PNS2008_1

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Principi di Navigazione SatellitarePrincipi di Navigazione SatellitareIng. Mauro Leonardi

[email protected] stanza A1-15

SommarioSommario

• Principi di Navigazione• Navigazione Terrestre• Equazioni di navigazione e loro

risoluzione• Errori• Sistemi di Riferimento e Orbite• Gps• Glonass• Sviluppi futuri

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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• La navigazione è il processo attuato autonomamente da

un mezzo (aereo, spaziale, navale, terrestre) mobile , brevemente: da un mobile, allo scopo di governare il proprio trasferimento tra una coppia di punti prefissati, consentendo il raggiungimento della destinazionedall’origine del percorso

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Le operazioni fondamentali della navigazione

sono– la determinazione (in inglese: positioning) (ha lo

scopo di acquisire, con opportuna cadenza temporale, informazioni sulla posizione del mobile rispetto ad un riferimento noto)

– guida (in base all’analisi delle informazioni acquisite e tramite atti decisionali ed esecutivi, ha il compito di garantire che il moto avvenga nel rispetto dei requisiti stabiliti)

• Qualora una parte più o meno cospicua delle operazioni di tale processo sia eseguita non a bordo, ma in una località remota, in tal caso si ha navigazione teleassistita e di teleguida

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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• In corrispondenza al tipo di mobile, ossia nave,

aeromobile, veicolo spaziale, o altro, si parla, rispettivamente, di – navigazione marittima, – aerea, – spaziale

• Si definisce radiodeterminazione l’acquisizione, per mezzo delle onde radio, di informazioni concernenti la posizione e/o altre caratteristiche cinematiche di un mezzo mobile– in particolare, si definisce radionavigazione la

radiodeterminazione usata allo scopo della navigazione.

• Nel rispetto del carattere di autonomia insito nella navigazione, si intende che nella radionavigazione l’acquisizione e l’elaborazione dei dati sia effettuata direttamente a bordo del mobile, ovviamente dotato di opportuni radioricevitori.

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione

• MODALITÀ E TECNICHE FONDAMENTALI– La determinazione 2D di un mobile sulla

superficie terrestre è di norma effettuata come segue

• nella modalità • nella modalità• nella modalità

– La determinazione 3D di un mobile sulla superficie terrestre è di norma effettuata come segue

• nella modalità • nella modalità • nella modalità • nella modalità

,ϑ λ,ρ ϑ

ρ ρ−

hϑ λ− −hρ ϑ− −

hρ ρ− −ρ ρ ρ− −

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( , )1 1x y

( , )N Nx y

( , )N Nx y

( )( )( )( )

1 N 1 N

2 N 2 N

y y tg x xy y tg x x

ϑλ

− = −⎧⎨ − = −⎩

( , )2 2x y

y

x

ϑλ

( , )1 1x y

( , )N Nx y

( , )N Nx y

( )( )( )( )

1 N 1 N

2 N 2 N

y y tg x xy y tg x x

ϑλ

− = −⎧⎨ − = −⎩

( , )2 2x y


( , )1 1x y

( , )N Nx y

( , )N Nx y

y

x

ϑ ρ

( )( )( ) ( )

1 N 1 N

2 2 21 N 1 N

y y tg x xy y x x

ϑ

ρ

− = −⎧⎪⎨

− + − =⎪⎩

( , )1 1x y

( , )N Nx y

( , )N Nx y

( )( )( ) ( )

1 N 1 N

2 2 21 N 1 N

y y tg x xy y x x

ϑ

ρ

− = −⎧⎪⎨

− + − =⎪⎩

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( , )1 1x y

( , )N Nx y

( , )N Nx y

( , )2 2x y1 2

( ) ( )

( ) ( )

22 21 N 1 N 1

22 22 N 2 N 2

x x y y

x x y y

ρ

ρ

⎧ − + − =⎪⎨

− + − =⎪⎩

Punto 2


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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• MODALITÀ E TECNICHE FONDAMENTALI

– tecnica passiva (di tipo radiodiffusione) gli emettitori sono situati nei punti noti di riferimento, mentre è richiesta la presenza a bordo del solo ricevitore; tale tecnica si applica a misure sia di angolo, sia di distanza ed è di largo uso per la maggiore semplicità ed il minore costo ottenibili con apparati di bordo solo riceventi, piuttosto che ricetrasmittenti.

– tecnica attiva con cooperazione (di tipo radiotrasmissione bidirezionale, con interrogazione e risposta), oltre a coppie diemettitori-ricevitori (risponditori) situati nei punti di riferimento, richiede la presenza a bordo sia dell’emettitore, sia del ricevitore; si applica a misure di distanze.

– tecnica attiva autonoma o senza cooperazione (di tipo radar) richiede solo la presenza a bordo dell’emettitore e del ricevitore; a parte l’impiego per evidenziare ostacoli circostanti su mappe nel piano azimutale (radarnavigazione), la tecnica radar è utilizzata per misurare distanze e componenti della velocità relativa, rispetto alla superficie terrestre.

Gli apparati radioelettrici installati nei punti di riferimento per aiutare la navigazione sono denominati radioaiuti alla navigazione.


• PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN SISTEMA DI NAVIGAZIONE

– L’accuratezza di posizione di un sistema di navigazione è il grado di conformità fra la posizione , stimata o misurata con il sistema, e quella vera. A causa delle diverse sorgenti di errore la posizione fornita dal sistema non coincide con quella vera. La definizione di accuratezza viene data in termini statistici e solitamente si definisce l’errore del sistema di navigazione NSE (Navigation System Error) come quel valore di errore che presenta una probabilità del 95% di non essere superato. L’accuratezza è il parametro più importante nella valutazione di un sistema di navigazione poiché rappresenta un limite essenziale del sistema.

