La rubrica CNIT TALK è curata dai Professori del CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni), il Consorzio formato da 37 università pubbliche italiane diretto dal Professor Nicola Blefari Melazzi, che organizza l’evento di riferimento per il settore 5G Italy. L’obiettivo è la divulgazione di contenuti originali sui temi principali del mondo digitale dal 5G, alla Blockchain, dall’IoT all’elettromagnetismo, di carattere scientifico, ma divulgativo, con l’obiettivo di disseminare l’attività del Consorzio via web. Per consultare tutti gli articoli clicca qui.
1) Il trasporto aereo sta riprendendo vigore dopo due anni di limitazioni. Come è garantita la sicurezza?
CNIT
Il problema della sicurezza dei voli si pose con il grande sviluppo dell’aeronautica negli anni tra i due conflitti mondiali, che vide la nascita delle compagnie aeree (KLM, 1919; Sabena, 1923; Dobrolet, 1923 – denominata Aeroflot nel 1932, Lufthansa, 1926, Ala Littoria, 1934 con costituzione, nel 1939, della Direzione denominata Linee Aeree Transcontinentali Italiane (LATI) per i voli a lungo raggio – Fig.1).
Dalla nascita dell’aeronautica fino alla prima guerra mondiale si volava esclusivamente di giorno e con il bel tempo e le velocità erano ridotte; ogni pilota aveva tutto il tempo di vedere il suolo, di vedere gli altri aerei e di essere visto; era dunque in grado di operare in sicurezza rispettando le regole dell’aria. Tali regole, derivate da quelle marittime, precisano chi ha il diritto di occupare un determinato volume di spazio aereo definendo le priorità e le manovre da compiere quando due aerei, che reciprocamente si vedono, rischiano di entrare in collisione. Ancor oggi in alcune porzioni dello spazio aereo è possibile il volo secondo le Visual Flight Rules (VFR) il cui principio base è “see and be seen”.
Tuttavia i voli commerciali (una categoria che include i voli di linea) operano secondo le Instrumental Flight Rules (IFR), cioè si basano su strumentazione dedicata alle funzioni di comunicazione, navigazione e sorveglianza (CNS).
Dal punto di vista dei mezzi tecnici per CNS, già dagli anni 1910 furono installati a bordo i primi sistemi radiotelegrafici in codice Morse (tale codice è stato abbandonato ufficialmente solo nel 1997), ai quali seguirono negli anni 1920 quelli radiotelefonici (ancora in uso sul canale aeronautico in gamma VHF). La coppia di ricetrasmittenti, di terra e di bordo, permetteva non solo il contatto radio a due vie con il centro di controllo ma anche la localizzazione angolare tanto di aeromobili da terra quanto di punti fissi (stazioni radio) dall’aeromobile. Il principio è quello del radiogoniometro che, grazie all’antenna direttiva (facilmente realizzata con avvolgimenti a spira) individua la direzione di massimo segnale, perpendicolare al fronte d’ onda emesso dal trasmettitore, rispettivamente di terra e di bordo.
I radiotelegrafisti di allora erano, quindi, personaggi chiave per la sicurezza del volo. La tecnica radiogonometrica è usata ancora (VHF Direction Finder , in breve VHF DF, Fig. 2).
Agli inizi degli anni 1930 il volo con gli strumenti (Pilotaggio Senza Visibilità) cominciò ad entrare nella pratica oggi corrente: la navigazione, o più esattamente la determinazione della posizione (positioning) ai fini della condotta del volo (guida, guidance) si faceva attraverso il radiogoniometro ad onde medie, sintonizzandosi su stazioni denominate Non-Directional Beacon (NDB) che trasmettevano in Morse.
Tuttavia i mezzi tecnici non bastano da soli a garantire un livello di sicurezza assegnato, per il quale occorrono opportune procedure e sistemi di controllo e gestione del traffico, la cui esigenza divenne chiara già nel 1910, con la prima collisione in volo tra 2 aerei nel cielo di Vienna. Nel 1919 fu creata l’ ICAN/CINA (International Commission For Air Navigation/Convention Internationale de la Navigation Aérienne – Parigi, 13 ottobre 1919) che aveva come fine di standardizzare le regole dell’aviazione. Gli USA non erano membri dell’ICAN ma nel 1927 misero in opera un programma per la creazione di un “Federal Airway System” accompagnato da una rete di installazioni radioelettriche al suolo. Nel 1930 la prima torre di controllo equipaggiata con radiotelefonia fu installata a Cleaveland (Ohio) e in altre 20 città nei 5 anni successivi. A partire dal 1932 tutte le compagnie aeree si equipaggiarono con stazioni di comunicazione radiotelefonica con i loro aerei ed ebbe quindi inizio il volo strumentale. Si stabilì così già nel 1936 un controllo d’approccio (APP) con tre centri di controllo: New York, Chicago e Cleaveland. In ogni centro venivano poste, su una grande carta raffigurante la regione controllata, delle segnalazioni rappresentanti le posizioni aggiornate degli aerei.
