AVIONICA

AVIONICA

Dopo la seconda guerra mondiale la navigazione aerea ha fatto incredibili passi avanti. Dall'era dei piloti che operavano con le primitive radio a banda larga e i fari intermittenti, si è passati a una nuova era in cui il volo è consentito praticamente in ogni situazione e condizione meteorologica. Sono stati sviluppati sensori ed elaboratori elettronici i quali possono guidare un aereo dal momento del decollo fino all'atterraggio.

Invero lo sviluppo dei vari sensori ed elaboratori è avvenuto gradualmente ed essi sono stati aggiunti sugli aerei esistenti senza approfondita coordinazione. D'altra parte lo sviluppo tecnologico, specie nella componentistica elettronica, ha consentito che possano essere direttamente allocate sugli aerei molte di quelle stesse apparecchiature che, per ragioni d'ingombro, peso, affidabilità e consumo, negli anni Cinquanta, si ritenevano caratteristiche dei sistemi terrestri.

Il duplice sviluppo sistemistico e tecnologico ha consentito il sorgere di una nuova disciplina, che si propone lo scopo di un progetto integrato di tutte le elaborazioni dei dati utili alla navigazione aerea, allo scopo di ridurre sensibilmente il costo di inutili subsistemi. Questa nuova disciplina viene usualmente indicata con il nome di "avionica".

È noto come la funzione del pilota sia quella di giudicare, interpretare e prendere decisioni dalle informazioni disponibili dai suoi strumenti e dare di conseguenza dei comandi utili al proseguimento del volo. In parte queste funzioni possono venire assolte anche dalla proverbiale scatola nera, ma l'intelligenza umana è necessaria per darle istruzioni e per correggere eventuali deficienze di funzionamento. Il ruolo dell'a. è quindi quello di sostituirsi almeno parzialmente all'uomo e di rifornirlo di tutti i mezzi utili ad assolvere meglio il suo lavoro nel campo della navigazione aerea.

Converrà innanzitutto caratterizzare la navigazione aerea. Essa può distinguersi in militare e civile: la prima ha particolari caratteristiche per la dinamica dei movimenti degli aerei. Il trasporto militare non si discosta molto da quello civile; esistono naturalmente pesanti limitazioni per lo spazio e il peso, ma nei sistemi militari spesso sono ammessi dei costi più alti, più frequenti prove di funzionalità e talvolta meno affidabilità. Durante il tempo di pace la navigazione aerea militare differisce poco da quella civile. Apparecchiature di assoluta precisione occorrono invece per definire la posizione del bersaglio, per raggiungere particolari obiettivi e sono indispensabili sistemi speciali onde evitare i possibili disturbi causati dai nemici, nelle apparecchiature elettroniche.

Nella navigazione civile, specie nel trasporto commerciale, le considerazioni primarie sono di tipo economico. Problemi rilevanti sono quelli di affidabilità, manutenzione, costi e spazi utili per il trasporto; la sicurezza poi è l'elemento cardine.

Il traffico civile avviene normalmente su rotte prestabilite per ragioni di sicurezza, di controllo del traffico aereo (localizzazione degli aerei sui radar terrestri) e di minimo tempo di volo. Quindi nascono i problemi per mantenere e per far mantenere le distanze da un aereo all'altro. In particolare l'abilità di rimanere nello spazio prefissato può essere di gran lunga più importante che quella di raggiungere semplicemente una destinazione.

In ogni caso le caratteristiche della navigazione aerea oggi sono praticamente codificate da regolamenti internazionali.

Specifiche dei sistemi avionici. - I sistemi avionici prendono informazioni dai vari sensori e devono fornire, o aiutare l'equipaggio a fornire, una molteplicità di indicazioni. Alcune di queste sono comuni nei sistemi civili e militari, altre sono caratteristiche dei sistemi militari. Le indicazioni dirette all'equipaggio sono presentate in qualche modo; altri dati, come le indicazioni di direzione, possono essere forniti direttamente all'autopilota o a un calcolatore centrale per le elaborazioni successive.

Per quanto riguarda il tipo delle indicazioni converrà richiamarne alcune; le più importanti per la navigazione stessa sono ovviamente quelle di posizione e di direzione. Mentre le prime vengono fornite dando le coordinate in diversi sistemi (le più usate per navigazione su rotte a lunga distanza sono le geografiche), per le seconde viene assegnato a ogni aereo un "blocco" (porzione di spazio) avente stabilite dimensioni laterali, longitudinali e verticali. Questo blocco si muove con la velocità indicata sul piano di volo dell'aereo; lo scopo della navigazione è dunque quello di rimanere nel blocco. Conseguentemente il pilota deve conoscere istante per istante la sua posizione in seno al blocco; egli la conoscerà con una certa precisione in punti determinati, mentre ne avrà un'estrapolazione in altri punti con errori sistematici e di accumulazione delle valutazioni successive dei vari sensori.

Altre indicazioni da fornire sono quelle inerenti la situazione del combustibile con precisazione anche della durata e della massima distanza raggiungibile in relazione al piano di volo prestabilito. Anche il controllo dei motori è affidato al sistema avionico; esso riceve segnali dall'ambiente e dai motori stessi, li paragona a dati prefissati e relativi alle richieste indicazioni di funzionamento e di conseguenza comanda sistemi elettromagnetici onde regolare opportunamente il flusso del carburante e la meccanica.

