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Navigazione aereaUltimo aggiornamento: 2019-12-30
Esaminiamo i sistemi di coordinate e le unità di misura usati per la navigazione aerea. Vedremo anche come sfruttare le stazioni NDB, VOR e DME per stabilire la posizione e seguire una rotta. Vedremo i più comuni strumenti di navigazione e come si usano.
Richiamiamo brevemente il significato dell'unità di misura degli angoli, che è il grado d'arco o in breve grado. L'intero angolo giro viene suddiviso in 360 gradi di uguale ampiezza. A sua volta, ogni grado viene suddiviso in 60 primi d'arco, e ogni primo d'arco viene ulteriormente suddiviso in 60 secondi d'arco. I gradi sono numerati a partire da zero e procedendo in senso orario. La direzione 0 gradi viene a coincidere con la direzione 360 gradi; questa direzione viene anche indicata come nord, abbreviato N. La direzione 90 gradi viene anche detta est (E). La direzione 180 gradi viene detta sud (S). La direzione 270 gradi viene detta west (W).
Tipico quadrante di una bussola.
L'orientamento del quadrante di una bussola dipende dal tipo di bussola. Nella bussola magnetica il nord del quadrante indica la direzione della componente orizzontale del campo magnetico terrestre locale; le direzioni indicate sono quindi le rotte magnetiche. Per fornire una indicazione corretta, il quadrante deve trovarsi perfettamente orizzontale, in modo che i magneti piatti installati sotto di esso siano sensibili alla sola componente orizzontale del campo magnetico.
In un HSI (lo spiegheremo più avanti) il quadrante viene orientato dal sensore flux gate di campo magnetico posto all'esterno dell'aereo. Basilarmente la rotta indicata dall'HSI è la stessa indicata dalla bussola magnetica, con la differenza che nell'HSI la direzione viene stabilizzata con un giroscopio per ridurre le fluttuazioni del quadrante e per ridurre gli errori indotti durante le accelerazioni, come nel caso delle virate; in questo modo l'HSI permette manovre più sicure e precise.
In un direzionale giroscopico (non disponibile sul nostro simulatore ACM) è il pilota che deve orientare la bussola del direzionale ruotando l'apposito pomello dello strumento; da quel momento in poi la bussola manterrà l'orientamento impostato. Tipicamente è il pilota stesso che orienta il direzionale come la bussola magnetica; questa operazione va fatta quando l'aereo è in volo livellato, in modo che la bussola magnetica fornisca una indicazione affidabile e stabile.
La direzione del nord geografico è quella dell'asse di rotazione diurno della Terra e orientato verso il Polo Nord. Le coordinate sulle carte di volo sono sempre riferite al nord geografico.
L'asse di rotazione terrestre interseca la superficie della Terra in due punti: il polo nord geografico e il polo sud geografico. I meridiani sono le linee immaginarie che possiamo tracciare sulla superficie terrestre muovendoci dal polo nord in direzione del sud geografico. Per convenzione, uno di questi meridiani si chiama meridiano zero e passa per Greenwich. E' rispetto a questo meridiano che si misurano le distanze angolari degli altri meridiani. Questa distanza angolare si chiama longitudine. La longitudine viene indicata come est se il meridiano è a est rispetto al meridiano zero, mentre viene indicato come west se sta dall'altra parte. E' evidente che il meridiano 180 gradi est coincide con il meridiano 180 west.
A sinistra: alcuni meridiani notevoli. A destra: alcuni paralleli notevoli.
Il piano perpendicolare all'asse terrestre e passante per il centro della Terra interseca la superficie della Terra in una linea detta equatore. Il miglio nautico (NM) è definito come la lunghezza di un primo d'arco di longitudine all'equatore terrestre, ed è quindi pari a circa 1852 metri, cioè 1,852 Km. In realtà non è proprio esattamente così, perché nel corso degli anni misure sempre più accurate del raggio terrestre hanno portato vari aggiustamenti, fino a quando si è reso necessario fissare la lunghezza del miglio nautico una volta per tutte. Comunque nei nostri discorsi assumeremo che il miglio nautico corrisponda sempre esattamente a un primo d'arco di longitudine sull'equatore e a un primo d'arco di latitudine su di un meridiano.
