navigazione
Arte e attività del navigare sull’acqua con imbarcazioni, in superficie (n. sopracquea) o sottomarina (n. subacquea); si pratica in mare (n. marittima: a seconda delle zone percorse, costiera o alturiera; mediterranea, oceanica ecc.) o nelle acque interne (n. lacustre, fluviale ecc.). Per estensione, il procedere in un fluido generico, in particolare nell’aria (n. aerea), o nello spazio extraterrestre (n. spaziale).
Diritto
La n. è governata da un complesso di regole speciali che traggono la loro peculiarità dal particolare ambito (acqua o aria) nel quale essa si esercita. La materia è caratterizzata da una larghissima diffusione di accordi internazionali, sorti per disciplinare la naturale internazionalità dei traffici marittimi e aerei. Norme uniformi regolano, per restare ai settori più significativi, i trasporti di persone e di cose, la sicurezza dei trasporti e la tutela della vita umana, la condizione dei lavoratori, il regime degli spazi marittimi e aerei e numerose ipotesi di responsabilità civile relative all’esercizio della nave e dell’aeromobile, con particolare attenzione alla protezione dell’ambiente marino dall’inquinamento. Prescrizioni tecniche sono elaborate e diffuse, con efficacia vincolante, da organismi intergovernativi specializzati (➔ IMO; ICAO).
Nel diritto italiano, in modo originale rispetto agli altri ordinamenti, si è affermata una disciplina unitaria della n. marittima, interna e aerea. Secondo l’intuizione di A. Scialoja, il fatto tecnico della n., intesa come movimento per acqua o per aria, si presenta identico tanto nel settore marittimo (e per acque interne) quanto in quello aeronautico, così da giustificare una regolamentazione comune delle esigenze giuridiche che sorgono da tale fenomeno. Di ciò si è avuta pratica attuazione nel Codice della navigazione del 1942, nel quale la disciplina del nascente diritto aeronautico è stata coerentemente modellata sull’esperienza millenaria del settore marittimo. Attualmente il diritto della n. sembra evolvere verso un unitario diritto dei trasporti, che comprende la disciplina del trasporto in tutte le sue modalità. Tuttavia tale tendenza non si è ancora consolidata.
La materia della n. ha per oggetto l’insieme dei rapporti connessi con l’esercizio della nave e dell’aeromobile, cioè l’impiego del mezzo secondo l’uso che gli è proprio, oltre alle situazioni giuridiche presupposte e conseguenti all’esercizio medesimo. La specialità dell’ambiente nel quale si sviluppano i rapporti giuridici della navigazione ha dato luogo a un diritto speciale, caratterizzato da una forte autonomia, che si esplica sul piano scientifico, didattico e normativo. L’autonomia è consacrata nel regime delle fonti, che, nella risoluzione dei casi concreti, prescrive l’applicazione prioritaria della disciplina della n., anche di rango subordinato e fino all’analogia, prima del ricorso al diritto comune (art. 1 cod. nav.). Il sistema normativo della n. si integra, peraltro, nell’ordinamento generale ed è subordinato ai principi costituzionali, alle convenzioni internazionali e alle regole comunitarie.
Storia
Atti di n. Leggi sulla navigazione (Acts of navigation) emanate dal Parlamento inglese, durante il governo di O. Cromwell (1651) e durante il regno di Carlo II (1660), che influirono enormemente sullo sviluppo della potenza navale britannica. La legge del 1651 stabilì che le importazioni in Inghilterra da paesi europei dovessero essere effettuate solo con navi inglesi, o battenti bandiera dei paesi di produzione e provenienza delle merci importate, e quelle da paesi di altri continenti con navi appartenenti a Inglesi e con equipaggio almeno per metà inglese. La legge del 1660 stabilì dazi differenziali protettivi e concorse a liberare la Marina britannica dalla concorrenza olandese.
In senso lato sono detti atti di n. tutti i provvedimenti e i trattati che, nel periodo del capitalismo mercantile, attribuirono il monopolio assoluto dei traffici con determinati paesi dominati a determinati paesi dominanti (Spagna e Portogallo; Francia e Inghilterra), stabilendo regole rigorose sui mezzi di comunicazione marittima.
Trasporti
Principi di n. marittima
Condotta del navigare. - Il primo problema nautico è quello della determinazione del punto nave, cioè di fissare sulla carta nautica il punto che la nave occupa in un dato istante. Il punto si definisce in diversi modi: a) punto rilevato, se la nave è in vista della costa con il riferirsi a punti terrestri, di posizione nota con precisione, mediante i metodi della n. costiera; b) punto stimato, se la nave è in alto mare e non ha modo di fare rilevamenti di punti della costa o astronomici o radioelettrici, con la stima del cammino percorso da un punto noto, in base alla direzione tratta dal rilevamento della bussola, tenendo conto dello scarroccio (dovuto al vento) e della deriva (dovuta alla corrente), e in base alla velocità propria (rilevata dal solcometro), mediante i metodi della n. stimata; c) punto osservato, definibile, quando le condizioni meteorologiche lo permettono, in base a osservazioni di astri (Sole, Luna, stelle, ecc.) e del tempo, cioè determinando latitudine e longitudine; d) punto radioelettrico, se si trova nel campo di stazioni radiotrasmittenti adatte, fatto in base a rilevamenti radiogoniometrici (cioè rispetto a emittenti note) oppure con tecniche particolari (n. radioassistita).
