UNIVERSITA’ DI PISA
Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale
TESI DI LAUREA MAGISTRALE
STUDIO DELLA FUNZIONE AVOID PER SISTEMI SENSE AND AVOID DI UAV AD ALA FISSA DI MEDIE DIMENSIONI
RELATORE
Prof. Roberto GALATOLO CORRELATORE
Prof. Gianpietro DI RITO
CANDIDATO Gabriele Umberto MEALLI
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C’è ben di più nell’esistenza che incrementarne la velocità Mohāndās Karamchand Gāndhī
Muoviti ma non muoverti nel modo in cui la paura ti muove Rumi
四海为家
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Abstract
Questo lavoro presenta lo studio di una possibile funzione Avoid di un velivolo senza equipaggio a bordo, detto perciò unmanned, che possa consentire di evitare in maniera efficace ed efficiente un ostacolo mobile durante una sua generica missione. L’approccio utilizzato per tale soluzione schematizza l’ostacolo mobile tramite una sfera mobile che rappresenta la regione di spazio che il velivolo controllato non deve violare. La definizione di una logica di individuazione e risoluzione di un conflitto permettono al velivolo unmanned non soltanto di evitare l’ostacolo, ma anche di deviare, durata la manovra, il meno possibile dalla traiettoria originaria. Questo tramite la ricerca della tangenza della sfera che circonda l’intruder, utilizzando come unica variabile di controllo l’angolo di rotta del velivolo, rimanendo cioè sul piano orizzontale e senza variare il modulo della velocità. Una serie di simulazioni è stata condotta in modo da validare e verificare il corretto funzionamento della logica Avoid sviluppata. Il risultato è che tale logica permette di implementare un processo di individuazione e risoluzioni di conflitti in modo automatico, tramite l’utilizzo di una metrica semplice.
La soluzione proposta per lo sviluppo di una funzione di Avoid è volta ad abilitare la diffusione dei velivoli unmanned in spazi aerei civili non segregati, nei quali infatti è richiesta una tecnologia di bordo in grado di rimpiazzare la capacità del pilota umano di “vedere ed evitare”.
Parole chiave: Sense and Avoid, Detect and Avoid, UAV, Remotely Piloted Aircraft Systems, metodo geometrico, cono di collisione, separation assurance.
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Ringraziamenti
Ringrazio il Prof. Roberto Galatolo per l’interessante argomento di tesi proposto e per la sua disponibilità a seguirmi in un anno non semplice per nessuno.
Per affrontare un percorso difficile come questo è fondamentale avere accanto le persone giuste. Ed è per questo che voglio ringraziare chi ha saputo e voluto starmi vicino in questi anni, accettando il meglio ed il peggio di me.
Ringrazio i miei compagni di mille avventure, i “tropojani”, coi quali ho affrontato gli esami con più leggerezza: Daniele, Andrea, Enrico.
Il mio “roommate” Aleksander, col quale ho condiviso un’esperienza straordinaria in Cina che ci legherà sempre.
Ringrazio Mattia, il mio migliore amico, un amico sincero e presente nonostante le distanze, i tempi, le circostanze.
Ringrazio Noemi, che in questa ultima parte di percorso universitario e di vita ha saputo sostenermi, spronarmi, capirmi, amarmi.
Ringrazio i miei genitori, che credono in me più di quanto io riesca a fare. A loro dedico questo traguardo: gli appartiene. I sacrifici fatti non potranno essere mai ripagati in nessun modo, ma vederli così orgogliosi mi rende felice.
Ringrazio mio fratello Jacopo, a cui voglio più bene di quanto lui capirà mai. Mia nonna Ivana, dolce e dura come le donne del suo tempo.
Ringrazio infine chi vorrei che fosse qui, i miei nonni: Umberto, di cui porto il nome con fierezza, Enzo, che si sarebbe vantato allo sfinimento di suo nipote.
E Cesarina, la cui foto ho portato per tutti questi anni nel mio libretto universitario, ad ogni mio esame.
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Indice
Abstract ... 6
Indice delle figure ... 12
Indice delle tabelle ... 15
Glossario ... 16
Introduzione ... 21
1.1. Obiettivi della tesi ... 21
1.2. Organizzazione del lavoro ... 23
Remotely Piloted Aircraft ... 25
2.1. UAV e UAS ... 25
2.2. Perché gli UAV? ... 28
2.3. Operazioni BVLOS ... 31
2.4. Classificazione degli UAV ... 32
Regolamenti e requisiti ... 38
3.1. Il sistema Sense And Avoid ... 39
3.2. Gerarchia di avoidance ... 40
3.3. Regole del volo ... 43
3.4. Requisiti generici del modulo Sense ... 44
3.5. Requisiti generici del modulo Avoid ... 46
3.6. Situational awareness ... 48
3.7. Problematiche di integrazione nello spazio aereo ... 49
3.7.1. Sicurezza (Safety) ... 49
3.7.1.1. Parametri di sicurezza ... 50
3.7.2. Salvaguardia (security) ... 51
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Sense and Avoid ... 54
4.1. Il ruolo del Sense and Avoid ... 54
4.2. Configurazioni del sistema SAA ... 55
4.3. Funzioni del Sense and Avoid ... 56
4.4. Funzione Avoid ... 59
4.4.1. Requisiti di Avoidance ... 59
4.4.2. Well Clear ... 60
4.5. Conflict Detection and Resolution ... 61
4.5.1. Funzione Sense ... 62
4.5.2. Predizione della traiettoria ... 65
4.5.3. Conflict Detection ... 67
4.5.4. Conflict Resolution ... 67
4.5.5. Manovra evasiva ... 69
4.6. Metodi geometrici ... 70
4.7. Tassonomia dei metodi ... 72
Soluzione di Avoidance ... 75
5.1. Introduzione ad un approccio geometrico ... 75
5.2. Definizione di una strategia di avoidance... 76
5.3. Formulazione del problema ... 78
5.4. Conflict detection ... 81
5.5. Conflict Resolution ... 82
5.6. Algoritmo di Avoidance ... 87
Architettura del sistema ... 91
6.1. Modulo Detection ... 91
6.2. Modulo Tangent Solution ... 93
6.3. Strategia di controllo all’interno della sfera di sicurezza ... 93
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Risultati simulazioni ... 98
7.1. Ipotesi sullo scenario di conflitto... 98
7.2. Requisiti del sistema ... 99
7.3. Parametri misurabili ... 100
7.4. Scenario di conflitto tipo ... 101
7.5. Analisi di sensibilità al variare dell’angolo di apertura del radar ... 108
7.6. Simulazioni al variare della posizione iniziale dell’intruder ... 114
7.6.1. Tempo alla collisione... 115
7.6.2. Minima distanza dall’intruder ... 116
7.6.3. Durata manovra di avoidance ... 117
7.6.4. Istante di inizio manovra ... 118
7.6.5. Massima deviazione dalla traiettoria originaria... 119
7.6.6. Massima rotazione vettore velocità ... 120
7.7. Sensibilità alla distanza di inizio manovra ... 122
7.7.1. Sensibilità della distanza di inizio manovra alla velocità dell’ostacolo ... 125
7.7.2. Sensibilità al 𝜙𝑀𝐴𝑋 della distanza di inizio manovra ... 128
7.8. Sensibilità dei risultati al polo di rollio 𝐿𝑝′ ... 129
7.9. Sensibilità dei risultati al valore di 𝑝𝑀𝐴𝑋... 132
Conclusioni ... 135
8.1. Sviluppi futuri ... 136
Appendice A ... 139
Modulo RPA……… ... 139
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Indice delle figure
Figura 2.1 - Sottosistemi ed interfacce di un UAS [3] ... 26
Figura 2.2 – Struttura di un UAS [4] ... 27
Figura 2.3 – RPA in linea di vista (VLOS) [7] ... 32
Figura 2.4 – Esempi di Fixed-wing UAV: a)The AIA RQ-7° Shadow b) The Insitu Aerosonde robotic aircraft) c) The Atomics MQ-9 Reaper ... 35
Figura 2.5 – Esempi di Rotary-wing UAV: a) RQ-8A/B FireScout, Northrop Grumman, b) Guardian CL-327, Bombardier Services, c) Cypher II, Sikorsky Aircraft Corp. ... 36
Figura 3.1 – Stratificazione e gerarchia di Avoidance [8] ... 42
Figura 4.1 – Volume di sorveglianza SAA ... 55
Figura 4.2 – Differenti configurazioni di un sistema Sense and Avoid ... 56
Figura 4.3 – Separation assurance e collision avoidance ... 57
Figura 4.4 – Timeline del sistema Sense and Avoid [22] ... 58
Figura 4.5 – Definizione di una soglia di Well Clear [23] ... 60
Figura 4.6 Schema a blocchi di un sistema di Conflict Detection adn Resolution [21] ... 61
Figura 4.7 – Passaggi chiave della conflict detection and resolution ... 62
Figura 4.8 – Caratteristiche dei sensori cooperative e non cooperative ... 64
Figura 4.9 – Principali sensori cooperative e non cooperative ... 65