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– La continuità del servizio è definita come la capacità di un sistema di navigazione di svolgere le sue funzioni in modo corretto, e di fornire il servizio richiesto senza interruzioni per tutta la durata dell’operazione per la quale è previsto. Il livello di continuità è quindi definito come la probabilità di non avere guasti durante le operazioni previste dal sistema, presupponendo che esso sia funzionante (disponibile) all’inizio delle operazioni stesse.



– La disponibilità di un sistema è la capacità di fornire la sua funzione all’inizio dell’operazione, cioè è definibile in termini di percentuale di tempo per cui i servizi offerti sono utilizzabili. La disponibilità include i concetti di:• Copertura: spazio in cui è possibile compiere le

operazioni previste con la dovuta accuratezza;• Capacità: numero di utenti che il sistema è in

grado di gestire contemporaneamente senza raggiungere la saturazione.

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– L’integrità è la capacità di un sistema di fornire opportuni allarmi agli utenti quando il sistema non sta funzionando in modo corretto o comunque non sta rispettando le specifiche richieste. E’ quindi l’abilità del sistema di rilevare degradazioni nella precisione, oltre una determinata soglia e di segnalarlo entro i tempi necessari alla sicurezza per l’operazione che si sta compiendo. Si ha, quindi, perdita di integrità quando il sistema non segnala in tempo utile che è stato superato il massimo errore ammesso.

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• PRINCIPALI SISTEMI DI RADIONAVIGAZIONE

– Si distinguono tre classi di sistemi di radionavigazione: • i sistemi a lungo raggio, di bassa precisione (tipicamente,

decine di Km o Km), per la navigazione sugli oceani; • i sistemi a breve raggio, di media precisione (tipicamente, Km o

centinaia di metri), per la navigazione marittima costiera e quella aerea su terra;

• i sistemi per atterraggio, di precisione alta (centinaia – decine di metri) e altissima (decine di metri – metri o anche sotto il metro nel caso di atterraggio in assenza di visibilità).

– Con la disponibilità dei satelliti artificiali è stato possibilel’avvento di una quarta classe

• sistemi satellitari, capaci di operare con media o alta precisione (e, con l’ausilio di opportuni sistemi terrestri , altissima precisione) su tutta la superficie terrestre e in tutto lo spazio che circonda la Terra.

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Sistema Sottosistema Informazione (precisione) Frequenze TecnicaNDB ang. azimutale (b) 200--1600 kHzVOR ang. azimutale (m) 108--118 MHz

Localizzatore ILS ang. azimutale (m-a) 108--112 MHzGuida di planata ILS ang. di elevazione (m-a) 328--335 MHz

Marker ILS distanza (m) 75 MHzStazione azimut MLS ang. azimutale (a) 5031--5091 MHzStaz. elevazione MLS ang. di elevazione (a) 5031--5091 MHzStazione LORAN C distanza (b) 90--110 kHzStazione OMEGA distanza (b) 10--13 kHzSatellite TRANSIT distanza (m) 150 \ 400 MHz

Navig. globale Satellite GPS distanza (a) 1227 \ 1575 MHzDME distanza (m) 960--1215 MHz

P-DME distanza (a) 960--1215 MHzRadar-altimetro distanza verticale (a)Radar-Doppler velocità relativa

Radar di navigazione mappa

Navig. a lungoraggio

Distanziometro

Radar

ADF - VOR

ILS

(a)=alta; (m)=media; (b)=bassa P=passiva; AC=attiva con cooperazione; AA=attiva senza cooperazione

P

AC

Gamma SHF AA

MLS

HistoryHistory of of NavigationNavigation• The first record of boats large enough to carry goods for trade is around

3500 B.C. and this would mark the birth of the art of navigation.– These first navigators stayed close to shore and navigated by sight of

landmarks or land characteristics that they could see. – Usually they traveled by day and sought a calm harbor or anchorage at night. – They did not have charts but lists of directions, similar to today’s cruising

guides.

• When they did venture out of sight of land, the navigator was able todetermine his latitude (north/south direction) by observing

– the height of the sun during the day and – the North Star at night.

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HistoryHistory of of NavigationNavigation• However, the navigator had no way to accurately determine longitude and

therefore, once out of sight of land, had no idea how far east or west hewas. Estimates were made based upon the time it took to get there

• Coastal navigators relied upon the sounding reed (c. Egypt 1500 BC) tomeasure shallow water depths and the wind rose which described the eight major winds attributed to their originating countries.

– Using a combination of depth soundings, the sun or stars and the wind rose, these early navigators had to guess where they were when land could not beseen.

• The first ocean voyages were probably big mistakes– a vessel blown off course by a sudden storm or error by the helmsman. – The Vikings regularly sailed to Iceland and Greenland between 900 and

1000AD, apparently using only the sun, stars and wind as their guide

• Floki Vilgjerdarsson, a great Viking explorer credited with the discovery of Iceland, carried aboard a cage of ravens. When he thought land should benear, he would release one of the birds. If it circled the boat withoutpurpose, land was not near, but if it took off in a certain direction, the boat followed, knowing the bird was headed toward land.

HistoryHistory of of NavigationNavigation• One of the earliest man-

made navigation toolswas the mariner’s compass, an early form of the magnetic compass(c.13th Century).

• The most practical use of the compass at this time was to identify the direction of the wind tohelp the navigator determine which of the eight winds on the windrose they wereexperiencing.

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HistoryHistory of of NavigationNavigation• lead line (c.13th

Century)., which was a tool for measuring the depth of water and the nature of the bottom. – This line was weighted

with lead and hadgraduated markings todetermine sea depth

– The lead was coated withwax to bring up samples of the bottom.