Nel 1936 l’utilizzazione dei 3 centri fu trasferita al governo federale e 5 nuovi centri furono costruiti nei mesi a seguire. Utilizzati dalle 12 alle 16 ore al giorno, essi controllarono 30.000 movimenti[1] nei primi dodici mesi dalla loro attivazione – oggi ne controllano alcuni milioni.
La divisione dell’ Europa in numerosi Stati di estensione molto minore di realtà come USA ed URSS ed il loro scarso coordinamento è stato uno dei principali motivi della supremazia USA nell’ area del controllo del Traffico Aereo (Air Traffic Control– ATC), testimoniata tra l’altro dall’uso universale (salvo che nella precedente Unione Sovietica) delle unità di misura anglosassoni derivate dalla navigazione marittima[2] .
Alla fine della seconda guerra mondiale apparve evidente la necessità di una standardizzazione internazionale di tutti i mezzi di navigazione, di comunicazione e di controllo (Convenzione di Chicago sull’aviazione Civile Internazionale, 7 dicembre 1944). Pertanto, sulla scia dell’ONU, si costituì nel 1946 una Organizzazione Internazionale dell’Aviazione Civile Provvisoria (PICAO). Essa divenne ufficiale nel 1947 dopo la ratifica della maggior parte dei Paesi del mondo, con il nome di Organizzazione dell’Aviazione Civile Internazionale (OACI), o più comunemente di International Civil Aviation Organization (ICAO), Fig. 3, la cui sede è a Montreal, ed alla quale aderiscono 193 Stati (tutti quelli dotati di almeno un aeroporto internazionale).
Dal 2020, il presidente del Consiglio dell’ICAO è l’italiano Salvatore Sciacchitano.
La definizione originale di Controllo del Traffico Aereo, chiara e concisa come molte altre definizioni ICAO, è la seguente:
The Air Traffic Control Service, a service provided for the purpose of :
1. preventing collisions
2. expediting and maintaining an orderly flow of traffic
Questa definizione – oggi pienamente valida – indica gli scopi dell’ ATC: anzitutto la sicurezza (evitare collisioni tra aeromobili e tra un aeromobile ed ostacoli fissi), poi la speditezza (rendere fluido e ordinato il traffico aereo). Gli obiettivi ed i servizi che li realizzano sono mostrati nella tabella che segue.
Obiettivi e Servizi dell’ Assistenza al volo
| OBIETTIVI | SERVIZI |
| A. prevenire le collisioni fra aeromobili | Servizio di Controllo del Traffico Aereo (Air Traffic Control, ATC) D. fornire consigli ed informazioni utili alla sicura ed efficiente condotta dei voli |
| B. prevenire le collisioni fra aeromobili ed ostacoli sull’area di manovra | Servizio Informazioni di Volo (FIS, Flight Information Service) E. notificare alle appropriate organizzazioni gli aeromobili che necessitano di ricerca e soccorso, ed assistere tali organizzazioni |
| C. incrementare e mantenere un flusso ordinato del traffico aereo | Servizio di Allarme (ALRS, Alerting Service) |
Per controllare il traffico aereo occorre organizzarlo, ovvero far seguire determinate rotte, passare per determinati punti, (vedere le Figg. 4 e 5), volare a determinate altitudini concordate con l’ATC.
2) In sostanza, quanto è sicuro il trasporto aereo?