Figura 4.10 – Metodi di predizione della traiettoria: a) nominale; b) worst-case; c) probabilistica. ... 66
Figura 4.11 – Esempio di metodo Potential Field ... 68
Figura 4.12 – Elementi chiave del metodo geometrico ... 70
Figura 4.13- Vector sharing resolution [26] ... 72
Figura 4.14 – Tassonomia dei metodi di conflict detection and resolution [8] ... 73
Figura 5.1 – Conflitto sul piano orizzontale X-Y ... 76
Figura 5.2 – Passaggi sequenziali del Conflict Management ... 77
Figura 5.3 – Struttura del sistema SAA complessivo ... 78
Figura 5.4 – Geometria 3D del conflitto tra due velivoli ... 79
Figura 5.5 – Concetto di CDR per la generazione di comando di heading desiderato ... 80
Figura 5.6 – Trasformazione della collisione dinamica in problema statico ... 81
Figura 5.7 – Rappresentazione del concetto di cono di collisione ... 83
13
Figura 5.9 – Logica del problema ... 88
Figura 6.1- Architettura del sistema SAA ... 91
Figura 6.2 – Blocco Detection ... 92
Figura 6.3 – Strategia di avoidance dentro alla sfera di sicurezza ... 94
Figura 6.4 – Schema Stateflow implementato ... 95
Figura 7.1 – Definizione dei parametri di avoidance ... 100
Figura 7.2 – Manovra di avoidance per lo scenario tipo ... 102
Figura 7.3 – Distanza relativa tra RPA ed ostacolo durante il conflitto ... 104
Figura 7.4 – Parametri principali del sistema avoid ... 104
Figura 7.5 – Velocità angolare in rollio p e angolo di rollio 𝜙 ... 105
Figura 7.6 – Manovra di avoidance per un conflitto frontale ... 106
Figura 7.7 – Risultati di avoidance per conflitto frontale ... 107
Figura 7.8 – Limitazioni di vista, esempio di FOR=60° ... 109
Figura 7.9 – Istante di inizio manovra vs angolo di vista FOR ... 110
Figura 7.10 Minima distanza relativa vs angolo di vista FOR ... 110
Figura 7.11 – Durata manovra di avoidance vs angolo di FOR ... 111
Figura 7.12 – Istante rilevabilità intruder vs angolo di FOR ... 111
Figura 7.13 – Risposte in p e phi nel caso FOR=30°,Ψ𝐵𝑖𝑛 = 45° ... 112
Figura 7.14 – Istante rilevamento dell’intruder ed inizio manovra di avoidance, per FOR=30° e ΨB𝑖𝑛 = 45° ... 113
Figura 7.15 - Posizioni iniziali dell’ostacolo mobile considerate nelle simulazioni ... 114
Figura 7.16 - Tempo alla collisione vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità .. 116
Figura 7.17 – Distanza minima relativa vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità ... 117
Figura 7.18 – Durata manovra di avoidance vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità ... 118
Figura 7.19 – Istante di inizio manovra vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità ... 119
Figura 7.20 – Massima deviazione dalla traiettoria originaria vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità... 120
Figura 7.21 – Massima rotazione del vettore velocità vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità ... 121
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Figura 7.23- Durata manovra vs distanza inizio manovra ... 123
Figura 7.24 – Istante di inizio manovra vs distanza di inizio manovra ... 123
Figura 7.25 – Massima deviazione dalla traiettoria nominale vs distanza inizio manovra 124 Figura 7.26 – Minima distanza relativa vs distanza di inizio manovra ... 124
Figura 7.27 – Massima deviazione dalla traiettoria originaria vs distanza di inizio manovra ... 125
Figura 7.28 – Durata manovra di avoidance vs distanza di inizio manovra ... 126
Figura 7.29 – Minima distanza minima vs distanza di inizio manovra per differenti velocità di intruder ... 126
Figura 7.30 – Massima rotazione del vettore velocità vs distanza di inizio manovra per differenti velocità di intruder ... 127
Figura 7.31 - Minima distanza relativa vs distanza inizio manovra al variare di 𝜙𝑀𝐴𝑋, con 𝐿′𝑝 = −1 𝑟𝑎𝑑/𝑠 ... 128
Figura 7.32– Durata manovra di avoidance vs azimuth iniziale intruder al variare del polo di rollio ... 129
Figura 7.33 – Massima rotazione del vettore velocità vs azimuth iniziale intruder al variare del polo di rollio ... 130
Figura 7.34 – Minima distanza relativa vs azimuth iniziale intruder al variare del polo di rollio ... 131
Figura 7.35– Durata manovra di avoidance vs azimuth inziale intruder per differenti velocità angolari in rollio massime 𝑝𝑀𝐴𝑋 ... 132
Figura 7.36 – Massima rotazione del vettore velocità 𝑉𝐴 vs azimuth iniziale intruder per differenti velocità angolari in rollio massime 𝑝𝑀𝐴𝑋 ... 133
Figura 8.1 – Definizione degli assi di moto... 139
Figura 8.2 – Definizione dell’angolo di heading 𝜒 ... 140
Figura 8.3 - Ciclo chiuso per il controllo di 𝜒 ... 142
Figura 8.4 – Ciclo chiuso per il controllo in rollio ... 142
Figura 8.5 – Ciclo chiuso con separazione tra le dinamiche, ovvero considerando la dinamica in rollio ≈ 1 ... 143
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Indice delle tabelle
Tabella 5-1 - Logica Conflict Detection & Resolution ... 89
Tabella 6-1 – Eventi della logica di DAA ... 96
Tabella 7-1 - Ipotesi sullo scenario di conflitto ... 98
Tabella 7-2 – Condizioni iniziali dello scenario di conflitto tipo ... 101
Tabella 7-3 – Prestazioni dinamiche ... 101
Tabella 7-4 – Condizioni di inizio simulazione per le analisi di sensibilità sul FOR ... 108
Tabella 7-5 - Posizioni angolari iniziali, velocità ed angoli di rotta del velivolo intruder 115 Tabella 8-1 – Guadagni di ciclo chiuso scelti... 144
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Glossario
ACAS Airborne Collision Avoidance System
ADS-B Automatic Dependent Surveillance – Broadcast AS Alert System
ASAS Airborne Separation Assistance System ASM Air Space Management
ATC Air Traffic Control
ATFM Air Traffic Flow Management ATM Air Traffic Management
ATS Air Traffic Service
BRLOS Beyond Radio Line-Of-Sight BVLOS Beyond Visual Line-Of-Sight CA Collision Avoidance
CAA Civil Aviation Authority
CDR Conflict Detection and Resolution CPA Closest Point of Approach
C2 link Command and Control link DAA Detect And Avoid
DAAS Detect And Avoid System
EASA European Aviation Safety Agency ENAC Ente Nazionale Aviazione Civile EO Electro Optical
17 EU European Union
FAA Federal Aviation Administration FIS Flight Information Service
FOR Field Of Regard FOV Field Of View
GCS Ground Control System GDT Ground Data Terminal GPS Global Positioning System HALE High Altitude Long Endurance HMI Human Machine Interface
ICAO International Civil Aviation Organization IMU Inertial Measurement Unit
IMC Instrumental Meteorologic Condition IFR Instrument Flight Rules
IR Infra Red
LIDAR Light Detection And Ranging LOS Line Of Sight
LRS Launch and Recovery System
MALE Medium Altitude Long Endurance MAV Mini UAV
MUAV Micro UAV
NAS National Airspace System NO Numerical Optimization
18 PCA Point of Closest Approach
PIC Pilot In Command RA Resolution Advisory RB Rules Based
RLOS Radio Line-Of-Sight ROA Remotely Operated Aircraft RPV Remotely Piloted Vehicle RPA Remotely Piloted Aircraft
RPAS Remotely Piloted Aircraft System RPS Remote Pilot Station
RWC Remain Well Clear SAA Sense And Avoid
SSR Secondary Surveillance Radar
TCAS Traffic alert and Collision Avoidance System UA Unmanned Aircraft
UAS Unmanned Aircraft System
UASSG Unmanned Aircraft System Study Group US United States
UAV Unmanned Aerial Vehicle VFR Visual Flight Rules
VLOS Visual Line-Of-Sight
VMC Visual Meteorologic Condition VTOL Vertical Take Off and Landing
19 2D-H Bi-Dimensional Horizontal Plane
2D-V Bi-Dimensional Vertical Plane 3D Three-Dimensional Space
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Introduzione
1.1. Obiettivi della tesi
Con lo sviluppo tecnologico, gli Unmanned Aircraft (UA) sono arrivati a rappresentare una realtà non soltanto in campo militare ma anche in quello civile. Numerosi documenti confermano infatti il notevole e crescente interesse nell’utilizzo di velivoli pilotati da remoto (Remotely Piloted Aircraft Systems, RPAS) in applicazioni civili e commerciali, riportando come una ancora maggiore espansione del loro campo di utilizzo nello spazio aereo civile non segregato, anche al di là della linea di vista (beyond visual line of sight, BVLOS), sia previsto nei prossimi anni.