Dunque, mentre il Km, unità comunemente utilizzata per le distanze, è una lunghezza stabilita in modo arbitrario, il miglio nautico ha un significato geometrico evidente e perciò viene comunemente utilizzato nella nautica e nell'aeronautica, dove abbiamo a che fare con distanze su scala planetaria. Come conseguenza, anche le velocità vengono indicate in NM/h (miglia nautiche all'ora) invece che in Km/h. Ad esempio, procedendo a 100 NM/h lungo l'equatore o lungo un meridiano, si percorrono 100 primi d'arco in un'ora. L'unità di misura NM/h si indica anche come knots, abbreviato kt.
Si misura procedendo dall'equatore verso nord (e si parla allora di latitudine nord) oppure dall'equatore verso sud (e si parla di latitudine sud). Si tratta quindi di percorrere un angolo centrato nel centro della Terra e che va dall'equatore al punto voluto, seguendo un meridiano. L'equatore ha latitudine zero (che possiamo indifferentemente indicare come "zero nord" o "zero sud"). Il polo nord geografico ha latitudine 90 gradi nord. Il polo sud geografico ha latitudine 90 gradi S. Tutti i punti che stanno a una data latitudine costituiscono una circonferenza detta parallelo.
Ogni punto sulla Terra si trova all'incrocio di un parallelo e di un meridiano. Le coordinate di questo punto sono quindi definite dalla sua longitudine (lon) e dalla sua latitudine (lat). Per familiarizzare con queste nozioni, immaginiamo di spostarci da questo punto in varie direzioni, e vediamo come cambia la nostra posizione.
Il modo più elementare per navigare è guardare fuori dal finestrino, tecnica altrimenti nota come navigazione osservata. E' quella che applichiamo sempre guidando l'automobile. Purtroppo dall'aeroplano non si riescono a leggere i cartelli stradali, ma si possono facilmente riconoscere le principali arterie di comunicazione, i fiumi, i centri abitati e altri elementi utili. Nel mondo di ACM il terreno è desolantemente monotono, sempre verde, e al più si vedono le piste degli aeroporti. In definitiva, la navigazione osservata non è possibile con il nostro simulatore.
L'altra tecnica di navigazione è la navigazione stimata. Semplicemente, dato il punto di partenza, nota la rotta TH o MH, e nota la velocità, grazie al cronometro installato a bordo e a qualche semplice calcolo, possiamo sempre determinare la nostra posizione con ragionevole precisione. Le cose si fanno più complicate se di mezzo c'è il vento. In ogni caso, man mano che il tempo passa la precisione tende a diminuire e diventa necessario trovare un riferimento visivo per correggere la rotta. La navigazione stimata è possibile in ACM se si vola passando sopra diversi aeroporti, le cui piste funzionano da riferimento visivo. Lo scenario di Dallas, con centinaia di piste disponibili, è particolarmente adatto per questo esercizio.
Tutte queste tecniche di volo a vista non si possono applicare di notte, oppure quando la visibilità è ridotta, oppure quando la quota di volo è molto alta. Il pilota deve quindi affidarsi agli strumenti, cioè affronta la navigazione strumentale.
Esistono varie tecniche di navigazione strumentale. La piattaforma inerziale realizza una sorta di navigazione stimata che rende l'aeroplano totalmente autosufficiente, almeno per qualche ora. Poi anche la piattaforma inerziale richiede un "riallineamento" basato su qualche riferimento esterno.
La navigazione strumentale comunemente intesa fa uso di stazioni radio a terra collocate in posizioni note e segnate sulle carte di volo. I radiofari NDB e VOR forniscono rilevamenti angolari, mentre i DME forniscono la distanza. Nel seguito spieghiamo cosa sono e come si usano queste radioassistenze per la navigazione strumentale.