– A method of navigatingfrom one depth to anotherbased upon the conditionof the bottom developed, with sailing directions

HistoryHistory of of NavigationNavigation• Mariners began to realize

maps that would behelpful and begankeeping detailed recordsof their voyages thatland-based mapmakersused to create the first nautical charts calledPortolan Charts (c. 13th Century).

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HistoryHistory of of NavigationNavigation• Mariners also used the

cross-staff and the astrolabe (c.1484 Martin Behaim) tomeasure the angle abovethe horizon of the sunand stars to determinelatitude. The forerunnerof the much more portable (and accurate) sextant, the astrolabewas used to measure the altitude of a sun or star.

HistoryHistory of of NavigationNavigation• A major advance that

made dead-reckoningmuch more accurate wasthe invention of the chip log (c.1500-1600). Essentially a crude speedometer, a light line was knotted at regular intervals and weighted todrag in the water.

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HistoryHistory of of NavigationNavigation• In 1907 Elmer Sperry

introduced the gyroscopiccompass which is unaffectedby variation or deviation as itpoints to true north, notmagnetic north

• British physicist RobertWatson-Watt produced the first practical radar (radio detection and ranging)system in 1935

• The hyperbolic navigationsystem known as Loran(Long Range Navigation) wasdeveloped in the U.S. between 1940 and 1943

HistoryHistory of of NavigationNavigation• GPS (Global Positioning

System), initiated in 1973, isoperated and maintained bythe U.S. Department of Defense.– This space-based radio-

navigation system consists of 24 satellites and providesaccurate positioning to withinabout 30 feet as well asvelocity and time worldwide in any weather conditions.

– GPS works the same way asLoran (time differencebetween separate signals) butthe signals come fromsatellites. Because you can receive GPS signals usingsmall, inexpensive equipmentit is being used in many new applications

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Sistema Sottosistema Informazione (precisione) Frequenze TecnicaNDB ang. azimutale (b) 200--1600 kHzVOR ang. azimutale (m) 108--118 MHz

Localizzatore ILS ang. azimutale (m-a) 108--112 MHzGuida di planata ILS ang. di elevazione (m-a) 328--335 MHz

Marker ILS distanza (m) 75 MHzStazione azimut MLS ang. azimutale (a) 5031--5091 MHzStaz. elevazione MLS ang. di elevazione (a) 5031--5091 MHzStazione LORAN C distanza (b) 90--110 kHzStazione OMEGA distanza (b) 10--13 kHzSatellite TRANSIT distanza (m) 150 \ 400 MHz

Navig. globale Satellite GPS distanza (a) 1227 \ 1575 MHzDME distanza (m) 960--1215 MHz

P-DME distanza (a) 960--1215 MHzRadar-altimetro distanza verticale (a)Radar-Doppler velocità relativa

Radar di navigazione mappa

Navig. a lungoraggio

Distanziometro

Radar

ADF - VOR

ILS

(a)=alta; (m)=media; (b)=bassa P=passiva; AC=attiva con cooperazione; AA=attiva senza cooperazione

P

AC

Gamma SHF AA

MLS

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Sistemi a lungo raggio: il LORAN C

– Il Loran (LOng RAnge Navigation) è un sistema di navigazione passivo, utilizzante onde radio nella gamma LF (100 kHz), a lungo raggio (con copertura fino a 1200 nmi; (1852 m).

– Il sistema è costituito da una serie di stazioni a terra, raggruppate in “catene” ciascuna composta da una stazione principale o “master” e almeno 2 asservite o “slave” distanti 600-1000 miglia dalla stazione master.

– Il ricevitore dell’utente misura, dal tempo intercorso dalla trasmissione degli impulsi da parte della stazione a terra alla ricezione degli impulsi, la differenza tra le distanze che lo separano da due stazioni trasmittenti ricavando così una iperbole con i fuochi nelle due stazioni: tale modalità è pertanto chiamata “iperbolica”, sebbene rientri nella modalità

ρ ρ−

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– L’uso della misura di una differenza temporale (TDOA: Time Difference of Arrival) svincola l’utente dalla necessità di un sincronismo con le stazioni, oppure di un orologio di grande precisione (clock atomico) in quanto la differenza ( shift ooffset) temporale dell’ utente rispetto alle stazioni è eliminato nella sottrazione dei tempi di ricezione degli impulsi.

– Per la determinazione della propria posizione un aeromobile ha bisogno di ricevere gli impulsi trasmessi da almeno 3 stazioni (una master e 2 slave) in modo da calcolare l’intersezione tra almeno due iperboli;

• la successiva conversione dell’informazione geometrica in informazione di posizione geografica viene effettuata, nel caso di funzionamento manuale, tramite speciali carte in cui sono segnate le posizioni delle stazioni di terra ed una serie di iperboli ad ognuna delle quali è associata una certa differenza temporaletra gli impulsi ricevuti.


• Sistemi a lungo raggio: il LORAN C

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– I segnali dell’attuale versione del Loran, modulati su una portante di 100 KHz, sono costituiti da una serie di 8 impulsi (9 la master) di 250-300 μs, ripetuti a distanze di tempo fra 40 e 100 ms, detta “cadenza base”; le trasmissioni sono sincronizzate da orologi al cesio.

– Le stazioni Loran trasmettono ad una potenza di picco di 250-1000 kW. La propagazione avviene principalmente per onda superficiale e, a distanze superiori a 1200-1500 nmi, anche per onda di spazio; oltre 2000 nmi la propagazione avviene solo per onda di spazio (sky-wave).