La crescita di questa tipologia di velivoli, o meglio, di sistemi, comporta notevoli quesiti tecnici ed operativi, dal momento che l’aviazione civile si è sempre basata sul concetto di un pilota responsabile dell’aeromobile situato a bordo dello stesso.
Una delle questioni più importanti è senza dubbio quella della capacità di individuare ed evitare possibili collisioni (Detect and Avoid, DAA).
Il raggiungimento di questa capacità per velivoli RPAS è infatti un passaggio fondamentale nella loro integrazione all’interno del sistema dell’aviazione civile, permettendogli di diventare un partner paritario tale da interagire senza rischi con il controllo del traffico aereo ed altri aerei in tempo reale.
L’argomento è senz’altro uno dei più studiati negli ultimi anni, per la sua vastità, complessità e soprattutto per le potenzialità che la capacità di DAA, altrimenti detta Sense and Avoid (SAA), implica. L’ICAO stessa sta lavorando ad un quadro normativo internazionale che supporti le operazioni degli RPA in tutto il mondo in un modo che sia sicuro, uniforme ed armonioso, comparabile quindi a quello delle operazioni condotte da un equipaggio di bordo.
L’obiettivo principale di questo quadro normativo è quello di raggiungere e mantenere il più alto livello possibile di sicurezza di tutti gli utenti presenti nello spazio aereo, così come di persone e proprietà a terra.
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Specifiche di alto livello per una sicura integrazione di RPA in spazi aerei non segregati richiedono che:
• le loro operazioni abbiano almeno lo stesso livello di sicurezza delle operazioni con persone a bordo,
• siano in grado di adattarsi il più possibile alle procedure per la gestione del traffico aereo, ATM (Air Traffic Management), ed alle regolamentazioni esistenti,
• siano ben riconoscibili dai controllori del traffico aereo ed altri utenti dell’aerospazio.
Inoltre, gli RPA devono essere in grado di dimostrare idonee modalità di attenersi a specifici requisiti legati alla sicurezza, come quelli relativi alla capacità di individuare ed evitare conflitti col traffico o altri oggetti in volo e a terra. In sostanza, il fattore determinante per la loro integrazione in spazi aerei civili non segregati, oltre la linea di vista (BVLOS), è l’abilità di agire e di rispondere con i velivoli pilotati a bordo.
L’obiettivo della tesi è quello di studiare la funzione di Avoid di un sistema SAA, proponendo una possibile soluzione basata su un approccio di tipo geometrico da implementare per un RPA ad ala fissa di medie dimensioni. Una ricerca in letteratura ha portato alla scelta di un metodo che utilizzasse considerazioni di carattere geometrico che, come verrà spiegato nei prossimi capitoli, fosse cioè adatta per implementazioni real time di manovre di avoidance. Questa soluzione nasce dall’obiettivo di evitare un ostacolo con una manovra eseguita sul piano orizzontale, per mezzo della sola variazione dell’angolo di direzione, sfruttando i principi del metodo del cono di collisione.
La soluzione sviluppata verrà presentata illustrandone i fondamenti matematici e geometrici, oltre che la sua realizzazione in ambiente di simulazione Matlab e Simulink. Verranno inoltre mostrati i risultati di simulazioni effettuate al fine di dimostrare il corretto funzionamento della logica, valutando il comportamento di alcuni parametri di avoidance scelti.
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1.2. Organizzazione del lavoro
Il presente lavoro di tesi è organizzato in sei capitoli principali. Nel capitolo 2 si fornisce un’introduzione ai velivoli UAV, fornendone le definizioni, classificazioni e applicazioni principali.
Il capitolo 3 contiene un focus sulla parte delle regolamentazioni che, come si evince dalla breve introduzione sopra riportata, rappresenta un argomento chiave per la tematica.
Il capitolo 4 si occupa del problema generico del Sense and Avoid, analizzandone i requisiti, gli ostacoli e una tassonomia dei vari metodi reperibili in letteratura.
Il capitolo 5 definisce il problema dal punto di vista matematico, riportando i principi del metodo geometrico specifico scelto e la sua strategia.
Il capitolo 6 invece riguarda l’implementazione effettiva della funzione Avoid, mostrando l’architettura del sistema sviluppato, con definizione dei vari blocchi al proprio interno. Il capitolo 7 riporta i risultati che si ottengono dalle simulazioni effettuate sul sistema descritto al capitolo precedente, tramite software Matlab e Simulink, al fine di dimostrare la validità della configurazione.
Il capitolo 8 analizza le conclusioni che si traggono dal lavoro svolto ed offre possibili suggerimenti per sviluppi futuri sulla tematica.
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Remotely Piloted Aircraft
In questo capitolo ci si pone l’obiettivo di introdurre i Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS), ed in generale il mondo degli UAV, facendo una panoramica sulle terminologie e sulle applicazioni principali.
Una visione riduttiva e limitata degli Unmanned Aircraft (UA), ovvero degli aerei senza pilota a bordo, è quella di un aereo nel quale l’equipaggio è stato rimosso e sostituito con un sistema di computer e collegamento radio. Nella realtà, la complessità è ben maggiore ed il velivolo rappresenta soltanto una parte, sebbene fondamentale, di un sistema.
2.1. UAV e UAS
Il termine UAV (Unmanned Aerial Vehicle), si riferisce ad un velivolo senza equipaggio di bordo e senza passeggeri. Per questo, con ‘unmanned’ si intende la totale assenza di persone a dirigere e pilotare attivamente il velivolo.
Le funzioni di controllo di un UAV possono essere eseguite da remoto, così che spesso per descrivere tale velivolo vengono anche utilizzati i termini ROA (remotely operated aircraft) e RPV (remotely piloted vehicle) [1].
In letteratura, diverse definizioni sono state proposte per un UAV, come ad esempio [2]: “un aereo disegnato per operare senza un pilota a bordo, privo di passeggeri, che può essere controllato da remoto o pre-programmato per volare autonomamente”.
Recentemente, le più importanti organizzazioni internazionali, come la International Civil Aviation Organization (ICAO), l’EUROCONTROL, la European Aviation Safety Agency (EASA), la Federal Aviation Administration (FAA), hanno adottato il termine UAS (Unmanned Aircraft Systems) come termine ufficiale. Il nuovo acronimo considera infatti i seguenti aspetti: un UAS non è soltanto un veicolo, bensì un sistema che consiste di più elementi, quali una stazione di controllo di terra, canali di comunicazione, e sistemi di lancio e recupero, oltre al velivolo stesso - figura 2.1.
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Figura 2.1 - Sottosistemi ed interfacce di un UAS [3]
Un tipico UAS è presente coi suoi elementi e sottosistemi in tre segmenti principali, come mostrato in figura 2.2:
• Segmento aereo. Questo include uno o più UA con il loro payload. Ciascun UA include fusoliera, avionica e componentistica del sistema di propulsione. Il payload consiste nella sensoristica che supporta la missione ed i suoi requisiti; i sensori possono videocamere, radar, altimetri, IMU, GPS, antenne, ecc.
