Le tecnologie satellitari per la sicurezza del comparto aerospaziale Pasquale Schiano

1. Le tecnologie satellitari per la sicurezza del comparto aerospaziale Pasquale Schiano p.schiano@cira.it (C.I.R.A. Centro Italiano Ricerche Aerospaziali) Associazione Demetra Roma, 3 Dicembre 2011 “LA LIBERALIZZAZIONE DEL TRASPORTO AEREO E LA COSTITUZIONE DEL COMPARTO AEROSPAZIALE”

2. Indice • Il CIRA • Obiettivi Strategici per la Sicurezza del Volo • Le tecnologie satellitari nel futuro sistema ATM • Le tecnologie satellitari a bordo dell’aereo • Conclusioni

3. La missione CIRA • Il PRORA (Programma Nazionale di Ricerche Aerospaziali) è stato concepito dallo Stato Italiano nel 1979 a sostegno della competitività dell’impresa aerospaziale nazionale. • Il PRORA prevede: • Lo sviluppo attività di Ricerca e sperimentazione a valore strategico per la nazione • La realizzazione e la gestione di impianti di ricerca ad essi funzionali • Lo sviluppo di capacità e competenze di punta nel settore • Nel 1984, con Legge 184, lo Stato Italiano affida al CIRA l’attuazione del PRORA, sotto il controllo del Ministero della Ricerca (con il supporto dei Ministeri dell’Economia, Difesa e Industria). 3

4. Stato del CIRA • società consortile senza scopo di lucro • partecipazione mista pubblico-privata: • ASI (Agenzia Spaziale Italiana) - 47%, • CNR (Centro Nazionale Ricerche) - 5%, • Regione Campania - 16% • Industrie Aerospaziali Italiane- 32% • Patrimonio PRORA realizzato e gestito di circa 350 M€ • ca. 350 dipendenti (di cui più del 70 % laureati) • ca. 50 studenti e Ph.D. in formazione ogni anno • membro di EREA (Research Establishments for Aeronautics), GARTEUR (Group for Aeronautic R&T), ACARE (Advisory Committee for Aeronautic Research)

5. Il sito CIRA 9 7 8 10 6 5 4 3 2 1 11 5

6. Obiettivi Strategici per la Sicurezza del Volo Stima dell’evoluzione del Traffico Aereo Commerciale in Europa Fonte EUROCONTROL - STATFOR Forecasts Nov 08

7. Obiettivi Strategici per la Sicurezza del Volo ACARE Vision 2020 (ATM Goals) • Realizzare un sistema di Gestione del Traffico Aereo capace di gestire in Europa fino a 16 Milioni di voli in un anno • Ridurre di 5 volte la percentuale di incidenti • 99% dei voli con un ritardo entro i 15 min. SESAR • Programma per lo sviluppo di procedure e tecnologie innovative tali da soddisfare gli obiettivi strategici della Vision 2020 • Un budget complessivo di 2.1 Miliardi, diviso in maniera equa tra Commissione Europea, Eurocontrol e Industrie

8. I Satelliti nel Futuro Sistema ATM • Sistemi di navigazione satellitare accurati e affidabili in tutte le fasi di missione (a terra ed in volo) • Sistemi di comunicazione satellitare per il trasferimento dati air-air e air-ground, ad elevata capacità, affidabilità e sicurezza

9. Air Line Stato dell’Arte delle Tecnologie Satellitari in Aeronautica Navigazione Aerea • Radiofari e sensori inerziali (VOR, DME, ecc.) come Primary Means of Navigation. • Il GPS è solo un dispositivo ausiliario. • Limitazioni principali relative a disponibilità, accuratezza e costi di manutenzione. Comunicazioni • ACARS: invio di messaggi in automatico alle stazioni di terra • Limitazioni relative soprattutto alla impossibilità di stabilire con accuratezza a terra il vero stato di funzionamento del velivolo

10. Le Tecnologie sviluppate al CIRA per la sicurezza Per incrementare la sicurezza dei voli è necessario: Tecnologie di volo autonomo a bordo degli aerei Tecnologie per migliorare la situational awareness dei piloti • IL LABORATORIO VOLANTE FLARE DEL CIRA • Un Ultraleggero equipaggiato con: • un Flight Control Computer • una suite di sensori satellitari per la navigazione • un sistema di attuatori elettrici • una suite di sensori per l’individuazione di ostacoli • un link radio digitale • Una Ground Control Station permette di monitorare e controllare i test in volo

11. La Navigazione Satellitare • La ricerca ha dimostrato l’efficacia del GPS come sostituto della navigazione radio assistita e come ausilio in condizioni di scarsa visibilità • La fattibilità di operare atterraggi automatici con il GPS è stata dimostrata da diversi enti di ricerca ed industrie • Le norme si stanno quindi adeguando all’impiego del GPS e della sua evoluzione (GALILEO) • Nel futuro si prevede l’impiego di tali tecnologie sia in volo che a terra (al posto dei costosi radar di terra)

12. Capacità di Atterraggio autonomo con Tecnologie Satellitari (1/2) Generazione online ed adattiva di traiettorie di approccio e landing autonomo su una pista equipaggiata solo di una stazione a terra DGPS. A bordo una suite di sensori AHRS-DGPS-ADS-Laser Altimetro con algoritmi di sensor fusion opera come unità di navigazione. Il primo atterraggio completamente autonomo è stato effettuato a Luglio del 2007 Le Tecnologie attualmente in corso di sperimentazione Atterraggio autonomo basato completamente sul sistema GPS-EGNOS (non richiede piste strumentate ed è compatibile con il futuro sistema Galileo) Atterraggio autonomo Vision Based attraverso ricerca ed identificazione della pista (non richiede l’esatta conoscenza della posizione della pista)