Il secondo problema nautico è quello della determinazione della rotta che la nave deve seguire per raggiungere un punto stabilito; a tal fine si possono applicare due tecniche diverse. La prima consiste nel mantenere costante per tutto il tragitto l’angolo della prua rispetto alla direzione del Nord indicato dalla bussola (angolo di rotta bussola) o desunta esattamente in altro modo (angolo di rotta vera); in tal caso la nave taglia tutti i meridiani con un angolo costante (n. lossodromica). La seconda consiste nel seguire il tragitto più breve possibile, cioè nel percorrere l’arco del cerchio massimo che passa per il punto di partenza e quello di arrivo (n. ortodromica). La condotta della n., cioè il mantenimento e il controllo della rotta prescelta, richiede l’applicazione di metodi più o meno complessi a seconda delle circostanze; essa perciò si suole dividere in n. piana, che può essere condotta applicando semplicemente la geometria piana; n. astronomica che richiede l’impiego della trigonometria sferica, e n. radioassistita, che si avvicina alla precedente. La n. piana, a sua volta, comprende la n. costiera se la nave resta in vista della costa e dei segnalamenti (fari, ecc.), e la n. stimata, se, come accennato, gli elementi per il controllo della rotta vengono dedotti dagli elementi stessi della navigazione. Naturalmente, nello stabilire e nel seguire una certa rotta, non bastano gli elementi geografici e astronomici, ma è necessario tener conto dei fattori fisici che influenzano la n., principali quelli meteorologici (venti, tempeste, cicloni, tifoni ecc.) e idrografici (correnti, fondali, ecc.).
È consuetudine indicare le direzioni in gradi interi, misurati da 0° a 360°, dal Nord, in senso orario, le distanze in miglia nautiche internazionali (1852 m), e le velocità in nodi.
Sicurezza.- Per la n. marittima, la sicurezza è affidata a quattro ordini di previdenze: a) istruzione del personale e ordine di attenersi strettamente alle prescrizioni particolareggiate, in massima parte di carattere internazionale (conferenza di Washington del 16 ottobre 1889), riguardanti le misure da osservare e le norme da seguire, sia durante la n. sia nell’incontro con altre navi; durante la n. occorre tenere accesi i fanali (di via) nei periodi di oscurità ed effettuare segnalazioni acustiche e radio in caso di nebbia; nell’incontro con altre navi, le radiocomunicazioni rendono oggi più facili, durante le manovre, le comunicazioni tra le navi, in passato affidate a segnali con bandiere, con mezzi acustici o ottici; inoltre, l’uso del radar permette di scorgere ostacoli e navi anche nell’oscurità e nella nebbia; b) segnalazioni tempestive e continue ai naviganti delle situazioni meteorologiche mediante la radio, segnalamenti dei punti pericolosi (fari, battelli a fanali, a segnalazioni acustiche, fanali ecc.), organizzazione del servizio di pilotaggio nelle zone più pericolose ecc.; c) per quanto riguarda il naviglio in sé stesso, misure intese a garantire la insommergibilità, la difesa contro gli incendi ecc.; d) per quanto riguarda il salvataggio dei naufraghi (pur considerando la nave per sé stessa, nella sua sicurezza, il principale mezzo di salvaguardia), mezzi individuali (cinture di salvataggio ecc.) e mezzi collettivi (imbarcazioni speciali di salvataggio, a remi e a motore) calabili in mare con rapidi e sicuri sistemi; infine la radiotelegrafia, che segnala e chiama a soccorso della nave infortunata (SOS) in un raggio amplissimo.
Principi di n. aerea
Condotta aerea. - Per la condotta di un aeromobile nello spazio aereo è necessaria l’attuazione di un ciclo di operazioni complesse, che può essere così schematizzato: a) elaborazione preventiva di un programma di n. in base ad alcune informazioni preliminari; b) misurazione, durante il volo, di tutte le grandezze capaci di determinare la n. in atto: c) confronto, durante il volo, delle grandezze misurate con quelle preventivamente programmate.
La programmazione del volo richiede essenzialmente il tracciamento della rotta su un’appropriata carta aeronautica e il conseguente calcolo dell’angolo di rotta e dei tempi di percorrenza delle varie tratte; da apposite pubblicazioni risultano note le norme riguardanti il traffico aereo, la posizione e le frequenze dei radioaiuti di interesse per la n., l’avvicinamento e l’atterraggio. L’ufficio meteorologico dell’aeroporto fornisce le informazioni sul tempo, sulla situazione barica e sui venti alle quote di volo prescelte.