• Segmento terrestre. Questo si riferisce alla stazione di controllo di terra (Ground Control System, GCS), che include componenti come il Ground Data Terminal (GDT) e, se necessario, il sistema di lancio e recupero (Launch and Recovery System, LRS).
La stazione di controllo di terra include tutto l’equipaggiamento necessario per il pilota, la pianificazione di volo e il monitoraggio della missione. Inoltre, essa traduce gli input del pilota in appropriati comandi per essere trasmessi tramite il segmento di comunicazione (Communication Link) al velivolo.
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• Segmento di comunicazione. Questo è suddiviso nel Command & Control data link (C2), nel Payload Data link ed External Communications link. Il termine ‘link’ può essere definito in base alla distanza a cui sta operando l’UAV: visual line of sight (VLOS), line of sight (LOS) o beyond visual line of sight (BVLOS).
Figura 2.2 – Struttura di un UAS [4]
La FAA definisce un UA come [5]:
“Un dispositivo utilizzato o destinato all’uso per operazioni in volo che non possiede un pilota a bordo. Questo include tutte le classi di aeroplani, elicotteri, aeronavi ed altri che non hanno pilota a bordo. La categoria UA include solo quei velivoli controllabili sui tre assi e per questo motivo esclude i tradizionali palloni.”
Come confronto, si riporta anche la definizione di UAV fornita dalla “2007-2012 Unmanned Systems Roadmap” [6]:
“Un veicolo motorizzato che non trasporta alcun operatore umano, che può operare autonomamente o essere comandato da remoto, può essere non riutilizzabile o recuperabile, e può trasportare un carico letale o non letale. Veicoli balistici o semi-balistici, missili da crociera, proiettili di artiglieria, torpedo, mine, satelliti, e sensori non presidiati (senza alcuna forma di propulsione) non sono considerati veicoli unmanned. Veicoli unmanned sono i componenti primari degli UAS.”
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In conclusione, il termine UAV o UA è utilizzato per referirsi al solo apparato aereo, mentre il termine UAS viene utilizzato quando si vogliono includere anche altre parti dell’intero sistema (come la stazione di controllo).
2.2. Perché gli UAV?
L’utilizzo di un UA deve offrire un vantaggio rispetto ad un velivolo con pilota di bordo. Un sistema aereo senza pilota è progettato infatti sin dall’inizio per eseguire uno ruolo ben specifico. Il progettista deve scegliere la tipologia di velivolo più adatto alla corretta esecuzione della missione e, in particolare, se tale missione sia meglio eseguirla con una soluzione manned o unmanned. In altre parole, non è possibile concludere che gli UAV siano sempre vantaggiosi o svantaggiosi rispetto ai sistemi con equipaggio. Ciò dipende essenzialmente dal particolare compito da svolgere.
In ambito militare, si è soliti associare l’utilizzo degli UAV ai ruoli che siano “noiosi, sporchi o pericolosi”, (dull, dirty or dangerous), [3] ovvero ruoli che siano monotoni o introducano un pericolo per un pilota umano. Questo è senz’altro vero ma non racchiude a pieno la reale situazione. A questi infatti vanno aggiunti ruoli sotto copertura, diplomatici, di ricerca e ambientali. Inoltre, un vantaggio nel loro utilizzo risiede nell’aspetto economico dell’operazione.
• Dull
Applicazioni militari o civili quali sorveglianza prolungata possono essere una esperienza davvero tediosa e psicologicamente impegnativa, con molte ore spese di guardia senza pause, e può portare a perdite di concentrazione dell’equipaggio di bordo con conseguente perdita di efficacia della missione. Un UAV, con video ad alta risoluzione, camere termiche o radar scanning, può essere molto più efficace ed economico per l’esecuzione di tali missioni.
• Dirty
Anche in questo caso, sia per scopi civili che militari, il monitoraggio di ambienti contaminati chimicamente o nuclearmente pone l’equipaggio di fronte ad un rischio non
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necessario. Una successiva disintossicazione del velivolo risulta più conveniente nel caso venga utilizzato un UAV. L’irrorazione aerea di colture è un altro compito “sporco” che adesso viene eseguito con successo da un UAV.
• Dangerous
In ambito militare, quando la ricognizione di aree pesantemente difese sia necessaria, il tasso di attrito di un aereo equipaggiato può superare quello di un UAV. A causa di dimensioni inferiori ed una maggior discrezione, per un sistema di difesa aerea nemica è più complicato individuare un UAV ed ancora più difficile abbatterlo con missili antiaereo. Inoltre, per tali operazioni la concentrazione di un equipaggio sulla missione può essere compromessa dalla minaccia di un attacco. Operatori UAV non sono invece soggetti a rischio e possono concentrarsi in modo specifico alla missione, risultando più efficaci.
Ispezioni di linee elettriche e controllo di incendi forestali sono esempi di applicazioni in campo civile per i quali l’esperienza passata ha tristemente dimostrato come il personale di bordo si trovi in un pericolo significativo. Gli UAV possono completare queste operazioni senza alcun rischio per l’incolumità delle persone.
Eseguire missioni in condizioni metereologiche estremamente avverse è spesso necessario sia in campo civile che militare. Operatori possono dichiararsi riluttanti a sottoporsi ad un rischio e quindi l’operazione può non essere portata a termine. Questa eventualità è scongiurata dall’utilizzo di un UAV.
• Ruoli sotto copertura
In attività di sorveglianza sia in campo militare che civile ci sono dei compiti in cui l’imperativo è quello di non rivelare al nemico il fatto di averlo individuato. Ancora una volta, la minor individuabilità degli UAV rende questa tipologia di ruolo più raggiungibile da questi.
30 • Ruoli di ricerca
Gli UAV vengono utilizzati in lavori di ricercar e sviluppo all’interno del contesto aeronautico. Per scopi di test, l’impiego di UAV di scala ridotta che replichino un progetto civile o militare di un velivolo “manned” permette di realizzare dei test che abbiano costi inferiori e con meno rischi.
La possibilità di testare successive modifiche è in questo modo più conveniente e più rapida rispetto ad un velivolo di grandi dimensioni e non richiede alcun cambiamento circa le disposizioni di un equipaggio di bordo.
Configurazioni innovative possono essere sfruttate da velivoli UA, poiché potrebbero non essere realizzabili se fosse necessario imbarcare un equipaggio di bordo.
• Ruoli critici per l’ambiente
Questo aspetto è legato principalmente a ruoli civili. Un UAV normalmente causa un disturbo ambientale o un inquinamento inferiore rispetto ad un velivolo convenzionale per l’esecuzione della medesima missione. Sarà generalmente più piccolo, di minore massa e consumerà una minor quantità di energia, producendo perciò minori livelli di emissioni e rumore. Tipico di questa categoria è l’ispezione di linee elettriche situate in zone in cui gli abitanti del luogo possano obiettare al forte rumore e dove animali da fattoria possano soffrire di disturbi causati dal rumore o dalla vista di velivoli a bassa quota.
• Ragioni economiche
Tendenzialmente, un UAV è più piccolo di un velivolo con pilota a bordo utilizzato per lo stesso compito, per cui è considerato più economico. I costi operativi sono inferiori poiché la manutenzione, i costi del carburante e del rimessaggio sono tutti più bassi.
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2.3. Operazioni BVLOS
In generale, un RPA può operare in visibilità diretta (VLOS) oppure oltre la linea di visuale (BVLOS), figura 2.3.
Nel pianificare l’introduzione degli RPA nel sistema di aviazione civile si devono necessariamente considerare le conseguenze di alcuni fattori, come ad esempio le operazioni in VLOS o in BVLOS, dal momento che in ogni caso un obiettivo primario è quello di assicurare la sicurezza di ogni altro utente dello spazio aereo così come quello di persone e proprietà presenti a terra.
