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Navigazione Iperbolica

Con i sistemi radiogoniometrici non è possibile rilevare la provenienza delle onde elettromagnetiche a grande distanza, in quanto le misure effettuate non sono precise. Tuttavia, il parametro che rimane stabile in un'onda elettromagnetica è la velocità della luce(c) ed è quindi possibile determinare la distanza tra una stazione trasmittente e una ricevente misurando l'intervallo di tempo o la differenza di fase; entrambi i metodi sono applicabili solo se il trasmettitore e il ricevitore sono dotati di orologi sincronizzati su una comune scala di tempi, questo è dovuto al fatto che il ricevitore deve conoscere l'istante di trasmissione di ogni impulso. La misura della distanza richiede quindi che l'a/m sia dotato di un orologio atomico,ma il suo elevato costo non ne permette la diffusione. Si è ricercato cosi un metodo in cui il ricevitore di bordo può fare a meno dell'orologio atomico e si è arrivati cosi all'utilizzo di due stazioni trasmittenti, sintonizzate tra di loro, che lavorano in coppia anziché isolatamente. IL ?d non dipende dall'istante di emissione e il luogo di posizione ottenuto è un'iperbole, in cui è costante la differenza di distanza da due punti fissi (fuochi). Si definisce, pertanto, navigazione iperbolica l'insieme delle tecniche che consentono la determinazione della posizione dell'a/m con luoghi di posizione iperbolici. Questo tipo di navigazione si sviluppa in seguito alla seconda guerra mondiale, poiché nasce in quel periodo l'esigenza della navigazione a lungo raggio per il sottomarino. La navigazione iperbolica parte dal concetto del sistema CONSO, così chiamato dagli inglesi, ma inventato dai tedeschi con il nome di Sonne. Il sistema di terra consiste in un trasmettitore a onde AMF che alimenta un sistema di tre antenne omnidirezionali allineate e distanti di tre lunghezze d'onda (circa 3 km); con questo sistema si ottiene uno sfasamento di energia che permette alle antenne di essere direttive. Il sistema CONSO è alla base di tutti gli altri sistemi di navigazione a lungo raggio. Con esso s'individua una linea di posizione che è rappresentata con la zona di equisegnale, cioè di segnale pulito; questo nuovo sistema di navigazione permetteva ai sottomarini di individuare una linea di posizione(LOP).

L'operatore a bordo si occupava di:

- Sintonizzare la ricevente CONSO di bordo con la stazione di terra
- Identificare la stazione con il codice morse
- Una volta individuato il segnale, contava i segnali "bip" prima e dopo la zona di equisegnale
- Dato il valore dei segnali, l'operatore divideva il numero dei segnali per due e poi confrontava con il numero massimo dei segnali che doveva sentire e trovava cosi la zona di equisegnale

LORAN (A)

IL sistema LORAN (Long Range Navigation) fu inventato dagli americani per assistere la navigazione marittima e subacquea e in seguito venne utilizzato per la navigazione aerea. L'equipaggiamento LORAN dà la possibilità di ottenere rapidamente accurate linee di posizione per mezzo della determinazione della differenza di tempo di ricezione dei segnali provenienti da due stazioni. La parte a terra è costituita da gruppi di stazioni radiotrasmittenti operanti a coppie. La coppia stessa è formata da due parti, una maestra e l'altra schiava (Master - Slave) e a bordo è presente un apparato di sintonizzazione che può essere sintonizzato individualmente con ciascuna coppia.
La stazione trasmette su una frequenza prestabilita un certo numero d'impulsi al secondo di brevissima durata. Gli impulsi sono spaziati in modo da ricorrere a intervalli definiti (P.R.R. --> Pulse Recurance Rate).