Il piano di volo va consegnato all’ufficio del controllo dell’aeroporto; potrà essere variato in volo, ma solo dopo averne ricevuto autorizzazione specifica dagli enti di controllo. Il volo può essere programmato e gestito dall’FMS (flight management system), nella cui memoria vanno inserite le coordinate geografiche degli scali principali e di quelli alternativi; sui velivoli militari l’elaboratore centrale può fornire al pilota anche i dati relativi ai bersagli, calcolare la rotta di attacco e risolvere le equazioni balistiche permettendo lo sgancio automatico del carico bellico. Se l’equipaggio ha inserito l’autopilota i predetti sistemi di gestione del volo sono in grado di controllare completamente la condotta del velivolo agendo anche sugli attuatori di assetto e sui dispositivi di regolazione dei motori.
Gli strumenti di bordo necessari al pilota per la condotta del volo e la gestione dell’aereo sono: a) strumenti per il controllo d’assetto (orizzonte artificiale, telebussola, indicatore di virata e sbandamento, altimetro, anemometro ecc.); b) strumenti indicatori delle grandezze di n. (cronometro, bussola, localizzatori del velivolo rispetto a stazioni a terra ecc.). Tutte le informazioni fornite da questi strumenti nei moderni velivoli forniscono i dati di base a sistemi integrati che presentano al pilota la posizione e l’assetto del velivolo, indicandogli, nel contempo, le manovre da eseguire per mantenere la rotta programmata. Lo sviluppo dell’avionica ha inoltre reso disponibili, su schermi di dimensioni contenute, i dati di interesse per la gestione del velivolo e della n.; possono anche essere fornite le indicazioni di rotta, di distanza, di tempo per raggiungere i riferimenti radio previsti nel piano di volo.
Controllo aereo. - In seguito ad accordi internazionali raggiunti e gestiti sotto l’egida dell’ICAO, l’uso dello spazio aereo è consentito nell’ambito di precise norme il cui rispetto è controllato da una struttura di terra articolata in relazione alle diverse esigenze di sorveglianza: pertanto lo spazio aereo sovrastante i territori e le acque nazionali e internazionali risulta suddiviso in zone di traffico nelle quali vigono specifiche norme del cui rispetto sono responsabili enti nazionali e internazionali. Tra le responsabilità ci sono anzitutto quelle di natura informativa, per l’assistenza agli aerei che volano all’interno di una Regione di informazioni del volo (FIR, flight information region) secondo le regole del volo a vista, peraltro consentito solo in condizioni di ottima visibilità, fino a quote modeste, a velivoli lenti. Ben più importanti sono le responsabilità di vero e proprio controllo per gli aerei che operano invece in una FIR secondo le regole del volo strumentale adottato praticamente per tutto il traffico militare e civile, dati i rischi di collisione del volo a vista.
Lo spazio aereo controllato si divide in: a) zona di traffico aeroportuale, spazio aereo definito intorno a un aeroporto per un raggio di 5 miglia (ca. 8 km), e che raggiunge i 700 piedi di quota (ca. 210 m) nel quale ha giurisdizione la torre di controllo dell’aeroporto stesso; b) zona di controllo, spazio aereo di dimensioni orizzontali delimitate, che si eleva fino a una certa altitudine e che si costituisce quando su un aeroporto (o su aeroporti vicini) il traffico è particolarmente intenso; è gestita dal Controllo di avvicinamento; c) regione di controllo, spazio aereo interno alla FIR, di dimensioni variabili a seconda della morfologia del terreno sottostante, del tipo di radioassistenze e della natura del traffico; il controllo del traffico in tale spazio è svolto dal Centro di controllo regionale; d) aerovia, corridoio aereo costituito entro una regione di controllo dalla forma di parallelepipedo rettangolare largo 10 miglia, che corre a 2000 piedi al di sopra del più alto ostacolo naturale sottostante e raggiunge i 40.000 piedi di altezza; il Centro di controllo regionale è l’ente che assicura il controllo del traffico in aerovia; e) area terminale, spazio aereo controllato ancora dal Centro di controllo regionale, costituito alla confluenza di aerovie nelle vicinanze di aeroporti di grande traffico; si estende di norma sino a 4000 piedi sul livello del mare, più comunemente assume forma poligonale avente in corrispondenza di ciascun vertice un punto radioassistito per l’entrata e l’uscita del traffico; all’interno dell’area si sviluppano le traiettorie di salita e discesa verso gli aeroporti ivi compresi; in Italia esistono 4 stazioni terminali di controllo (TMA, terminal areas): Milano, Padova, Roma e Brindisi.
