Sviluppi della navigazione aeronautica con l’utilizzo dei sistemi satellitari
Giovanni B. Palmerini - Silvano Sgubini - Pier Domenico Tromboni
Scuola di Ingegneria Aerospaziale dell’ Università di Roma “La Sapienza”, Via Eudossiana 18 – 00184 Roma
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Background
La Scuola di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Roma “La Sapienza” porta avanti da diversi anni
un’attività didattica e di ricerca nel campo della navigazione satellitare e delle sue applicazioni in campo
spaziale, aeronautico e dei veicoli terrestri (soprattutto per quanto riguarda i trasporti ferroviari).
Il positivo contributo – in termini di migliori prestazioni e costi ridotti – dei sistemi satellitari alla
navigazione aerea è accertato da numerosi studi e verificato nelle prime applicazioni: si considerino a
titolo di esempio gli atterraggi in visibilità zero eseguiti a San Francisco (lavori del gruppo di Stanford) e
l’entrata in servizio per la FAA del WAAS. Restano però da identificare e codificare, anche in termini di
sicurezza e integrità, le migliori procedure operative, fattori che rendono l’attività di ricerca nel settore
interessante e ricca di immediati riflessi applicativi.
Questa presentazione desidera mettere in evidenza alcune linee di ricerca sui sistemi satellitari attive
presso la Scuola e più legate alla navigazione aerea:
- Analisi di visibilità e prestazioni mediante valutazione dei parametri DOP
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L’interesse verso i temi della navigazione satellitare deriva da un’esperienza più che
decennale nel campo della meccanica orbitale, e in particolare dei sistemi spaziali costituiti
da un insieme di piattaforme (costellazioni e formazioni di satelliti).
Con riguardo alle costellazioni di satelliti, che costituiscono il segmento spaziale dei sistemi di
navigazione, gli studi avevano per oggetto le coperture offerte dalle differenti configurazioni La geometria relativa costellazione/ricevitore ha anche un immediato riflesso, evidenziato dai
parametri dilution of position sulle prestazioni, secondo la relazione GPS= GDOP x UERE
3
2.5
Andamento giornaliero dei parametri
GDOP, VDOP e HDOP per
l’aeroporto di Pescara
2
1.5
Marzo 2006
- Utilizzo del GPS per RNAV (analisi dei dati del programma MFF di ENAV)
Costellazione GPS con 27 satelliti
operativi (su 29)
1
- Il programma GBAS (analisi dati ENAV/Thales)
- Il progetto del ricevitore software e il programma OpenGPS
0.5
0
5
10
15
20
25
time (h)
GPS/GNSS nella fase di avvicinamento
-Il GBAS (Ground Based Augmentation System) è un sistema safety – critical che
migliora le prestazioni fornite dal servizio di navigazione GPS mediante la correzione
differenziale del suo segnale.
• Costruzione di uno strumento numerico per la valutazione delle prestazioni di un sistema
GBAS
- Supporta le fasi di approccio, salita/discesa, decollo/atterraggio e movimenti a terra,
superando le limitazioni di un tradizionale ILS (Instrumental Landing System).
• Validazione
• Modello basato sull’approccio di Bryson (“Control of Spacecraft and Aircraft”, 1994)
mediante analisi dei dati raccolti in flight trials effettuati a Milano Linate
• Particolarizzazione del modello al caso di Linate (analisi del vento, analisi del
ILS/LOC-GP, velivolo impiegato [Citation II])
segnale
Vantaggi:
• supporta più piste
• elevata accuratezza nel
dato di posizione
• bassa sensibilità al sito di
installazione (interferenze,
multipath)
Immagine tratta da un documento Federal Aviation Administration (FAA)
Il programma MATLAB per la
simulazione della fase di approccio
consta di 3 blocchi:
 attesa/crociera: descrive la fase di
volo di crociera immediatamente
antecedente l’acquisizione del segnale
ILS.
 LOC/GP: descrive la fase di discesa
lungo il sentiero nominale descritto dal
segnale ILS.
 flare: descrive la fase finale della
discesa caratterizzata da una traiettoria
curvilinea che porta l’aereo ad essere
allineato con la pista per consentirne
l’atterraggio.
 Al segnale ILS può essere accoppiato/sostituito il segnale
GPS/GBAS con le proprie caratteristiche di rumore
Esempi di controllo longitudinale e latero-direzionale per un velivolo Ryan-Navion.
Seguendo l’approccio di Bryson, e’ stato implementato un simulatore del SAS (Stability
Augmentation System), usando i metodi del controllo ottimo (LQR, Linear Quadratic
Regulator e LQG, Linear Quadratic Gaussian)
GPS/GNSS per la navigazione in rotta
Per valutare l’utilizzo del GPS per RNAV sono stati analizzati alcuni fra i dati registrati durante i flight
trials effettuati nell’ambito del programma Mediterranean Free Flight (MFF) di ENAV, finalizzato allo
studio di concetti innovativi di navigazione come il Free Flight e il Free Routing.
