RICERCA ITALIANA     

Architetture e componenti per la navigazione aerospaziale

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

La ricerca proposta verte sulla definizione, l'analisi delle prestazioni, la realizzazione e la sperimentazione di sistemi di navigazione integrati costituiti da sensori di differente natura, e principalmente da ricevitori satellitari (attualmente per il sistema GPS), centrali inerziali e sistemi ottici (navigazione per riconoscimento di immagini). La selezione dei differenti sensori per questi sistemi integrati sarà svolta utilizzando un innovativo algoritmo per l'ottimizzazione multiobiettivo: i sistemi di navigazione, grazie alla possibilità di definire in maniera quantitativa le funzioni obiettivo, costituite da accuratezza, disponibilità spaziale e temporale e integrità della soluzione, si pongono infatti quale campo di applicazione ideale per questa tecnica. L'esperienza del gruppo di ricerca consente inoltre una scelta opportuna e ponderata delle condizioni di vincolo, rappresentate dai limiti legati all'utilizzo a bordo di una cellula aerospaziale. Le architetture dei sistemi definite tramite questa procedura costituiranno un insieme dal quale scegliere il sottosistema adatto per l'impiego a bordo delle differenti categorie di veicoli aerospaziali e per le differenti tipologie di missione. Un campione dei sistemi così individuati, e in particolare quello legato ad applicazioni più confacenti ai limiti di un progetto di ricerca, verrà poi portato al livello di realizzazione prototipale e imbarcato su piattaforme appositamente acquisite e/o realizzate. L'implementazione pratica, con la risoluzione dei connessi problemi a livello sia hardware che software, è capace di generare una notevole crescita del know-how specifico dei gruppi di ricerca e, soprattutto, può convalidare la metodologia di progetto adottata. I dati sperimentali permettono di modificare il processo di selezione dei sensori e di migliorare l'algoritmo sulla base dell'esperienza, mentre l'estrapolazione dei risultati ottenuti con le piattaforme più semplici consente di indicare una possibile estensione dei risultati ottenuti teoricamente alle piattaforme più complesse e di avanzate prestazioni, per le quali realizzazione e prove esulano dai limiti del programma. L'implementazione pratica coinvolge inoltre i temi di ricerca dell'integrazione ottima dei dati e della stima in sistemi a ingresso multiplo, la cui corretta analisi e applicazione sarà elemento indispensabile per il buon funzionamento dell'hardware realizzato. Le conoscenze acquisite sui sensori sono poi completate dalla contemporanea attività di ricerca focalizzata sui ricevitori satellitari software: la riconfigurabilità fa infatti dei ricevitori software un ideale strumento di ricerca, adatto tanto all'analisi di differenti tecniche di navigazione quanto alle operazioni in un sistema integrato, ove vengono mantenuti i pregi e bilanciati i punti deboli dei differenti sensori. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giovanni Battista PALMERINI Universita' degli Studi di ROMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La navigazione - determinazione dello stato cinematico - dei veicoli aerospaziali viene condotta sempre più attraverso l'integrazione di sistemi di differente natura (radioaiuti basati al suolo, radionavigazione satellitare, navigazione per immagini, navigazione inerziale..) in combinazioni differenti a seconda della piattaforma e del tipo di missione. Questo programma di ricerca si propone di individuare, realizzare e provare sperimentalmente configurazioni ottime per prestazioni (accuratezza, disponibilità temporale e spaziale, integrità della soluzione di navigazione fornita) e impatto progettuale (minori requisiti imposti dal sottosistema in termini di massa, volume, potenza, vincoli alla configurazione quali posizionamento di antenne e di obiettivi ottici). L'identificazione delle configurazioni verrà svolta tramite un algoritmo innovativo, ed estesa, variando opportunamente i requisiti, a una vasta classe di piattaforme aerospaziali (velivoli non pilotati, palloni aerostatici, aeroplani per l'aviazione generale, commerciali e acrobatici/militari, sistemi di lancio, satelliti, rover per l'esplorazione planetaria) e ad un insieme esaustivo delle loro principali tipologie di missione. Tramite questa operazione verranno definiti nei vari casi le combinazioni di sensori, e le relative caratteristiche, più adatte. Un sottoinsieme di queste soluzioni, indirizzato a piattaforme di più agevole utilizzo sperimentale, verrà condotto attraverso le fasi del progetto, della realizzazione e delle prove fino all'applicazione reale, convalidando così la correttezza della procedura; le piattaforme prescelte per la realizzazione sono, in ordine crescente di complessità:
- un rover planetario, che compie sostanzialmente una navigazione bidimensionale;
- un pallone aerostatico, che introduce la terza dimensione ma ha il vantaggio di presentare una dinamica "lenta";
- un aeromodello, rappresentante un velivolo non pilotato, che permette di abbinare una dinamica "veloce" a costi realizzativi e attività sperimentali compatibili con le caratteristiche del progetto di ricerca.
