Storia e Sistemi di Navigazione Aerea

Di Fabrizio dell'Acqua

Prima di descrivere i sistemi Loran e Decca, voglio spendere ancora due parole sulla navigazione tramite radiogoniometro. Bisogna sottolineare che negli anni ’20 e ’30 la comunicazione radio avveniva prevalentemente in radiotelegrafia (RT), cioè utilizzando l’alfabeto Morse, e non in fonia, quindi era necessario ridurre al minimo le comunicazioni e soprattutto adottare un codice standard per le comunicazioni più frequenti. Nasce così il famoso “Codice Q”, in cui combinazioni di tre lettere di cui la prima è Q, corrispondono al altrettante domande o risposte. Ad esempio la combinazione QDM corrisponde alla domanda” Qual’è la rotta magnetica da seguire, in assenza di vento, per dirigermi verso di voi?”.

All’epoca si distingueva tra navigazione strumentale e navigazione senza visibilità (il cosiddetto “volo cieco”), essendo la prima possibile anche con perfetta visibilità ma senza l’ausilio di riferimenti esterni, quindi solo affidata agli strumenti di bordo (il cosiddetto “gruppo di pilotaggio”) e agli ausili RT, mentre la seconda faceva affidamento solo su radiorilevamenti. Per curiosità la figura 1 illustra un “gruppo di pilotaggio” che incorpora gli strumenti di volo (indicatore di velocità, variometro, sbandometro, bussola) sistemati in modo che, una volta raggiunto un regime di volo, ed allineati gli indici, era sufficiente con un colpo d’occhio mantenere quella configurazione per restare in rotta.

 1930 circa Gruppo di Pilotaggio Nistri-Biseo

I radiogoniometri, date le loro dimensioni e delicatezza,  erano inizialmente istallati solo a terra, quindi era necessario che l’aereo trasmettesse un qualunque segnale RT per essere individuato e tracciato dal radiogoniometro che così poteva comunicare, come abbiamo visto, le informazioni necessarie alla rotta da seguire. Solo più tardi, con l’avvento di strumenti più compatti e meno delicati, il radiogoniometro è stato istallato a bordo, liberando così il navigatore dalla rete dell’assistenza a terra.

Stazioni RT e radiogoniometriche a terra o in mare sono state largamente utilizzate durante le trasvolate atlantiche verso l’America del Sud e del Nord, effettuate dai famosi “Sorci Verdi” con l’SM 79 terrestre, e dalle squadriglie di idrovolanti SM 55 di Italo Balbo.

Queste crociere non hanno avuto solo scopo propangandistico, ma hanno gettato le basi per una regolare linea aerea che dal 1939 al 1941 ha collegato con più di 200 voli, Roma con Rio de Janeiro. La linea era gestita dalla L.A.T.I. (Linee Aeree Transcontinentali Italiane), costola dell’”Ala Littoria” e si avvaleva di una stazione radiogoniometrica nello scalo appositamente attrezzato nell’Isola del Sale (arcipelago di Capo Verde) e di due navi attrezzate con RT e gonio dislocate lungo la rotta Isola del Sale- Isola Fernando de Noronha al largo delle coste brasiliane.

(La storia della LATI e di questo collegamento è narrata nel volume “Sal” a cura di Gherardo Lazzeri e Adalberto Pellegrino, Edizioni LoGisma, da cui è tratta la fig. 2)

1939 La rotta Roma-Rio de Janeiro

Sistemi di radionavigazione a differenza di tempo o di fase

Questi sistemi, essenzialmente il LORAN e il Decca, permettono di stabilire la posizione del navigante (marino o aereo) misurando la differenza di tempo (LORAN) o fase (Decca) con la quale arrivano al ricevitore di bordo due segnali trasmessi in sincronia da due stazioni distanti fra loro.

La misura di una differenza di tempo o di fase, per la definizione geometrica di iperbole come luogo di punti con uguale differenza di distanza da due punti detti fuochi, dà luogo ad un ramo di iperbole di posizione. L’intersezione di due iperboli, conoscendo la posizione dei fuochi, definisce un punto.

Punto definito per mezzo di iperboli

Per potersi servire di questi ausilli radioelettronici gli aerei devono naturalmente essere equipaggiati con ricevitori adatti ai diversi sistemi ed eventualmente di carte nautiche speciali sulle quali sono sovraimpresse a colori le famiglie di iperboli di posizione.

