On the use of unmanned vehicles for the control of territory in civil field

Universit` a di Pisa

Facolt` a di Ingegneria

Corso di Dottorato in Ingegneria Aerospaziale XXI Ciclo

Tesi di Dottorato

On the use of unmanned vehicles for the control of territory in civil field

Relatori Candidato

Prof. Carlo Casarosa Renzo D’Amato

Prof. Roberto Galatolo

Direttore del Corso di Dottorato Prof.ssa Maria Vittoria Salvetti

Dicembre 2010

A mio padre e alla mia famiglia

Al mio professore e ai miei tesisti

A Evelyn

E quindi uscimmo a riveder le stelle.

Dante Alighieri

Non so quando, non so come, ma vinceremo.

Otto Thaller

Abstract

The use of UAVs in military field is now widely diffused and the market of these machines is rapidly increasing. Not the same can be said for their use in civil field since the market for these machines is still practically nonexistent, despite we recognise the potential economical and operational considerable benefits that would result from their use in many activities requiring a control of the territory.

The main obstacles that are currently preventing the use of these machines in civil field are related to issues of security and safety which actually make it impossible the use of military UAVs for civil matters.

Security problems are related to the possibility that machines of this type can be used in attacks for undermining the security of citizens.

Safety problems are related to the necessity to ensure the safety of third overflown. As for conventional aircraft, the desired levels of safety could be achieved when they were available the appropriate certification codes that should be mainly related to the airworthiness, flight operations, maintenance, and air traffic controll. Today, these codes are being developed, there are proposals and drafts, but none is officially approved.

It’s almost certain that the objective of these codes will be to ensure the probability of a catastrophic fall with a possibility of causing damage to persons or things overflown under 10

per hour of flight. This requirement makes it impossible to use military UAVs for civil matters as they are till now characterized by an attrition rate from 10 to 100 times higher than that of conventional civil aircrafts that respond to the aforesaid general safety requirement, even if it is referred to passengers.

The UAVs for civil use should therefore be a new car, designed since in project to respond to the stringent requirements of security and safety.

Based on these considerations, as application, it has been conducted a study

of reliability of a CUAV system, called SCAUT Project (AUtomatic Control

System of the Territory), focused on problems of safety and security, which

currently oppose use of civil UVS (Unmanned Vehicle System) systems based

on UAVs. This activity, started from an initial concept still available at the

DIA of the University of Pisa at the beginning of this doctorate, through

a continuous work of editing and updating both the mission specifications

and the equipment on board so to follow the evolution of legislation, has led

to the preliminary draft of a certificable UAV according with some drafts of

certification codes currently available of a weight of 450 kg (SCAUT 450 pro-

ject), the implementation of a flying model in scale 1:2 of maximum weight

60 kg ( project SCAUT 60), a ground station for control of both UAVs and

a test bench consisting of ground station + flight simulator for SCAUT 60 +

SCAUT 60 used as iron bird (simulation in hardware in the loop ) used for

the development of systems and studying the best techniques of interruption

of flight without causing damage to the ground in case of serious breakdown

on board. The conduct of such activities has shown that the main elements

critical to the safety of the flight are the autopilot system, the navigation sy-

stem and the mission management system and failure control. These systems

with their management software constitute the onboard artificial intelligence

replacing the human pilot. To them it is conventionally given the name of

Flight Management System (FMS). Due to its characteristics, the FMS for

use on certificable UAVs must be born together with the UAV project because

it is intimately connected with it. In fact the main functions to be performed

are closely related to the characteristics of the planned missions, the number

and characteristics of the onboard systems, the levels of redundancy. Curren-

tly, certified or certificable UAVs don’t exist for use in civil field and hence

also their FMS systems are still to be defined as to their architecture and

functionality. A simple FMS, implemented on PC/104, without redundancy

to ensure the desired reliability requirements and able to handle some funda-

mental breakdowns, was developed to control the experimental SCAUT 60

model and gave the expected results in simulation tests, waiting for the flight

tests.

Sommario

L’impiego di UAV in campo militare ` e ormai ampiamente diffuso ed il mercato di queste macchine ` e in costante incremento. Non altrettanto pu` o dirsi per un impiego in campo civile degli UAV in quanto il mercato di queste macchine ` e praticamente ancora inesistente, nonostante che se ne riconoscano i potenziali sensibili benefici economici ed operativi che deriverebbero da un loro uso nelle molteplici attivit` a che richiedano un controllo del territorio.

I principali ostacoli che per ora impediscono l’impiego in campo civile di queste macchine sono relativi a problemi di Security e di Safety che di fat- to rendono impossibile l’uso in campo civile degli UAV utilizzati in campo militare.

I problemi di Security sono relativi alla possibilit` a che macchine di questo tipo possano essere utilizzate a scopo terroristico per attentare alla sicurezza dei cittadini.

I problemi di Safety sono invece relativi alla necessit` a di garantire la sicu- rezza dei terzi sorvolati. Come per i velivoli convenzionali, i voluti livelli di sicurezza potrebbero essere conseguiti quando fossero disponibili opportuni codici di certificazione che dovrebbero principalmente riguardare l’aeronavi- gabilit` a, le operazioni di volo, la manutenzione, la gestione del traffico aereo.

Attualmente questi codici sono in fase di sviluppo, ne esistono proposte e bozze, ma non ne esistono di ufficialmente approvati.

E’ quasi sicuro che l’obiettivo di questi codici sar` a quello di garantire la probabilit` a di caduta catastrofica con possibilit` a di causare danni a persone o cose sorvolate non inferiore a 10

per ora di volo. Questo requisito rende di fatto impossibile l’uso di UAV militari per impiego civile in quanto essi sono ad oggi caratterizzati da un attrition rate da 10 a 100 volte superiore a quello di velivoli civili convenzionali che rispondono al predetto requisito generale di sicurezza, anche se riferito alle persone trasportate.

L’UAV per uso civile dovr` a pertanto essere una macchina nuova, concepita fin dal momento del progetto per rispondere agli stringenti requisiti di Security e di Safety.

Sulla base di queste considerazioni, a titolo applicativo, si ` e effettuato uno stu-

dio di fattibilit` a di un sistema CUAV, denominato progetto SCAUT (Sistema

di Controllo AUtomatico del Territorio), incentrato sui problemi della sicu-

rezza, intesa sia come Safety che come Security, che attualmente si oppongono

ad un impiego in campo civile di sistemi UVS (Unmanned Vehicle System)

basati su UAV. Tale attivit` a, partita da un progetto iniziale gi` a disponibile

presso il DIA dell’Universit` a di Pisa all’inizio del lavoro di Dottorato, attra-

verso un continuo lavoro di modifica ed aggiornamento sia delle specifiche

di missione sia dell’impiantistica di bordo per seguire l’evolversi della nor-

mativa, ha portato al progetto preliminare di un CUAV certificabile secondo

le bozze dei codici di certificazione attualmente disponibili di peso massimo

di 450 kg (progetto SCAUT 450), alla realizzazione di un modello volante in

scala 1/2 di peso massimo 60 kg (progetto SCAUT 60), di una stazione a

terra per il controllo di entrambi gli UAV e di un banco prova costituito da

stazione a terra + simulatore di volo di SCAUT 60 + SCAUT 60 utilizzato

come iron bird (hardware nel loop di simulazione) utilizzabile per la messa

a punto dei sistemi e lo studio delle migliori tecniche di interruzione del volo

senza causare danni a terra in caso di grave avaria a bordo. Lo svolgimento

di queste attivit` a ha messo in evidenza come i principali elementi critici per

la sicurezza del volo sono il sistema autopiloti, il sistema di navigazione ed il

sistema di gestione della missione e controllo delle avarie. Questi sistemi con

il relativo software di gestione costituiscono l’intelligenza artificiale a bordo

che sostituisce il pilota umano. Ad essi si ` e dato convenzionalmente il nome di

