Equipaggiamenti di bordo e sistemi avionici, 2025/2026

EQUIPAGGIAMENTI

DI BORDO

E SISTEMI AVIONICI

Prof. Stesina

[Equipaggiamenti di bordo e sistemi aerospaziali | Andrea Massari]

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INDICE

1. TECNOLOGIE AVIONICHE p. 3

1.1. Hardware di bordo

1.2. Software di bordo

1.3. Digital Data Bus

1.4. Dispositivi ESD

1.5. Fibre Ottiche

2. SISTEMI DI SICUREZZA p.15

2.1. R.A.M.S. (fondamentali)

2.2. Guasti

2.3. Integrità

2.4. Ridondanza hardware

3. AVIONICA p. 23

3.1. Definizioni preliminari

3.2. Sistemi avionici

3.3. Ingegneria dei sistemi

4. FLIGHT DECK SYSTEMS p. 29

4.1. Display elettronici

4.2. Utilizzo dei display in cabina

4.3. Architettura dei display

4.4. Posizionamento dei display

4.5. Aircraft instruments

4.6. Electronic Flight Bag (E.B.F.)

4.7. Air Tra_ic Situation Unit (A.T.S.U.)

4.8. Sensori

4.9. Flight Control System F.C.S.

5. ONDE E.M. E TELECOMUNICAZIONI p. 47

5.1. Onde elettromagnetiche

5.2. Propagazione delle onde radio

5.3. Architettura generale

5.4. Segnale in banda base

5.5. Modulazione del segnale

5.6. Amplificazione del segnale

5.7. Trasmissione del segnale

6. SISTEMI DI COMUNICAZIONE p. 62

6.1. Scenari di comunicazione

6.2. Equipaggiamenti per le comunicazioni

6.3. Comunicazioni VHF

6.4. Comunicazioni HF

6.5. Comunicazioni SATCOM

6.6. Resoconto delle comunicazioni 2

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7. SISTEMI DI NAVIGAZIONE p. 71

7.1. Introduzione

7.2. Piano di volo IFR

7.3. Flight Management System F.M.S.

7.4. Modalità di navigazione

7.5. Aiuti radio alla navigazione

7.6. VHF Omnidirectional Range V.O.R.

7.7. Distance Measuring Equipment D.M.E.

7.8. Istrument Landing System I.L.S.

7.9. Microwave Landing System M.L.S.

7.10 Global Navigation Satellite System

8. SORVEGLIANZA E IDENTIFICAZIONE p. 104

8.1. Radar

8.2. Sistemi di sorveglianza ed identificazione

8.3. Radar meteo

8.4. Radar altimetro

8.5. Stazioni di terra

8.6. T.C.A.S.

8.7. ADS-B

8.8. Flight Warning System

8.9. Automatic Diagnostic System

9. SERVOMECCANISMI p. 122

9.1. Controllo a ciclo aperto

9.2. Controllo a ciclo chiuso

9.3. Prestazioni

9.4. Motori elettrici

9.5. Trasduttori 3

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1: TECNOLOGIE AVIONICHE

I sistemi integrati comprendono un processore integrato che fornisce controllo in tempo reale

dei sistemi; spesso non hanno nessuna interfaccia diretta (per interfaccia diretta si intendono

mouse, tastiere, …)

Prendendo per esempio la Line Replaceable Unit L.R.U. abbiamo che questa lavora anche in

ambienti resi ostili sia dalle condizioni interne che dai “disturbi” interni; esistono diversi

standard per le varie applicazioni che le LRU dovranno avere:

• C.O.T.S. (Component O+ The Shelf)

• Industrial

• Military

• Space

Ognuna di queste ha richieste, specifiche e prezzi di_erenti, con un componente che “o_ the

shelf” costa magari qualche decina di euro che invece per applicazioni militari o spaziali

arriva a costare centinaia di migliaia di euro; questo avviene a causa dei rigorosissimi test a

cui vengono sottoposti per verificarne la durabilità (come test ad “accelerata radiazione

intensa” che può costare da solo centinaia di migliaia di euro).

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1.1 Hardware di bordo

L’hardware di bordo può essere diviso in varie categorie, ognuna con una sua funzione

specifica.

1.1.1 CPU, Microprocessore e Microcontrollore

La Central Processing Unit C.P.U. a cui ci si riferisce anche come il “processore

centrale” è, possiamo dire, il cuore del computer; si occupa di recuperare ed eseguire

il file sequenza di istruzioni che esprime il software applicativo, eseguendo operazioni

e operazioni logiche sui dati, prendendo poi decisioni sui risultati di tali

aritmetiche

operazioni.