La fase realizzativa, e quella, strettamente interconnessa, sperimentale, permetteranno di analizzare, implementare e convalidare le tecniche di integrazione ("data fusion", filtraggio) fra i sensori che compongono i sottosistemi di navigazione per le diverse piattaforme. Va sottolineato come, stante la particolarità di ogni singola applicazione dell'approccio multisensore (dalla scelta delle frequenze relative di aggiornamento per i vari sensori al "tuning" dei filtri per la stima), ogni esperienza acquisita non fa che aumentare le competenze delle unità di ricerca universitarie, e indirettamente, quelle degli studenti, su un tema di grande importanza per l'ingegneria aerospaziale,e in generale, per tutte le applicazioni legate alla mobilità veicolare. Particolare attenzione verrà riservata alla valutazione dell'apparato di calcolo richiesto che, in un sistema di navigazione, deve necessariamente fornire in tempo reale gli aggiornamenti dello stato cinematico, e che quindi pone stringenti vincoli alle operazioni di elaborazione delle informazioni disponibili e al calcolo della soluzione.
Nel complesso, il programma si propone di identificare un innovativo approccio al progetto e alla selezione dell'architettura di un sottosistema fondamentale per i veicoli aerospaziali - quale è quello di navigazione - attraverso una scelta ottima dei componenti per una realizzazione multisensore, e la sua effettiva realizzazione e prova per verificare la correttezza della procedura e aggiornare, sulla base dell'esperienza realizzativa, l'algoritmo di scelta. L'interesse del programma è duplice, perché da un lato consente alle unità partecipanti di incrementare le conoscenze acquisite e di contribuire allo sviluppo in un tema di grande importanza applicativa quale quello della navigazione (e in special modo della navigazione integrata che utilizza più sorgenti di informazione) e dall'altro di fornire un ambiente ideale di sviluppo alle tecniche della progettazione avanzata e dell'ottimizzazione di progetto, cui il problema della navigazione offre una ragionevole facilità di espressione dei vincoli e delle prestazioni. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi per la prima (e unica) fase del progetto coincidono con quelli dell'intero programma, e consistono in:
1) analisi, codifica e raffinamento di un algoritmo per l'ottimizzazione multiobiettivo applicato al progetto del sistema di navigazione;
2) applicazione dell'algoritmo per l'individuazione di una classe ottima di sistemi di navigazione multisensore per differenti tipologie di mveicoli e missioni;
3) progetto e realizzazione a livello prototipale di un campione dei sistemi di navigazione identificati come ottimi; il fine è di fornire prototipi perfettamente funzionanti, tanto dal punto di vista hardware quanto da quello software, capaci di sfruttare al meglio le prestazioni dei differenti sensori imbarcati;
4) prova in volo dei sistemi realizzati su veicoli aerospaziali (in scala reale o ridotta) appositamente acquisiti e/o costruiti;
5) analisi critica e documentazione dei risultati ottenuti;
6) ricerca parallela su sensori innovativi quali i ricevitori satellitari software, con la determinazione di pregi e difetti di una loro possibile applicazione nei sistemi integrati. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La navigazione aerospaziale è oggi svolta attraverso un insieme di sistemi basati su differenti principi fisici e tecnologie realizzative che, nel loro complesso, permettono la determinazione dello stato cinematico del veicolo - obiettivo della navigazione - nelle diverse tipologie di missione (aeronautica civile e militare, immissione in orbita, esplorazione planetaria, etc.). Il fattore comune alle diverse realizzazioni è quello caratteristico di ogni utilizzo a bordo di una cellula aerospaziale, ovvero la ricerca del massimo delle prestazioni con un rigido vincolo sull'ingombro, la massa e il fabbisogno di potenza.