Flight Management System (FMS). Per le sue caratteristiche, il FMS da usa-

re su CUAV certificabili deve nascere contestualmente al progetto dell’UAV

in quanto ` e con esso intimamente connesso. Infatti le principali funzioni che

dovr` a svolgere sono strettamente correlate alle caratteristiche delle missio-

ni previste, al numero ed alle caratteristiche dei sistemi di bordo, ai livelli

di ridondanza. Attualmente non esistono UAV certificati o certificabili per

impiego in campo civile e quindi anche i relativi sistemi FMS sono ancora

da definire per quanto riguarda la loro architettura e funzionalit` a. Un FMS

semplificato, implementato su PC/104, privo di ridondanze atte a garantire i

voluti requisiti di affidabilit` a ed in grado di gestire alcune fondamentali ava-

rie, ` e stato messo a punto per il controllo del modello sperimentale SCAUT

60 ed ha dato i previsti risultati in prove di simulazione, in attesa di poter

effettuare le prove di volo.

Ringraziamenti

Non ho intenzione di scrivere un poema, ma non intendo mancare di ricono- scenza verso quanti, e sono molti, mi hanno aiutato in vario modo durante il lavoro ed accompagnato nel cammino della vita in questi ultimi cinque anni.

La scrittura di queste righe la considero della stessa importanza delle altre.

Ho deciso di dedicare questo mio lavoro a mio padre perch` e, per quanto si sia dimostrato il pi` u contrario a che io intraprendessi questa strada, non mi ha mai effettivamente ostacolato: ha lasciato che il figlio facesse le sue scelte, sbagliate secondo lui e secondo molti e di ci` o lo ringrazio. Questa avventura

`

e stata una gran pena anche per mia madre che, anno dopo anno, vedeva il figlio sempre meno, sempre pi` u grande e ancora squattrinato, senza una ragazza, un lavoro, una famiglia...

A voi e alla mia amata sorella va in primo luogo il mio pensiero. Consolatevi almeno all’idea che con oggi ho finalmente concluso la mia vita da studente.

Al di l` a di facili battute rimane il rammarico di non essere stato capace di farvi capire che le vostre perplessit` a e timori per il futuro erano e sono le mie preoccupazioni per il domani, che i vostri sogni su vostro figlio sono e rimarranno le mie aspettative di vita. Ma ancor di pi` u, spiace non essere stato capace di dimostrare, men che meno a parole, quanto cari, lieti e spensierati ed, al contempo, formativi siano stati per me questi anni di Dottorato.

Cari Pap` a, Mamma e Claudia, perdonatemi per il dolore che vi ho procurato.

Sappia chiunque legger` a queste righe che questo lavoro non ` e solo mio ma

`

e il frutto della passione, l’entusiasmo e la determinazione di un bel grup- po di ragazzi che ho avuto la fortuna di conoscere e l’onore di guidare e di farci amicizia e di un uomo straordinario, a cui ormai parlo dandogli del tu, considerandolo mio amico, ma di cui nutro una stima ed un rispetto infiniti, tali da farmi ancora ogni tanto esitare su quale sia il modo migliore con cui rivolgerglisi. Per me ` e “il mio Professore”, il Professor Carlo Casarosa.

Ho iniziato questa avventura come fosse un ripiego al fatto di non essere sta- to assunto in Azienda subito dopo la Laurea, ma da subito, grazie a te e a voi tutti, ragazzi, il mio ringraziamento a Dio, per avermi messo sulla vostra strada, ` e stato totale.

Carissimo Professore, caro Carlo, dubito di diventare mai un professore an-

ch’io, men che meno universitario e di ci` o, so che me ne far` o una ragione,

spiace pensare piuttosto che non diventer` o mai un Galantuomo, il vero Si-

gnore vecchio stampo quale tu sei. Alla ricerca di un miglioramento continuo di s´ e stessi a cui non rinuncio, ti avr` o come faro nella vita.

Grazie a voi tutti, senza di voi oggi non sarei qui.

Grazie, Francesco! Quanto ` e stato snervante riuscire a mettere a posto il simulatore, senza di te ero ancora l` a a correggere gli errori fatti nel passato.

Non avrei potuto iniziare con tesista migliore. Mi sono sempre compiaciuto della frase che dissi al Prof. quando mi chiese un giudizio su di te. Era evidente quanto fossi bravo, solerte e capace; sicch` e, prendendola quasi come una provocazione per mettermi alla prova, dissi:“Lui ` e un buon cavallo, ma io sono un buon fantino”. Spero veramente di esserlo stato con tutti.

Grazie, Marco! Non hai idea di quanto perfetto sia il modello di decollo che hai creato. Quanto t’ho fatto penare per averlo perfetto!

Grazie, Matteo! Quanta allegria e quanto lavoro in pi` u hai fatto! Se solo penso che doveva essere una Laurea triennale: hai dato un volto e un anima allo SCAUT.

Caro Antonio, con la piccola Elettra affascinata dal lavoro di babbo! Grazie!

Volevi sbrigarti in fretta per concludere i tuoi studi. Ti ho accontentato e mi hai ripagato svolgendo un lavoro cos`ı certosino: l’aerodinamica ` e opera tua.

Grazie, Luigi! Cercavo un elettricista e l’ho trovato. Hai fatto un buon lavoro. Non l’avremo fatto decollare, ma, con tutti quei cablaggi, almeno non si potr` a certo dire che non sia pronto per farlo.

Grazie, Guiseppe! Coinquilini, per due volte tuo relatore, roba da Guinness dei primati, semplicemente amici che sia in casa che in Laboratorio avevano sempre da discutere. La maggior parte delle volte si partiva con opinioni del tutto divergenti e si finiva con il trovare una soluzione che andasse bene a entrambi. Questo per me ` e lavorare in gruppo e di lavoro se ne ` e fatto tanto.

Troppo poco se ne ` e parlato scrivendo la Tesi.

Ed infine grazie Annamaria, mia prima e ultima e quasi gi` a insperata tesista donna. Ma quante te ne ho dette! Sei riuscita non solo a sopportarmi ma persino a riderci s` u e nel contempo a lavorare. Con te il progetto ` e vera- mente terminato, ora, soldi e voglia permettendo, non manca che prendere il coraggio in mano e dare finalmente una risposta alla domanda del Prof.

Buresti:“Ma vola? ”.

