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    Salvatore PONTE

    Insegnamento di SISTEMI AVIONICI DI NAVIGAZIONE AEROSPAZIALE

    Corso di laurea in INGEGNERIA AEROSPAZIALE, MECCANICA, ENERGETICA

    SSD: ING-IND/05

    CFU: 6,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 48,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    L’aviation electronics (o avionics, “avionica”) e i sistemi avionici, ossia i sistemi di un velivolo dipendenti dall’elettronica per il loro funzionamento, assumono nei moderni velivoli militari e per l’aviazione generale una posizione dominante: l’incidenza dei sottosistemi avionici può variare dal 30% al 75% del costo del velivolo. Displays a colori, sistemi GPS/GNSS, equipaggiamento per comunicazioni radio, sistemi per il flight control, sistemi di radionavigazione e flight management sono solo alcuni esempi di funzionalità dei sistemi avionici di bordo, e richiedono un approccio interdisciplinare.

    Il corso si propone di offrire le competenze di base sull’avionica di bordo dell’aviazione civile e militare, presentando gli aspetti progettuali, a livello di sistema, delle funzioni principali (CNS, Communications, Navigation, Surveillance) che un generico sistema avionico è chiamato ad assolvere, descrivendone le caratteristiche essenziali, i dispositivi utilizzati per realizzarle, i dati che i diversi sottosistemi si scambiano, ed i principi matematici ed ingegneristici caratterizzanti.

    I concetti fondamentali dei sistemi avionici di comunicazione, e le relative competenze di base (elementi di elettromagnetismo, antenne, teoria elementare dei segnali) sono altresì sviluppati nel corso. Il corso offrirà anche una panoramica tra alcune delle tipiche funzioni dei sistemi avionici, analizzandone alcune realizzazioni pratiche su velivoli in esercizio (A320, B787):

    - Procedure di comunicazione e standards;

    - Bus di trasmissione dati;

    - Identificazione e sorveglianza;

    - Navigazione e controllo del volo;

    - Gestione del velivolo;

    - Interfaccia uomo-macchina e displays, elaborazione dati.

    Testi di riferimento

    Materiale didattico (dispense) in formato pdf preparato dal docente

    Obiettivi formativi

    Il corso è finalizzato a fornire all’allievo i fondamenti teorici e pratici dei sistemi avionici per applicazioni CNS.

    Conoscenza e capacità di comprensione: Lo studente deve dimostrare di conoscere e saper comprendere le problematiche relative alla comunicazione di segnali con onde elettromagnetiche, e ai principali sistemi di navigazione aeronautica.

    Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente deve dimostrare di saper utilizzare i concetti acquisiti e gli strumenti necessari per l’analisi dei sistemi avionici.

    Autonomia di giudizio: Lo studente deve essere in grado di sapere valutare in maniera autonoma le situazioni diverse da quelle standard presentate dal docente durante il corso e di adottare le migliori metodologie risolutive.

    Abilità comunicative: Lo studente deve avere la capacità di presentare un elaborato relativo a argomenti di Avionica utilizzando correttamente il linguaggio scientifico.

    Capacità di apprendimento: Lo studente deve essere in grado di aggiornarsi continuamente, tramite la consultazione di testi e pubblicazioni (anche in inglese) allo scopo di acquisire la capacità di approfondire gli argomenti del settore dell’Avionica.

    Prerequisiti

    Analisi 2, Elettrotecnica

    Metodologie didattiche

    Lezione frontale interattiva

    Metodi di valutazione

    L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati. L’esame consiste di una prova orale durante la quale sono verificate le conoscenze e le competenze acquisite dallo studente.
    Si riporta di seguito la griglia di valutazione della prova orale


    PADRONANZA DEI CONTENUTI DELLA DISCIPLINA
    12-14 Ampia, approfondita e interdisciplinare
    10-12 Esauriente e organica con collegamenti
    8-9 Conoscenze fondamentali utilizzate in modo appropriato
    5-7 Conoscenze basilari usate in modo ripetitivo
    3-4 Preparazione disorganica e poco argomentata
    1-2 Conoscenze insufficienti
    0 Nessuna conoscenza

    CAPACITA' DI TRASMETTERE I CONTENUTI
    11-12 Ottima capacità motivazionale e comunicativa verbale, esposizione chiara e completa
    9-10 Buona capacità motivazionale e comunicativa verbale, abilità di esposizione adeguata
    7-8 Discreta capacità motivazionale e comunicativa verbale, abilità espositiva sufficiente
    5-6 Sufficiente capacità motivazionale e comunicativa verbale, esposizione non sempre chiara e organica
    3-4 Carenti capacità motivazionale e comunicativa verbale, esposizione non sempre chiara e organica
    1-2 Competenze comunicative e relazionali carenti
    0 Competenze comunicative nulle

    COMPETENZA SULLA LINGUA
    4 Si esprime in maniera chiara ed articolata senza imperfezioni formali
    3 Si esprime in maniera chiara ed appropriata con pochi errori grammaticali e lessicali
    1-2 Si esprime in maniera semplice, ma comprensibile anche se con alcuni errori non gravi.
    0 Si esprime con gravi errori grammaticali

    TOTALE /30

    L'esame si intende superato se il candidato raggiunge il punteggio minimo di 18/30.