– La precisione del sistema Loran C dipende da molti fattori quali: il tipo di propagazione, la intersezione delle iperboli, la distanza dalla linea di base; essa può essere così quantificata:

• di giorno, con onda terrestre, fino a 700 nmi dalla linea di base: 0.2-0.3 nmi (370-555 m);

• di giorno, con onda di spazio, oltre 1000 nmi: 1.5 nmi (2.775 Km);

• di notte, fino a 1000 nmi: 3-5 nmi;• di notte, oltre le 1800 nmi: 10-20 nmi.


• Sistemi a lungo raggio: il LORAN C

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• Sistemi a lungo raggio : l’ OMEGA– Il sistema Omega si basa su un principio di funzionamento analogo a quello

del Loran C, ma con la modalità iperbolica applicata a differenze di fase anziché a differenze temporali. Il sistema impiega onde radio della gamma VLF ( con scansione ciclica sulle frequenze di 10.1, 13.6, 11.33, e 11.05 kHz), ed è costituito da 8 stazioni distribuite sulla intera superficie terrestre ( in Norvegia, Liberia, Hawaii, N. Dakota, La Reunion, Argentina, Australia, Giappone) che garantiscono una copertura pressoché globale.

– I segnali del sistema Omega sono costituiti da una serie di treni d’onda della durata di circa 1 secondo, ed il ciclo di ripetizione delle sequenze dei segnali è di 10 secondi. Le stazioni trasmettono con una potenza di circa 10 kW, e sono costituite da torri molto alte (anche fino a 450 m ) oppure da cavi ( lunghi anche 3500 m) stesi attraverso una vallata. La propagazione delle onde radio avviene entro una fascia compresa tra la superficie terrestre e la ionosfera.

– La precisione del sistema Omega è di 2 nmi di giorno e di 4 nmi di notte per distanze dalle stazioni fra le 300 e le 2000 nmi.

– E’ stato implementato anche il sistema chiamato Omega differenziale, in cui i segnali di posizionamento sono ricevuti anche da una stazione a terra che, confrontando la sua posizione nota con quella calcolata dal sistema di navigazione, è in grado di trasmettere all’utente le correzioni da apportare alle misure effettuate. Il sistema Omega differenziale consente di migliorare la precisione fino a circa 0.25 nmi per distanze dalla stazione differenziale fino a 50 nmi, e 1-1.5 nmi per distanze fino a 300 nmi.


• Sistemi a medio raggio per la misura angolare: NDB e VOR

– Il rilevamento o azimut ( ingl. azimuth o bearing) è l’ angolo, misurato in senso orario, tra la direzione del Nord e la congiungente radioaiuto-mezzo mobile: Rilevamento Vero nel caso del Nord geografico, Rilevamento Magnetico nel caso del Nord magnetico. La differenza tra i due è data dal valore della declinazione magnetica (dm) del luogo, conoscendo la quale si può ricavare il rilevamento vero come segue : Rilv = Rilm + dm.

– Un rilevamento si dice diretto se riferito alla stazione a terra, inverso se riferito al mezzo mobile: i due tipi di rilevamento differiscono di 180°.

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– Le più antiche e semplici stazioni di terra per il rilevamento di aeromobili o navi sono quelle dette radiogoniometriche, che captano la portante del segnale emesso dalla radio VHF o UHF di bordo; commutando ciclicamente gli elementi (dipoli) dell’antenna della stazione di terra e misurando le differenze di fase si determina l’angolo di provenienza del segnale, coincidente con la direzione della congiungente stazione – mezzo mobile.



– Un rilevamento riferito al mezzo mobile si ottiene, con tecnica analoga, mediante un ricevitore di bordo chiamato ADF (Automatic Direction Finder) che capta i segnali emessi da stazioni di terra chiamate NDB (Non – Directional Beacon) ubicate, per la navigazione aerea, in punti (fix) idonei per la navigazione in rotta e per gli avvicinamenti. I radiofari NDB aeronautici sono uno dei più antichi radioaiuti usati ancor oggi; lavorano nelle onde lunghe e medie, tra 190 e 513 kHz; ogni NDB aeronautico ha un suo codice di riconoscimento, di norma a tre lettere ( es: BOA per Bologna) trasmesso in Morse.

– I ricevitori hanno un sistema di due antenne, di solito a spire,una con l’asse parallelo all’asse longitudinale del mezzo ( la fusoliera nel caso aeronautico) e l’ altro con l’asse trasversale al primo (sempre sul piano orizzontale); essi operano su gamma estesa, da 190 kHz a 1,7 o anche 2 MHz, allo scopo di localizzare, se necessario, anche le stazioni di radiodiffusione.

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– Il sistema VOR (VHF Omni Range) opera nella gamma da 108.0 a 117.95 MHz con intervalli di 50 kHz (dei 200 canali disponibili, 160 sono utilizzabili dai VOR mentre 40 sono riservati al Localizer dell’ILS, nella gamma 108.1 -111.95 MHz)

– Come principio generale di funzionamento, un sistema di antenne della stazione VOR genera due fasci, uno fisso omnidirezionale ed uno rotante intorno all’ asse verticale a velocità di 30 giri/secondo; tra i due segnali esiste una differenza di fase che eguaglia esattamente l’angolo rispetto al nord con cui un ricevitore VOR sul mezzo mobile vede la stazione; l’utente riceve così , in funzione dell’azimut rispetto alla stazione VOR, due segnali sfasati da 0° (in corrispondenza del nord magnetico) fino a 359°, che permettono al ricevitore VOR di definire 360 radiali



– Il fascio rotante nei moderni impianti non è più ottenuto con rotazione meccanica ma mediante due dipoli incrociati alimentaticon due segnali modulati in frequenza a 30 Hz e aventi una differenza di fase di 90° , i quali, combinandosi nello spazio, generano un fascio a forma di 8 che ruota 30 volte al secondo

– In impianti ancora più moderni, si usa l’effetto Doppler in trasmissione (DVOR: Doppler VOR) tramite un’antenna costituita da una cinquantina di elementi posizionati lungo una circonferenza dal diametro di circa 13,5 metri, che vengono progressivamente eccitati realizzando l’equivalente di una singola antenna che ruota a 30 giri al secondo. Un ricevitore a grande distanza dall’antenna riceve un segnale affetto, rispetto alla portante, da uno scorrimento di frequenza in dipendenza della velocità radiale della sorgente; tale modulazione varia con una legge sinusoidale la cui fase eguaglia l’angolo azimutale del ricevitore rispetto alla stazione VOR. Il DVOR è più preciso del VOR convenzionale.