In ordine cronologico ho voluto citare quanti hanno partecipato al progetto SCAUT, ma durante questi anni di Dottorato ho seguito anche un altro filone, non meno importante e ricco di esaltanti episodi. Qui la memoria galoppa veloce.

Grazie, Pierpaolo! Il periodo passato insieme ` e stato forse il pi` u stimolante,

alla pari del primo periodo. L’immagine che ho di te ` e di un uomo instancabi-

Acknowledgements vii

le, di gran lavoratore dotato di grande umanit` a e capace di mettere profonda passione nelle opere che svolge. In realt` a il tuo nome ` e legato al gruppo, il quartetto Pierpaolo, Francesco, Carlo ed io. Che squadra, con il Del Dotto a fare la riserva! Il profondo desiderio di riaggregare il gruppo e fare Azienda insieme non ` e ancora svanito.

Altri tesisti ho avuto in entrambi i progetti. Mi ricordo di loro e li ringrazio:

poco ho saputo dare loro e poco, ma pi` u di ci` o che ho dato, ho ricevuto.

Questo Dipartimento ` e stato come una seconda casa per me. Tra il personale docente preme salutare in particolare il Prof. Barsotti. Provo sempre un certo effetto a pensare che dopo essere stato suo studente ne sono diventato assistente. Aver avuto la possibilit` a di conoscere anche l’uomo che si cela die- tro la cattedra ` e stata una gradita sorpresa. Ho scoperto una persona buona, mite, un gradevole conversatore. Grazie a lui e alla fortunata circostanza di vedermi da un giorno all’altro posto nel ruolo di assistente posso dire di aver imparato un mestiere, quello dell’insegnante di disegno, che, chiss` a, forse mi potr` a risultare utile in futuro.

Ringrazio inoltre il Prof. Galatolo, secondo relatore di questa Tesi. Non ho mai avuto una grande necessit` a di interagire con lui in merito al da farsi;

mi sono sempre bastati i suoi sorrisi e i cordiali saluti per sentirmi libero di chiedere. E quando ci` o ` e accaduto la mia fiducia non ` e stata disattesa. Non dimenticher` o mai la cura e la solerzia con cui ha personalmente realizzato il supporto per le verifiche al dispositivo dei dati aria.

Dove ho trovato i miei secondi genitori e un pozzo sempre pieno dove attingere di tutto, calore umano, aiuto tecnico e fattivo, convivialit` a, rilassatezza nei momenti di pausa ` e stato tra l’intero personale tecnico amministrativo.

Tra costoro voglio salutare Mauro, un uomo che non finir` a mai di stupirmi per la dedizione e la bravura con cui lavora. Mi ha permesso di intranciarlo, di chiedere e di richiedere, di guardarlo all’opera, per me s’` e sempre fermato dal suo fare dandomi ascolto e risposte. Se so qualcosa, poco, di officina, di disegno tecnico, quello vero, quello unto dalle mani di chi quei fogli li usa veramente, ` e merito suo. Anche questo porto a corredo della mia esperienza tra queste mura. Chiss` a se baster` a.

Grazie Paolo e Anna, Fernanda e Rossella, Gabriele e Andrea, Luca, Claudio e Fabio, Nuccia, Francesca e Consuelo. Grazie Martina che nel giorno dei saluti prima della pensione a me hai rivolto l’ultimo pensiero e con le lacrime sul tuo bel visone mi hai detto:“Fallo volare! ”.

Sconfinando in un altro Dipartimento, quello di Ingegneria Civile, sento la ne-

cessit` a di salutare Filippo e Walter. Se sono riuscito a mantenermi negli studi

dopo la fine della borsa di Dottorato lo devo a loro. Mi sono trovato stupenda- mente bene a “costruire aerei la mattina e ponti il pomeriggio”. Esperienza formativa che porter` o come bagaglio, resa produttiva e serena da persone splendide quali Francesco, Silvia e l’altro Francesco. Grazie moltissimo.

Non l’avrei mai creduto ma mi sono scoperto un ballerino. Gli ultimi quattro anni di Dottorato si sono incentrati su una vita anzich` e casa e chiesa (Per- donami, oh Dio!) tutta Universit` a e scuola di ballo e milonghe.

E stato tutto un susseguirsi di fortunate coincidenze. La prima essermi iscrit- ` to alla scuola di Luca e Selene, aver ballato la prima volta stretto stretto con Irene, aver conosciuto Norma e poi lui...Ernesto. Non si tratta della scoperta del mio lato omosessuale, n´ e voglio parlare di quest’uomo come di un guru del tango, il mio ballo.

Chi legge sappia che ho scoperto grazie a quest’uomo il fascino di questo ballo e non solo. In un periodo della mia vita lontano da casa da cos`ı tanto tempo le sue tirate d’orecchi e le sue docce fredde su aspetti anche apparentemen- te estranei al mondo del tango sono stati particolarmente apprezzati e utili.

Vorrei in qualche modo portare a corredo anche questa esperienza.

Da ultimo un saluto a quanti hanno riempito tutti gli altri momenti delle mie giornate, amici di lunga data molto spesso trascurati, colleghi del Dipar- timento, i compagni di corso alle lezioni di ballo, le ballerine che mi hanno sopportato, Massimo, Sergio ed Enrico, rispettivamente proprietari del bar, alimentari e pasticcieria dove puntualmente prendevo caff` e la mattina, panino a mezzod`ı e dolcetto fine pranzo e gli studenti d’Ingegneria che ho seguito.

Volendo fare un nome sopra tutti costoro dico: Anoha. La mia esperienza all’Universit` a mi porta a dire che ` e raro vedere citare le stesse persone estranee alla famiglia sia nei ringraziamenti per la Laurea triennale che per quella specialistica. Il tempo passa e cos`ı anche le persone e gli affetti cambiano.

Anche noi abbiamo vissuto i nostri alti e bassi, ci stiamo vedendo sempre meno, ma ora il nostro rapporto si ` e forse incanalato nel verso giusto: quello della vera amicizia, cosa strana fra un uomo e una donna. Ci tengo a dirti per` o che quella finestra sul Paradiso che eri, tale sei rimasta. Ogni ricordo che ho di noi e dei nostri sporadici incontri sono all’insegna della gioia pura.

Che questo rapporto idilliaco non abbia mai un termine.

Un pensiero pi` u che un saluto a chi mi ha lasciato forse un p` o pi` u solo, ma di cui sento piena la presenza: mio nonno, mia nonna e la mia zia Berta.

Continuate a vigilare su vostro nipote e rallegratevi con lui in questo giorno.

Acknowledgements ix

Giunto a cinque pagine di ringraziamenti, mi fermo. Anche per uno logorroico come me possono bastare. Chi c’` e, c’` e e chi non c’` e s’attacca a questo:

GRAZIE A TUTTI!