CNIT
La evidente priorità data alla sicurezza è tuttora parte integrante e fondamentale della “cultura aeronautica” in generale, grazie alla quale, malgrado la maggiore criticità di un mezzo aereo rispetto ai mezzi terrestri e navali (i quali possono fermarsi in sicurezza), il trasporto aereo è intrinsecamente e statisticamente sicuro. L’organizzazione descritta in precedenza permette ai controllori di volo di fare in modo che due aerei non siano mai allo stesso tempo nello stesso punto. Naturalmente, errori sono sempre possibili, ed è possibile valutare a livello teorico il rischio di una collisione aerea, e da esso il numero medio (più esattamente, il valore atteso del numero) di collisioni aeree per anno. Studi di tale tipo fatti negli anni 1970 e 1980 hanno mostrato che in aree ad alta densità come l’Europa occidentale l’ATC riduce il rischio di collisioni di due o tre ordini di grandezza: in assenza di ATC, con voli “assolutamente liberi”, si avrebbero centinaia di collisioni per anno, con un costo sociale inaccettabile.
L’ obiettivo di sicurezza del ATC è valutato tramite il Target Level of Safety (TLS) eguale alla probabilità di una collisione tra due aeromobili per unità di tempo (si assume di solito un tempo di un’ ora oppure, riferendosi a un tipico volo europeo, di un’ora e mezza); dato che la densità di probabilità dell’errore di navigazione non si annulla mai completamente essendo dotata di “code”, non è possibile porre TLS = 0 (obiettivo teoricamente raggiungibile solo imponendo separazioni – spaziali o temporali- infinitamente grandi tra gli aeromobili), e ci si deve accontentare di valori molto bassi , tipicamente intorno a 10-8. Moltiplicando il TLS per il numero di movimenti annui si ottiene il valore atteso del numero di incidenti all’ anno; ovviamente quest’ ultimo – che è quello “percepito” dalla pubblica opinione – deve essere mantenuto (ed in effetti, è) molto piccolo, dell’ordine delle unità. Col crescere del traffico (gli incrementi medi annui su scala globale sono tra il 5% ed il 6%, con valori a due cifre in estremo oriente) è necessario quindi abbassare il TLS, cioè migliorare ulteriormente la sicurezza. Su scala globale, e relativamente ai voli “controllati”, si sono avute circa 36 milioni di ore di volo per anno del 1992 (per le quali è adeguato un TLS di 4×10-8) e quando lo ore potranno arrivare a 150 o 200 milioni il TLS dovrà scendere verso valori minori di 10-8, ad esempio 5 x 10-9 “gate to gate” per un tipico volo europeo di durata un’ora e mezza. Ovviamente un incremento del traffico non è compatibile con un aumento delle separazioni per ridurre il TLS: con l’aumento del traffico occorre migliorare continuamente le prestazioni delle infrastrutture tecnologiche CNS (Comunicazioni, Navigazione e Sorveglianza) .
Considerando che, nel decennio 1991-2000, si sono avuti 112 incidenti aerei catastrofici (che hanno causato complessivamente 7282 vittime) e che, nello stesso periodo solo due di questi, (per un totale di 506 vittime) sono state attribuiti a collisioni in volo, cioè quelle che riguardano l’ATC, si può notare come il pericolo di mid-air-collision non ci dovrebbe intimorire quando si prende un aereo: il Level of Safety “misurato” è sotto 10-8. Si noti che l’ordine di grandezza 10-8 per un’ora è lo stesso che definisce – a livello di progetto – l’affidabilità della componente aeronautica per i guasti catastrofici, p.es. la “piantata” prima di un motore e poi dell’altro in un aereo bimotore[3].
Per completare l’analisi del livello di sicurezza, alle collisioni in volo ed ai guasti a bordo vanno aggiunti gli incidenti a terra, nelle fasi di rullaggio, purtroppo spesso fatali, che riguardano il controllo del traffico superficiale di aerodromo (SMGCS: Surface Management Guidance and Control System).
Un incidente di questo tipo ha comportato il più grave disastro dell’ aviazione commerciale, quello detto “Tenerife”. Il 27 marzo 1977 in condizioni di scarsa visibilità sulla pista dell’aeroporto Tenerife-Norte Los Rodeos Airport (TFN/GCXO) una collisione tra due B747, della KLM e della Pan Am, causò 583 vittime.
Nel complesso, in Europa e precisamente nell’ area ECAC i movimenti in 20 anni, tra il 1980 e il 1999, sono circa 165 milioni (mediamente, 8 milioni all’ anno, ovvero 4-6 milioni di voli, da un sesto a un ottavo dei voli a livello globale) e gli incidenti “catastrofici” con vittime e/o perdita dell’ aeromobile nello stesso periodo sono di poche unità (tra 0 e 4) all’anno, con un totale di totale 52 nei 20 anni. Quelli meno gravi, senza vittime né perdita del mezzo sono 575 per un totale di 627.