13. La Navigazione Satellitare EGNOS : Maggiore Accuratezza e integrità del dato fornito In tal modo ciascun velivolo sarà in grado in ogni momento di avere una stima affidabile del NSE (errore tra posizione vera e posizione misurata) e quindi del TSE (errore tra la posizione desiderata e quella reale)

14. Sistemi Anticollisione • Collisioni in volo si sono registrate a partire dagli anni 50. • Tali incidenti hanno dato impulso alle attività di ricerca e sviluppo per sistemi di anticollisione di ausilio al pilota • Il TCAS è allo stato attuale il sistema di anticollisione disponibile su aerei di linea che avverte il pilota di una possibile collisione e fornisce indicazioni circa la manovra di anticollisione • Il numero di collisioni per velivoli più piccoli è comunque ancora elevato • L’incidente sull’Hudson, era evitabile se i due velivoli fossero stati provvisti di un sistema anticollisione • Le attività di ricerca si stanno pertanto concentrando su sistemi automatici di anticollisione a basso costo con tecnologia satellitare basati sul GPS (ADS-B).

15. Identificazione di ostacoli e collision avoidance E’ stato sviluppato un algoritmo di collision detection & avoidance che non richiede cooperazione con il traffico circostante ed utilizza solo le informazioni fornite dai sensori a bordo del velivolo. Caratteristiche dell’algoritmo sono la precisa individuazione degli ostacoli e la minimizzazione della deviazione dalla traiettoria nominale effettuando manovre 3D Il radar che ci ha permesso l’individuazione dell’intruder potrà essere sostituito da un ricevitore satellitare che individua con precisione l’ostacolo

16. Migliorare la Situational Awareness dei Piloti • Terrain awareness • MFD che includono Terrain Data Base creati grazie a dati satellitari sono ormai diffusi sui glass cockpit anche nei velivoli di classe GA Peaks Elevation Maximum elevation displayed over minimum elevation.Here maximum elevation is14,200ft. and minimum is8,000ft. Range Rings Outer ring is selected range, inner ring is half the selected range. Here outer ring is 80nm and the inner ring is 40nm. Azimuth Lines Small Dash’s are 10° and lines are at 20 ° increments to max of 40 °. Measured Sea Level Geometric Altitude MSL-G

17. Migliorare la Situational Awareness dei Piloti • Weather Awareness awareness XM WEATHER SATELLITE SYSTEM SISTEMA DI TRASMISSIONE DATI: Ground stationGeostationary SatellitesVehicle Ground station • Informazioni disponibili al • pilota: • METAR • NEXRAD • AIRMET • SIGMET • storm cell • icing

18. Le Tecnologie CIRA per la Weather Awareness • Sviluppo di un sistema per la weather awareness dedicato per il volo autonomo e automatico di velivoli di classe UAV, GA e VDS. • tool for la previsione meteorologica di hazard aeronautici • Metodi per la rappresentazione dei dati • Il Sistema permetterà di fornire informazioni le seguenti informazioni meteo all’utente finale (pilota, torre di controllo, RCM)e defined system (hardware and software) • osservazioni • previsioni: • In nowcasting (che sono quelle piu’ importanti per la sicurezza del volo) • Nel breve/medio periodo (per una migliore pianificazione delle operazioni in volo)

19. INPUT: • Input fornito da EUMETSAT: • Divergence • Cloud Phase • Cloud Type AVIATION HAZARD TOOL: PRODOTTI Obiettivo:migliorarela weather awareness ottimizzando le informazioni sul cockpit OUTPUT: Analysis • Clear Air Turbulence • Cumulonembi • icing • Tecnologie in corso di sviluppo: • Sviluppare previsioni in nowcasting • Definire un’architettura per la disponibilità di dati in real time nel cockpit

20. AVIATION HAZARD TOOL: PRODOTTI Obiettivo:migliorare la conoscenza delle condizioni meteo lungo la rotta INPUT: OUTPUT • Input fornito • da EUMETSAT: • Multisensor Precipitation Estimate (MPE) • Nowcasting di thunderstorm. • Fino ad 1 ora di forecast • time step di 15 minuti Step Futuri:: Definire un’architettura per la disponibilità di dati in real time nel cockpit

21. Revisione dell’apparato normativo • Global Air Navigation Industry Symposium (GANIS) Sett 2011 http://www2.icao.int/en/GANIS/default.aspx • “Aviation System Block Upgrades” è un working document in cui ICAO avvia un processo sistematico per la definizione di una road-map per lo sviluppo coordinato di tecnologie e normative ai fini della realizzazione del futuro sistema di trasporto aereo commerciale. • Armonizzando le diverse iniziative in corso a livello mondiale • SESAR (Europa) • NEXTGEN (Stati Uniti) • CARATS (Asia Giappone)

22. Conclusioni • L’integrazione delle Tecnologie Satellitari per le Comunicazioni e la Navigazione rappresenta un elemento fondante del futuro sistema di gestione del traffico aereo commerciale • L’introduzione di tali tecnologie implicherà (e già sta implicando) una profonda revisione dell’apparato normativo per la sicurezza del volo • Uno dei fattori chiave per il successo delle iniziative in corso è il coinvolgimento diretto degli Enti Normativi sin dalle prime fasi del processo di sviluppo di nuovi sistemi e procedure ed il continuo aggiornamento delle norme basato sull’analisi degli eventi anomali