1.

Introduzione

Radionavigazione Metodo di navigazione basato sull’uso di apparecchiature elettroniche che elaborano le informazioni fornite da sistemi radio e permettono di cartografare la posizione e la rotta di un imbarcazione o di un aereo.

Gli strumenti elettronici di precisione aumentano la sicurezza della navigazione, garantendo l’orientamento anche in caso di scarsa visibilità. Il navigatore fa ampio impiego di queste apparecchiature, sia in acque di pilotaggio obbligatorio sia in mare aperto; attraverso la radio riceve le regolari previsioni meteorologiche, segnalazioni di tempeste o di eventuali pericoli, come la presenza di relitti di navi, di fari spenti o di boe alla deriva.

La radio fu usata per la prima volta come ausilio per la navigazione agli inizi del XX secolo; negli anni Trenta gli aerei furono dotati di apparati di radiocomunicazione per permettere il collegamento con le stazioni di terra. La maggior parte dei sistemi di radionavigazione attualmente in uso operano in congiunzione con computer ad alta velocità.

2.

Strumentazione

1.

Radiogoniometro

Il radiogoniometro fu uno dei primi strumenti usati per l’assistenza alla navigazione. Il principio di funzionamento è semplice: l’intensità del segnale radio ricevuto da un’antenna dipende dall’orientazione di questa rispetto alla direzione di propagazione dell’onda radio. Nella sua forma più semplice, un radiogoniometro è composto da un ricevitore radio convenzionale dotato di un’antenna con spiccate proprietà direzionali, chiamata “antenna a telaio”. La posizione viene determinata analizzando l’intensità dei segnali radio emessi da una stazione di terra e captati dal sistema in corrispondenza delle diverse orientazioni dell’antenna.

Un radiogoniometro automatico ha un motore che mantiene costantemente l’antenna nella direzione dello zero acustico (segnale nullo), corrispondente alla posizione della stazione trasmittente. Contemporaneamente il motore aziona un ago, di forma simile a quello di una bussola, che indica la posizione del telaio dell’antenna. La radiobussola non punta verso il Nord, ma verso qualunque stazione radio sulla quale l’antenna a telaio è sintonizzata.

2.

Radiofaro

Un radiofaro è una stazione radio equipaggiata con un’antenna omnidirezionale che viene utilizzata essenzialmente per l’avvicinamento alla base. I radiofari a bassa potenza sono chiamati localizzatori o radiofari locatori e vengono usati insieme alle radiobussole.

2.1.

Radiofaro direzionale

Il radiofaro direzionale era il principale strumento radio ausiliario alla navigazione in uso prima della seconda guerra mondiale. Consiste di due coppie di antenne che trasmettono in codice Morse, rispettivamente la lettera A (punto, linea) e la lettera N (linea, punto). Il sincronismo dei due segnali è tale che l’intervallo tra le due lettere è esattamente uguale al tempo necessario per trasmettere una linea, mentre l’intervallo tra le due parti di una lettera coincide con la durata di un punto. Gli schemi, dunque, si sincronizzano in modo che il suono appaia continuo quando i segnali sono captati contemporaneamente.

Lo schema di trasmissione di ogni coppia di antenne è direzionale e viene proiettato in due “quadranti” opposti, ciascuno in grado di coprire un’ampiezza di circa 90°. Un aereo che si trovi in uno dei quadranti capta una sola lettera, la A o la N; tuttavia, se si trova sulla linea di demarcazione, riceve il suono continuo, corrispondente al segnale in rotta. La linea di demarcazione è chiamata “fascio” e generalmente ha un’ampiezza di 3°. Al di sopra del radiofaro direzionale si apre un’area in cui non si ricevono segnali, detta “cono di silenzio”, di ampiezza minima a bassa quota, ma piuttosto estesa ad altitudini maggiori. I radiofari direzionali operano su basse frequenze (da 200 a 415 kHz) e dunque sono soggetti a curvatura e a errori di polarizzazione.

2.2.

Radiofaro omnidirezionale

I radiofari omnidirezionali sono sostanzialmente radiofari direzionali con un numero infinito di fasci (in pratica, con 360 fasci). Le stazioni omnidirezionali operano sia in VHF (alta frequenza) sia in LF (bassa frequenza): i radiofari omnidirezionali VHF sono chiamati VOR (Very-high-frequency Omnidirectional Range), mentre la designazione dei radiofari omnidirezionali a bassa frequenza, originariamente LOR, è stata mutata in MOR per evitare confusioni con i sistemi LORAN (vedi oltre).