Un’operazione in VLOS è una in cui il pilota da remoto o l’osservatore del RPA mantiene un contatto visivo diretto [7], senza alcun ausilio, con esso. Per missioni in VLOS, la linea visiva deve essere diretta, ovvero che il pilota in remoto deve essere in grado di mantenere con continuità una visuale priva di ostruzioni col velivolo, permettendogli così di monitorare la traiettoria di volo in relazione ad altri aerei, persone, ostacoli, allo scopo di mantenere una separazione ed evitare collisioni. Inoltre, tali missioni devono essere eseguite in condizioni meteorologiche tali che il pilota sia sempre in grado di individuare ed evitare eventuali conflitti col traffico ed altri pericoli nell’ambiente circostante.
Quando né l’osservatore del RPA né il pilota sono in grado di mantenere un contatto visivo diretto con il velivolo, le operazioni vengono considerate come svolte al di là della linea visiva. I requisiti circa l’equipaggiamento minimo a supporto delle missioni in BVLOS possono aumentare significativamente con l’incremento della distanza e della complessità dell’operazione.
Per questo, al fine di svolgere operazioni al di là della linea di vista con piloti da remoto, è di fondamentale importanza un metodo per identificare ed evitare conflitti con il traffico ed altri ostacoli. In aggiunta, dal momento che operazioni BRLOS (beyond radio line of sight) possono presentare ritardi non trascurabili e falle nella comunicazione, in alcune circostanze la capacità dell’operatore di interfacciarsi con il RPA può degradarsi o essere inibita.
Ciò richiede un sistema con un adeguato livello di autonomia nel mantenere la sicurezza in volo, cosiddetto sistema “Detect and Avoid”, o “Sense and Avoid”, in grado di essere controllare il RPA anche senza il supporto di un operatore umano.
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Figura 2.3 – RPA in linea di vista (VLOS) [7]
2.4. Classificazione degli UAV
Recentemente, sforzi significativi sono stati effettuati al fine di incrementare la durata ed il payload degli UAV, portando allo sviluppo di configurazioni con diverse dimensioni, autonomie e capacità. Qui è riportato un tentativo di classificare gli UAV in base alle loro caratteristiche (configurazione aerodinamica, dimensione, ecc.).
Nonostante le diversità, le piattaforme UAV tipicamente ricadono in una delle seguenti quattro categorie [8]:
• UAV ad ala fissa, (Fixed-wing, fig. 2.4), che si riferisce ad aerei non pilotati ad ala fissa che richiedono una pista di atterraggio e decollo, o un sistema di lancio a catapulta. Generalmente hanno una lunga autonomia e possono volare ad alte velocità di crociera.
• UAV ad ala rotante, (Rotary-wing, fig. 2.5), altrimenti chiamati rotorcraft UAV o VTOL UAV (vertical take-off and landing), che hanno il vantaggio di poter stare in hovering e di avere una elevata manovrabilità.
Queste caratteristiche sono particolarmente utili per applicazioni civili. Un rotorcraft può avere differenti configurazioni, con rotori principale e di coda (come un convenzionale elicottero), rotori coassiali, rotori in tandem, multi-rotori, ecc.
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• Dirigibili, più leggeri dell’aria e con elevate autonomia, possono volare a basse velocità e sono generalmente di grandi dimensioni.
• Flapping-wing UAV, che hanno piccole ali flessibili e/o “morphing” ispirate a quelle di uccelli ed insetti volanti.
• Configurazioni ibride o configurazioni convertibili, che possono decollare verticalmente ed inclinare i loro rotori e volare come aeroplani, come ad esempio il Bell Eagle Eye UAV.
Un ulteriore criterio di classificazione è basato sulla loro dimensione e durata di volo. Le differenti categorie sono [3]:
• HALE (High Altitude Long Endurance): operano oltre i 15000 m di quota ed
hanno oltre 24 ore di durata. Svolgono ruoli di sorveglianza e ricognizione ad elevatissime distanze e sono sempre più armati. Sono solitamente gestiti dalle Forze Aeree presso basi fisse.
• MALE (Medium Altitude Long Endurance): operano tra 5000–15 000 m di quota e 24 ore di durata. endurance. I loro ruoli sono simili a quelli dei sistemi HALE ma generalmente operano in range inferiori, ma sempre oltre i 500 km. Gestiti da basi fisse.
• Tactical UAV: operano in un range compreso tra i 100 e i 300 km. Sono velivoli più piccoli e controllati con sistemi più semplici rispetto a HALE o MALE. Generalmente gestiti da forze di navali o di terra.
• Mini UAV (MUAV): sono UAV con una massa inferiore a 20 kg, ma non piccoli quanto i MAV, capaci di essere lanciati a mano ed operare a distanze fino a circa 30 km. Sono usati da gruppi in battaglia e per altri scopi civili.
• Micro UAV (MAV): sono originariamente definiti come UAV con una apertura alare non superiore a 150 mm. Attualmente vengono inclusi in questa categoria anche UAV che non rispettano propriamente questo criterio. Il loro scopo riguarda missioni in ambiente urbano, in particolar modo tra edifici. È richiesta loro una bassa velocità di volo, e preferibilmente di rimanere in hovering o di appoggiarsi su una superficie.
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Al giorno d’oggi un mercato civile per i RPA esiste, ma bisogna considerare che questo mercato rimarrà limitato fino a quando non verrà messo a punto un adeguato quadro normativo, in modo particolare per grandi e complessi RPA in grado di svolgere attività impegnative in BVLOS. In più, oltre allo sviluppo di tale quadro normativo, un’espansione significativa dipenderà anche dallo sviluppo e dalla certificazione di tecnologie appropriate (come i sistemi SAA) necessarie all’integrazione sicura e uniforme di un RPA in spazi aerei non segregati. Analizzeremo questi aspetti nel capitolo successivo.
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Figura 2.4 – Esempi di Fixed-wing UAV: a)The AIA RQ-7° Shadow b) The Insitu Aerosonde robotic aircraft) c) The Atomics MQ-9 Reaper
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Figura 2.5 – Esempi di Rotary-wing UAV: a)RQ-8A/B FireScout, Northrop Grumman, b)Guardian CL-327, Bombardier Services,c)Cypher II, Sikorsky Aircraft Corp.
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Regolamenti e requisiti
Nell’aviazione civile, sono presenti numerosi meccanismi volti a minimizzare la probabilità di collisione con un altro aeromobile, con oggetti o col terreno. In generale, essi vengono categorizzati come separation assurance e collision avoidance.
La prima categoria mira a mantenere il velivolo lontano da ostacoli, in accordo con le minime distanze di separazione, sui piani verticale e orizzontale. Questi valori minimi dipendono da numerosi fattori, quali la classe dell’aerospazio, le regole di volo, la fase di volo, i metodi di controllo del traffico aereo (ATC), le prestazioni dei sistemi di navigazione di bordo, ecc.
Generalmente, la separazione laterale minima tra aerei può variare dalle 3 miglia nautiche nelle aree di terminal con servizio di separazione radar ATC alle 60 miglia nautiche per due aerei alla stessa altitudine su una rotta nordatlantica [8]. Inoltre, in spazi aerei non controllati la separazione minima non richiede una distanza di separazione specifica ed ogni velivolo deve rimanere ben distante, well clear, dagli altri.
Well clear è un termine qualitativo più che quantitativo, utilizzato nelle attuali regolamentazioni quando ci si riferisce a una minima distanza tra due aerei che stanno evitando una collisione.
D’altro canto, la collision avoidance è considerata l’ultima risorsa per evitare una collisione in caso di perdita di separazione. In alcuni casi, la collision avoidance tra velivoli è eseguita in maniera cooperativa, che significa che due aerei in conflitto utilizzano comuni sistemi e procedure che sono stati progettati per individuare congiuntamente una collisione imminente con un tempo sufficiente per reagire ed evitarla. Ad ogni modo, non tutti gli UAV sono dotati di questi sistemi e, ovviamente, neanche altri ostacoli volanti, come uccelli, o terreno lo sono.
Ogniqualvolta le condizioni di visibilità lo permettano, ciascun pilota a bordo di un aereo è in grado di vedere ed evitare (see and avoid) questi pericoli. Ciò significa che l’equipaggio di bordo è responsabile nell’assicurare la sicurezza della missione evitando eventuali collisioni.
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I velivoli RPAS non hanno, per definizione, equipaggio di bordo, per cui la capacità di see and avoid è ovviamente assente. Essi vengono per questo dotati di diversi sensori e meccanismi che vadano a rimpiazzare questa funzionalità imprescindibile.