Quanto alla sorveglianza del traffico aereo, al fine di evitare collisioni, sono utilizzati due sistemi: quello radar (controllo positivo), in cui l’operatore trasmette agli aerei in volo (i cui piloti devono rispondere) la rotta e la quota da raggiungere e/o mantenere, e quello procedurale, in cui invece i piloti segnalano la loro posizione all’ente di controllo secondo i percorsi, i tempi e le quote autorizzati. Le separazioni possono essere verticali (150 m) oppure laterali o a tempo; sistemi automatizzati consentono all’operatore a terra di avere la situazione costantemente aggiornata del traffico aereo nella zona di responsabilità.
Sicurezza del volo. - La sicurezza della n. aerea è connesa al livello di affidabilità delle apparecchiature avioniche; alla diffusione di apparati integrati, che hanno semplificato la gestione dell’aeromobile e della n. pur utilizzando informazioni sempre più numerose e precise; alle capacità strumentali del sistema del traffico aereo. L’incremento dell’utilizzazione del mezzo aereo ha reso più ampia la base statistica dalla quale vengono tratti i suggerimenti di miglioramenti degli strumenti, delle metodologie e delle procedure di cui si avvale la n. aerea.
N. inerziale
Questo tipo di n. indipendente, utilizzato sia per la n. marittima sia per la n. aerea, si basa su un apparato denominato piattaforma inerziale, che comprende: a) una piattaforma di riferimento, stabilizzata sui tre assi mediante tre giroscopi a un grado di libertà (o due giroscopi a due gradi di libertà), avente lo scopo di fornire un riferimento noto; b) tre accelerometri che, disposti secondo una terna ortogonale, possono misurare l’accelerazione vettoriale cui è soggetto il mobile durante il suo moto; c) un elaboratore che effettua una doppia integrazione dell’accelerazione misurata, correggendola con continuità sia con riferimento alla accelerazione di gravità, sia con riferimento alla accelerazione di Coriolis; d) un orologio per il calcolo del tempo di funzionamento. La n. inerziale fornisce in ogni istante l’informazione relativa alla posizione della piattaforma rispetto a quella del punto di partenza, oppure le coordinate geografiche del punto in cui la piattaforma si trova, se nell’elaboratore sono state memorizzate le coordinate del punto iniziale della navigazione. La piattaforma inerziale può essere solidale alla struttura del mobile, o montata mediante una sospensione cardanica. Il sistema di riferimento inerziale può avere: un orientamento costante rispetto alle stelle fisse, un orientamento costante rispetto agli assi geodetici, oppure un orientamento fisso rispetto agli assi del velivolo o della nave.
I sistemi inerziali (INS, inertial navigation system) hanno giroscopi a laser. La presenza di piccoli errori per percorsi che richiedono molte ore di n. inerziale ha reso necessario l’aggiornamento periodico dei dati, ottenuto generalmente collegando la piattaforma con i sistemi di n. satellitare. Un apparato simile all’INS, ma più leggero e meno costoso, è il sistema di riferimento inerziale (IRS: inertial reference sys;tem); sebbene sia atto a controllare solo l’assetto e la prua del velivolo, collegato con i sistemi di n. satellitare, garantisce una n. di notevole precisione. Il sistema è applicabile anche a mezzi navali e terrestri. Nell’uso militare e spaziale sono stati anche utilizzati sistemi astroinerziali, nei quali vengono alloggiati, in un unico contenitore, sia la piattaforma inerziale sia un complesso inerziale stellare di tipo telescopico (a due gradi di libertà): se le stelle osservate, sulla base dei dati inerziali usati per il puntamento del telescopio, si trovano al centro del campo visivo, i dati di n. sono ritenuti corretti. Tali sistemi sono molto sofisticati sia per la precisione richiesta sia per la necessità di osservare gli astri anche durante le ore diurne.
Da un punto di vista concettuale non differisce dalla n. classica in quanto anche in questo caso si determinano, mediante misurazioni effettuate con l’ausilio di segnali radio, luoghi di posizione del mobile. Lo sviluppo differenziato di sistemi radio per la n. marittima rispetto a quelli per la n. aerea è stato determinato dal diverso orizzonte radio disponibile e dalla diversa precisione richiesta, ambedue maggiori nel caso di n. aerea. Infatti, mentre gli aeromobili utilizzano questi sistemi prevalentemente per brevi distanze, le navi si avvalgono dei sistemi radio anche fuori dalla loro portata diretta. La n. degli elicotteri infine comporta una problematica di tipo misto. Mentre l’avvicinamento alle zone di atterraggio (per es. piattaforme petrolifere) presenta aspetti simili alla n. aerea, il volo di trasferimento, avvenendo a bassa quota, presenta aspetti similari alla n. marittima.
Sistemi di radionavigazione nella n. marittima. - Poiché il punto nave viene determinato per intersezione di luoghi di posizione, i vari sistemi vengono classificati in tre grandi categorie, a seconda che facciano ricorso: a) al luogo di posizione derivante da misure di azimut; b) al luogo di posizione derivante da misure di distanza; c) al luogo di posizione derivante da misure di differenza di distanza.