Sugli aerei di tipo militare dovranno essere date delle indicazioni sullo stato del materiale bellico (missili, razzi e bombe) e dovranno essere precisati la programmazione delle varie operazioni, i comandi per le operazioni stesse e infine eventuali guasti o difetti di funzionamento. Per i vari tipi di attacco aereo, il sistema avionico tramite sensori radar dovrà avvistare il bersaglio, agganciarlo e fare i tipi di calcoli necessari al bombardamento, valutando le zone possibili per un'azione e le modalità operative.

Architettura di un sistema avionico. - Realizzare l'architettura di un sistema avionico consiste nel definire e combinare un insieme di strutture componenti, identificabili in qualche modo, per formare un sistema che risponda alle specifiche cui si è fatto cenno.

Converrà notare come oggi possa intendersi componente di un sistema un calcolatore digitale, ciò che solo venti anni or sono era solo utopistico a pensare, in quanto l'impiego dei tubi elettronici ne rendeva praticamente impossibile l'utilizzazione sugli aerei. L'utilizzazione dei transistori e lo sviluppo tecnologico, che oggi consente di realizzare in un contenitore di dimensioni 0,5 cm × 1 cm memorie di grande capacità con tecniche MOS, ha permesso di far fronte anche alle esigenze di una grande velocità di calcolo, dettata dall'aumentata velocità dei velivoli. Vi è stata quindi una vasta applicazione dei calcolatori per coprire attività organizzative e di elaborazione dei segnali, anche se alcune di queste non richiedono strettamente operazioni in tempo reale. D'altro canto analizzando le specifiche già indicate è facile osservare come un sistema avionico possa ricondursi a poche funzioni fondamentali chiaramente identificabili.

Innanzitutto il sistema deve acquisire dei dati come le condizioni di volo, parametri radar, ecc. Tali dati sono forniti normalmente da vari sensori (per es. pressione, velocità, accelerazione, temperatura, ecc.), convertiti in forma digitale e quindi elaborati secondo le esigenze. I risultati di queste elaborazioni sono utilizzati per produrre comandi (per modificare le condizioni di volo, per iniziare un'azione bellica, ecc.) o anche sono presentati all'equipaggio al fine di fornirgli un aiuto per prendere decisioni sulla missione.

Un certo numero di dati dovranno essere memorizzati al fine di un'utilizzazione in tempi diversi. Azioni correttive e comandi manuali potranno essere aggiunti man mano dall'equipaggio, anche sulla base delle informazioni che gli vengono presentate dal sistema di elaborazione. Dovranno essere anche previste delle trasmissioni e ricezione di comunicazioni con stazioni terrestri o con altri aerei e satelliti.

Nelle singole parti così presentate e riportate sinteticamente in fig. 1 sarà facile riconoscere elementi strutturali ben noti in discipline elettroniche (convertitori analogico-digitali, apparati di comunicazione, ecc.) e nella scienza dei calcolatori.

Stima ottima della posizione di un aereo. - Converrà ora dare un cenno su questo problema specifico dei sistemi avionici. Le possibili tecniche di navigazione aerea sono fondamentalmente due sole: navigazione stimata e navigazione osservata. Mentre la prima consente l'estrapolazione della posizione a un certo istante, nota la posizione a un istante precedente, implicando misure di moto e di distanza, la seconda si basa sulle informazioni della posizione dell'aereo in un determinato istante indipendentemente dal moto e dalle posizioni precedenti. Normalmente si opera con le due tecniche congiuntamente, come è facile capire. La conoscenza di posizioni fisse deriva da sistemi di radioaiuti alla navigazione, punti caratteristici radar, stelle fisse e satelliti artificiali, mentre i dati per la stima del moto derivano da sensori inerziali o Doppler o dell'atmosfera circostante.

Conoscendo questi dati, con particolari tecniche di elaborazione, è possibile stimare la posizione più probabile dell'aereo e quindi, nota la destinazione, dare automaticamente le indicazioni direzionali secondo lo schema di principio di fig. 2. A questo punto è possibile ravvisare l'applicabilità in a. di tutte le tecniche di "stima ottima". Infatti i vari sensori dànno indicazioni utili alla determinazione di una particolare grandezza, affette da errori sistematici e casuali convenientemente correlati tra loro. Allora la tecnica di filtraggio alla Wiener è perfettamente applicabile nella scelta dell'ottima funzione di trasferimento, si arriva quindi alla definizione dei pesi di filtraggio ottimi di filtri ricorsivi o meno alla Kalman, secondo tecniche ben note nelle discipline di elaborazione ottima dei segnali. Queste tecniche di filtraggio possono essere messe a punto programmando convenientemente il calcolatore di bordo e realizzando un elaboratore speciale.

Il calcolatore di bordo può dunque essere impegnato enormemente da valutazioni che possono risultare errate, se le ipotesi statistiche legate alle singole grandezze in gioco vengono a cadere. Ne sono nati quindi studi che hanno impegnato negli ultimi anni l'analisi di base alla ricerca di un ottimo compromesso "precisione della stima-impegno economico", con pesanti programmi di simulazione; d'altro canto studi specialistici sono in corso di definizione nel tentativo di realizzare apparati compatti, economici e a minima dissipazione con massima capacità di calcolo congiunta a un'indiscussa affidabilità.

Bibl.: M. Kayton, W. Fried, Avionics navigation systems, Londra e New York 1969; A. P. Noller, Avionics, Today and tomorrow, Univ. Swansea 1974; J. N. Bloom, Principles of avionics computer system, in AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development), Londra 1974.