– I segnali irradiati dai diversi tipi di VOR sono identici e definiti dalle norme ICAO.

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– L’emissione della stazione VOR, polarizzata orizzontalmente, oltre ai due segnali (di riferimento e variabile) a 30 Hz emette ogni 5 secondi un segnale di identificazione (due o tre lettere in codice Morse). Un VOR per navigazione in aerovia (alta quota) emette una potenza di 200 W nella gamma da 112.0 a 117.95 MHz ; la copertura garantita è di 130 miglia nautiche da 18.000 a 45.000 piedi.

– Un VOR per l’avvicinamento (Terminal VOR, TVOR) ha potenza di emissione di 50 W e portata di 25 miglia fino a 12.000 piedi; utilizza 40 canali nella gamma 108-111.95 MHz.

– Una stazione VOR deve garantire una precisione migliore di +/- 2.5° lungo la mezzeria di un’ aerovia (spesso le aerovie sono costituite da tratti compresi tre due stazioni VOR) e migliore di +/- 1.5° lungo la radiale che costituisce una rotta di avvicinamento strumentale.



– Il ricevitore VOR fornisce, oltre all’azimut relativo alla stazione, il “puntamento” (bearing) che indica se il mobile si sta muovendo lungo la radiale scelta ( il segmento di retta che unisce l’utente con la stazione VOR) oppure a destra o sinistra di essa, e l’indicazione “to /from” se l’utente si sta avvicinando o allontanando ad essa. Commutando sulle frequenze di due o più VOR l’utente può determinare la propria posizione mediante l’intersezione di due o più radiali,oppure - con una procedura molto comune - percorrere un segmento che unisce due VOR, uno a prua ( “to”) e uno a poppa ( “from”); a tale scopo sono presenti a bordo due ricevitori con sintonia separata.

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• Sistemi a medio raggio per misure di distanza: DME

– Nel trasporto aereo oltre ai VOR è largamente usato il sistema DME (Distance Measuring Equipment), anch’esso normalizzato dall’ICAO, che permette al mezzo mobile di valutare la propria distanza da una stazione fissa, la stazione DME, spesso co-locata col VOR (si parla di VOR / DME)

– Mediante l’interrogazione del trasponder (risponditore) facente parte della stazione stessa e l’analisi del tempo che intercorre tra l’interrogazione e la ricezione di una risposta della stazione, cioè di una replica del segnale trasmesso

– L’interrogatore di bordo trasmette da 5 a 150 coppie di impulsi al secondo nella gamma UHF, tra 1025 e 1150 MHz, e la stazione DME, dopo un ritardo fisso di 50 microsecondi, ritrasmette - con un’ antenna omnidirezionale - tali coppie traslate in frequenza di + 63 MHz, per alcune stazioni , e di –63 MHz, per altre. Dato che la spaziatura tra i canali è di 1 MHz, si hanno 126 canali disponibili per l’ apparato a bordo, e 252 canali per le stazioni a terra.

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Sistemi a medio raggio per misure di

distanza: DME– Complessivamente, la porzione di spettro utilizzata dal DME va da

960 a 1215 MHz– La risposta viene riconosciuta ed elaborata a bordo: sottraendo il

ritardo fisso e dividendo per la velocità della luce si ricava la distanza

– La precisione è, nel 95% dei casi, di +/- 0.2 miglia oppure +/-0.25% del valore della distanza (il più grande dei due); la precisione garantita entro la portata di 200 miglia è di +/- 0.5 miglia oppure +/-3 % del valore della distanza

– Un trasponder della stazione DME di terra ha la capacità di trasmettere circa 3000 paia di impulsi al secondo, e dato che unsistema DME di bordo emette mediamente 30 coppie di impulsi al secondo, la stazione DME può servire fino a circa 100 utenti contemporaneamente

– Allo scopo di iniziare il dialogo con gli interrogatori di bordo, la stazione DME emette repliche spontanee, o Squitter, anche in assenza di interrogazioni. Infatti per aumentarne la durata l’apparecchiatura DME di bordo è progettata in modo da emettere interrogazioni solo se riceve segnali di livello sufficiente da stazioni a terra.

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– Nella stessa gamma del DME e con la stessa spaziatura dei canali opera il TACAN (TACtical Air Navigation) che è pienamente compatibile col DME, tanto che nelle installazioni con VOR e TACAN co-locati (VORTAC) gli aerei civili determinano l’informazione angolare dal VOR e quella di distanza dal TACAN.

– Tale sistema militare consente sia la misura della distanza, con lo stesso metodo del DME, sia quella angolare, tramite confronto di fase tra il segnale irradiato dalla stazione a terra tramite un fascio a cardioide rotante a 15 giri al secondo (e quindi in maniera simile al VOR) e un segnale di riferimento, con codifica di posizione di impulsi (PPM), emesso quando la cardioide passa per una direzione prefissata ( est)

– Per migliorare la precisione angolare si aggiunge una seconda cardioide rotante a 135 giri al secondo, anch’essa associata ad un segnale di riferimento con propria codifica, che fornisce la misura fine. Il TACAN è il sistema standard per appontaggio su portaerei.