Renzo

Indice

Abstract . . . . ii

Sommario . . . . iv

Acknowledgements . . . . ix

Index . . . . xi

List of symbols xix 1 Introduction 1 1.1 Overview . . . . 1

1.2 Guidelines of the project . . . . 2

1.3 Organizzazione della Tesi . . . . 4

The CUAV systems 8 2 Problems for the use of CUAV systems 9 2.1 Overview . . . . 9

2.2 The military experiences . . . . 10

2.3 Types of incidents occurred to military UAVs . . . . 13

2.3.1 Some aspects about the security of military UAVs . . . . 16

2.4 The environmental control using a CUAV . . . . 17

2.5 Problems connected with the environmental control with CUAV 19 2.5.1 Security problems . . . . 21

2.5.2 Safety problems . . . . 23

2.6 Mission requirements . . . . 30

2.6.1 Costrains due to security . . . . 31

2.6.2 Costrains due to filght operations . . . . 33

2.6.3 Costrains due to legal aspects . . . . 33

2.6.4 Mission requirements . . . . 33

2.7 SCAUTproject . . . . 34

2.8 Conclusive observations about Capitolo 2 . . . . 37

The test bench 40 3 Il banco prova 41 3.1 Generalit` a . . . . 41

3.2 Il velivolo di riferimento . . . . 42

3.3 Architettura del banco prova . . . . 47

4 Rete di calcolatori 53 4.1 Generalit` a . . . . 53

4.2 Il rack . . . . 53

4.3 La rete locale . . . . 56

4.4 Il protocollo di trasmissione dati UDP . . . . 57

4.5 La simulazione in tempo reale . . . . 59

4.5.1 Schema generale . . . . 59

4.5.2 Schema attuale . . . . 61

4.6 Ottimizzazione della simulazione . . . . 61

4.6.1 Ottimizzazione delle risorse . . . . 61

4.6.2 Ottimizzazione delle frequenze di trasmissione dei dati . 62 5 Il software di gestione del banco prova 63 5.1 Generalit` a . . . . 63

5.2 Descrizione dell’interfaccia . . . . 64

5.3 Il codice . . . . 70

5.4 Calcolo della condizione di trim . . . . 72

The models 82 6 Il simulatore 83 6.1 Generalit` a . . . . 83

6.2 Logica di funzionamento del simulatore . . . . 85

6.3 Il modello matematico utilizzato . . . . 88

6.4 Impostazione generale del simulatore . . . . 90

6.5 Inizializzazione delle variabili . . . . 92

6.6 Analisi del modello . . . . 92

6.6.1 Blocco B . . . . 93

6.6.2 Blocco C . . . . 95

6.7 Scambio di dati via UDP/IP . . . . 107

Index xiii

7 Sintesi degli autopiloti 111

7.1 Generalit` a . . . . 111

7.2 Autopiloti del piano longitudinale . . . . 112

7.2.1 Pitch Damper . . . . 113

7.2.2 Autothrottle . . . . 114

7.2.3 Analisi dell’autopilota della velocit` a verticale V

. . . . . 116

7.2.4 Analisi dell’autopilota della quota . . . . 118

7.2.5 Analisi dell’autopilota della IAS . . . . 119

7.3 Autopiloti del piano latero-direzionale . . . . 122

7.3.1 Yaw Damper . . . . 122

7.3.2 Analisi dell’autopilota dell’angolo di prua . . . . 124

7.3.3 Analisi dell’autopilota dell’angolo di rotta . . . . 127

7.4 Autopiloti del sistema di navigazione . . . . 129

7.4.1 Analisi dell’autopilota WP . . . . 129

7.4.2 Analisi dell’autopilota VOR . . . . 136

7.4.3 Analisi dell’autopilota ILS . . . . 140

7.4.4 Analisi dell’autopilota del circling . . . . 141

8 Il Flight Management System 147 8.1 Introduzione . . . . 147

8.2 Descrizione generale del modello . . . . 150

8.3 Sottosistema autopilota . . . . 153

8.4 Sottosistema dati aria . . . . 156

8.5 Sottosistema per la navigazione . . . . 158

8.5.1 Sistema di navigazione GPS . . . . 158

8.5.2 Sistema di navigazione inerziale . . . . 158

8.6 Sottosistema per la gestione del volo . . . . 161

8.6.1 Calcolo del fattore di carico . . . . 161

8.7 Sottosistema di controllo del volo . . . . 162

8.8 Sottosistema di gestione delle avarie . . . . 164

9 Supervisor Flight Unit 169 9.1 Generalit` a . . . . 169

9.2 Avaria del sistema di alimentazione . . . . 170

9.3 Avaria della telemetria . . . . 171

9.4 Avaria dell’FMS . . . . 171

9.5 Avaria delle superfici mobili . . . . 171

9.5.1 Avaria degli alettoni . . . . 173

9.5.2 Avaria dei timoni . . . . 174

9.5.3 Avaria dei flap . . . . 174

9.5.4 Avaria dell’elevatore . . . . 175

9.6 Supervisor Flight Unit . . . . 175

9.6.1 Verifica di consistenza dell’FMS . . . . 179

9.6.2 Avarie sistemi di attuazione e sensori . . . . 179

9.6.3 Avarie impianto elettrico . . . . 181

The test bench components 184 10 Il pannello delle avarie 185 10.1 Generalit` a . . . . 185

10.2 Il codice . . . . 186

11 La mappa 191 11.1 Generalit` a . . . . 191

11.2 Descrizione del pannello . . . . 191

11.3 Sistemi di navigazione . . . . 194

11.4 Funzionamento . . . . 195

11.5 Il codice . . . . 196

11.6 Note a margine . . . . 203

12 Il pannello strumenti 205 12.1 Generalit` a . . . . 205

12.2 Descrizione del pannello . . . . 205

12.3 Gli autopiloti . . . . 208

12.4 Funzionamento . . . . 208

12.5 Il codice . . . . 209

12.6 Note a margine . . . . 211

13 Lo scenario 213 13.1 Generalit` a . . . . 213

13.2 Il velivolo . . . . 214

13.3 Il paesaggio . . . . 221

13.4 Il blocco di interfaccia . . . . 222

13.5 Il modello Terra in FlightGear . . . . 226

13.6 La quota del suolo nel simulatore . . . . 227

13.7 Note a margine . . . . 228

14 Il joystick 231 14.1 Generalit` a . . . . 231

14.2 Settaggio della periferica . . . . 233

14.3 L’interfaccia . . . . 235

14.3.1 Uso delle componenti del vettore Axes . . . . 237

Index xv

14.3.2 Uso delle componenti del vettore Buttons . . . . 238

The results 240 15 Risultati 241 15.1 Generalit` a . . . . 241

15.2 Missione tipo . . . . 242

15.2.1 Decollo . . . . 242

15.2.2 Salita . . . . 244

15.2.3 Virata . . . . 245

15.2.4 Navigazione WP . . . . 250

15.2.5 Navigazione VOR . . . . 254

15.2.6 Monitoraggio del territorio . . . . 258

15.2.7 Avvicinamento alla pista . . . . 264

15.2.8 Atterraggio . . . . 264

15.3 Simulazione dell’avaria di un alettone . . . . 271

15.4 Simulazione dell’avaria di un timone . . . . 275

15.5 Simulazione della terminazione del volo . . . . 278

Conclusions and future developments 281 Appendix 284 A Il modello SCAUT 60 285 A.1 Generalit` a . . . . 285