LORAN (Long Range Navigation Systems)

Sviluppato dagli Stati Uniti durante la II Guerra Mondiale come sistema di navigazione  aerea per il Nord Atlantico e il Pacifico ad uso dell’Army Air Corps. e basato su trasmissioni a media frequenza facilmente propagabili sugli oceani, è stato convertito alla fine degli anni ’50 in Loran-C a bassa frequenza per permettere anche la propagazione terrestre. Il sistema si basa sulla trasmissione di impulsi precisamente spaziati nel tempo, sulla base dei quali il navigatore può derivare informazioni relative alla posizione e velocità. Un elemento minimo della catena Loran include tre stazioni posizionate ad alcune centinaia di kilometri l’una dall’altra. Una stazione è detta Master e le altre Secondarie. La posizione di ottiene misurando la piccola differenza di tempo di ricezione di un  impulso da una coppia Master-Secondaria. Conoscendo la posizione delle stazioni trasmittenti e  la spaziatura degli impulsi è possibile convertire la differenza di tempo in latitutide e longitudine.

Copertura Loran

L’alto costo delle riceventi ne ha limitato l’uso fino all’avvento dei microprocessori negli anni ’80.

 Ricevente Loran per aeronautica, 1980

La comparsa però della navigazione inerziale e del GPS ne ha decretato praticamente la fine.

DECCA 

Anche il sistema Decca è stato sviluppato durante la II Guerra Mondiale in Gran Bretagna, per impiego navale e precisamente per guidare con precisione le imbarcazioni durante lo sbarco in Normandia. Il principio di funzionamento del sistema Decca è essenzialmente analogo al quello del sistema Loran, con la differenza che invece di misurare la differenza di tempo nella ricezione di due segnali sincroni, se ne misura la differenza di fase. Pertanto i problemi, le soluzioni ed i limiti sono analoghi.

Copertura Decca in Europa, 1957

Ricevente Decca per l’aeronautica, 1960

Navigazione Inerziale

I sistemi di navigazione inerziali (INS) hanno la caratteristica di essere indipendenti da qualsiasi struttura esterna all’aeromobile. Infatti permettono il calcolo automatico della posizione geografica, quando siano note le coordinate del punto di partenza, attraverso l’elaborazione continua ed istantanea del vettore del moto proprio, misurando le accelerazioni a cui viene sottoposto l’aereo in volo riferite a tre direzioni ortogonali.

Le apparecchiature necessarie a questa rilevazione ed elaborazione sono essenzialmente un gruppo di accelerometri ed una piattaforma stabilizzata. Il funzionamento è basato sulle leggi newtoniane e giroscopiche che non stiamo ad approfondire in questa sede. E’ sufficiente dire che con il sistema inerziale si misura la velocità integrando elettronicamente il voltaggio fornito da un accelerometro, mentre un secondo integratore converte la velocità in distanza percorsa.

Per gli scopi della navigazione aerea sono sufficienti due accelerometri, sistemati ad angolo retto uno rispetto all’altro secondo due assi cartesiani giacenti sul piano del moto e montati su una cosiddetta “piattaforma giroscopica stabilizzata” che ha la funzione di mantenere costante l’orientamento degli accelerometri. É così possibile misurare la distanza secondo i due assi, distanza che sommata alle coordinate iniziali fornisce istantaneamente le coordinate del punto attuale.

Schema di un INS

I giroscopi del sistema inerziale sono però soggetti ad un errore costante ed esponenziale di precessione, dovuto alla rotazione della terra e al movimento del velivolo. Per ovviare a questo incoveniente un calcolatore fornisce costantemente ai giroscopi i dati di correzione necessari a mantenere l’allineamento iniziale. Due sviluppi recenti hanno portato alla sostituzione dei giroscopi meccanici con “giroscopi ad anello laser” fino alla eliminazione della piattaforma stabilizzata, in quanto la sua funzione è svolta elettronicamente dal calcolatore stesso.

INS aeronautico

La combinazione del sistema inerziale con il sistema GPS ha permesso la costruzione di sistemi di navigazione di altissima precisione, utilizzati non solo in aviazione, ma in tutti i campi dove sono necessari il posizionamento ed il controllo di un mezzo mobile, come ad esempio nei veicoli per esplorazioni sottomarine o negli antifurti satellitari per autoveicoli.

Marzo 2003