Con LORAN si risolve il problema della simultaneità, cioè ogni a/m riceve dei dati veloci e precisi e si possono quindi gestire più a/m contemporaneamente. L'arco di circolo massimo che passa fra le due stazioni prende il nome di linea di base.
La linea che continua oltre le stazioni Slave - Master va sotto il nome di estensione della linea di base, su di essa possono essere installate altre stazioni da offrire cosi una copertura maggiore. La linea perpendicolare all'arco di cerchio massimo che passa in mezzo alle stazione, prende il nome di center line.
La modalità di trasmissione tra la maestra e la schiava è la misura del ritardo: la stazione maestra trasmette un determinato numero di impulsi e l'intervallo di tempo tra un impulso e l'altro dipende dalla cadenza con cui è stata costruita la stazione, nascono però dei problemi:

- Stabilizzarsi sulla stazione prescelta (identificazione)
- La simultaneità va garantita così che tutti gli a/m possano operare contemporaneamente

I ritardi che l'apparato di bordo misura sono diversi (3+1) e sono quelli che assolutamente devono essere identificati:

1) Ritardo della linea di base ' È il tempo impiegato dal segnale della maestra ad arrivare alla schiava e dipende dal tempo. Serve per distinguere un segnale dall'altro.
2) Ritardo controllato' lo scopo è quello di distinguere il ritardo della Slave dalla Master (circa 0.5 del PRR)
3) Ritardo codificato ' e ha un valore preciso 900/1000 ed è soprattutto di utilizzo militare.
4) Ritardo assoluto'È la somma di tutte e tre e per una coppia di stazioni è costante
Per questo sistema c'è il problema dell'interferenza.
Catena LORAN: un'insieme di antenne che hanno lo stesso numero di impulsi; sulle carte sono stati utilizzati i colori per ogni coppia
Riepilogo:

1) Il ricevitore LORAN determina la differenza di tempo dei segnali emessi da una coppia di stazioni
2) Il ricevitore LORAN è un tubo a raggi catodici che trasforma la differenza di tempo in differenza di distanza e determina la posizione
3) Le stazioni trasmittenti LORAN operano sempre a coppie
4) La MASTER trasmette il suo segnale sia all'a/m che alla SLAVE, quest'ultima trasmette poi il segnale all'a/m con un ritardo prestabilito
5) Il sistema LORAN è composto da una catena di sistemi, ciascuno formato da coppie di stazioni
6) Per prevenire disturbi reciproci nelle trasmissioni, ogni sistema utilizza una propria frequenza o canale
7) A ciascuna coppia di stazioni è assegnato un differente intervallo di cadenza (base o specifica). Base: l'esatto numero di impulsi al secondo; specifica: è costituita da una variazione specifica di posizione degli impulsi
8) Le coppie LORAN operanti in una zona sono unite da delle linee curve, registrate sulla carta di quella zona, con colori differenti per una più rapida identificazione
9) Ogni iperbole è contrassegnata dal numero del canale, dalla cadenza di base, dalla cadenza specifica e dalla differenza di tempo
10) La linea di posizione LORAN si traccia sull'iperbole corrispondente alla lettura della differenza di tempo ottenuta dal ricevitore di bordo; nella maggior parte dei casi viene fatta l'interpolazione (un controllo dei calcoli)

Il LORAN C
Il LORAN C è un sistema di radionavigazione iperbolica a treni d'impulsi, operante con una frequenza portante, comune a tutte le stazioni, di 100kHz. Le catene Loran C furono installate a partire dal 1957 negli Stati Uniti ed attualmente vengono utilizzate come funzione di back-up del sistema GPS. Utilizza onde LF, che sono a bassa perdita di propagazione, e ha quindi una grande portata (circa 1200 NM). L'utilizzo dei treni d'impulsi permette inoltre di impiegare basse potenze di emissione, in quanto in ricezione si adotta la tecnica di compressione degli impulsi, che consiste nel sommare le potenze di ciascun impulso, consentendo la ricezione di segnali anche con debole ampiezza. Il modo normale di propagazione dei segnali Loran C è quello superficiale (GW). Una catena LORAN C è costituita da una stazione principale (Master)e da almeno due stazioni secondarie e ogni catena trasmette i treni d'impulsi con un proprio intervallo di cadenza (Group Ripetition Interval). Attualmente sono in funzione 27 catene Loran C.