A.2 Impianti di bordo . . . . 285

A.2.1 Gruppo propulsivo . . . . 287

A.2.2 Sistema di alimentazione del carburante . . . . 289

A.2.3 Sistema di generazione della potenza elettrica . . . . 290

A.2.4 Sistema dati aria . . . . 293

A.2.5 L’FMS . . . . 293

A.2.6 Sistema di visione dello scenario esterno . . . . 294

A.2.7 Sistema telemetrico . . . . 294

A.2.8 Sistema di azionamento del paracadute . . . . 294

A.2.9 Sistema di controllo del volo . . . . 295

A.2.10 Ulteriori utenze . . . . 298

A.3 Impianto di accensione . . . . 300

A.4 Struttura del velivolo . . . . 301

A.4.1 Fusoliera . . . . 301

A.4.2 Gruppo ala coda . . . . 304 A.4.3 Gruppo carrello . . . . 308 A.5 Propriet` a geometriche dello SCAUT 60 . . . . 308 B Compilazione dei modelli Simulink in real-time 311 B.1 Procedura per la compilazione e l’esecuzione in real-time . . . . 311 B.2 Note a margine . . . . 316

C Preparazione del banco prova 317

D La rete locale LAN 321

E Lo scenario di MS Flight Simulator 2002 325

E.1 Il velivolo . . . . 325 E.2 Il blocco di interfaccia . . . . 328 E.2.1 La finestra di dialogo di FS Link . . . . 329 E.3 Note a margine . . . . 330 F Comandi di FlighGear utili durante la simulazione 331

G Taratura delle schede di acquisizione 335

G.1 Generalit` a . . . . 335 G.2 Taratura degli attuatori . . . . 335 G.2.1 Frequenza di campionamento . . . . 335 G.2.2 Trasformazione da gradi a segnale digitale . . . . 338 G.2.3 Integrazione del segnale dell’attuatore nel modello FMS . 339 G.3 Potenziometri . . . . 340 G.3.1 Trasformazione da segnale digitale a deflessione . . . . . 342 G.3.2 Lettura del segnale del potenziometro nel modello FMS . 342 G.4 Note a margine . . . . 343

H Avviamento del motore mediante batteria 345

I Modello matematico del simulatore 347

I.1 Equazioni delle forze . . . . 347

I.2 Equazioni dei momenti . . . . 349

I.3 Equazioni cinematiche . . . . 351

I.4 Equazioni di navigazione . . . . 352

I.5 Angoli aerodinamici e di traiettoria . . . . 353

Index xvii

Bibliography 355

Websites 359

List of articles 361

List of figures 365

List of tables 371

List of acronyms 373

List of symbols

1/T

, 1/T

Zeri della FdT q/δ

1/T

, 1/T

Zeri della rete di compensazione 1/T

Polo della rete di compensazione

1/T

Zero del controllore PD o PI 1/T

, 1/T

, 1/T

Zeri della FdT h/δ

1/T

Polo reale del modo di rollio 1/T

Polo reale del modo spirale 1/T

Polo di wash out

α Angolo di incidenza

α

Angolo di portanza nulla del profilo alare α

Angolo di incidenza aerodinamica iniziale α

Angolo di incidenza aerodinamica

α

Angolo di incidenza geometrica iniziale α

Angolo di incidenza geometrica

α

Angolo di rilevamento polare AB iniziale α

Angolo di rilevamento polare tratto AB

α

Angolo di incidenza del velivolo nelle condizioni di trim

α

Angolo di incidenza aerodinamica sistema ala-corpo

A Allungamento Alare β Angolo di derapata

δ Angolo di rilevamento polare della radiale δ

Angolo di deflessione del’equilibratore δ

Angolo di deflessione degli alettoni δ

Deflessione verticale del carrello

δ

Angolo di deflessione del generico comando δ

Angolo di deflessione del timone

δ

Posizione manetta

∆α

Variazione angolo di incidenza geometrica



Angolo di downwash a portanza nulla η Angolo di rotta

η

Rendimento dell’elica Γ Angolo diedro

γ Angolo di pendenza della traiettoria

γ

Angolo di rilevamento polare tratto AC iniziale γ

Angolo di rilevamento polare tratto AC

λ Taper ratio

Λ

Freccia ad un quarto della corda media aerodinamica Λ

Freccia sulla linea delle semicorde

Λ

Freccia al bordo d’attacco Ω Velocit` a di rotazione

ω

Pulsazione poli di dutch roll

ω

Pulsazione zeri complessi della rete di compensazione

ω

Pulsazione poli di lungo periodo

List of symbols xxi

ω

Pulsazione poli di corto periodo φ Angolo di rollio

φ

Angolo di rollio di riferimento dell’autopilota ψ Angolo di imbardata

ρ Densit` a dell’aria alla quota considerata ρ Resistivit` a

ρ

Densit` a dell’aria a livello del mare θ Angolo di assetto

θ ˙ Variazione temporale angolo di assetto ξ

Smorzamento poli di dutch roll

ξ

Smorzamento poli di lungo periodo ξ

Smorzamento poli di corto periodo a

Pendenza curva di portanza coda

a

Pendenza della curva di portanza in ala-corpo in funzione di α

a

, a

, a

Componenti in assi corpo del vettore accelerazione del velivolo b Apertura alare

C Coppia del motore

C

Coefficiente di resistenza a portanza nulla

C

Coefficiente di resistenza nelle condizioni di trim C

Coefficienti aerodinamici di forza del velivolo C

Pendenza della curva C

− α - dato sperimentale C

Pendenza della curva C

− δ

C

Contributo al coefficiente di portanza dato dagli ipersostentatori in condizioni di trim

C

Coefficiente di portanza di trim iniziale

C

Coefficiente di portanza in condizioni di trim

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta all’angolo di dera- pata

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla deflessione degli alettoni

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla deflessione del timone

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla velocit` a ango- lare di rollio

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla velocit` a ango- lare di imbardata

C

Coefficienti aerodinamici di momento del velivolo C

Coefficiente di momento ad incidenza nulla C

Pendenza della curva C

− α

C

Pendenza della curva di momento di beccheggio dovuta ad alfapunto C

Pendenza della curva C

− δ

C

Pendenza della curva di momento di beccheggio dovuta a q C

Pendenza della curva C

− δ

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta all’angolo di derapata

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla deflessione del timone

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla velocit` a angolare di rollio

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla velocit` a angolare di imbardata

C

Coefficiente di potenza a punto fisso C

Coefficiente di potenza

C

Coefficiente di coppia

C

Coefficiente di trazione a punto fisso

List of symbols xxiii

C

Coefficiente di trazione

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta all’angolo di derapata C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla deflessione degli

alettoni

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla deflessione del ti- mone

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla velocit` a angolare di rollio

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla velocit` a angolare di imbardata

CE Termine correttivo per il calcolo dei parametri di Eulero CG Baricentro

CV Condizione di volo

¯

c Corda media aerodinamica

c

Coefficienti risultanti da una combinazione dei momenti d’inerzia, ven- gono determinati dall’inversione della matrice d’inerzia dell’equazione D Diametro dell’elica

