Modelli di simulazione dinamica, leggi di controllo e strategie di Sense and Avoid per un Remotely Piloted Air System (RPAS)

Per la trattazione di questo argomento, si è partiti dalla definizione di alcuni concetti chiave:

Intruder – un velivolo, o più in generale un ostacolo, che potenzialmente può entrare in conflitto con l’RPAS se almeno uno dei due non corregge la propria traiettoria. Esistono essenzialmente due tipi di velivoli intruder che devono essere rilevati dagli UAV: cooperativi e non cooperativi.

Velivoli cooperativi - trasmettono un segnale tramite ricetrasmettitori di bordo, quali ad esempio transponder.

Velivoli non cooperativi - non trasmettono alcuna informazione radio sulla propria presenza: alianti, aerostati, ma anche ostacoli al suolo, ad esempio mezzi di trasporto di terra, costruzioni, etc.

Self Separation – Funzione del sistema SAA che, nel rispetto delle regole di separazione del traffico aereo, permette all’UAV di operare in modo da prevenire una manovra di Collision Avoidance.

Collision Avoidance – Funzione che permette di eseguire opportune azioni, volte a prevenire ad un generico intruso di penetrare nel volume di collisione dell’UAV. Si attiva nel momento in cui la funzione Self Separation fallisce.

Well Clear – Condizione dell’aeromobile, in termini di posizione e velocità, per la quale la probabilità di collisione in aria è ad un livello accettabile per l’ente responsabile della sicurezza nello spazio aereo in cui l’UAV sta operando. In tali condizioni, si è capaci di mantenere una distanza di sicurezza dagli altri aeromobili così da non causare l’inizio di una manovra di elusione di collisione.

Dichiarazione di minaccia – Evento in cui un intruso è proiettato a penetrare il volume di collisione entro un definito tempo. L’intruso viene dichiarato come minaccia di collisione.

Collision Volume – Volume cilindrico di spazio aereo, centrato e solidale con l’UAV, di raggio e altezza verticale fissati, all’interno del quale evitare una collisione può essere considerata solo una questione di fortuna. La possibilità che una collisione tra due aeromobili avvenga all’interno di questo volume è assunta pari a 1 su 10.

Waypoint - Punto di riferimento nello spazio fisico utilizzato per la navigazione. Nella navigazione aerea di solito è individuato dalle coordinate: longitudine, latitudine e altitudine. Tuttavia, nel seguito della trattazione, si utilizzeranno per comodità le coordinate Nord, Est e quota.

I volumi di controllo definiti precedentemente vengono quindi riportati graficamente riportati in Fig. 3.1 [10]. Un sistema SAA deve fornire due principali funzioni, agenti in serie: la Self Separation e la Collision Avoidance. Queste due funzioni permettono di soddisfare i requisiti del sistema SAA che devono essere compatibili con la condotta degli aeromobili operanti nello spazio aereo.
La Self Separation deve garantire che l’UAV sia opportunamente distanziato dagli altri elementi del traffico aereo, in modo da diminuire il rischio di collisioni. Nel caso in cui questa funzione fallisca, interviene la Collison Avoidance per realizzare una manovra detta “dell’ultimo momento”, evitando la penetrazione di un intruso all’interno del volume di collisione.

In generale, è desiderabile che qualsiasi sistema SAA sia provvisto sia della funzione Self Separation che della funzione Collision Avoidance, ma questo potrebbe anche non essere necessario alla luce di alcuni fattori. Nel nostro caso, volendo semplificare il problema, si adotterà come unico requisito necessario quello relativo alla funzione Self Separation. Tale funzione riceve i dati di input attraverso il sistema Sense e comanda una ripianificazione della rotta di volo nel breve termine, definita in termini di waypoints. Questa, inoltre, non deve limitarsi a fornire una traiettoria generica di Avoid, ma deve anche essere in grado di determinare la traiettoria ottima attorno agli ostacoli, basandosi su opportune logiche che saranno illustrate di seguito.