E' la direzione indicata dalla componente orizzontale del campo magnetico terrestre. Sfortunatamente il nord magnetico non corrisponde al nord geografico, ma può differire di diversi gradi verso est o verso ovest, a seconda del luogo in cui ci troviamo sulla Terra. La differenza angolare tra nord geografico Ngeo e nord magnetico Nmag si chiama variazione magnetica (VAR). La variazione magnetica è positiva quando il nord magnetico è spostato verso est rispetto al nord geografico. Dato un certo radiale geografico Rgeo (cioè una direzione espressa rispetto al nord geografico) e un certo radiale magnetico Rmag, la relazione tra i due è data da questa formula:
Rgeo = Rmag + VAR
La variazione magnetica viene riportata sulle carte di volo. Ad esempio, una variazione magnetica di "6E" cioè VAR=+6 gradi vuol dire che la direzione indicata dalla bussola è sei gradi più a est del nord geografico. Avendo a disposizione una bussola, e volendo procedere nella direzione geografica est (Rgeo = 90 gradi), dovremo seguire non il radiale 90 gradi, ma il radiale Rmag = Rgeo - VAR = 90 - 6 = 84 gradi indicato dalla bussola.
La variazione magnetica, oltre ad essere dipendente dal luogo, è anche dipendente dal tempo, anche se lentamente. Le carte di volo non solo indicano la variazione magnetica, ma anche il ritmo annuale della sua variazione. Il programma ACM usa un modello matematico per calcolare il campo magnetico terrestre in funzione della data e del punto geografico.
Curiosità. Come sappiamo, i poli opposti delle calamite si attraggono, e i poli omologhi si respingono. Per convenzione il polo della calamita che si orienta verso il nord della Terra viene detto polo nord della calamita. Ne consegue che il polo nord magnetico della Terra è il polo sud del magnete Terra. Purtroppo nelle rappresentazioni grafiche del campo magnetico terrestre il "magnete Terra" porta di solito una vistosa "N" disegnata a nord, lasciando intendere che quello sia anche il polo nord del magnete terrestre. Invece lì ci andrebbe un bel "S" ad indicare che quello è il sud magnetico della Terra. A completare la confusione vengono anche disegnate delle freccette lungo le linee del campo che sono anch'esse sbagliate. La figura qui sotto dovrebbe finalmente sistemare la vera natura magnetica del nostro pianeta :-)
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La Terra è un magnete (quasi) permanente, ma il suo orientamento ha poco a che fare con l'asse di rotazione terrestre. |
Il polo nord dell'ago della bussola magnetica si orienta verso il polo sud magnetico del magnete terrestre seguendo le linee di campo locali. Alle latitudini più elevate le linee di forza del campo magnetico sono sempre più inclinate e tendono a diventare verticali: in queste aree della Terra l'ago della bussola magnetica tende a disporsi in verticale e non è più utile come strumento di orientamento orizzontale. Ad esempio, alla latitudine dell'Italia il campo magnetico punta decisamente verso il basso con un angolo di circa 45 gradi.
La bussola magnetica è lo strumento di navigazione più semplice. Si tratta di un ago magnetizzato che si orienta secondo il flusso del campo magnetico locale. La direzione del nord magnetico è per convenzione la componente del campo magnetico misurata sul piano orizzontale, ignorando quindi la componente verticale. Per ottenere la corretta indicazione l'ago della bussola magnetica deve sempre ruotare sul piano orizzontale. E' per questo che l'ago viene sospeso a un perno di supporto collocato qualche millimetro più in alto. Il baricentro dell'ago si trova più in basso, per cui oscilla un po' e, quando le oscillazioni sono terminate, si può fare la lettura. Un apposito liquido aiuta a smorzare queste oscillazioni.
Il polo nord dell'ago indica grossolanamente il nord geografico, mentre l'altro estremo indica il sud. Come abbiamo già detto, la deviazione tra il nord magnetico indicato dalla bussola magnetica e il nord geografico si chiama variazione magnetica locale.