DP Pressione dinamica E

Parametri di Eulero

E

Valori iniziali dei parametri di Eulero

F

, F

, F

Componenti delle forze agenti sul velivolo in assi corpo F

Componente i-esima lungo l’asse X

data dalla forza longitudinale sul

carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse X

data dalla forza verticale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Y

data dalla forza longitudinale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Y

data dalla forza verticale sul car-

rello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Z

data dalla forza longitudinale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Z

data dalla forza verticale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

GM Margine di guadagno H Quota di volo

h Posizione del baricentro in percentuale di ¯ c h

Quota del baricentro del velivolo

h

Posizione del punto neutro in percentuale di ¯ c h

Quota di riferimento dell’autopilota

HP

Potenza erogata dal motore alla quota considerata

HP

Potenza dell’albero motore erogata a livello del mare (densit` a ρ

) in corrispondenza di un determinato numero di giri

i

Angolo di calettamento coda orizzontale J Advance Ratio

K Coefficiente K della polare

K

Guadagno degli autopiloti della navigazione K

Guadagno dell’autopilota della η

K

Guadagno dell’autopilota del circling K

Guadagno dell’autopilota della ψ

K

Guadagno relativo alla retroazione della variabile ϑ del sistema auto- pilota della quota

K

Coefficiente di correzione

K

Guadagno di chiusura del sistema autopilota della quota K

Guadagno dell’autopilota della H

K

Guadagno dell’autopilota della IAS

K

Guadagno del pitch damper

List of symbols xxv

K

Guadagno dello yaw damper K

Guadagno dell’autothrottle

K

Guadagno dell’autopilota della V

L Portanza complessiva del velivolo L

Momento di rollio in assi corpo L

Portanza del sistema ala corpo LAT Latitudine

LON Longitudine

M Momento di beccheggio in assi corpo

M

Momento di beccheggio del sistema ala-corpo

M

Momento i-esimo attorno all’asse X

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse X

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Y

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Y

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Z

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx) N Momento di imbardata in assi corpo n Numero di giri al minuto del motore N

Rigidezza in imbardata con apice

N

Derivata aerodinamica con apice di momento di imbardata a seguito del disturbo r

n

Numero di giri al minuto dell’elica n

Fattore di carico

ngs Numero di giri al secondo dell’elica

P Potenza dell’elica

P

Potenza disponibile del motore P

Potenza massima del motore P

Potenza necessaria

P M Margine di fase P N Punto neutro

p, q, r Componenti della velocit` a angolare della terna solidale (assi corpo) p

Pressione statica

p

Pressione totale potquota Potenza in quota Q Coppia dell’elica q

Pressione dinamica R Resistenza

RP M

Numero di giri al minuto massimo RP M

Numero di giri al minuto minimo rid Rapporto di riduzione

S Superficie alare

S

Superficie piano di coda orizzontale T Spinta prodotta dal motore

T

Temperatura alla quota di volo (in gradi Kelvin) T

Temperatura a livello del mare (in gradi Kelvin) u Segnale di acquisizione

u Velocit` a lungo l’asse longitudinale

u

, v

, w

Componenti della velocit` a del velivolo in assi corpo

V Modulo della velocit` a

List of symbols xxvii

V Tensione

V

Velocit` a di efficienza massima V

Indicated Air Speed

V

Velocit` a massima

V

Velocit` a verticale di riferimento dell’autopilota V

Velocit` a verticale del velivolo

V ARM Variazione di massa W Peso del velivolo

W

Peso del velivolo nelle condizioni di trim

Y

Derivata aerodinamica di forza laterale a seguito del disturbo v

Capitolo 1

Introduction

1.1 Overview

The incredible technological progress on miniaturization and reliability of components in the mechanical, electronic, sensing and telecommunications field has made possible the realization of flying platforms without pilots on board endowed with restricted dimensions and weights, and able to accom- plish inspections of territory controlled by ground and / or automatically.

In this context, they are especially designed systems based on flying plat- forms that are generally referred to as Uninhabited Aerial Vehicle (UAV) which, depending on their size and operational characteristics, are divided into classes known as Mini Aerial Vehicle (MAV), Medium Altitude Long Endurance (MALE) and High Altitude Long Endurance (HALE).

Problems relating to the use of UAVs are mainly related to the lack of pilot on board that in conventional aircrafts is able to manage the mission and emergencies that may occur during its execution, so as to ensure the safety of passengers (absent in UAVs), of the third overflown, and, as regards to the risk of collision, of the other aircrafts in the airspace.

The control systems of the territory based on the use of UAVs are currently operative in military field where they were and are still used in areas involved in war events, generally areas sparsely populated and where the security con- ditions are degraded for far more serious reasons, by setting up an important link for the tactical monitoring system of those areas where they can also intervene actively with their on board weapons.

Based on these experiences in the international sphere there is an intense

research and development to explore the possibility of using these systems

in civilian control of the territory for the purposes of public safety and envi-

ronmental protection, as the experience resulting from the military are not

considered immediately transferable to civilian. Indeed, the civilian use dif- fers substantially from military use because to be usefully employed, UAVs, in the context of their missions, should also fly over residential areas and coe- xist with conventional air traffic. For this reason civil UAVs must respond to requirements of safety and reliability far more stringent than those that currently characterize the military use, not to pose a risk to persons or things overflown and with regard to collisions with other aircrafts.

Taking into account these issues widely debated in the international arena, in this thesis of doctorship are discussed the main problems associated with the use of UAVs in civil matters, hereinafter referred to as Civil Unmanned Aerial Vehicle (CUAV), entering in the line of research on this topic active at the DIA.

1.2 Guidelines of the project

The main obstacle that stands the use of CUAV is connected with the securi- ty problems of the third overflown in turn connected with the characteristics of safety and reliability of the CUAV system (ground station, flying platform, data link).

As for the conventional aircraft, safety is ensured by appropriate regulatory standards governing the construction, use and maintenance of each compo- nent of the system itself . For CUAV these rules were the subject of extensive studies by the International Aviation Authorities (FAA, EASA) and are cur- rently available at the level of drafts and guidelines.

The impact of these standards on the CUAV system design is critical and has therefore been necessary to conduct an examination of their condition monitoring their development over the duration of the doctorate. The deve- lopment of this legislation has required a continuous update and revision of the initial project, as previously reported.

After identifying the typical missions considered useful and convenient for a CUAV, on the basis of these requirements have been identified specifications of mission to reduce the impact of them on the project, without obviously degrading the security and reliability of the system and the on board equip- ment required for their fulfilment.

The analyses led to draft a proposal for guidelines for the draft of a poten- tially certificable CUAV system on the basis of the legislation as currently known, of course endowed with the requirements of safety and reliability re- quested.

Based on these guidelines, as application, it has been conducted a study of

reliability of a CUAV system, called SCAUT Project (AUtomatic Control

System of the Territory) that, starting from an initial concept still available

1.2 Guidelines of the project 3

at the DIA at the beginning of this doctorate, through a continuous work of editing and updating both the mission specifications and the equipment on board so to follow the evolution of legislation, has led to the definition of a typical flying, platform, of the on-board systems needed to carry out the missions required with the desired constraints of Security and Safety as currently known and a ground station for the programming and control of the mission with its data link and video link.