Così, la terminologia sense and avoid è più appropriata ed è semplicemente definita come:
“il processo di determinare la presenza di potenziali minacce di collisione, ed effettuare una manovra per allontanarsi da essi; è l’equivalente automatizzato del termine “see and avoid” per il pilota a bordo di un aereo”. [9]
3.1. Il sistema Sense And Avoid
Le principali responsabilità di un sistema SAA possono essere sintetizzate come segue:
• Identificare ed evitare una collisione in aria con il traffico aereo in accordo con le regole del right-of-way;
• Identificare ed evitare altri oggetti volanti (uccelli ad esempio);
• Identificare ed evitare veicoli a terra (durante manovre effettuate a terra);
• Identificare ed evitare impatti col terreno ed altri ostacoli (come edifici e linee elettriche);
• Evitare condizioni metereologiche avverse;
• Svolgere funzioni quali il mantenimento di una separazione adeguata, come effettuato in maniera visiva nell’aviazione convenzionale.
Quando si tentano di applicare le attuali regole (sviluppate per l’aviazione convenzionale) agli UAS sorgono numerose problematiche, e lo sviluppo del SAA è ovviamente una delle più impegnative. Esistono significative differenze operative tra gli UAS e gli aerei con equipaggio che devo essere affrontate prima che gli UAS possano essere integrati negli spazi aerei civili e non segregati in maniera sicura [10].
Alle operazioni degli UAS nello spazio aereo civile è richiesto di garantire almeno lo stesso livello di sicurezza garantito dall’aviazione con equipaggio di bordo.
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In questo capitolo viene fatto un approfondimento sulle regolamentazioni, i requisiti e le problematiche ancora in essere ai sistemi SAA per i velivoli UAS.
3.2. Gerarchia di avoidance
La separation assurance e la collision avoidance includono diversi livelli di protezione contro le collisioni tramite l’uso di differenti sistemi, procedure, strutture e azioni umane. In figura 3. vengono mostrati i diversi meccanismi, riassunti come segue:
• Non-cooperative collision avoidance: è il livello più basso tra i meccanismi volti ad evitare una collisione imminente con ogni tipologia di aereo, ostacolo o terreno. Nell’aviazione con equipaggio, questo si basa interamente sull’abilità dei piloti di individuare ed evitare. Contrariamente, questa funzionalità spetta al SAA per gli UAV.
• Cooperative collision avoidance: comprende tutti i sistemi e le procedure tra due aerei cooperanti che possono evitare collisioni imminenti. Gli standard per un ACAS (Airborne Collision Avoidance System) sono specificati dall’ICAO nel [11], in cui viene definito come un sistema basato sui segnali di un transponder radar di sorveglianza secondario (SSR), che opera indipendentemente dall’equipaggiamento di terra per fornire avvisi al pilota riguardo a potenziali conflitti con aerei dotati di trasponder SSR.
Il TCAS (Traffic Collision Avoidance System) è un’implementazione ACAS largamente usata nell’aviazione commerciale. L’ACAS/TCAS-I fornisce solamente allerte sul traffico (traffic alerts, TA) quando una minaccia di collisione viene individuata. Oltre agli avvisi di traffico, l’ACAS/TCAS-II trasmette al pilota delle resolution advisories (RA), proponendo una manovra di avoidance sul piano verticale. Future versioni del TCAS saranno in grado di prevedere anche manovre orizzontali nelle RA.
• Self-separation: i meccanismi di self-separation sono il livello più basso che possa garantire una minima distanza sicura di separazione. Nell’aviazione con equipaggio a bordo, meccanismi di see and avoid sono ampiamenti usati a tale scopo,
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specialmente in spazi aerei non controllati. Oltre a ciò, la self-separation può essere significativamente migliorata con diverse tipologie di ASAS (Airborne Separation Assistance System), che consiste di sistemi altamente automatizzati che supportano il pilota con informazioni che migliorano la sua situational awareness.
In aggiunta, ASAS può generare un set di soluzioni che garantiscono la separazione con altri velivoli riducendo il carico di lavoro dell’equipaggio. La maggior parte delle applicazioni di ASAS sono basate sul concetto di ADS (Automatic Dependent Surveillance), in cui ciascun aereo trasmette la sua posizione e allo stesso modo riceve le posizioni tramesse da altri velivoli che usano lo stesso sistema. Da queste applicazioni ci si aspetta un grande miglioramento della situational awareness del pilota e conseguentemente dei livelli di sicurezza degli spazi aerei non controllati.
• Air traffic management (ATM): consiste in un vasto insieme di meccanismi e servizi volti all’aumento della capacità massima dello spazio aereo e degli aeroporti in modo da assecondarne la richiesta e assicurare gli elevati livelli di sicurezza dell’aviazione civile. L’ATM si divide in tre categorie principali: airspace management (ASM); air traffic flow management (ATFM); air traffic services (ATS). L’ultima include servizi di allerta (alert systems, AS), servizi di informazione in volo (Flight Information Services, FIS) e controllo del traffico aereo (ATC).
• Procedure operative: sono il livello più esterno a garantire separazione con altri
velivoli.
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Figura 3.1 – Stratificazione e gerarchia di Avoidance [8]
Tra i livelli appena descritti, la funzione di collision avoidance non cooperativa è la più impegnativa per gli UAS. I restanti livelli sono più facilmente integrabili in un sistema UA con le attuali tecnologie e regolamenti.
Come sottolineato precedentemente, i particolari meccanismi disponibili per ciascun livello dipendono da numerosi fattori, quali la tipologia di velivolo, lo spazio aereo, le condizioni meteo, le regole di volo, ecc. Ad esempio, in spazi aerei non controllati il livello ATM è a raramente presente; in condizioni meteorologiche strumentali (IMC) l’abilità di vedere ed evitare un ostacolo è drasticamente degradata per un aereo con pilota a bordo; i meccanismi di self-separation saranno indubbiamente diversi se l’ADS è disponibile o meno per tutti gli aerei, ecc.
Inoltre, esistono altre valutazioni specifiche le operazioni degli UAS, come il livello di automazione dell’UAS, il tipo di comunicazione con la stazione di controllo o anche la presenza di operatori nella zona delle operazioni.
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3.3. Regole del volo
La ICAO specifica nella sua II Annex alla International Civil Aviation Convention [12] le regole dell’aria e le regole sul diritto di passaggio, right-of-way. Ogni Stato ha la responsabilità di accettare ed eventualmente adattare queste regole ai propri regolamenti nazionali.
Per l’aviazione equipaggiata, sono stabilite due tipologie di regole di volo: regole del volo a vista (visual flight rules, VFR) e regole di volo strumentale (instrument flight rules, IFR). Le operazioni in VFR si basano sui riferimenti visivi che il pilota ottiene dall’esterno del cockpit, non soltanto per condurre l’aeromobile ma anche per la navigazione e per evitare la collisione con altri aerei, oggetti, e terreno.
In alcune classi di spazio aereo, le istruzioni circa la separazione possono essere fornite dall’ATC. La visibilità e la presenza di nubi sono i fattori più importanti da tenere in considerazione per una sicura operazione in VFR; le condizioni metereologiche che permettono di volare in VFR sono denominate condizioni visive metereologiche (Visual Meteorologic Conditions, VMC) [12].
Al contrario, le condizioni meteorologiche strumentali IMC (Instrumental Meteorological Condition) richiedono che i piloti volino soltanto riferendosi alla strumentazione di volo. Piloti che volano sotto IFR utilizzano diversi strumenti di bordo ed in quasi tutte le classi di aerospazio la separazione con altri aerei è assicurata da un servizio di ATC.
Le regole base del diritto alla precedenza affermano che l’aereo meno manovrabile ha sempre la priorità. Ad esempio, i palloni aerostatici hanno la priorità su alianti, i quali a loro volta la hanno sui dirigibili, che hanno la priorità su aerei motorizzati più pesanti dell’aria. In caso di conflitto tra due aerei della stessa categoria, l’aereo sulla destra ha la precedenza. In caso invece di una potenziale collisione frontale, entrambi i velivoli devono virare a destra.