La bussola magnetica è uno strumento così basilare e universale, che tutti gli aeroplani ne dispongono e tutte le rotte fanno riferimento alla indicazione di questo strumento. In pratica, se la carta di volo prescrive una rotta di 90° (sottintesi magnetici), il pilota non deve far altro che orientare l'aereo in modo che la bussola indichi proprio 90°. Coloro che hanno pianificato quella rotta hanno già tenuto conto della variazione magnetica e hanno apportato la dovuta correzione.
Ben diverso è il caso di un pilota che si trova a dover tracciare una rotta per suo conto. In questo caso dovrà sempre disegnare la rotta (o i vari segmenti da cui è composto il piano di volo), poi dovrà misurare l'angolo con il goniometro, e quindi dovrà applicare la variazione magnetica per ogni tratto. Mentre si vola, infatti, non c'è il tempo per queste cose, per cui è meglio disporre delle rotte magnetiche MH già pronte.
Il difetto principale della bussola magnetica è che per effetto delle accelerazioni cui va soggetto l'aeroplano durante le manovre l'ago della bussola si inclina rispetto al piano orizzontale e quindi risente della componente verticale del campo magnetico. Alla latitudine dell'Italia la componente verticale è diretta verso il basso e ha una intensità paragonabile alla componente orizzontale. Le deviazioni che ne conseguono durante le normali manovre di virata ammontano a 10 o anche 20 gradi, tanto da rendere difficile eseguire con precisione le manovre. Il problema si risolve con un direzionale giroscopico, cioè una bussola stabilizzata giroscopicamente. Il pilota legge la bussola magnetica e orienta il direzionale ruotando l'apposita manopolina. Il giroscopio del direzionale mantiene stabilmente l'orientamento della bussola anche durante le virate, fornendo quindi un riferimento sicuro.
Alcuni strumenti hanno una bussola che si orienta automaticamente. Nel nostro simulatore sono l'HSI e l'ADF. Il simulatore ha due modalità: TH e MH. Nella modalità TH l'orientamento viene fornito dalla piattaforma inerziale. Nella modalità MH (l'unica disponibile con la strumentazione classica) dobbiamo immaginare che l'orientamento venga fornito da un apposito sensore di campo magnetico (il flux gate), e quindi le bussole di questi strumenti fanno riferimento al nord magnetico. Anche il flux gate risente della componente verticale del campo magnetico quando l'aeroplano si inclina. Queste perturbazioni vengono mitigate stabilizzando giroscopicamente gli strumenti.
Per ragioni di costo, di solito gli aerei leggeri non hanno un flux gate, ma solo la bussola magnetica. La bussola degli strumenti (tipicamente un direzionale giroscopico, un ADF e un RMI) deve essere orientata manualmente dal pilota seguendo l'indicazione della bussola magnetica. Ogni strumento ha una apposita manopolina per fare questo. Ogni strumento ha poi anche un giroscopio che mantiene l'orientamento della bussola mentre l'aereo esegue le manovre. Ogni dieci o quindici minuti, però, il pilota si deve ricordare di controllare l'orientamento delle bussole, ed eventualmente correggere gli errori di deriva dovuti alla rotazione terrestre e ai difetti meccanici. Una fatica che il nostro simulatore ci risparmia.
Procedure di rotta con la bussola magnetica. In condizioni di volo livellato a velocità costante e prora costante, la bussola permette di leggere la prora magnetica corrente (MH). Durante le virate, invece, l'indicazione della bussola non è utile. Le virate vanno quindi temporizzate seguendo una procedura detta timed turn. Supponiamo per esempio di voler virare da MH=180° a MH=270°. Si tratta di una virata di 90 gradi verso destra. Al rateo standard di 3°/s la virata richiede quindi 30 secondi. A questo scopo ritorna utile il cronometro. Avviare il cronometro e inclinare l'aereo verso destra all'angolo di bank previsto. Mantenere il rateo di virata controllando periodicamente l'indicatore di virata. Quando il cronometro segna 30 secondi, riportare l'aereo orizzontale. L'aereo impiega un certo tempo sia per inclinarsi, sia per ritornare in orizzontale, ma se eseguiamo queste manovre allo stesso ritmo, i due ritardi si cancellano. Una volta che l'indicazione della bussola si è stabilizzata, potremo constatare che il MH finale è quello atteso, con uno scarto massimo di un paio di gradi.