L'evoluzione più importante nello scorso decennio è rappresentata dalla diffusione della navigazione satellitare, divenuta - con l'entrata in servizio del Global Postioning System (GPS-NAVSTAR) nel 1995, un servizio di interesse generale, assolutamente non limitato all'impiego aerospaziale e considerato alla stregua di una infrastruttura di base. Ciò che differenzia il GPS dai sistemi precedenti (TRANSIT - COSPAS/SARSAT) è, tecnicamente, la dimostrata capacità di fornire posizione (4D) e velocità in tempo reale, con elevata precisione (aumentata dal 2000 con l'eliminazione della Selective Availability) e continuità temporale e spaziale. [Kaplan, Parkinson e Spilker]. Le ricerche attuali si concentrano sul migliore utilizzo del segnale (sia del codice modulato che della fase della portante) e sulla riduzione degli errori del processo di ranging. Sono poi sempre più vicini al traguardo gli studi sui ricevitori software che, sostituendo ai componenti hardware un processamento del segnale via software, garantirebbero una migliore adattabilità alle differenti geometrie e condizioni di ricezione [Bao-Yen Tsui, Akos et al.].

Parallelamente alla navigazione satellitare il progresso tecnologico ha fatto emergere differenti tecniche che hanno permesso, su scala più limitata, di implementare concetti già noti ma finora non applicabili oppure di migliorare l'efficienza di tecniche di navigazione già note.

Al primo gruppo appartiene la navigazione per riconoscimento di immagini, che ha raggiunto, grazie all'aumentata potenza di calcolo, la compatibilità con operazioni in tempo reale, traendo altresì beneficio dalla disponibilità di rilevatori (tecnologia CCD) di avanzate prestazioni. In questo modo efficienti tecniche di analisi, condotte a seconda dei casi seguendo le tre vie della trasformazione nel dominio della frequenza, dell'esame dei contorni e degli elementi geometrici con la trasformata di Hough e dell'utilizzo della geometria delle aree [Russ, Gonzales], permettono di arrivare alla determinazione dello stato cinematico, trovando numerose applicazioni in campo aerospaziale [Cheng et al., Casonato e Palmerini].

Al secondo gruppo appartengono invece i recenti sviluppi della navigazione inerziale. Universalmente accettata l'architettura strap-down (a componenti solidali o, come viene anche definita, a piattaforma analitica) che, grazie alla maggiore affidabilità e ai minori costi, ha sostituito la tradizionale architettura a piattaforma stabilizzata [Radix, Titterton e Weston, Merhav], la ricerca si è concentrata su sensori sempre meno invasivi. L'emergente tecnologia dei MicroElectroMechanical Systems (MEMS), ha fornito strumenti che concentrano in un unico componente, di dimensioni e interfaccia esterna tipiche degli ICs (dai quali mutuano le tecnologie di realizzazione VLSI e produzione in grandissima serie) tanto la parte di generazione dell'effetto da misurare (massa di prova per gli accelerometri e barrette vibranti per i giroscopi, basati sulla misura dell'accelerazione di Coriolis), quanto quella di lettura (pick-off) e di condizionamento del segnale [Helvajian, Ramaswamy]. Con l'avvento dei MEMS, la navigazione inerziale può essere presa in considerazione per progetti dai quali sarebbe certamente rimasta in precedenza esclusa perchè incapace di rispettare, con accelerometri e giroscopi tradizionali, i vincoli sui costi o sugli ingombri. Le prestazioni dei MEMS, pur assolutamente non confrontabili con le migliori realizzazioni delle tecnologie "macro" (ad esempio il Ring Laser Gyro [Merhav]) possono essere sensibilmente migliorate, portandole a un livello accettabile per molte applicazioni aerospaziali, attraverso opportune operazioni di calibrazione, filtraggio e trattamento dei dati - e un possibile, frequente riallineamento.