Abbiamo la Arithmetic and Logic Unit A.L.U. che svolge le funzioni aritmetiche e si può

rappresentare come segue:

1.1.2 Tecnologie di memoria

La memoria contiene la sequenza di istruzioni da eseguire fornendo spazio di

archiviazione per costanti, variabili di input, variabili intermedie e i risultati di output

del processo computazionale:

La R.A.M. (Random Access Memory) all'interno di un microprocessore

o fornisce l'archiviazione per i dati transitori e le variabili utilizzate da

programmi; è una memoria di tipo “read/write”, a di_erenza della ROM.

Parte della RAM viene utilizzata anche dal microprocessore come memoria

temporanea per archiviare i dati durante le attività di elaborazione. È da

sottolineare come qualsiasi programma, o dato, memorizzato nella RAM

andrà perso quando l'alimentazione verrà meno; l'unica eccezione a questo

caso è una memoria RAM CMOS a basso consumo che viene mantenuta in

“vita” tramite una piccola batteria e contiene dati come l'ora e data. La RAM

si può dividere in:

S.RAM (statica) che non necessita aggiornamenti e mantiene le

§ informazioni fin quando non vengono sovrascritte, o fin quando non

manca l’alimentazione

D.RAM (dinamica) che invece necessitano di un aggiornamento

§ periodico per non perdere il loro contenuto

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La R.O.M. (Read Only Memory) all'interno di un microprocessore fornisce la

o memorizzazione del codice del programma e di tutti i dati permanenti che

richiedono spazio di archiviazione; tutti questi dati vengono definiti non

volatili perché rimangono intatti anche quando l'alimentazione viene

disconnessa; inoltre, una volta programmata, la memoria ROM rimane solo

più leggibile, e non modificabile

La memoria flash ha una densità di bit più elevata e tempi di

o riprogrammazione più rapidi rispetto alla EEPROM, ma deve essere

cancellata in blocchi; è di utilizzo molto popolare per le schede di memoria

della fotocamera e chiavette USB, ed è una tecnologia adatta per

l'archiviazione di software applicativo nei computer dei sistemi avionici; il

limitato numero di cicli di scrittura (tipicamente <10 ) ne preclude tuttavia

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l'uso in sostituzione della RAM

Quando esprimiamo la quantità di spazio di archiviazione fornita da un dispositivo di

memoria, di solito usiamo Kilobyte (KB), Megabyte (MB), Gigabyte (GB), etc.

1.1.3 Input/Output

Sono tutti quegli strumenti che permettono di ricevere o inviare da/al computer, e

possono essere tastiere, mouse, display, casse audio e via dicendo

1.1.4 MUX e ADC

Con MUX (Multiplexer) intendiamo un generico termine usato per descrivere

l’operazione di mandare più comandi su una stessa linea di trasmissione.

L’A.D.C. (Analog to Digital Converter) è un sistema caratterizzato da un refresh rate e da

una latenza, oltre ad avere filtri di anti-aliasing.

Non tutti i sistemi dei velivoli hanno sistemi di controllo con frequenza continua: alcuni

si azionano solo dopo un determinato trigger (ad esempio estensione o retrazione del

carrello) e in questi sistemi prevalgono le latenze nei procedimenti; vi è quindi la

necessità di porre molta attenzione per assicurarsi che l’azione avvenga nel momento

e nel modo corretto, mantenendo comunque un “margine di manovra”.

In questo caso un malfunzionamento può portare a conseguenze inaspettate.

1.1.5 Tempo

La gestione e la “trasmissione del tempo” è un requisito fondamentale per la

sincronizzazione di più componenti, e sono numerevoli i sistemi che possono “tenere”

il tempo, come i GPS, i contatori interni al computer, gli oscillatori ultra-stabilizzati o i

timer analogici; i parametri più critici per la definizione di questa funzione “tempo”

sono: Il più piccolo incremento di tempo che può essere registrato per l’uso su un

o velivolo o a terra

Requisiti di stabilità, in quanto non ci devono essere oscillazione a_inché la

o misura del tempo sia stabile e a_idabile (orologi atomici)

Incertezza accettabile, in quanto si possono avere piccole incertezze causate

o da varie motivazioni 6

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Utilizzando processi in real-time, questo si può ancora suddividere in due categorie:

Hard real-time, che richiede un timing molto preciso per giungere ad un

o risultato attendibile

Soft real-time, che richiede solo che il “compito” sia eseguito in una maniera

o che rispetti il corso del tempo

Possiamo infine parlare del “Watchdog Timer” che è un dispositivo che si assicura che

hardware e software del computer funzionino a dovere; questo in quanto è necessario

verificare la corretta funzionalità di computer che hanno “grosse” responsabilità da

gestire, in modo da poter arginare un problema nel minor tempo possibile.