Il VOR è utilizzabile fino a distanze di 160 km. Una stazione omnidirezionale dispone di quattro antenne, simili a quelle di un radiofaro direzionale, e di un’antenna centrale. Quest’ultima trasmette un segnale di riferimento continuo, mentre le altre trasmettono un segnale variabile entro un fascio che viene ruotato a una velocità di 1800 giri al minuto. Il segnale si trova in fase con il segnale di riferimento quando punta verso il Nord; in tutti gli altri casi lo sfasamento è proporzionale allo scostamento da quella direzione. Il ricevitore, misurando la differenza di fase, può determinare la direzione del mezzo rispetto alla stazione.

In pratica, il ricevitore omnidirezionale ha tre quadranti, di cui uno può essere regolato manualmente su una rotta desiderata, un altro indica se l’aereo si trova alla destra o alla sinistra della rotta prefissata e il terzo specifica se l’aereo si sta allontanando o si sta avvicinando alla sorgente di emissioni radio. I radiofari omnidirezionali possono essere utilizzati per l’avvicinamento a una base o per determinare una linea di posizione.

3.

Sistemi per la radionavigazione

1.

Sistema di radionavigazione Gee

Questo apparato, simile a un radar, è un sistema iperbolico a tre stazioni che opera in una banda compresa tra 20 e 85 MHz e consente di calcolare posizioni situate poco oltre il raggio visivo. Progettato in Gran Bretagna nel 1937, il sistema di radionavigazione Gee divenne operativo nel marzo 1942, durante la seconda guerra mondiale; per tutta la durata del conflitto le stazioni inglesi fornirono un importante strumento ausiliario per la navigazione agli aerei che operavano nell’Europa occidentale.

Una catena di stazioni Gee comprende un trasmettitore principale e due trasmettitori asserviti, posizionati a distanze comprese tra gli 80 e i 160 km dal primo. La conoscenza dei tempi in cui si originano i tre impulsi permette di determinare una linea di posizione iperbolica. Due linee di posizione iperboliche definiscono infine un punto calcolato.

2.

Sistema di radionavigazione LORAN

Il LORAN (dall’inglese Long Range Aid Navigation) è un sistema iperbolico a impulsi sviluppato negli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale per fornire ad aerei e navi una completa assistenza a lungo raggio per la navigazione oceanica. Le frequenze radio utilizzate dal LORAN sono di circa 2 MHz; permettono una buona ricezione a lunga distanza al di sopra degli oceani, ma non sono altrettanto efficaci sui continenti. La somiglianza delle modalità operative del sistema LORAN e di quelle del sistema Gee ha permesso, grazie a un lavoro congiunto tra Stati Uniti e Gran Bretagna, di sviluppare un unico sistema basato sui principi Gee-LORAN.

3.

Sistema di radionavigazione Rebecca-Eureka

Si tratta probabilmente della più famosa combinazione di sistema interrogatore-risponditore basata su tecniche radar convenzionali per la navigazione aerea. Il Rebecca è lo strumento interrogatore situato a bordo dell’aereo, l’Eureka è il risponditore. L’interrogatore emette degli impulsi radio per mezzo di un’antenna centrale a prua, mentre gli impulsi del risponditore vengono raccolti da due antenne laterali. I primi sono visualizzati su monitor con scala verticale, i secondi (quelli del risponditore) sono visualizzati come una traccia orizzontale perpendicolare alla linea di ricevimento; la distanza dell’aereo dal risponditore è quindi rappresentata dall’altezza in verticale della traccia.

4.

Sistemi di navigazione satellitare

I sistemi GPS (Global Positioning System, sistema di posizionamento globale) si basano sul funzionamento di una serie di satelliti artificiali in orbita intorno alla Terra, tra cui la costellazione di satelliti statunitensi NAVSTAR (Navigation Satellite with Time and Rancing) e il sistema sovietico GLONASS (Global Navigation Satellite System). L’Agenzia spaziale europea (ESA) sta pianificando un analogo sistema di navigazione costituito da 18 satelliti. I sistemi GPS sono oggi ritenuti i più versatili ed efficienti strumenti ausiliari per la navigazione.

4.