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3.4. Requisiti generici del modulo Sense
Le funzionalità del modulo Sense comprendono l’individuazione di tutte le minacce esterne che possono interessare un determinato volo. Quando un RPAS opera in uno spazio aereo non segregato, è necessario considerare che il veicolo andrà ad interagire con un ambiente che è condiviso da altri utenti. Per questo, altri velivoli ed oggetti volanti potranno essere incontrati e devono essere individuati. Inoltre, al di là della rilevazione di altri oggetti volanti, i sistemi Sense devono permettere il monitoraggio di altri pericoli – ad esempio cattive condizioni metereologiche, scie di turbolenza e zone prossime al terreno.
Alcuni parametri basilari di questo modulo che dovranno essere considerati in fase di progettazione sono:
• Il range di rilevamento di oggetti pericolosi, che deve garantire che la manovra di avoidance venga eseguita con tempistica sufficiente a raggiungere la minima distanza desiderata (miss distance).
• Il campo di interesse, field of regard (FOR), ossia l’area monitorabile dai sensori e che deve essere tale da rispettare le regole del right-of-way.
• Altri elementi come la capacità di tracking, l’accuratezza delle misurazioni, l’affidabilità ed il tasso di aggiornamento [13].
Per quanto riguarda il FOR, il right-of-way afferma che i piloti debbano evitare qualsiasi oggetto e, secondo [12], un angolo sul piano orizzontale di azimuth di ±110° dal naso dell’aereo è consigliato per la visibilità nell’aviazione con pilota a bordo, e deve essere dimostrata per i sistemi Sense degli UAV. Inoltre, [9] propone un angolo di elevazione di ±15° .
Uno dei principali scopi del sistema Sense è quello di permettere di evitare collisioni a mezz’aria. La funzione di collision avoidance deve agire autonomamente ed indipendentemente dal sistema di ATM o da ogni altro mezzo che provveda alla separazione [14]. Inoltre, il sistema Sense deve identificare sia il traffico cooperative che quello non cooperative, ed agevolare le operazioni per diverse modalità di volo e classi aerospaziali. Comunque, il sistema può affidarsi in parte all’intervento di un operatore
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umano ed il ritardo nelle comunicazioni è un ulteriore fattore importante da tenere in considerazione.
D’altra parte, l’individuazione di una minaccia di collisione deve avvenire ad una distanza minima da permettere una manovra di risoluzione che porti ad una miss distance in cui entrambi i velivoli siano a debita distanza (well clear).
Chiaramente, questa distanza minima di detection dipenderà principalmente dalle performance del velivolo, come velocità di crociera, velocità di virata, salita o discesa; e nella definizione del termine well clear.
In aggiunta, la detection deve poter essere effettuata in tutte le condizioni meteorologiche in cui l’UAV dovrà operare ed anche nel caso in cui ci sia una perdita di comando, controllo o comunicazioni dirette con la stazione di controllo a terra. Tutte queste considerazioni sono necessarie quando si progetta un sottosistema Sense.
Il rilevamento in tempo di oggetti volanti pericolosi è una caratteristica molto impegnativa per il sottosistema Sense. Differenti tecniche possono essere utilizzate per raggiungere questo obiettivo e sono oggetto di una ricerca intensiva. Le tecnologie sensoristiche mirano ad arrivare, se non a superare, al livello delle prestazioni umane nella individuazione visiva del traffico.
La difficoltà dell’identificazione di un oggetto volante dipenderà dalla natura stessa di tali oggetti. Nondimeno, non tutti gli ostacoli possibili sono presenti in tutte le situazioni e quindi, se le operazioni dell’UAS sono ristrette ad un determinato tipo di condizione (come quote o classi di spazio aereo), i requisiti sul Sense dipenderanno dal tipo di oggetti che l’UA potrà incontrare durante le sue operazioni.
È importante dunque definire le caratteristiche di queste minacce quando si sviluppa un sistema Sense. Di seguito si riportano le 17 categorie principali di possibili ostacoli volanti [14]:
• F (Fauna) • K (Kites)
• R (modelli radio-comandati) • B (palloni ad aria calda) • D (dirigibii)
• G (Gliders) • P (Paracadutisti)
46 • S (velivoli sportivi)
• U (velivoli sportivi senza motore) • H (Elicotteri)
• L (velivoli leggeri non pressurizzati)
• Q (velivoli pressurizzati sotto 5700 kg di massimo peso al decollo) • M (velivoli militari)
• N (aereo pressurizzato passeggeri senza ACAS) • T (aereo pressurizzato passeggeri con ACAS) • C (aereo cargo)
• U (velivolo Unmanned)
3.5. Requisiti generici del modulo Avoid
Dopo che una minaccia di collisione è stata individuata, un RPAS deve selezionare un’appropriata manovra di avoidance ed eseguirla. Questa manovra deve essere compatibile con le performance del velivolo e rimanere al di sotto dei limiti strutturali ed aerodinamici.
Manovre di avoidance possono comprendere uno o più dei seguenti cambiamenti della traiettoria di volo: velocità, quota o angolo di rotta. Inoltre, dopo che un conflitto è stato risolto, manovre successive devono riportare il velivolo al piano di volo originario o ad un nuovo piano di volo assegnato, sempre attenendosi alle regole del diritto di precedenza. Il requisito principale per una manovra di avoidance è quello di eseguirla in modo tale che la distanza dal velivolo intruder od oggetto sia uguale o maggiore di una distanza minima richiesta. Le attuali regole per aerei con equipaggio stabiliscono che un velivolo debba rimanere ben distante - well clear - da un intruder e nessuna esplicita distanza viene riportata (si veda FAR §91.113).
È generalmente e implicitamente compreso che la minima distanza debba essere almeno di 500 ft in ogni direzione [15]. Come riportato del documento [16], il requisito di 500 ft per la separazione laterale viene considerata la condizione peggiore per il SAA.
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Ancora, il termine well-clear è considerato ad un livello riguardante la separation e non l’avoidance [17], dal momento che è definito come la condizione in cui due velivoli sono separati in un modo che sia necessaria una manovra di elusione. Perciò, questo limite di well clear varia in funzione dell’UA e delle performance dell’intruder, della geometria di conflitto e relative accelerazioni.
Aldilà dell’effettivo valore di questa distanza minima, particolari considerazioni devono essere fatte riguardo a velivoli cooperativi che saranno equipaggiati con ACAS, dal momento che l’analisi di sicurezza del sottosistema Avoid deve mostrare compatibilità con le manovre dell’ACAS-II a bordo di alcuni velivoli pilotati.
In questo contesto, le manovre coordinate possono spaziare da manovre complesse in 4D fino a semplici cambiamenti di rotta o di altitudine nei piani orizzontale e verticale rispettivamente.
Gli standard operativi sulle performance minime per il TCAS-II si trovano nel documento [18] e possono applicarsi agli UAS in alcune circostanze.
Ad esempio, il TCAS-II presume prestazioni tipiche di aerei da trasporto per la collision avoidance e gli algoritmi di resolution advisory (RA), mentre molti UAS non possiedono le stesse caratteristiche in termini di prestazione. In più, le RA sono implementate dai piloti negli aerei equipaggiati e se le resolution advisory devono essere eseguite autonomamente da un sistema UA, questo incrementa i requisiti di sicurezza sul sistema. Se invece è un operatore dell’UAV che deve completare una RA, vanno considerate problematiche relative a ritardi e affidabilità del data-link.
Prestazioni insolite di UAV devono anch’esse essere valutate da punto di vista di un operatore del controllo del traffico aereo, dal momento che le esercitazioni ed i training sono basati sull’attuale aviazione equipaggiata. Ad esempio, alcuni UA sono in grado di volare a quote comparabili a quelle convenzionali per velivoli commerciali, ma la loro velocità di salita è notevolmente inferiore.
É chiaro che le prestazioni dinamiche degli UA dovranno essere inclusi negli handbook dell’ATC in modo da garantire una sicura ed efficiente separazione.
Infine, i metodi di avoidance devono essere progettati anche per soddisfare criteri di cloud clearance, in modo che gli UAV siano visibili da altri aerei e quindi rientrare nelle regole del volo.
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Riassumendo, i parametri di progetto di un sistema SAA dovrebbero tenere in considerazione numerosi fattori, tra cui il meteo, il terreno e oggetti volanti.
La progettazione dipende principalmente dalla distanza minima di errore dall’aereo intruder, dalle prestazioni e limitazioni dinamiche del velivolo, una corretta interpretazione ed implementazioni delle regole del right-of-way, le capacità di collision avoidance dell’intruder e la compatibilità con le autorizzazioni dell’ATC.