– Secondo le norme ICAO (Annesso 10) i canali DME e le frequenze del VOR sono abbinati, cioè quando il ricevitore VHF di bordo è sintonizzato sulla frequenza di un VOR o di un Localizzatore ILS ( ricevitore VOR/LOC), il ricevitore DME si sintonizza sulla frequenza del DME co-locato (si tende a co-locare questi due radioaiuti per la complementarità delle informazioni da essi fornite).

– Poiché i canali VOR/LOC sono 200 mentre quelli DME sono 252, i 52 canali in eccesso sono dedicati al TACAN oppure lasciati liberi, data la loro prossimità alle bande usate dal radar secondario di sorveglianza SSR ( cioè a 1030 e 1090 MHz ).

– Nel 2001 risultavano installati in Italia per l’aviazione civile e gestiti dall’ENAV (Ente Nazionale Assistenza al Volo, dal 1°gennaio 2001 ENAV S.p.A.) 39 impianti VOR, 51 DME e 54 NDB. Il vasto trafficato spazio aereo degli Stati Uniti ha una rete di circa 1000 VOR/DME di complessa gestione

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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Sistema di atterraggio strumentale – ILS

– L’ILS (Instrument Landing System) é il sistema di radio-guida più diffuso nel mondo per gli avvicinamenti strumentali di precisione;

– Col suo aiuto il pilota é in grado di portare l’aereo in pista, sia in perfetto allineamento con essa, sia lungo un sentiero di planata ideale, entro ampi limiti di sicurezza anche quando le condizioni meteorologiche presentano valori bassissimi di visibilità.

– Gli avvicinamenti ILS si dividono in tre categorie, definite in base a due criteri:

• precisione ed estensione della guida di direzione e planata fornite dalle attrezzature di terra nell’ultima parte dell’avvicinamento ed eventualmente lungo la pista

• minime meteorologiche al di sotto delle quali l’avvicinamento può essere eseguito con il solo aiuto degli strumenti di bordo.

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• Sistema di atterraggio strumentale – ILS– Le categorie degli ILS, dette Facility Performance

Category, sono così definite:• Categoria I: impianto ILS che fornisce informazioni di

guida dai limiti di copertura fino ad un punto in cui il sentiero di discesa raggiunge l’altezza di 60 metri (200 piedi) al di sopra del piano orizzontale contenente la soglia della pista; avvicinamento che può essere condotto fino ad una altezza di decisione (DH) di 60 metri (200 piedi), quando il valore della visibilità é 800 metri (2400 piedi) o il valore dell’RVR (Runway Visual Range, visibilità sulla pista misurata da un apposito strumento) é 550 metri (1800 piedi) o più (l'altezza di decisione, è quella su cui il pilota deve decidere se continuare l'atterraggio o interromperlo)


• Sistema di atterraggio strumentale – ILS• Categoria II: impianto ILS che fornisce informazioni di

guida dai limiti di copertura fino ad un punto in cui il sentiero di discesa raggiunge l’altezza di 15 metri (50 piedi) al di sopra del piano orizzontale contenente la soglia della pista; avvicinamento che può essere condotto fino ad una altezza di decisione (DH) di 30 metri (100 piedi), quando il valore dell’RVR é 350 metri (1200 piedi) o più;

• Categoria III: impianto ILS che, con l’aggiunta di eventuali attrezzature accessorie che si rendessero necessarie, fornisce informazioni di guida dai limiti di copertura fino alla superficie della pista e lungo la stessa

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• Sistema di atterraggio strumentale – ILS• Categoria III: impianto ILS che, con l’aggiunta di

eventuali attrezzature accessorie che si rendessero necessarie, fornisce informazioni di guida dai limiti di copertura fino alla superficie della pista e lungo la stessa. Esistono tre ulteriori suddivisioni, determinate dal valore dell’RVR richiesta per eseguire gli avvicinamenti:– III A: avvicinamento che può essere condotto senza

limitazione di altezza sia al di sopra della pista sia lungo la sua superficie, quando il valore dell’RVR nell’ultima fase dell’atterraggio é di 200 metri (700 piedi) o più;

– III B: avvicinamento che può essere condotto senza limitazione di altezza sia al di sopra della pista sia lungo la sua superficie, quando il valore dell’RVR nell’ultima fase dell’atterraggio é di 50 metri (150 piedi) o più;

– III C: avvicinamento che può essere condotto senza limitazione di altezza sia al di sopra della pista sia lungo la sua superficie, anche quando il valore dell’RVR é zero.


• Sistema di atterraggio strumentale – ILS

CATEGORIA DH (m) RVR (m) I 60 ≥550 II 30 350⇔550

III A nessuna limitazione 200⇔350 III B nessuna limitazione 50⇔200 III C nessuna limitazione 0⇔50

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• Sistema di atterraggio strumentale – ILS


• Sistema di atterraggio strumentale – ILS– La traiettoria di discesa (glide path) é individuata dall’intersezione di

due piani:• un piano verticale contenente l’asse della pista, o piano localizzatore

(localizer),• un piano inclinato rispetto alla pista (il valore più comune é 3°, e fino a 6°

in aree montagnose), o piano di planata (glide slope).– La guida di direzione é fornita dal trasmettitore del piano

localizzatore, installato circa 300 metri oltre il termine della pista. Tale trasmettitore opera nella banda di frequenze VHF da 108.10 a 111.95 MHz con intervalli di 50 KHz e col primo decimale dispari, ed ha perciò a disposizione 40 canali

– Il trasmettitore concretizza il piano verticale chiamato localizzatore, o Localizer (LOC), mediante la modulazione in ampiezza della portante con segnali da 150 e da 90 Hz, rispettivamente a destra e a sinistra del prolungamento dell’asse della pista, così da creare lungo di esso una zona equisegnale. Il ricevitore di bordo capta perciò entrambi i segnali con la stessa intensità quando si trova sul prolungamento della pista, mentre ne capta uno con intensità tanto maggiore e l’altro con intensità tanto minore quanto più si trova scostato da una parte o dall’altra del prolungamento della pista.