Questo timer deve essere resettato dal computer di bordo prima del “timing out” e, nel

caso questo non avvenisse, si procede con un riavvio del computer.

1.1.6 I “Bus”

La connessione tra tutti gli elementi del computer avviene attraverso un sistema a più

cavi connettivi, detti “bus”, di cui ne esistono tre tipi:

Address bus, che è utilizzato per indicare le posizioni in memoria

o Data bus, che è utilizzato per trasferire i dati tra i dispositivi

o Control bus, che si utilizza per trasferire il tempo e per controllare i segnali nel

o sistema

Il segnale, in ognuno di questi bus, è un numero binario costituito da bit di tipo 0 e 1.

I data bus utilizzati possono di_erire in base al numero di bit trasportati (da 8 ad anche

128 nei casi più sofisticati). Chiaramente, il numero binario più grande che può essere

trasportato corrisponde al caso in cui tutti i bit sono uguali ad 1. Mediante un numero

definito di bit, si definisce una word (solitamente di 16 bit). Il processore permette di

trasportare tali dati in modo sincronizzato ad un orologio, riferimento del computer.

L’orologio emette un segnale ad onda quadrata con altissima frequenza, derivata dalle

pulsazioni di un cristallo al quarzo. 7

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1.2 Software di bordo

Definito l’hardware di bordo, si parla ora del vero cuore dell’avionica. I software di bordo sono

la parte principale delle funzioni avioniche del velivolo. Le verifiche di funzionamento del

codice, in modo da correggere ogni possibile errore latente, hanno oggi un ruolo importante

nella procedura sistematica di progetto, oltre che nei costi. Per la buona programmazione, si

è stabilita una procedura standard detta C.M.M. (Capability Maturity Model) che incoraggia i

progettisti all’organizzazione di un buon codice.

Le tecniche utilizzate oggi sono molteplici, utilizzando linguaggi anche complessi (e non più

basilari come assembly). Normalmente, per software avionici viene accettato l’uso di C e di

C++; esistono anche tecniche di generazione automatica del codice che vengono validate se

accoppiate con compilatori certificati.

Per scrivere un codice abbiamo bisogno di alcuni strumenti applicativi:

• Compiler: traduce il source code in una forma più interpretabile dall’assembler,

controlla inoltre sintassi, punteggiature ed errori, generando avvisi

• Assembler: traduce ciò che arriva dal compiler in una sequenza binaria di numeri

(machine/object code) che identificano le specifiche azioni che la CPU dovrà

compiere, oltre ad altri dati

• Linker: unisce più machine code in un singolo eseguibile

• Loader: scrive il codice eseguibile all’interno degli assegnati slot di memoria della

CPU

Il codice deve essere trattato come ogni altra parte del velivolo, anche se non visibile e non

concreto; deve essere e_ettivo, a_idabile, riutilizzabile, facilmente interpretabile da terzi e

modificabile in maniera rapida.

Un software comprende: un codice eseguibile sui computer di bordo del velivolo, dati che

necessitano al programma, un sistema operativo incorporato nel computer di bordo.

Tutte queste componenti necessitano di aggiornamenti periodici per risolvere i problemi (più

o meno grossi) che possono emergere durante l’utilizzo software, infatti, può essere

responsabile di problematiche insignificanti ma anche di situazioni catastrofiche. I software

vengono quindi classificati in cinque livelli in base al danno che possono produrre fallendo.

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Il livello più alto di criticità è il livello A (conseguenze catastrofiche), mentre il livello E è quello

di minore criticità (conseguenze insignificanti).