Quindi nell’area ECAC[4] il tasso di incidenti catastrofici a terra in 20 anni, tra il 1980 e il 1999 è circa 3.15×10-7 (cioè 52/165×106) per movimento; alcuni studi USA hanno fornito un valore vicino, anche se superiore, a quello europeo, e precisamente 5.4x 10-7 per operazione (circa costante negli USA nel periodo 1986–1996).
In anni assai più recenti sembra emergere un diverso, insidioso tipo di disastro aereo, quello causato deliberatamente da un pilota. Il volo MU-5735 di China Eastern era decollato dall’aeroporto di Kunming Changshui il 21 marzo 2022, poco dopo le 13 locali (le 6 in Italia) diretto a Guangzhou; il Boeing 737-800, perfettamente funzionante e con l’equipaggio in condizioni idonee al volo, aveva bruscamente perso quota circa un’ora dopo il decollo senza lanciare allarmi o segnali, passando dalla regolare navigazione in quota ad un’improvvisa discesa fino allo schianto sull’area montuosa del Guangxi; alle 14.23 il radar di terra aveva smesso di ricevere segnali fino alla parte finale del volo in picchiata e dell’impatto. Recentemente, secondo una valutazione preliminare fatta da funzionari Usa sulle cause della tragedia costata la vita a 132 persone, la sola spiegazione ragionevole (anche se umanamente incredibile) è un atto deliberato del pilota. Tra le rarissime catastrofi dalle cause sconosciute è impossibile non ricordare quella del volo Malaysia Airlines 370 (operato da un Boeing 777-200ER, e diretto da Kuala Lumpur e Pechino) che l’8 marzo 2014 scomparve dai sistemi di localizzazione e fu dichiarato disperso.
In conclusione, i dati tecnici e statistici indicano che il trasporto aereo resta uno dei più sicuri, con livelli di sicurezza assai migliori di quelli di altri modi di trasporto come quello su strada. Probabilmente andando in automobile dalla città all’aeroporto di Roma Fiumicino attraverso un tratto di Grande Raccordo Anulare si corre un rischio ben superiore a quello del volo sul quale ci si va ad imbarcare. Certamente c’è spazio per ulteriori miglioramenti nel ATM- Air Traffic Management, Fig. 6, nelle infrastrutture CNS e in ulteriori aspetti messi in luce da fatti recenti come quelli accennati sopra, tra i quali il controllo dei voli oceanici (fuori dalla copertura radar) e la prevenzione (con adeguati strumenti psicologici) e mitigazione (oggi è tecnicamente proponibile un controllo remoto di un volo) di eventuali gesti inconsulti o criminali da parte dell’equipaggio o dei passeggeri.
3) Infine, che ruolo gioca la ricerca e sviluppo nell’evoluzione del trasporto aereo? Quali sono le proncipali fonti per approfondire ?
CNIT
Per gli elevatissimi standard di sicurezza e per la sua natura globale, il sistema di trasporto aereo evolve secondo il detto “Evolution, not Revolution”, e quindi in modo graduale, sotto stretto controllo da parte delle autorità internazionali competenti e con le industrie allineate. Questo tipo di evoluzione differenzia gli sviluppi del sistema di controllo e gestione del traffico aereo ed aeroportuale da quelli di altri settori “rampanti” come i nuovi servizi su Internet, l’ Internet globale basata su costellazioni satellitari, la Block Chain e le cripto valute, le comunicazioni mobili massive tra persone e tra oggetti, etc. e le differenzia pure dai settori “auto dichiarati rampanti” come, per citarne solo un paio, la quantum information (nelle sue tre successive declinazioni che risalgono ai primi anni 1980 – quaranta anni orsono- : crittografia, comunicazioni, calcolo) e la fusione nucleare controllata (studi iniziati con i primi esperimenti Tokamak di settanta anni orsono e nessuna produzione di energia ad oggi).