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– L’ampiezza angolare del sentiero localizzatore, compresa tra 3° e 6°, viene regolata in modo che essa presenti sempre una larghezza lineare di 210 metri (700 piedi) all’attraversamento della soglia pista di avvicinamento. I limiti laterali del sentiero localizzatore vengono definiti dal valore della differenza di profondità di modulazione(DDM) tra i due segnali da 90 Hz e 150 Hz, sufficiente a mandare a fondo scala la lancetta dell’indicatore di bordo. Tale valore é di 0.155.

– La guida di planata é fornita dal trasmettitore del piano di planata, o Glide Slope, che é installato ad una distanza variabile tra 750 e 1250 piedi dalla soglia di avvicinamento, disassato rispetto alla mezzeria di una distanza variabile fra i 400 e i 600 piedi (fig. 8.9).

– Data l’ubicazione disassata del trasmettitore, il glide slope non giunge fino al punto di contatto, ma si interrompe ad una altezza variabile tra i 18 e i 27 piedi dalla superficie della pista.

– Il trasmettitore del glide slope (GS) funziona in onde UHF, su frequenze comprese tra 329.15 e 335.00 MHz con intervalli di 150 KHz. Le onde UHF sono state scelte perché garantiscono una migliore direttività rispetto alle VHF. Una tabella ICAO abbina ciascuna delle 40 frequenze del GS con la corrispondente frequenza del LOC


– Il glide slope, cui di volta in volta viene assegnato un angolo di pendenza θ sufficiente a garantire la separazione dagli ostacoli del terreno (il valore più comune é 3°), viene concretizzato generando l’equisegnale lungo il piano ideale di planata, mediante la modulazione della portante con segnali da 90 e 150 Hz, rispettivamente al di sopra e al di sotto del piano stesso.

– Al glide slope viene dato uno spessore angolare pari a 0.24 θa cavallo del piano ideale di planata.

– I limiti superiore ed inferiore del glide slope vengono fatti coincidere col valore della differenza di profondità di modulazione fra i due segnali da 90 Hz e 150 Hz, sufficiente a mandare a fondo scala la lancetta dell’indicatore di bordo.

– All’interno dei limiti del glide slope, la lancetta si trova tanto più vicina al centro quanto più l’aereo si trova vicino al pianoideale di planata

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– La misura della distanza dalla pista viene realizzata tramite due radiofari “marker”.

– I marker ILS sono radiofari direzionali che emettono verticalmente sulla frequenza comune di 75 MHz.

– Il marker esterno (OM=outer marker), cioè il primo che si incontra durante l’avvicinamento, é ubicato ad una distanza dalla soglia pista variabile da 4 a 7 miglia nautiche (mediamente a 10 Km circa), e spesso é posto nel punto in cui l’aereo che esegue la procedura di avvicinamento ILS intercetta il glide slope.

– Il marker centrale (MM=middle marker) é di solito ubicato a 3500 piedi (circa 1 Km) dalla soglia della pista. Un segnale (luminoso o acustico) avverte il pilota al passaggio su un marker.

– Attualmente sono installati in Italia 36 impianti ILS per l’aviazione civile, gestiti dall’ ENAV (Ente Nazionale Assistenza al Volo); negli Stati Uniti sono installati circa 1050 ILS.


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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Cenni sul MLS e sull’evoluzione dei sistemi per

l’atterraggio– Già dagli anni ’70 si erano attivati in tutto il mondo studi e

proposte per nuovi sistemi di atterraggio capaci di superare i limiti del ILS, in particolare:

• il limitato numero di canali;• la sensibilità a particolari condizioni meteo (neve);• e, specialmente,la sensibilità alle condizioni orografiche, che

rendono l’ ILS difficile o anche impossibile da installare in certi siti.

– Nel 1977 il Comitato di esperti (AWOP: All WeatherOperations Panel) della ICAO che si occupava del futuro sistema di atterraggio a microonde chiamato MLS (Microwave Landing System) suggerì l’uso della tecnica statunitense TRSB (Time Reference Scanning Beam) basata, per ciascuna determinazione angolare, su un fascio di microonde (nella banda C) che scandisce elettronicamente (rispettivamente nelle direzioni : destra-sinistra e alto-basso) il settore angolare, centrato sul prolungamento dell’asse della pista, al cui interno l’aeromobile percorre la traiettoria (rettilinea o anche curva) di avvicinamento ed atterraggio.

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Cenni sul MLS e sull’evoluzione dei sistemi per

l’atterraggio– Data la scansione a velocità costante del fascio, la differenza

del tempo tra due passaggi successivi (passaggio TO e passaggio FRO) dipende dalla posizione angolare dell’aeromobile (nella determinazione orizzontale, il fascio scandisce un settore di +/- 40°, estensibile a +/- 60°, attorno alla mezzeria della pista; se l’aereo è allineato con essa, riceve il fascio ad intervalli di tempo equispaziati). Il dato di navigazione è quindi ricavato a bordo, analogamente al caso del VOR e del DME.

– L’uso della microonde (frequenze da 5031 a 5091 MHz, con spaziatura dei canali di 300 KHz e quindi 200 canali, contro i 40 del ILS ) permette fasci stretti (i fasci in azimut ed elevazione sono a ventaglio con larghezza di 1° nelle relative direzioni), elevata immunità ai disturbi, e, associato alla scansione, la copertura di un’ampio settore (80°, estensibile a 120°, in azimut e 15°, estensibile a 30°, in elevazione, con portata fino a 20 n.mi. dalla pista), contro lo stretto settore del ILS.