Nei sistemi basati su misure di azimut, la determinazione dell’azimut (angolo con una direzione di riferimento) può essere effettuata con una misura diretta mediante il radiogoniometro o con una misura indiretta, ricavando il rilevamento della stazione emittente con un comune ricevitore.
I sistemi distanziometrici consentono un’elevata precisione ma richiedono accurate calibrazioni; non sono pertanto entrati nell’uso comune e vengono impiegati per usi particolari (rilievi idrografici, fotogrammetrici ecc.). Esempio tipico di questo sistema è lo SHORAN (short range aid to navigation), basato sul principio di trasmettere da bordo, su 250 MHz, impulsi brevissimi (1/4 di microsecondo) che vengono ricevuti e ritrasmessi da apparati risponditori sistemati a terra in posizioni note. Misurando a bordo l’intervallo di tempo compreso fra l’emissione di un impulso e il ritorno dello stesso impulso ritrasmesso si possono ottenere le distanze da ciascuna delle stazioni a terra e con tali distanze determinare il punto nave.
I sistemi basati su misure di differenza di distanza si basano sulla proprietà dell’iperbole di essere il luogo dei punti per il quale la differenza delle distanze da due punti fissi (fuochi) rimane costante. La n. cui hanno dato vita si dice n. iperbolica; con tale tecnica, la posizione si determina dall’intersezione di due rami di iperboli corrispondenti a due diverse differenze di distanza tra la nave e due coppie di stazioni emittenti, poste in posizioni note (fuochi delle iperboli). A seconda di come si misura la differenza di distanza, i sistemi possono essere: a impulsi (la differenza è determinata sulla base della differenza di tempo di ricezione dei segnali); a onde continue (la differenza è determinata sulla base del ritardo di fase tra le emissioni ricevute); misti (vengono usate le due tecniche contemporaneamente).
Il sistema a impulsi affermatosi nell’uso operativo è il LORAN (long range aid to navigation), che impiega una catena di terne di stazioni, tra di loro non troppo lontane, di cui una, la principale, è dotata di due trasmettitori che emettono impulsi omnidirezionali su onde corte (1700-2000 kHz) di uguale frequenza ma con cadenza diversa; le altre due stazioni asservite ritrasmettono con un ritardo prestabilito, e con frequenza e cadenza identiche, l’una i segnali ricevuti dal primo trasmettitore della stazione principale, l’altra quelli ricevuti dal secondo trasmettitore; l’introduzione del ritardo nella ritrasmissione costituisce l’artificio necessario per eliminare l’ambiguità del ramo di iperbole sul quale si trova la nave e, nel contempo, per individuare la più vicina delle due stazioni. La precisione nella determinazione del punto può essere aumentata se dalla catena di terne di stazioni (due coppie di stazioni con una stazione in comune) si passa a quella quadrangolare (due stazioni principali e due asservite). L’apparato ricevente di bordo calcola la differenza dei tempi di ricezione dei segnali emessi dalle coppie di stazioni corrispondenti a terra, e identifica pertanto i luoghi di posizione, cioè i rami di iperbole sui quali si trova la nave. Le iperboli generate dalle coppie di stazioni (principale e asservita) corrispondenti sono già riportate sulle carte LORAN quotate in microsecondi.
Il primo sistema a onde continue adottato su scala operativa è il DECCA, che utilizza una stazione padrona al centro e tre stazioni schiave ai vertici di un triangolo equilatero di 100 miglia di lato. Le frequenze impiegate sono di 70 e 130 kHz. Per poter essere distinte tra di loro, le frequenze delle coppie di stazioni corrispondenti vengono opportunamente diversificate. L’apparato ricevente, dopo averle amplificate separatamente, le riconduce poi a uno stesso valore (frequenza di paragone) e mediante un fasometro misura il ritardo di fase tra i segnali ricevuti e individua il ramo di iperbole sul quale si trova la nave.
Il sistema iperbolico a onde continue OMEGA grazie alla gamma di frequenze utilizzata (da 10 a 14 kHz) garantisce la massima stabilità della propagazione del segnale come onda di superficie; tale propagazione è tuttavia soggetta a interferenze dovute a fenomeni naturali (campo magnetico terrestre, modifica dello stato ionosferico connessa con l’alternanza giorno-notte) e all’attività solare; gli errori dovuti alle interferenze naturali si eliminano mediante fattori di correzione di pubblicazione periodica, mentre gli errori dovuti all’attività solare si eliminano con una trasmissione con più frequenze di emissione.