3.6. Situational awareness
Nonostante sia tecnicamente fattibile costruire un sistema sense and avoid che opera totalmente in autonomia, è consigliabile che il pilot in command (PIC) abbia accesso alle informazioni sul traffico rilevato e sulle manovre di collision avoidance o di separazione compiute dall’UA.
Questo aiuterebbe a validare la corretta attività del sistema SAA, abilitando ed aumentando la cosiddetta situational awareness della squadra a terra e permettendogli di allertare l’ATS in caso di traffico, se necessario. Deve dunque essere sviluppata adeguatamente una interfaccia uomo-macchina (HMI, human machine interface) che permetta l’accesso a tutte le informazioni necessarie alla flight crew.
La situational awareness aumenta con la quantità di informazioni disponibili. Tuttavia, aumentare l’accesso a nuove informazioni può anche portare ad un sovraccarico cognitivo per l’operatore. Nell’aviazione manned, troviamo già alcune interfacce che potenziano le capacità di see and avoid dei piloti.
Al livello di collision avoidance, i sistemi ACAS devono notificare l’equipaggio circa possibili conflitti. Come menzionato precedentemente, i più semplici sistemi ACAS forniscono traffic alert in caso di conflitto potenziale con un altro velivolo cooperante (come il TCAS-I), mentre altri propongono ai piloti anche delle resolution advisory. Questi sistemi si interfacciano con indicatori sul cockpit o su display, essendo il display di navigazione dei moderni aerei utilizzato per mostrare il traffico circostante ed il display di volo primario per le allerte sul traffico e indicazioni di resolution advisory.
L’obiettivo primario del quadro normativo dell’aviazione è ottenere e mantenere il più alto livello possibile di sicurezza. Per quanto concerne la categoria degli UAS, ciò significa
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garantire la sicurezza di ogni altro utente dello spazio aereo così come la sicurezza di persone e proprietà a terra.
Identificare comunanze e differenze tra manned e unmanned rappresenta il primo passo verso lo sviluppo di un contesto normativo che fornisca, come minimo, un equivalente livello di sicurezza per l’integrazione di UAS in spazi aerei non segregati ed aeroporti. Un fattore chiave nella sicura integrazione di un RPA in uno spazio aereo non segregato che voli oltre la linea di vista è la sua capacità di agire e rispondere allo stesso modo di un velivolo pilotato a bordo.
Il pilota in remoto di un UAS ed il pilota a bordo di un aereo hanno le stesse responsabilità per la sicura attività del loro velivolo e dunque hanno gli stessi obblighi sulla conoscenza delle leggi dell’aria e prestazioni di volo, pianificazione e carico, prestazioni umane, meteorologia, navigazione, procedure operativi, principi di volo e radiotelefonia. Entrambi i piloti devono ottenere le istruzioni di volo, dimostrare le loro abilità, raggiungere un buon livello di esperienza, ed ottenere una licenza. Devono, infine, possedere un’ottima padronanza della lingua usata nelle radiocomunicazioni.
3.7. Problematiche di integrazione nello spazio aereo
Le problematiche sull’integrazione di velivoli senza pilota nello spazio aereo interessano diverse aree tematiche e sono affrontati in numerosi studi [19, 20, 35]. In questo capitolo, avendo già affrontato l’argomento delle normative, verranno considerate tre aree principali: sicurezza, salvaguardia e traffico aereo.
3.7.1. Sicurezza (Safety)
Una corretta integrazione di UAV nello spazio aereo civile richiede certezze, come sottolineato precedentemente, sul fatto che essi possano operare all’interno delle strutture del sistema d’aviazione comunemente concepito. Per questo motivo, gli UAV devono dimostrare di non rappresentare un rischio ingiustificato per altri aerei o persone a terra. Essi devono dunque garantire un eguale livello di sicurezza rispetto all’aviazione con
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pilota a bordo. La difficoltà risiede nel definire correttamente questa equivalenza in termini di requisiti del sistema.
Nelle attività degli UAV ovviamente il pilota non è più a rischio in caso di incidente, per cui si pone il quesito se un sistema senza pilota debba attenersi agli stessi standard di sicurezza dei velivoli convenzionali.
Le principali problematiche di interesse sulla sicurezza comprendono: collision avoidance, affidabilità del sistema, fattori umani, meteo. In questa sezione verrà preso in considerazione il primo fattore.
La collision avoidance rappresenta il problema più pressante e, di conseguenza, l’oggetto di numerosi studi da parte di governi, industrie, università ed istituti di ricerca di tutto il mondo. Al fine di evitare collisioni, agli UAV è richiesta la capacità di SAA o DAA, che permetta loro di identificare e mantenersi a distanza da aerei o altre ostruzioni.
Infatti, come si legge nella FAA Directive 7610.4J, le operazioni richiedono che il RPA possieda un metodo comparabile a quello di “see and avoid” di un pilota umano a bordo. Inolte, nelle regole del diritto di passaggio (FAR Part 91.113), si legge:
“a prescindere dal fatto che le operazioni siano condotte in IFR o VFR, ogni persona in controllo di un velivolo deve mantenersi vigile in modo da poter vedere ed evitare altri aerei”. Per soddisfare questi requisiti, gli UAV devono perciò poter evitare collisioni con tutti gli aeromobili- cooperativi e non- in ogni momento della missione.
3.7.1.1. Parametri di sicurezza
La definizione di un “equivalente livello di sicurezza” è senz’altro una sfida. In parte la difficoltà deriva dalle differenze tra le abilità, capacità e abitudini umane. Non tutti i piloti hanno la stessa acutezza visiva o percezione della profondità, né passano lo stesso tempo guardando fuori dai finestrini, né seguono delle precise tecniche di scansionamento. Oltre a queste variazioni del comportamento umano, anche l’ambiente e quindi le circostanze operative cambiano. Un volo in una giornata nebbiosa non offre le stesse condizioni di visibilità che offre una giornata tersa, e non tutti gli aerei hanno lo stesso range visivo. Alcune ricerche condotte dai Lincoln Labs sull’efficacia della capacità umana di vedere ed evitare indicano che i piloti sono mediocri nell’identificazione di potenziali collisioni, specialmente se non avvisati sul traffico aereo nelle loro vicinanze. Ci si chiede dunque se
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basare uno standard di sicurezza su un sistema di individuazione, quello umano, con queste caratteristiche sia desiderabile.
Un’altra soluzione per un equivalente livello di sicurezza si basa sui requisiti di certificazione della U.S. FAR Part 23 e 25 che specificano un campo di vista del pilota a bordo di ± 110 gradi in azimuth e ± 30 gradi in elevazione. Ma anche questo potrebbe rivelarsi uno standard insufficiente, a causa della limitazione visiva posteriore. Nel caso di un UAV, infatti, un range di 360 gradi è teoricamente raggiungibile con una determinata tipologia di sensori e di piazzamento.
Un ulteriore problema è rappresentato dal fatto che molti UAV hanno piccole dimensioni, quindi sono difficili da identificare per altri utenti dello spazio aereo. Anche quando sono stati identificati, i piloti possono non riuscire a valutare correttamente la loro distanza e velocità di approccio [19].
3.7.2. Salvaguardia (security)
L’integrazione degli UAV comporta necessariamente delle considerazioni sulla salvaguardia di numerose componenti del sistema, come le stazioni di controllo a terra, i segnali di comunicazione, la sicurezza dei dati.
Le operazioni verranno condotte da infrastrutture stabilite a terra, che possono variare da piccole unità mobili ad elaborati, interconnessi, sistemi globali. È fondamentale dunque stabilire dei requisiti di sicurezza per queste strutture, dal momento che le funzioni di controllo possono essere distribuite in diverse parti del mondo.
Gli UAV sono collegati a dei canali di comunicazione che, in certi casi, possono essere distribuiti geograficamente in modo esteso. Questi canali vengono utilizzati per il controllo del veicolo, il monitoraggio, le comunicazioni del traffico aereo e sono, a diversi livelli, vulnerabili a disturbi, manomissioni, interferenze o tentativi di presa di controllo. Per questo, un sistema di elevata integrità e sicurezza per il collegamento dati tra aerei, stazioni di controllo a terra e strutture per il traffico aereo è un requisito fondamentale