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Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Cenni sul MLS e sull’evoluzione dei sistemi per l’atterraggio

– Successivamente, obiezioni tecnico-economiche e lo scarso gradimento degli utenti (compagnie aeree, aviazione generale) ritardarono lo sviluppo del MLS, finché nel 1994 la FAA statunitense , pur decidendo di lasciare in esercizio i pochi MLS esistenti, opto’ per il GPS differenziale come futuro sistema per l’atterraggio strumentale di precisione

– Tuttavia l’evoluzione in tal senso è stata assai più lenta del previsto, tanto che, malgrado nei programmi della ICAO (ICAO ILS- MLS Transition Plan, COM/OPS 1985) e della FAA ( anni 90) fosse previsto l’uscita dell’ILS dal servizio nel 1998/99, nel 2002 si continuano ad installare ILS e si assiste ad un ritorno di interesse per l’MLS, anche alla luce dello studio di ricevitori multimodali, capaci di ricevere segnali ILS, MLS e GlobalNavigation Satellite System, GNSS.

– Il ritardato avvio della navigazione satellitare per il traffico aereo è dovuto anche alle grosse difficoltà di messa a punto delle infrastrutture necessarie a rendere il GNSS idoneo ad usi di atterraggio e , comunque, critici ai fini della sicurezza (problemi della WAAS, 1999-2000).

Fondamenti di RadionavigazioneFondamenti di Radionavigazione• Cenni sulla navigazione inerziale e Doppler

– In diverse modalità di navigazione, in particolare a lungo raggio, è essenziale disporre di dati che prescindano dai radioaiuti: in certe aree o in certi periodi di tempo questi ultimi possono essere carenti o, nel caso di operazioni militari, non disponibili.

– La totale autonomia dal mondo esterno al mobile si ottiene con la navigazione inerziale (INS: Inertial Navigation System), che ha anche, nel campo militare, il pregio dell’assenza di segnali irradiati o ricevuti.

– Il principio di un INS è semplice (a fronte di una realizzazionecomplessa e, per sistemi ad elevate prestazioni, assai costosa):

• integrando due volte l’accelerazione vettoriale (in pratica, leaccelerazioni su tre assi orientati secondo un riferimento inerziale) a partire da condizioni iniziali note (normalmente, dalla posizione del mobile, fermo, all’inizio del percorso) si ottiene la posizione attuale

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– Dato che il moto avviene sulla Terra, occorre sottrarre le accelerazioni dovute alla gravità ed alla traiettoria che non èrettilinea ma giace su una sfera (per la curvatura terrestre), nonché quella di Coriolis dovuta alla rotazione terrestre ed al moto del veicolo. E’ quindi necessario porre i due (o, nel casooccorra anche la determinazione della quota, tre) accelerometri su una piattaforma perfettamente livellata e con un accelerometro lungo l’asse nord – sud, l’altro lungo l’asse est-ovest.

– La stabilizzazione sui tre assi della piattaforma, sostenuta cardanicamente, è ottenuta con tre giroscopi.

– Le accelerazioni dovute alla forze di Coriolis sono eliminate tramite calcolo ed invio agli accelerometri di opportune correzioni


– La precisione di un INS si degrada linearmente a partire dall’inizializzazione; errori di 2 nmi per ora di volo sono tipici degli INS per aerei civili, e comportano errori dell’ordine di una decina di miglia per un volo transoceanico, facilmente recuperabili quando si arriva nella portata dei VOR/DME installati nella regione di arrivo.

– Per applicazioni militari, INS ad alto costo permettono di raggiungere precisioni di 0.2 nmi per ora. Data la possibilità di errori o guasti, nella navigazione oceanica gli aerei devono utilizzare tre INS con logica di “voto” (in caso di discrepanze,viene presa la media dei due dati tra loro più prossimi, scartando il terzo INS) oppure due INS e un sistema di radionavigazione quale LORAN o OMEGA.

– Un INS è per molti versi complementare ad un sistema di radionavigazione a lungo raggio, quale i già citati LORAN ed OMEGA, ed a maggior ragione ai sistemi di navigazione satellitare (GNSS, trattati nel seguito). Un INS fornisce con continuità – ed indipendentemente da cause esterne - il dato di posizione ma con un errore crescente col tempo

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– Un sistema di navigazione di tipo “radar doppler” utilizza più fasci d’antenna (almeno tre, solitamente quattro, due diretti in avanti e due all’indietro) puntati verso il suolo con angoli diversi

– il funzionamento è simile a quello di un radar in onda continua, e le frequenze usate sono nella banda X (intorno a 8.8 GHz) oppure nella banda Ku (intorno a 13.3 GHz) con potenze trasmesse dell’ordine del watt.

– Esso è utilizzato principalmente da aerei militari, quali il noto AWACS e quelli della marina.

– L’eco radar del suolo o del mare presenta l’effetto Doppler dal quale il sistema di bordo ricava la componente del vettore velocità dell’aeromobile lungo l’asse del relativo fascio d’antenna.

– L’integrazione rispetto al tempo del vettore velocità a partire dalle condizioni iniziali permette di ricavare la posizione , secondo lo stesso principio di base del INS;

– La precisione del sistema doppler per quanto riguarda la posizione è in genere inferiore a quella del sistema inerziale, specie nel volo su superfici marine, e tipicamente la misura della velocità dell’aeromobile ha un errore r.m.s. dell’ordine di 0.15 % oppure di 0.05 m/s.

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PNS2008_1