Tra i sistemi iperbolici misti il LORAN-C è quello più conosciuto. Le trasmissioni (frequenza di 100 kHz) consistono nell’emissione di impulsi modulati. Il ritardo di propagazione tra le due stazioni emittenti viene determinato sia misurando il ritardo di tempo tra i segnali ricevuti sia misurando il ritardo di fase tra i segnali di due impulsi analoghi. Per la determinazione della posizione è necessario usufruire di due famiglie di iperboli e quindi l’utente deve rientrare nel campo di copertura di almeno tre stazioni di terra. Nella catena di stazioni, costituita da un insieme di coppie di stazioni, una stazione agisce da principale e tutte le altre emettono i loro segnali in sincronismo con essa dopo avere ricevuto l’impulso emesso; le stazioni della catena emettono i loro impulsi con un ritardo crescente evitando che essi si sovrappongano. Gli apparati di bordo effettuano automaticamente il riconoscimento delle stazioni della catena operante nella zona e la determinazione della posizione anche a velocità del veicolo molto elevate, circostanza, questa, che rende tale sistema particolarmente adatto anche per la n. aerea.
Sistemi di radionavigazione nella n. aerea. - Nel settore aeronautico, a differenza di quello navale, un sistema di radionavigazione deve fornire i dati di posizione tridimensionale (latitudine, altitudine e longitudine), rispettando esigenze di precisione nei rilevamenti, capacità del sistema stesso di avvertire tempestivamente l’utente della propria inutilizzabilità, affidabilità delle prestazioni. I sistemi di radionavigazione sono suddivisi in: sistemi per la n. di trasferimento (a lungo e medio raggio e a corto raggio) e sistemi per la n. di avvicinamento e atterraggio.
I sistemi per la navigazione di trasferimento a lungo raggio hanno portata dell’ordine delle migliaia di miglia (portata maggiore su mare, minore su terra). Le stazioni trasmittenti sono di elevata potenza (fino a 100 kW); le frequenze sono relativamente basse (al di sotto di 200 kHz). La n. aerea a lungo raggio utilizza sistemi di radionavigazione iperbolica come l’OMEGA, il LORAN-C, il DECCA, principalmente come ausilio alla n. inerziale, e/o la rete di radiofari ADF (automatic direction finding).
Fra i sistemi a medio raggio, il sistema più utilizzato è quello che vede accoppiato il radiofaro di terra all’ADF di bordo, perché coniuga caratteristiche di semplicità costruttiva a costi contenuti. L’apparato ADF, un radiogoniometro, utilizza un’antenna ricevente di forma rettangolare che viene investita dal segnale proveniente dal radiofaro: il segnale rilevato ha un valore minimo quando la direzione del segnale è perfettamente ortogonale al piano contenente l’antenna e, quest’ultima, viene ruotata fino a posizionarsi sul valore minimo di ricezione, individuando così la direzione del radiofaro. Il sistema non è molto preciso ed è sensibile alle variazioni meteorologiche e alle contromisure elettroniche. I radiofari operano nella banda di frequenza compresa tra 200 e 1600 kHz con potenze che vanno da circa 20 W a qualche centinaio di watt.
Le stazioni per la n. radioassistita a breve raggio sono di caratteristiche tali che, in ogni istante, è possibile utilizzarne almeno una. L’impiego tipico si ha nelle aerovie; le stazioni forniscono, di norma, indicazioni di distanza e di azimut non soggette a perturbazioni atmosferiche. Il traffico civile utilizza il sistema VOR/DME, quello militare il sistema TACAN: i due sistemi di radioassistenza possono anche trovarsi uniti in una unica stazione di terra denominata VORTAC. Il VOR (very high frequency omnidirectional radio range) trasmette un segnale a onda cortissima (frequenza compresa fra 108 e 118 MHz); le stazioni VOR vengono installate a distanza di 100 miglia l’una dall’altra per assicurare continuità di radioassistenza. Il principio di funzionamento si basa sulla differenza di fase tra due segnali: uno di questi, con fase di riferimento costante (Nord magnetico) omnidirezionale, viene irradiato dalla stazione per tutti i 360°; l’altro segnale, con fase variabile con la direzione, viene fatto ruotare ruotando il sistema di antenna a una velocità di 30 giri al secondo; la variazione di fase è di un grado per ogni grado di rotazione. La differenza di fase tra i due segnali, misurata dal ricevitore di bordo, determina l’azimut con errori dell’ordine del grado. Il ricevitore VOR riceve anche le emissioni del localizzatore di atterraggio strumentale ILS. Il DME (distance measuring equipment) consente la misurazione della distanza velivolo-stazione. Da bordo viene trasmesso un segnale a impulsi su una delle 126 frequenze disponibili sulla banda da 1025 a 1150 MHz; il ricevitore di terra riceve questi impulsi e, dopo un ritardo fisso di 50 μs, li ritrasmette verso il velivolo rendendo possibile la misura della distanza. Potendo ogni DME fornire informazioni di distanza sino a 100 aerei, con un numero opportuno di stazioni VOR/DME è possibile gestire una mole elevatissima di traffico. Il TACAN (tac;tical air navigation) è il sistema di radioassistenza a breve raggio della NATO. Il funzionamento è simile al VOR per la rilevazione dell’azimut e comprende un sistema DME per la misura della distanza. L’antenna di terra TACAN è composta da un corpo centrale fisso che permette un primo rilevamento grossolano e da 9 antenne rotanti a 15 giri al secondo che determinano una misura molto più precisa. L’installazione terrestre del TACAN è facilmente trasportabile e perciò esso è più adatto del VOR a risolvere i problemi relativi alle esigenze militari di mobilità. Nelle stazioni VORTAC il gruppo DME viene utilizzato in comune per trasmissioni a velivoli civili e militari. L’unico sistema di radionavigazione indipendente a breve raggio è il radar Doppler: in questo sistema un radar trasmette un segnale verso il suolo che lo riflette a una frequenza che risulta sfasata in funzione della velocità del velivolo; contemporaneamente, una bussola rileva le componenti del campo magnetico terrestre lungo tre assi ortogonali; le informazioni ricevute consentono di determinare in ogni istante la velocità e la direzione del velivolo e quindi di conoscere la posizione istantanea del velivolo stesso rispetto al punto di inizio del volo. Per ottenere una precisa misura della differenza di frequenza il radar opera nella banda delle altissime frequenze (da 8,84 MHz a 13,34 MHz).