La certificazione del software necessita che l’organizzazione di progetto mostri le evidenze

che il programma è stato progettato, testato ed integrato con l’hardware di bordo in modo

che siano soddisfatti determinati standard. Si deve inoltre dimostrare che il codice funzioni

all’avanzare della vita dell’equipaggiamento fisico. In seguito alla certificazione, viene

rilasciato anche il livello di criticità. Ogni volta che viene apportata una modifica o un

aggiornamento, l’iter è il medesimo ed il codice deve essere approvato con le stesse

procedure. Si consideri anche che un cambiamento nella configurazione hardware necessita

un cambiamento nel software. Cambiamenti nel progetto e nella configurazione richiedono

inoltre un ricalcolo di tutti i fattori di sicurezza; è quindi facile capire come il progetto

dell’informatica di bordo sia estremamente complesso. Altro punto chiave del software è che

esso sia sempre tracciabile e che ci sia una garanzia di intervento per le manutenzioni

future da parte del progettista. Possiamo distinguere due insiemi di codici:

• Kernel: questo è un software permanente all’interno della ROM ed è il primo pezzo

di codice che gira all’accensione del computer, performa le azioni di utilità ripetitiva

(programmare o interrompere dei compiti, diagnostica)

• Software applicativi: sono software specifici per la missione che eseguono azioni

stabilite da chi ha commissionato il progetto

I calcoli dell’avionica devono essere eseguiti in “real time” a ripetizione per evitare latenza dei

dati, instabilità nei loop, falsi errori o mancanza di completamento di un’azione

1.2.1 Linguaggi di programmazione

Un linguaggio di programmazione è l’insieme di comandi, funzioni ed indicazioni

necessari a scrivere in maniera corretta un codice; possiamo distinguerne due tipi

fondamentali:

Assembly language: questo è un linguaggio che impartisce comandi al

o computer al livello più basso possibile, ed è unico per ogni computer,

richiedendo quindi un’estesa conoscenza della materia

High Order Languages (H.O.Ls): questi richiedono un compiler in quanto

o sfruttano dei comandi base già “precompilati” e che quindi sono molto più

intuitivi da utilizzare (come Python, C, C++)

Possiamo anche parlare di “auto-code generation” che consiste in programmi che

generano automaticamente codice in base agli input dell’utente (Matlab, Simulink).

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1.3 Digital data bus

I Digital Data Bus sono mezzi di trasporto informatico atti al trasferimento, in forma digitale,

di informazioni tra computer. Solitamente sono composti da una coppia di cavi in rame

intrecciati ed isolati o, più raramente, da una fibra ottica. Le informazioni portate

comprendono messaggi (sotto forma di pacchetti di dati accorpati secondo determinati

protocolli) trasmessi in serie con il bus. I pacchetti di parole vengono inviati in seguito ad una

“command word” che li identifica, definendo il quantitativo di informazioni contenuto nel

pacchetto e altre informazioni sull’origine, sulla qualità e sulla destinazione. Per

comprendere se il messaggio è integro, si utilizzano alcuni bit di controllo e di validità.

Essendo necessari processi di encoding e di decoding per passare da dati a words e

viceversa è necessario prevedere possibili errori.

Possiamo avere tre diverse topologie di D.D.B. che sono: lineare (tutti i bus sono collegati ad

un solo “cavo”), a cerchio (bus disposti a cerchio collegati ognuno a quello successivo, a

stella (tutti i bus collegati ad uno centrale )

1.3.1 Vantaggi dei Digital Data Bus

I principali vantaggi di un Digital Data Bus sono:

Alta e\icienza: la trasmissione permette infatti di trasferire una grande quantità

o di dati utili rispetto alla quantità massima trasportabile da un bus

Bassa latenza: ci sono bassissime tempistiche di trasporto e non sono quindi

o responsabili di latenze

Approccio deterministico: i D.D.B. hanno un comportamento prevedibile e non

o probabilistico

Elevata integrità: gli errori vengono individuati e corretti, mantenendo quindi

o l’informazione integra

1.3.2 Protocolli

I Digital Data Bus utilizzano di_erenti protocolli, qui elencati:

Assegnazione di slot temporali: ad ogni terminale viene assegnato uno slot

o temporale predeterminato sul bus; un terminale deve attendere il proprio slot

temporale per prendere il controllo del bus e trasmettere

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Comando/risposta: un controllore di bus comanda tutte le transazioni sul bus;

o nessun terminale può trasmettere senza aver ricevuto il permesso dal

controllore; il fallimento del controllore principale può attivare un controllore

alternativo; tuttavia, può essere attivo solo un controllore per volta. Lo stato del

bus deve essere replicato in tutti i controllori del bus, in modo da poter