La combinazione fra le differenti tecnologie può portare a soluzioni integrate nelle quali vengano sfruttate al meglio le caratteristiche positive e bilanciati invece i rispettivi punti deboli. Ad esempio, le centrali inerziali possono sostituirsi alla navigazione satellitare nei casi di stringenti limiti sull'elevazione minima osservabile (condizioni orografiche svantaggiose, oppure operazioni - ad esempio di elicotteri o UAVs - in ambente urbano) e di temporanei "outages" dei satelliti. La navigazione ottica può fornire le informazioni di assetto nel caso non sia possibile o soddisfacente la soluzione ottenuta con la fase del segnale satellitare, oppure consentire l'utilizzo effettivo del posizionamento satellitare mettendo in relazione lo stato cinematico con lo scenario operativo (aggiramento ostacoli, navigazione relativa). Ogni sistema ausiliario può inoltre contribuire a ridurre l'impatto del limite principale della navigazione satellitare condotta con il GPS, ovvero l'incertezza sulla validità del segnale trasmesso o problema di integrità. Questo inconveniente, pur ridotto per i sistemi capaci di utilizzare il segnale del futuro sistema Galileo che - nei piani attuali - garantirà, grazie a una estesa rete di stazioni monitor, un "integrity beacon", rimane il punto debole della navigazione satellitare per le applicazioni che coinvolgano, quali piloti o passeggeri, gli esseri umani. In sostanza, la nota complementarietà fra le diverse tecniche in termini di precisione, disponibilità, raggio operativo e prestazioni a lungo termine, garantisce teoricamente un valido risultato per i sistemi di navigazione integrati. La reale costruzione e validazione di questi strumenti complessi necessita però di progetti specifici per le differenti tipologie di applicazione e di opportune tecniche di filtraggio, del tipo a ingressi multipli (il che apre lo scenario agli studi sui problemi di analisi dei segnali e di stima propri dell'ingegneria industriale e dell'informazione), dei dati ottenuti dai differenti sensori. Di fatto, ogni studio va poi ricondotto al particolare veicolo aerospaziale ospite (aeroplano, UAV, pallone aerostatico, satellite, rover planetario), con i propri vincoli fondamentali (ingombro, massa e potenza) e i propri requisiti in termini di prestazioni attese, traducendosi in un approccio "di sistema" tipico della moderna ingegneria e della ricerca multidisciplinare.
Nella selezione dei componenti per un sistema di navigazione integrato può così intervenire l'ottimizzazione di progetto, processo che mira a migliorare le prestazioni del prodotto attraverso un'analisi dei modelli matematici che lo rappresentano. Nel campo dell'ottimizzazione di progetto, una data prestazione del prodotto è valutata attraverso l'applicazione di un'appropriata funzione matematica, chiamata funzione obiettivo. Tuttavia, la maggior parte dei problemi reali, e in particolare il caso in esame del progetto di un sistema di navigazione, prevede l'ottenimento di più prestazioni; di conseguenza, il miglioramento del prodotto può richiedere la simultanea ottimizzazione di più funzioni obiettivo, conducendo ad un problema di ottimizzazione multiobiettivo.
Il particolare vantaggio del progetto di un sistema di navigazione consiste, da questo punto di vista, nella possibilità di definire facilmente - o più facilmente rispetto ad altri casi - in forma quantitativa queste funzioni obiettivo, che riporteranno l'accuratezza della soluzione fornita a partire dalle misure ottenute con i diversi sistemi, l'accessibilità, ovvero la disponibilità temporale e spaziale, di questa soluzione, e la sua integrità, intesa come affidabilità e robustezza rispetto ai malfunzionamenti di alcune delle sorgenti di informazione.
Si noti che il risultato di un processo di ottimizzazione multiobiettivo è tipicamente costituito da un insieme di soluzioni ottimali, piuttosto che da un ottimo globale. Quindi, le tecniche matematiche candidate alla risoluzione di tali problemi devono essere in grado di descrivere questo insieme di soluzioni, normalmente chiamate soluzioni pareto ottimali.