I sistemi per la n. di avvicinamento e atterraggio sono specializzati per condurre l’aeromobile dal momento in cui ha raggiunto la stazione finale di n. fino sulla pista dell’aeroporto. Comprendono il GCA (ground controlled approach), utilizzato principalmente dalla aviazione militare, e l’ILS, utilizzato principalmente dall’aviazione civile. I due sistemi, oltre che tecnicamente diversi, presentano aspetti legali molto differenti in quanto, mentre l’ILS permette al pilota di procedere indipendentemente per la fase di atterraggio, il GCA lascia parte della responsabilità al controllore di volo.
Sistemi di n. satellitare
Sono sistemi di radionavigazione che consentono di stabilire, con l’accuratezza dell’ordine di pochi metri, la posizione di qualsiasi aereo, o nave, in base alla misura della frequenza dei segnali ricevuti da un satellite e alla conoscenza della posizione del satellite in quel preciso istante. La n. satellitare, sperimentata positivamente dalla Marina statunitense con il programma Transit per la n. dei sottomarini nucleari, è stata dal 1973 oggetto di studi approfonditi e perfezionamenti continui. Da qui l’origine del progetto NAVSTAR GPS (global positioning system; ➔ GPS) e, parallelamente, del sistema satellitare GLONASS sviluppato dall’URSS e ora gestito dalla Russia.
I sistemi basati sul TOA (time of arrival) del segnale comportano la misurazione del tempo che impiega un segnale trasmesso da un emettitore (il satellite), situato in una posizione nota, per raggiungere il ricevitore di un utente. Questo tempo è poi moltiplicato per la velocità di propagazione del segnale per ottenere la distanza emettitore-ricevitore. Misurando il tempo di propagazione di segnali diffusi da emettitori multipli (almeno in numero di 2 per utenti sulla superficie terrestre, e in pratica superiori a 3), sempre siti in locazioni conosciute, l’utente può determinare la sua posizione. I sistemi attuali di n. satellitare globale in luogo della triangolazione (misure di angoli), tipica di alcune radioassistenze terrestri, sfruttano il metodo della trilaterazione (misure di tempo, e quindi di distanza). Rifacendosi al concetto del TOA, trasportato in 3 dimensioni, conoscendo la distanza da 3 posizioni note, si può risalire alla posizione del ricevitore nello spazio, sempre a patto di conoscerne a priori un’ubicazione approssimativa per risolvere le possibili ambiguità. In pratica occorrono 4 misure, da altrettanti satelliti in vista. Si può allora pensare di utilizzare una costellazione di satelliti in orbita intorno alla Terra le cui posizioni siano note, dai quali un utente possa misurare la distanza e ricavare la propria posizione. Per far ciò il generico ricevitore satellitare di n. deve essere in grado di conoscere le posizioni dei satelliti che ha in visibilità (le loro effemeridi) e di misurare le distanze dai suddetti satelliti.
Un sistema di n. satellitare globale (➔ GNSS) è composto di tre segmenti: il segmento spaziale, quello di utente, quello di controllo. Il segmento spaziale contiene la costellazione di satelliti in orbita che fornisce il segnale di ranging (misura della distanza) dei dati di n. all’utente. Il segmento d’utente, tramite l’apparato ricevitore dell’utilizzatore, esegue le funzioni di n., di conteggio del tempo, e altre. Infine, il segmento di controllo (OCS, operating control system) mantiene i satelliti nello spazio, badando a tracciare la loro rotta (orbitografia, traiettografia); si occupa inoltre di monitorare la loro efficienza e l’integrità del segnale, nonché di aggiornare le correzioni da apportare agli orologi dei satelliti e alle effemeridi.