During this research it was completed the hardware portion already partly available, implementing completely the management software and making validation tests.

The software and hardware made concern both the ground station and the platform of flight. Through the ground station you can program the mission, follow the development on special maps, verify, as to the mission fulfilment, the effects of failures, simulated on the flying platform , and, in this case, check the adequacy of the techniques of mission replanning or flight interrup- tion safely.

With the platform of flight you can accomplish the flight simulation of CUAV including simulation and management of the most serious failures that may occur in flight. For the development of the software you are taken as reference the operating characteristics of a model of UAVs available at the DIA which can be regarded as a model in scale 1 / 2 of CUAV studied in the previous Part I. The construction of the model, that has not been the subject of the work of this PhD thesis, was made in order to experiment in flight the main control systems and management of the mission planned for CUAV in true scale that, instead, were studied and developed as part of this thesis.

Currently the model, equipped with the facilities and systems necessary to accomplish the mission without the necessary redundancy, would be ready to perform the flight tests, even if in protected areas. This part of activity has now been suspended due to lack of funds allocated to it. Through the test bench it was possible to design and develop the artificial intelligence ne- cessary on board of CUAV, altogether known as Flight Management System (FMS), which allows you to plan the mission, follow the development, diagno- se the operating status of on board systems, identify potential failures and thus reschedule the mission aborting the operation in case of not recoverable damage. The software, developed on the test bench, was then transferred on the flight unit (PC/104) and is ready for flight tests.

The conduct of these parties has required a considerable amount of work that

has been made more complex by the need for continuous updates of solutions

also previously established to monitor the evolution of regulations and also

for the adaptation of software systems to hardware systems that were gra-

dually made available through activities that took place in parallel and not included in the doctorate but in any case, had to be coordinated with it.

To achieve the objectives set consisting essentially in the complete construc- tion of the test bench and FMS with connected functionality tests, the thesis has therefore extended even beyond the deadline imposed for the PhD pro- gram and made the request extension appropriate for the presentation and discussion of the thesis.

1.3 Organizzazione della Tesi

La Tesi pu` o ritenersi suddivisa in quattro Parti in ciascuna delle quali sono stati trattati separatamente i diversi argomenti anche se, nella realt` a, i vari argomenti sono stati svolti in modo parallelo essendo stati necessari conti- nui aggiornamenti e revisioni per seguire l’evolversi delle problematiche con particolare riferimento a quelle relative alla normativa di certificazione at- tualmente in fase di emanazione e per mantenere uno stretto coordinamento con ulteriori attivit` a di ricerca sull’argomento in corso di svolgimento presso il DIA.

La Parte I ` e costituita essenzialmente dal Capitolo 2nel quale, partendo dalle esperienze militari e dalla dimostrazione della loro inadeguatezza in termini di sicurezza ed affidabilit` a (recentemente convalidata dalle indiscrezioni sulla stampa USA relative all’impiego di UAV in Afghanistan) si ` e in dettaglio esaminato i vincoli posti al progetto di un sistema CUAV dai requisiti di Security e di Safety previsti dalla normativa come attualmente nota.

Le analisi svolte hanno portato alla definizione di opportune linee guida per il progetto di un sistema CUAV potenzialmente certificabile che hanno portato alla individuazione della tipologia di missione, delle sue specifiche e di un sistema piattaforma di volo-stazione a terra in grado di soddisfarle.

Questa parte ` e stata svolta con un opportuno grado di approfondimento cri- tico perch´ e ha portato alla definizione di un sistema CUAV (tipologia di missione con relative prestazioni di volo richieste per la piattaforma di vo- lo, stazione di terra, data link, logistica) che si discosta in modo sensibile da quanto attualmente allo studio anche in campo nazionale (Finmeccani- ca, Legge 808) basato principalmente sulle esperienze militari che, come sar` a discusso, si sono mostrate del tutto inadeguate in termini di sicurezza ed af- fidabilit` a per un impiego in campo civile.

Nella impossibilit` a, per motivi economici, di realizzare un prototipo dimo-

stratore di tecnologia, si ` e ritenuto opportuno realizzare un dispositivo spe-

rimentale, nel seguito indicato come banco prova, con il quale fosse possibile

1.3 Organizzazione della Tesi 5

verificare l’adeguatezza del sistema proposto a svolgere le missioni previste e potesse essere di aiuto per lo studio e la messa a punto dei fondamentali sistemi previsti per il CUAV, principalmente da un punto di vista della sicu- rezza e dell’affidabilit` a.

La Parte II della Tesi, costituita dai Capitoli 3 al 14, ` e dedicata a questo argomento. Si ` e in particolare studiato l’architettura del banco prova e si ` e affettuata la messa a punto dei sistemi software ed hardware che la costitui- scono e ne rendono possibile il pratico impiego.

La Parte III ` e quella conclusiva nella quale, oltre alle conclusioni generali, so- no presentati i risultati conseguibili con l’impiego del banco prova consistenti nell’esame completo di tipiche missioni costituite da:

• programmazione della missione su opportuna mappa del territorio;

• controllo dello svolgimento di essa sulla mappa e sulla strumentazione di bordo riprodotta nella stazione a terra;

• verifica dell’efficacia dei sistemi di autopilota, di navigazione, di atter- raggio parzialmente automatico;

• verifica delle procedure di interruzione del volo in caso di avaria irrecu- perabile.

La Parte IV infine ` e quella manualistica che in apposite Appendici raccoglie

tutte le informazioni pi` u aggiornate, necessarie per l’utilizzo del banco prova,

ma cosa pi` u importante, completa la ParteII per ci` o che attiene la summa

degli accorgimenti adottati per far funzionare il simulatore nel modo pi` u

veloce possibile, sfruttando al meglio le risorse a disposizione soprattutto per

quanto concerne la trasmissione dei dati.

The CUAV systems

Capitolo 2

Problems for the use of CUAV systems

2.1 Overview

As known, the high safety standards that characterize the use of conventional aircrafts are obtained through appropriate codes of certification concerning the design, construction and management of each element which constitutes the air transport system, including licensing and requirements of the crew.

The main obstacle to the use of CUAV is currently represented by the lack of similar codes of certification that can ensure safety standards in respect of third overflown certainly not less, preferably higher than, those guaranteed by the air transport system in respect of third transported.

These codes are currently being studied at the Aviation Authority and some of these are known in form of conceptual projects (JAR, EUROCONTROL), others in their final form but not yet operational (UK CAA).

Within this thesis, we have seen that the UAVs currently used in military field, because of their security and reliability characteristics significantly lo- wer than those of conventional aircrafts of equal performance, would have serious problems to be used in civil field. It is therefore not conceivable to adapt military UAVs for civilian use, able to fly over populated areas. The CUAV must be a new machine, conceived from the outset to meet the needs of the missions of civilian control of the territory with the security characte- ristics and reliability in line with those required by the certification codes, as documented by drafts so far published.

Therefore in this Part I, after discussing briefly the experiences we have in the military (known as the publicists), we shall explore the possible application of CUAV, highlighting the safety issues and legal connection with their use.

