mappe la posizione dei marker) e il loro funzionamento è indice di un corretto allineamento con la pista stessa. Come detto la loro funzione oggi è relativa, infatti il DME può fornire un'informazione ben più affidabile e precisa per la distanza.

Operano tutti con una portante di 75 Mhz e forniscono un feedback audio e visivo in cabina, come mostrato nelle immagini sottostanti:

I radioaiuti nella cabina di pilotaggio

Nella cabina di pilotaggio i radioaiuti sono solitamente selezionati attraverso la loro frequenza nelle radio, come indicato nella seguente figura (il secondo strumento per la selezione del VOR, il quarto strumento per l'ADF):

Sistemi on-board

GNSS

Per approfondire, vedi su Wikipedia la voce GNSS.

Il Global Navigation Satellite System è una categoria di sistemi satellitare utilizzati in ambito civile e militare per conoscere le proprie coordinate, la propria altitudine, velocità e altri parametri sul pianeta Terra. I più famosi sono GPS, GLONASS e Galileo, rispettivamente statunitense, russo ed europeo.

Non discuteremo in questo paragrafo il funzionamento preciso di questi sistemi, a cui è lasciato al lettore la possibilità di farlo attraverso le ottime voci linkate di Wikipedia.

Questi sistemi pur indicando le proprie coordinate assolute, senza necessità di radioaiuti a terra, presentano alcuni difetti e problemi per l'utilizzo in volo (successivamente ci si riferisce al GPS, unico sistema ad oggi correntemente usato):

• Disponibilità del sistema: l'autorità americana non garantisce il funzionamento totale del sistema, e si riserva di disattivarlo o degradarlo se ve ne fosse una grave necessità (es. guerra)
• Integrità del sistema: alcune problematiche intrinseche dei sistemi non possono garantire l'integrità dei dati, come ad esempio riflessione errate dei segnali, problemi al satellite, jamming e simili.
• Precisione: la precisione attuale è più che sufficiente per la navigazione in crociera ma non per la fase finale di atterraggio, a cui ci si affida ancora a ILS. Esistono alcune soluzioni con stazioni a terra che migliorano la precisione del GPS, ma non possono risolvere i due problemi precedenti e eliminano il grande vantaggio di avere il sistema solo on board. Galileo prevede di introdurre un sistema simile al GPS a terra, che possa garantire anche l'integrità del sistema stesso .

I sistemi GPS vengono utilizzati anche per l'aviazione generale per la navigazione, mentre difficilmente per la guida automatica.

INS

Per approfondire, vedi su Wikipedia la voce Sistema di navigazione inerziale.

L'acronimo INS significa Inertial Navigation System. Esso è usato nella navigazione per valutare la propria posizione rispetto a un punto inizialmente definito. Questo sistema deve essere solitamente calibrato prima del volo, utilizzando come punto fisso un riferimento all'aeroporto di partenza di cui si conoscono le coordinate (di solito indicato nelle carte nautiche). Il sistema successivamente calcola la distanza percorsa e le nuove coordinate attraverso un'integrazione odometrica dei valori forniti da accelerometri e giroscopi. Come ogni sistema odometrico, è soggetto ad errore direttamente correlato con la distanza percorsa, per questo, anche i recenti INS a laser non si prestano per lunghe tratte, avendo un errore di circa 0.6nm/h.

Oggigiorno, pochi velivoli utilizzano i sistemi INS per la navigazione, in favore del GPS, anche se tuttavia la presenza di questi dispositivi non viene meno, sia come sistemi di backup, ma anche per particolari situazioni (pensando alla grande dinamicità di un volo di un aereo da caccia, il sistema GPS non può garantire il suo funzionamento in tutti gli assetti).

FMS

L'interfaccia dell'FMS in un Airbus A320

Per approfondire, vedi su Wikipedia la voce Flight Management System.

Il Flight Management System è un complesso sistema presente di norma sugli aerei di linea. Il suo compito è quello di facilitare i piloti nel calcolo dei parametri di volo e nella gestione della navigazione. Classici esempi sono il calcolo delle V-speeds, l'inseguimento di una aerovia, il calcolo della spinta per il decollo, ecc.

L'FMS non è essenziale per il volo, ma facilita di gran lunga il lavoro dei piloti, aumentando così la sicurezza del volo. Tipiche funzionalità di questo sistema sono:

• Configura l'autopilota in modo da seguire la rotta preventivamente impostata prima del decollo;
• Configura l'autopilota per seguire le rotte di decollo, di avvicinamento e i pattern indicati dai controllori di volo;
• Aiuta al calcolo dei parametri di volo;
• Consiglia impostazioni di potenza, per ridurre il consumo di carburante o per seguire le procedure anti-rumore;
• Stima il tempo di arrivo (ETA) in ogni punto della rotta.

In cabina di pilotaggio il sistema si presenta con un display unito a tastiera (di solito uno per pilota), nell'unità chiamata Control Dislay Unit. Spesso, nel caso dei Glass Cockpit è integrato con il Multifunction Flight Display, per mostrare la rotta.

Carte aeronautiche

Le carte aeronautiche sono fondamentali sia per voli VFR che per voli IFR. In questa sezione accenneremo solo alle tipologie di mappe aeronautiche, senza entrare nel dettaglio della loro lettura.

Anche se seguono una struttura medesima, esistono diversi produttori di carta aeronautiche. Le carte degli aeroporti e delle aerovie, in Italia sono prodotte dal servizio informazioni aeronautiche e rese disponibili gratuitamente sul sito dell'ENAV chiamato AIP Italia. Seguendo la numerazione dell'ENAV per le carte di aerodromo possiamo distinguere:

1. Dati dell'aeroporto: dati base, posizione, piste, servizi offerti, particolari procedure, servizi di comunicazione, ecc.
2. Aerodrome chart: carta dell'aeroporto che mostra la disposizione delle piste, delle taxiway, degli stand per il parcheggio e delle strutture principali. A volte contiene le procedure standard per il taxi e in condizioni di bassa visilibità.
3. Carta degli ostacoli: non sempre presente, mostra gli ostacoli attorno all'aeroporto, come montagne, edifici, tralicci, alberi, ecc. È composta da una vista laterale alla pista e da una vista dall'alto.
4. Carta di avvicinamento: contiene le informazioni delle rotte di avvicinamento strumentale STAR
5. Carta di atterraggio: contiene le procedure di atterraggio strumentale (IFR) e non (VFR).
6. Procedure standard di decollo: contiene le procedure SID e Initial Climb, ovvero le rotte da seguire dopo il decollo per raggiungere l'aerovia.