    Programma del corso

    I. Concetti introduttivi: metodi e tecniche di navigazione aerospaziale, applicazioni e requisiti di navigazione, sensoristica dei sistemi avionici di navigazione, panoramica sui sistemi avionici moderni.
    2. Elementi di navigazione terrestre e cartografia aeronautica: geodetiche, waypoints, ortodromia e lossodromia, proiezioni UTM e Lambert, tipologie di cartografia aeronautica.
    3. Terminologia generale di navigazione.
    4. Elementi di elettromagnetismo, antenne e propagazione. Campi elettromagnetici, equazioni di Maxwell. Dipolo elementare, diagramma di irradiazione, 3-dB beamwidth, guadagno e direttività. Allineamenti di antenne. Propagazione di onde elettromagnetiche.5. Segnali e modulazione. Segnali analogici e digitali, modulazione di ampiezza (AM-DSB-SC e AM-DSB-TC) e di frequenza (PM, FM), multiplazione (TDM, FDM, CDMA).
    6. Navigazione dead-reckoning e radar doppler. Schemi DR, effetto Doppler e modello matematico. Radar Doppler, geometria e modello matematico. Radar FM-CW, pulse Doppler Radar, radioaltimetri.
    7. Non-Directional Beacon (NDB), Automatic Direction Finding (ADF). Principio di funzionamento di un sistema ADF, radiogoniometri, rilevamenti.8. VHF Omnirange (VOR), Doppler VOR. Dimensionamento di una ground station VOR, Alford loop, segnali di riferimento e variphase. Accuratezza dei sistemi VOR, dimensionamento di un sistema D-VOR e principio di funzionamento.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Aviation Electronics (or Avionics) and avionics systems, i.e. the subsystems of an aerospace platform depending on electronic components, play a fundamental role in modern civilian and military aircrafts, representing 30% (or, in some military aircrafts, up to 75%) of the overall vehicle cost. Color displays, GPS/GNSS systems, equipment for radio communications, flight control systems, radionavigation and flight management systems are only some examples of onboard avionics systems. Their study requires obviously an interdisciplinary approach.

    The course aims to build up the necessary knowledge base on avionics civilian and military systems, presenting the main design issues and the basic functionalities of such systems (CNS, Communications, Navigation, Surveillance), describing the principal characteristics, the hardware architectures, the data exchange techniques, and the engineering mathematical principles underlying each avionics system.
    Therefore, some basic concepts of radio communication systems, signal theory, electromagnetism and antennas are dealt with in the course.

    An overview of some typical functions developed by avionics systems will be presented as well, analyzing practical realizations of avionics systems onboard modern aircrafts (A320, B787):

    - Communication procedures and adopted standards;

    - Data buses;

    - Identification and surveillance systems;

    - Navigation and flight control;

    - Aircraft management;

    - Human-machine interface and displays, data handling.

    Textbook and course materials

    Didactic material prepared by the lecturer and provided to the students

    Course objectives

    The course is designed to provide the student with the theoretical and practical foundations of avionics systems for CNS applications.

    Knowledge and understanding: The student must demonstrate knowledge and know how to understand the issues related to communication systems and the main aeronautic navigation systems.

    Ability to apply knowledge and understanding: The student must demonstrate that he is able to use the acquired concepts and the tools necessary to analyze an avionics system.

    Making judgments: Students must be able to autonomously evaluate situations different from the standard ones presented by the teacher during the course and to adopt the best solution methods.

    Communication skills: The student must have the ability to present a paper related to avionics systems using correctly the scientific language.

    Learning skills: The student must be able to update himself continuously, through the consultation of texts and publications (also in English) in order to acquire the ability to deepen the topics of the Avionics systems field.

    Prerequisites

    Calculus II, Electric Systems

    Teaching methods

    Interactive frontal lecture

    Evaluation methods

    The objective of the exam is to check the level of achievement of the training goals previously indicated.
    The exam consists of an oral examination during which students shall discuss several aspects of Avionics.
    The exam is passed if the candidate reaches the minimum score of 18/30.

    Course Syllabus

    1. Introductory concepts: methodologies and techniques of aerospace navigation, applications and requirements for navigation, sensor systems, overview on modern avionics systems.2. Fundamentals of terrestrial navigation and aeronautic cartography: geoetics, waypoints, rhumb-line navigation and orthodrimic navigation, UTM and Lambert projections, classification of aeronautic cartography.3. General navigation terminology.4. Fundamentals of electrodynamics, antennas and propagation: electromagnetic fields, Maxwell's equations, elementary dipole, radiation pattern, 3-dB beamwidth, gain and directivity. Antenna arrays. Propagation of electromagnetic waves.5. Signals and modulation schemes. Analog and digital signals, amplitude modulation (AM-DSB-SC and AM-DSB-TC), phase and frequency modulation (PM, FM), multiplexing (TDM, FDM, CDMA).6. Dead-reckoning navigation and Doppler radar. Geometry and mathematical models for DR navigation, Doppler effect. Doppler radar, observation geometry, mathematical models, accuracy, Radar FM-CW, Pulse Doppler Radar, Radioaltimeters.7.Non-Directional Beacon (NDB), Automatic Direction Finding (ADF).8. VHF Omnirange (VOR), ground stations, Alford loop, reference and variphase signals. Accuracy of VOR measurements. D-VOR systems, principle of operation.

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