Sistemi per la navigazione aerea

Strumenti e sistemi di radionavigazione sono essenziali alla navigazione aerea, in quanto spesso i piloti scelgono di attuare il volo radioguidato, ovvero di definire la rotta di volo unicamente in base alle informazioni fornite dagli strumenti radio (navigazione strumentale).

1.

Avvicinamento controllato dal suolo (GCA)

Il GCA (Ground Controlled Approach, avvicinamento controllato dal suolo) è un sistema di avvicinamento strumentale costituito da un’apparecchiatura radar di estrema precisione che fornisce la posizione di un aereo in termini di distanza, azimut e altitudine. È progettato per assistere il pilota in condizioni di scarsa visibilità: l’abile sfruttamento di questo sistema permette di effettuare atterraggi d’emergenza in condizioni di visibilità quasi nulla.

Il sistema GCA impiega due serie di schermi radar; la prima serie localizza gli aerei che si trovano a notevole distanza, fino a 15 o 25 km; il controllore assegnato a questa serie di schermi mantiene le comunicazioni con gli aerei in attesa di atterrare, li “impila” (ossia assegna a ciascuno di essi una quota di volo separata alla quale può circuitare senza pericolo di collisione) e li guida uno alla volta lungo un sentiero di avvicinamento prefissato fino al radiosentiero di atterraggio. In quest’ultima fase il controllore responsabile del radiosentiero, utilizzando gli altri schermi di precisione, prende il controllo dell’atterraggio e trasmette istruzioni verbali, riguardanti essenzialmente l’altitudine e la deviazione laterale dal sentiero di planata prefissato, guidando virtualmente il pilota fino al termine della pista.

2.

Sistema di atterraggio strumentale (ILS)

Il sistema ILS (Instrument Landing System) è progettato principalmente per l’avvicinamento strumentale, ma in caso di emergenza può essere utilizzato anche per l’atterraggio. Consiste essenzialmente di due fasci, simili a quelli dei radiofari direzionali, di cui uno orizzontale e l’altro verticale. Il fascio orizzontale (chiamato localizzatore) è identico al fascio del radiofaro audiovisivo (VAR), ossia a quello di un normale radiofaro direzionale a due fasci; il fascio verticale (chiamato radiosentiero di discesa) è estremamente stretto ed è inclinato rispetto al suolo di un angolo di 2,5°. Il pilota segue i due fasci per mezzo di due aghi, uno orizzontale e uno verticale, posti su un unico quadrante.

Sia il sistema ILS sia il GCA sono assistiti da un apparato di illuminazione ad alta intensità attrezzato lungo la pista e lungo il corridoio di avvicinamento, che permette al pilota di identificare la posizione dell’aereo in relazione alla pista anche in cattive condizioni meteorologiche. Sono state avanzate proposte per sostituire i sistemi ILS e GCA con un unico sistema di atterraggio a microonde (MLS, Microwave Landing System), ma è anche possibile che entrambi vengano infine soppiantati dai sistemi satellitari GPS.

5.

Sistemi di navigazione per missili

Lo sviluppo di razzi e di missili guidati ha accelerato l’introduzione di nuovi e sofisticati sistemi elettromeccanici di navigazione, tra cui i sistemi automatici di navigazione astronomica, quelli Doppler e quelli inerziali.

Il sistema astronomico automatico consiste di un apparecchio elettronico capace di risolvere immediatamente il “problema astronomico” e di inserire il risultato in un’unità di calcolo progettata per determinare l’effettiva posizione del mezzo. La navigazione Doppler (dal nome del fisico e matematico austriaco del XIX secolo Christian Johann Doppler) riguarda essenzialmente l’aeronavigazione e comporta l’analisi dello scostamento nella frequenza radio risultante dal moto relativo tra sorgente radio e osservatore.

La navigazione inerziale, basata sulla guida inerziale, è un sistema autonomo, totalmente indipendente dai sistemi di informazione elettronici o a vista. Consiste di un particolare tipo di acceleratore, stabilizzato da giroscopi che registrano l’entità dell’accelerazione del mezzo, sia in direzione nord-sud sia in direzione est-ovest, rispetto a un punto di partenza noto. Le accelerazioni vengono quindi convertite dai computer in una precisa informazione sulla posizione dell’aereo.

Originariamente sviluppati per l’impiego sui missili balistici a lungo raggio e per i sottomarini a propulsione nucleare, i sistemi inerziali trovano ora applicazioni assai più ampie, come nella navigazione degli aerei da trasporto a lungo raggio.