2 velivoli – uno operante (chaser) e un target - impegnati nei flight trials
2 tipologie di applicazioni analizzate: follow e merge (spacing applications)
Confronto fra i dati airborne e la soluzione calcolata a partire dai dati ground
- Determinazione a bordo dello stato cinematico tramite GPS
- Broadcasting verso velivoli presenti nella stessa area e confronto con le soluzioni del segmento di terra
(soluzione tradizionale)
- Pianificazione del volo sulla base del traffico di prossimità
Traiettoria eseguita da uno dei
velivoli Impegnati nei flight trials
VHF
Antenna
VDL-4
Transponder
GPS
Antenna
RS -422
CDTI/ASAS
Unit
( XVM-4 )
( CDAS )
Barometric
Altitude
RS-422
2
Ethernet Port
Keyb Port
Arinc 429
GPS
Antenna
FMS option
Satcom
Antenna
FSDR
ARINC 429
Satcom
Audio out
ARINC 429
Possible
other systems
Cockpit & Cabin
Voice Terminals
Voice + Data
A Cockpit Display of the Traffic Information
Architettura del sistema avionico
Ricerca e didattica nel campo dei ricevitori satellitari
• La ricerca sul miglioramento delle prestazioni dei sistemi satellitari di
navigazione è volta alla risoluzione dei casi più “difficili”:
•
- perdita del lock del segnale (elevata dinamica, multipath,
jamming)
•
- acquisizione difficile o time consuming (geometrie sfavorevoli,
cold start)
• Lo soluzione di questi problemi implica procedimenti di acquisizione
e tracking del segnale “flessibili” e una intensa sperimentazione
• Il ricevitore software, intrinsecamente riconfigurabile, offre grandi
vantaggi (tempi, costi) rispetto ai ricevitori integrati in commercio
La sequenza delle
operazioni
svolte dal codice:
Campionamento
Acquisizione
Inseguimento
Sincronizzazione
Interpretazione
del messaggio
Calcolo della
soluzione
Architettura di un ricevitore tradizionale
Identificazione dei PRN ricevuti,
indicazione sommaria della frequenza
di ricezione e dell’inizio del codice
Chiusura dei loop in codice e fase o
frequenza
 conoscenza puntuale della fase del
codice e della frequenza di
trasmissione per ogni segnale
utilizzabile
Localizzazione del preambolo del
messaggio
Controllo di parità
Valutazione della validità del
messaggio, dello Z-count, delle
effemeridi dei satelliti, dei parametri
per i modelli di correzione degli errori
Correzione degli errori modellabili
Valutazione della posizione a partire
da una stima iniziale
Alcune caratteristiche
importanti:
• La frequenza del segnale GPS è 1575MHz, ma il
nostro interesse è per una banda di soli 2MHz
-> Bandpass sampling
• Loop di ricerca estremamente oneroso
computazionalmente
PRN
possibili
(  30 celle)
scostamento
Doppler
fase del codice (1023 celle)
• similitudine correlazione/convoluzione – Analisi
nel dominio della frequenza - DFT inversa del
prodotto fra il segnale campionato e la replica del
codice -> il loop nella fase del codice è eliminato
Architettura di un ricevitore software
L’attività sul software receiver, oltre ad avere un innegabile interesse scientifico, ha anche
una forte caratterizzazione didattica, offrendo una comprensione del funzionamento di un
ricevitore non facilmente ottenibile mediante prove su ricevitori commerciali.
Prova acquisizione (Roma 2/05) Identificati PRN 15-16-18-22 - TCorr 1 ms
Il ricevitore di confronto rileva anche
il PRN 3 - (intervallo analizzato 30 s)
- Esempi di
correlazione con e
senza riconoscimento
del segnale
-individuzione del
valore di soglia
- utilizzo di intervalli
più lunghi per
incrementare S/N
Componenti del ricevitore software
- possibilità della
transizione di bit
dovuta al messaggio
Al fine di completare questo approccio, il team di navigazione della Scuola intende
intraprendere a breve una nuova linea di ricerca su ricevitori a codice aperto, operanti
attraverso hardware direttamente collegato al bus di un PC ospite [GPS Open Receivers]. In
questo caso le operazioni di correlazione vengono materialmente svolte dai tradizionali
componenti del ricevitore, ma la sequenza delle operazioni è regolata da un codice che gira
sul PC ospite e può quindi essere implementato mediante un codice in linguaggio C, assai
più facile da comprendere e modificare.
Esempio di hardware utilizzato negli open
receivers (immagine GPS Creations)
La scheda contiene la sezione RF e i banchi di
correlazione – il processo è governato
dall’unità centrale del PC, che accede ai
registri hardware sulla scheda e valuta
soluzione di navigazione