L’importanza della n. satellitare è legata non solo agli sviluppi già consolidati in ambito prima marittimo e poi aereo, ma anche a quelli per la n. terrestre (trasporto di merci e persone su gomma, veicoli di emergenza quali i mezzi di soccorso, trasporto su rotaia, sport ed escursioni) e per l’integrazione con la telefonia cellulare. Per tali motivi ESA, EC (Executive Controller) ed Eurocontrol, che formano insieme l’organismo chiamato ETG (European Tripartite Group), hanno deciso di contribuire allo sviluppo del GNSS con il sistema di n. satellitare globale europeo Galileo, basato su una rete di 30 satelliti e Centrali di controllo terrestre installate in Germania, Italia e Spagna. L’approccio seguito è di rendere Galileo indipendente dal GPS, ma compatibile e interoperabile con esso, ovvero fare in modo che un ricevitore del Galileo possa accettare anche i segnali del GPS.
Strumenti della n. spaziale
Oltre che con il significato più ampio di astronautica, l’espressione n. spaziale è usata specificamente per indicare le attività volte a determinare e controllare il movimento di veicoli nello spazio. Queste attività sono fondamentali nei trasferimenti (missioni) di un veicolo spaziale (satellite artificiale, sonda, astronave, apparecchiatura scientifica) da una posizione su o intorno a un dato corpo celeste a una posizione assegnata su o intorno a un altro corpo celeste (obiettivo); le previsioni più immediate restringono la scelta di tali corpi celesti al sistema solare. Per il buon esito di una missione è indispensabile calcolare con estrema precisione la traiettoria del veicolo spaziale, controllare in tempo reale che il movimento abbia luogo secondo le modalità previste ed eventualmente intervenire con delle opportune correzioni di rotta o di assetto. La n. spaziale comprende quindi le procedure e il complesso dei sistemi, sia di bordo sia di terra, atti a controllare le diverse fasi del moto del veicolo spaziale durante la missione.
I sistemi di bordo per la n. spaziale sono finalizzati al controllo del veicolo, affinché segua la traiettoria pianificata (eventualmente aggiornata sulla base dei dati rilevati e trasmessi a terra durante la missione) e abbia un predeterminato assetto. Tale controllo richiede la rilevazione mediante opportuni sensori della posizione rispetto al veicolo di elementi di riferimento, generalmente il Sole, la Terra, le stelle (talvolta anche l’obiettivo), e per la n. nello spazio circumterrestre alcuni satelliti artificiali geostazionari. Per la n. spaziale sono anche impiegate piattaforme inerziali che utilizzano nella quasi totalità dei casi giroscopi del tipo rate-integrating gyros (giroscopi con integrazione della velocità), i quali misurano direttamente gli spostamenti angolari del satellite e sono dotati di maggiore precisione rispetto agli altri tipi anche se a costi superiori. Per i grandi veicoli spaziali vengono anche usati i control moment gyros (giroscopi con controllo del momento angolare) che, accoppiati ai primi, svolgono prevalentemente compiti di controllo di assetto. L’accumulo di errore, seppure contenuto con l’impiego di giroscopi laser, è particolarmente stringente per la n. spaziale su orbite non circumterrestri, in quanto le tratte percorse sono molto grandi e perciò i tempi di accumulo sono molto lunghi. Per azzerare gli scostamenti dalla rotta così accumulati è necessario disporre anche di sistemi di rilevamento muniti di sensori stellari. L’enorme quantità di informazioni che provengono dai sistemi di bordo, con le quali vanno definite le azioni di manovra, richiede potenti sistemi di elaborazione, di massa troppo elevata per l’installazione a bordo; è perciò necessario installare sul veicolo apparecchiature per la trasmissione a terra dei dati rilevati e di ricezione dei successivi comandi per l’esecuzione delle eventuali manovre di correzione della traiettoria. I segnali sono normalmente trasmessi su un’onda portante modulata in frequenza con impulsi in codice binario (pulse code modulation o PCM). Una volta ricevuti a terra i dati relativi alla n., gli elaboratori di n. li analizzano e determinano le sequenze delle azioni correttive a cui assoggettare il veicolo, alcune delle quali vengono ritrasmesse immediatamente, mentre altre sono memorizzate per essere utilizzate successivamente. Sempre su trasmissione fra veicolo spaziale e terra si basa il sistema DOVAP (Doppler velocity and position): un trasmettitore invia segnali a 36,9 MHz e il veicolo li ritrasmette, con frequenza doppia, a stazioni a terra; queste ultime valutano la variazione di frequenza dovuta all’effetto Doppler; poiché un sistema trasmettitore-stazione costituisce la coppia di fuochi di un ellissoide dei possibili spostamenti del veicolo, intersecando tre ellissoidi si risale alla posizione del veicolo stesso.