To perform this examination, you are considered the main findings emerged

from JAA and EUROCONTROL activities relating to the problems connec-

ted with the use of CUAV reported in [1].

Based on this critical review will identify possible types of missions, pay- loads needed for their completion, on-board systems with redundancy nee- ded to verify it with the desired levels of safety and reliability, logistics sup- port systems, highlighting in particular the limitations imposed by these requirements.

2.2 The military experiences

In the period between the end of the 90s and the beginning of the 2000s there has been a proliferation of projects of UAVs for military use that in 2009 led to list some 660 projects worldwide at various levels of development of ma- chines belonging to the different categories in which UAVs are divided, with values of maximum takeoff weights varying between ten and one thousand kg, with corresponding changes in size and performance. Considering also the civil, commercial and research applications, the total project amounts to about 970.

The war that have taken place i in recent times (the Gulf War, conflicts in Bosnia, Iraq, Afghanistan) have seen a massive use of UAVs that, while has led to the aforementioned proliferation of projects, it has also led to a ratio- nalization of themselves, favoring those who have had an undoubted utility in applications in various theaters of war. In fact, the UAVs currently in use at various Armed Forces, can conceptually be grouped into two main categories which differ significantly in weight, size and operational characteristics.

The first category is relative to UAV can perform only reconnaissance mis- sions in the territory, transmitting real-time information used in support of military land operations and/or shipping. Therefore, the payload consists essentially of electro-optical sensors or infrared and, in more sophisticated UAVs, from synthetic aperture radar.

By virtue of the enormous advances in miniaturization of these components, the weight of the payload is not too high, reaching average values of between 40 kg and 60 kg. Likewise, contained is the weight of the on board avionics necessary for flight control, mission and the transmission of information on the ground that, in more sophisticated applications, does not exceed one hun- dred kilograms.

These characteristics of weight of the on board systems, in addition to the

characteristics of reduced encumbrance and not excessive propulsive power

requirements, have made possible the realization of UAV of size and ma-

ximum takeoff weights contained in the order of 100÷400 kg, which can be

located near the operational areas and for some of them with possibility to

launch with catapult and possible parachute recovery. The range is the order

2.2 The military experiences 11

of 50÷60 mn.

Typical examples of this category, far from being exhaustive, but reported for information only, are the Sperwer (France), the Sparrow (Israel), the Sha- dow (USA), many of which were used by the French Armed Forces, Canadian and U.S. Army in operations in the Gulf, Bosnia, Iraq and, more recently in Afghanistan Figura 2.1.

(a) Sperwer (Francia)

(b) Shadow (USA)

Figura 2.1: UAV militari da ricognizione a breve raggio.

The second category includes UAVs larger and higher maximum take-off weight, which generally exceed 1000 kg reaching also 2000 kg. These ma- chines are obviously more sophisticated than those previously mentioned, can carry payloads of the order of 200 kg and can operate at great distances from the ground station using satellite links.

In addition to conventional reconnaissance in the area, this class of UAV,

using the largest payload may also carry weapon systems and can therefore

intervene actively on the targets identified.

Typical representatives of this class of UAVs can be regarded as the Predator (General Atomics Inc., USA), the Hunter (IAI/TRW Inc., Israel/USA), the Heron (IAI, Israel) that, supplied to the various Armed Forces, have worked in all recent conflicts, Figura 2.2.

(a) Predator (USA).

(b) Hunter (Israele/USA).

Figura 2.2: UAV militari da ricognizione ad ampio raggio.

The possibility of carrying out the mission control by satellite link allows to shift the control station at a considerable distance from operational areas and hence safely. Predator operations in Afghanistan are controlled by ground bases located in the USA.

All UAVs considered belonging to both categories, are capable of performing

missions piloted by ground or automatically preprogrammed.

2.3 Types of incidents occurred to military UAVs 13

2.3 Types of incidents occurred to military UAVs

Military experiences would certainly be worthwhile if they were possible to reliably identify the security characteristics of UAVs, to compare them with similar characteristics of conventional aircrafts, used in similar types of mis- sions.

Unfortunately, this survey finds not indifferent difficulties as the hours flown by the UAV, which now add up to large values, and working accidents in the military, are sensitive data and therefore not accessible with the required accuracy. However, using at the best the not classified data available in the literature, can be drawn the following information.

Based on data available in literature and on dedicated websites were unable to process a list of about 110 incidents of which have been subjects of the most famous military UAVs in the period July 23, 1991 - December 30, 2001, excluding losses due to war.

Figura 2.3 shows the number of accidents which it was possible to group by

phase of flight and type of damage (95 to 110). It is clear that not knowing

the exact hours of flight of the fleets formed by the UAVs considered, by

these numbers it is certainly impossible to get complete information on the

levels of security of these machines but only general guidelines to be taken

for reference.

Figura 2.3: Classificazione degli incidenti per fase di volo e tipologia di danneggiamento.

The sum of the incident A+B can be considered as indicative of events that led to the uncontrolled fall of UAVs that could result in damage to persons or things overflown (we do not know if this really happened). From Figura 2.3 we can observe that, during the period considered, such incidents have been 63. For some types of UAVs reported in that list can be found in [2] the flying hours made in defined time intervals. Estimating the number of serious accidents (A + B) in the same period of time for these types of UAVs you can review a attrition rate (accidents per 1000 hours of flight) variable between 0.49 and 3.6.

Tabella 2.1 also shows the following main types of failures encountered by

the sum of accidents A+B+C in Figura 2.3, as it was possible to deduce from

that list.

2.3 Types of incidents occurred to military UAVs 15

Engine failure 15 23.4%

Control loss 25 39.1%

Pilot error 8 12.5%

Parachute Failure 7 10.9%

Link loss 6 9.4 %

Launcher failure 1 1.57%

Payload failure 1 1.57%

Structural failure 1 1.57%

Total failures 64 100%

Tabella 2.1: Tipologie di avarie.

In [3] it was possible to obtain data of Tabella 2.2 relating to accidents involving the Predator during the period 1999-2004.

Year Class A Class A Hours Rate Accidents Flown

CY 99 37.0 2 5.404

CY 00 43.4 3 6.914

CY 01 9.7 1 10.324

CY 02 30.0 6 20.011

CY 03 8.4 2 22.431

FY 04 15.9 5 31.357

Tabella 2.2: RQ-1/MQ-1 Class-A accident rate.

From it you can see that there have been approximately 24 accidents in 100,000 hours of flight, with a consequent attrition rate of about 0.24.

An U.S. source offers data, again for the Predator, regarding their recent use in Afghanistan. It shows that the U.S. fleet consists of 185 Predator in their different versions. In 18 months there have been comprehensive loss (not caused by war) of 70 units. Taking into account that the same source mentions that are carried about 16.000 flight hours per month, we can deduce that 70 accidents occurred in approximately 288.000 hours of flight, with an attrition rate of 0.24, according to what is detectable by the previous documentation.

Recent rumors (July 2010) reported on the U.S. press also indicate that the

control systems of territory used in Afghanistan and based on Predators

controlled by satellite from the States., have been totally unsatisfactory in