Funzionamento del Loran C
La posizione dell'a/m viene determinata misurando la differenza di tempo tra l'arrivo del impulso generato dalla Master e l'arrivo degli impulsi provenienti da almeno due stazioni secondarie. Il ricevitore svolge le seguenti funzioni:
1) Inizializzazione: viene effettuata dal pilota che seleziona l'intervallo di cadenza (GRI) della catena desiderata
2) Acquisizione dei segnali avviene confrontando i codici degli impulsi selezionati con quelli generati all'interno del ricevitore
3) Identificazione: il ricevitore identifica il ciclo di ciascun impulso per assicurarsi di utilizzare segnali GW, in quanto più stabili
4) Tracking: avviene dopo la misura di ?t e consiste nel mantenere automaticamente, senza l'intervento dell'operatore, la sincronizzazione tra i segnali
I moderni ricevitori Loran convertono le misure di ?t in differenze di distanze e da queste ultime calcolano le coordinate geografiche; inoltre come ogni altro sistema di navigazione, l'apparato Loran fornisce i parametri utili per dirigere verso il punto di destinazione o verso un waypoint.

Caratteristiche operative del Loran C
Un sistema di navigazione per rispondere alle esigenze dell'aviazione civile deve possedere i seguenti requisiti: copertura, precisione, disponibilità, affidabilità, integrità, ambiguità, capacità.
1) Copertura: il Loran C non è un sistema a copertura globale, tuttavia compre ampie zone della superficie terrestre e in particolare le rotte aeree del nord Atlantico e del nord Pacifico
2) Precisione: la precisione assoluta nel determinare la posizione dipende dalla distanza dalle stazioni, dalle condizioni ambientali e dal rapporto segnale/rumore. Nel Loran C è dell'ordine di 0.25NM
3) Disponibilità: è espressa in percentuale di tempo con la quale il sistema riesce a fornire le normali precisioni. La disponibilità assicurata dal Loran C è circa 99.9%
4) Affidabilità: è legata alla frequenza con la quale possono verificarsi danni al sistema. Un sistema è tanto più affidabile quanto minori sono le possibilità di avaria
5) Integrità: è la capacità di individuare un malfunzionamento e segnalarlo all'utente in modo che quest'ultimo sia a conoscenza che il sistema non funziona correttamente
6) Ambiguità: si ha quando i luoghi di posizione, nel determinare una posizione, presentano più di una intersezione. La disposizione delle stazioni è progettata in modo tale che i punti capitano a grandi distanze e l'ambiguità può essere risolta con la conoscenza della posizione stimata
7) Capacità: è il numero di utenti che un sistema può servire; nel caso del Loran è illimitata

Sistema OMEGA (O.N.S.)
È un sistema di navigazione a lungo raggio iperbolico che utilizza radio onde VLF comprese tra 10 e14 kHz.
Fu messo appunto negli anni '60 dalla marina americana per essere utilizzato dai sommergibili strategici (nucleari). L'utilizzo delle onde VLF permetteva di ricevere il segnale anche sott'acqua, fino a 35 ft circa. È stato poi certificato per l'utilizzo in navigazione aerea. La portata di una stazione OMEGA è di circa 4000 NM e ne sono installate otto. Il segnale che riceveva l'apparato di bordo subiva una comparazione di fase; da questa comparazione di fase si generava la linea di posizione (LOP), e dall'intersezione di due LOP si identificava la posizione dell'a/m; l'unico problema di questo sistema è che era sempre in ritardo rispetto all'a/m. L'OMEGA si distingue in un sistema assoluto e uno relativo. Quello assoluto ha una precisione di 2 NM nel 95% dei casi, quello relativo invece, di 0.5 NM per ora di volo.

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Roman Babkin