Fatta questa doverosa premessa, la comunità scientifica nazionale ed internazionale è da tempo impegnata sul CNS/ATM cioè sia sul fronte delle infrastrutture di Comunicazione, Navigazione e Sorveglianza che su quello “sistemistico” dell’ Air Traffic Management. Nel secondo prevalgono i metodi di Ricerca Operativa, mentre il primo, maggiormente “tecnologico” si colloca nell’Ingegneria dell’Informazione (Elettronica, Telecomunicazioni…). In tale quadro si osserva pure un crescente interesse per il traffico aeroportuale (aeromobili in rullaggio e mezzi di servizio) ed i relativi strumenti di gestione (Advanced –SMGCS, vedere la tabella seguente e la Fig. 7).
Un importante tema innovativo per l’ATM riguarda le nuove procedure che permettono all’aeromobile una sempre maggiore libertà della scelta della rotta ottimale (free route) con risparmio di tempo e di carburante e con una riduzione “senza costi aggiuntivi” dell’inquinamento. Queste procedure di volo sono possibili in una parte dedicata dello spazio aereo chiamata free route airspace (FRA) che in Europa è progressivamente ampliata nei functional airspace blocks Central Europe (FAB CE).
Riguardo le infrastrutture CNS, in particolare quelle di sorveglianza, va citato il sistema cooperante automatico denominato Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B) basato sulle emissioni periodiche del dato di navigazione da parte dell’aeromobile e lo – spesso collegato- sistema non cooperante della Multilaterazione (MLAT). Il sistema di multilaterazione può essere visto come un’integrazione o un’estensione del sistema ADS-Bsul quale varie organizzazioni stanno investendo; rispetto all’ADS-B esso presenta il vantaggio dell’indipendenza del dato di navigazione di bordo. La MLAT è estensivamente utilizzata per la sorveglianza del traffico sul sedime aeroportuale e, nella versione Wide Area (WAM), del traffico aereo nello spazio aereo, in particolare in quello di avvicinamento. Il principio della MLAT è quello della localizzazione iperbolica mostrato nella Fig. 8.
Sui temi CNS/ATM la comunità scientifica nazionale ed il CNIT in particolare sono da tempo attivi come testimoniato anche da Convegni internazionali organizzati , tra i quali, per ATM, la serie che è iniziata con ATM-99 , 26-30 settembre 1999, e per CNS, la serie Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles: ESAV’08, ’11 e ’14 a Capri. Oltre agli atti di questi e di altri convegni, chi fosse interessato agli aspetti di base può consultare, oltre alla ricca bibliografia in lingua inglese, i testi didattici, editi da Texmat nel 2009, sui Sistemi di Rilevamento e Navigazione:
https://shop.texmat.it/products/view/sistemi-di-rilevamento-e-navigazione
e sui Sistemi Radar:
https://shop.texmat.it/products/view/sistemi-radar
Note
[1] Un movimento è un tragitto aereo; per un aeroporto, un movimento è decollo o un atterraggio. Giuridicamente, un volo passeggeri inizia con la chiusura delle porte d’imbarco e termina con l’uscita dell’ultimo passeggero.
[2] Esse sono:
- Per le distanze orizzontali, il miglio marino oNautical Mile (N.M. o n.mi.) eguale a 1852 m (cioè la lunghezza, arrotondata, di un minuto d’arco sull’ Equatore : 1851,85 = 4 x 10^7 /(360×60).
- Per le altezze rispetto ad una superficie di riferimento (p.es. quella marina), il piede o foot abbreviato in ft , pari a 12 pollici (un pollice =2,5400 cm, un piede = 0,3048 m).
Conseguentemente le velocità orizzontali sono espresse in miglia marine all’ ora o nodi (knots, abbreviati in kts) : 1 nodo = 1,852 km/h.
[3] Allo scopo di rispettare il livello di sicurezza complessivo (ATC + aeromobile) i voli transoceanici con aerei a due motori seguono rotte “prossima ad aeroporti” cioè tali che nel raro caso di avaria di un motore il pilota può continuare il volo con un solo motore ed atterrare in emergenza in non più di 120 minuti dal guasto (l’avaria del secondo motore entro 120 minuti dal primo ha probabilità – molto bassa – compatibile col TLS.
[4] L’ ECAC (European Civil Aviation Conference) è un organizzazione intergovernativa con 42 Stati membri fondata nel 1955. Il suo mandato è la promozione lo sviluppo di un sistema di trasporto aereo sicuro, efficiente e sostenibile attraverso l ’armonizzazione delle politiche e delle pratiche dell’Aviazione civile tra gli Stati membri e la collaborazione tra gli Stati Membri e le altre parti del mondo.