Il lavoro di ricerca sull'ottimizzazione del progetto dei sistemi aerospaziali ha evidenziato tre importanti punti di indagine: innanzitutto la necessità di promuovere l'utilizzo di tecniche di ottimizzazione globale, che siano in grado di evitare il problema dell'individuazione di soluzioni di ottimo locale, tipico di processi di ottimizzazione di sistemi complessi [Coello]; in secondo luogo lo studio e la definizione di tecniche di ottimizzazione robusta, che siano in grado di fornire valide soluzioni ottimali nonostante la presenza di incertezze su modelli matematici, condizioni operative o sui dati dei dispositivi disponibili, le quali ostacolano da sempre la definizione della configurazione ottimale del sistema, costringendo il progettista a fare uso di approssimazioni e ad imporre valori indicativi di quantità significative [Chen]; in ultimo la necessità di sviluppare strumenti di supporto ai processi decisionali caratteristici dell'approccio concorrente nell'ambito del progetto di sistema aerospaziale, allo scopo di risolvere le possibili inconsistenze sui vincoli globali e locali di sistema [Lavagna e Finzi]. L'ottimizzazione di progetto si inserisce infatti nel filone della concurrent engineering, ovvero dell'approccio multidisciplinare condotto con il contributo simultaneo delle diverse professionalità fin dalla definizione preliminare dell'architettura di un sistema: è stato dimostrato come tale approccio funzioni di fatto da moltiplicatore delle conoscenze, generando, in maniera efficiente, un migliore progetto.
Si consideri inoltre come le tecniche sviluppate dovranno essere in grado di gestire processi di ottimizzazione definiti su domini con particolari caratteristiche topologiche: alcune variabili di progetto, ad esempio quelle legate alla dinamica del sistema, possiedono una caratterizzazione continua, ma la definizione della configurazione del sistema aerospaziale, specie nel caso vogliano utilizzarsi dispositivi già esistenti, necessita di variabili di progetto definite su insiemi discreti di valori.
Fra le tecniche matematiche attualmente disponibili per la soluzione delle precedenti problematiche possono essere certamente annoverate quelle concernenti l'utilizzo dei cosiddetti algoritmi evolutivi: tali algoritmi, simulando l'analogo processo auto-ottimizzante riscontrabile in natura, riescono a condurre una ricerca stocastica, e quindi globale, lasciando evolvere un insieme di soluzioni ed individuando quindi più soluzioni pareto ottimali in un'unica simulazione numerica, caratteristica che li rende preferibili alle tecniche di ottimizzazione classica nella soluzione di problemi multiobiettivo. Numerosi sono i lavori svolti nello sviluppo di algoritmi evolutivi sempre più efficaci e nella definizione di tecniche di gestione dei vincoli sempre più efficienti [Coello, Yao et al., Zitzler]; le prestazioni di tali algoritmi sono state inoltre verificate in numerosi campi dell'ingegneria ed è possibile evidenziare una sempre maggiore diffusione anche nel campo dell'ingegneria aerospaziale [Hassan e Crossley, Fukunaga et al.].
Una tecnica matematica che si è dimostrata inoltre molto adatta nella gestione di incertezze nelle fasi progettuali è costituita dalla cosiddetta analisi degli intervalli [Hansen], che ha lo scopo di sviluppare una trattazione matematica basata su operazioni definite direttamente su intervalli di valori degli operandi, che possono coincidere con intervalli di incertezza. Sono quindi stati condotti studi sulla possibilità di combinare i metodi evolutivi e l'analisi degli intervalli nell'ottimizzazione globale multiobiettivo del progetto di sistema [cfr. Lavagna e Di Lizia et al. per applicazioni nel campo aerospaziale]. Applicazioni specifiche al campo spaziale in termini di ottimizzazione o gestione del progetto di sistema, e quindi maggiormente connesse ai temi del presente programma sono state realizzate da studi condotti dalla NASA [Hardy].
Il particolare aspetto della ricerca proposta risiede nel considerare l'ottimizzazione di progetto all'interno di un loop chiuso che, attraverso la realizzazione e soprattutto al sperimentazione delle architetture di sottosistema garantisce un immediato feedback sperimentale della soluzione ottima prospettata dall'algoritmo e permette quindi di aggiornare e/o correggere la definizione delle funzioni obiettivo e dei vincoli in funzione dell'esperienza realizzativa. <<<