Sono la forma più antica di radioassistenza. Un NDB (non-directional beacon) è una stazione di terra che emette un'onda radio AM (amplitude modulation) ad una frequenza fissa, tipicamente compresa tra 200 e 415 KHz a passi di 1 KHz per ogni canale. Il segnale si propaga in tutte le direzioni con uguale intensità. A bordo dell'aeroplano una apposita antenna individua la direzione dalla quale proviene il segnale, cioè fornisce il rilevamento angolare della sorgente. Nei primi strumenti di questo tipo era il pilota a dover ruotare a mano l'antenna fino a trovare la direzione di provenienza del segnale. Negli indicatori moderni, come gli ADF (automatic direction finder) il rilevamento viene mostrato direttamente sul quadrante dello strumento (vedi figura).
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L'ADF mostra dove si trova la stazione NDB 407 KHz, il cui nome è AD sullo scenario di Dallas. Il nostro MH è 282° mentre il rilevamento della stazione AD è 333°. Per volare verso AD basta viaggiare nella direzione indicata dalla freccia. E' evidente la praticità di questo strumento per il volo da punto a punto. |
La freccia dell'ADF indica la direzione di provenienza del segnale radio. L'estremità opposta indica il radiale che il nostro aeroplano occupa rispetto alla stazione NDB. Per esempio, se la freccia dell'ADF indica nord, allora ci troviamo sul radiale sud della stazione NDB. La bussola sottostante alla freccia viene mantenuta orientata dal flux gate.
Ogni qualche secondo il segnale viene modulato in ampiezza con il codice Morse del nome della stazione, codice che il pilota può sentire in cuffia oppure può essere decodificato e mostrato dal ricevitore di bordo. Questo segnale offre un riscontro ulteriore che la stazione sintonizzata è quella giusta.
La portata delle stazioni NDB dipende dalla potenza del trasmettitore, dall'orografia del terreno, dalla quota dell'aereo e dalle condizioni meteo. Le stazioni NDB di navigazione sono le più potenti e si possono ricevere anche a 100 NM di distanza. Nei pressi degli aeroporti, in corrispondenza del percorso di discesa verso la pista, spesso sono collocate altre stazioni NDB a varie distanze dalla soglia pista: l'outer marker (OMARKER o OM), il middle marker (MMARKER o MM) e l'inner marker (IMARKER o IM). Queste stazioni hanno potenze modeste e portate di circa 20 NM e sono utili solo per l'approccio di precisione in combinazione con l'impianto ILS.
Gli NDB sono un ausilio semplice ed efficace alla navigazione, e permettono il volo "da punto a punto". Siccome gli NDB non danno indicazione della distanza, non sono adatti per determinare la posizione. Il rilevamento di due NDB permette di tracciare la posizione, ma per questo scopo sono più pratici i VOR/DME che descriviamo in seguito.
Curiosità. Alcuni modelli di ricevitori ADF ricevitori estendono la banda di ricezione fino a 1699 KHz, e quindi permettono di ricevere anche le comuni stazioni radio AM. In mancanza di stazioni NDB dedicate, e a patto di conoscere l'ubicazione del ripetitore, il pilota dispone di un riferimento utile con intrattenimento musicale aggiunto :-)
Procedure di rotta con l'ADF. Sono molto semplici e facilmente intuibili. Riportiamo le più comuni:
Queste regole si sintetizzano così: seguendo la punta della freccia le correzioni devono essere concordi con l'errore; viceversa seguendo la coda della freccia le correzioni devono essere opposte all'errore.
E' evidente che l'entità delle correzioni non deve mai superare i 90 gradi, altrimenti rischiamo di andare nella direzione opposta. Di norma 45 gradi è l'angolo massimo di intercettazione del radiale da raggiungere.
Il distance measurement equipment (DME) è una stazione radio a terra che permette di determinare la propria distanza da essa, espressa in NM. La distanza va intesa in linea d'aria, per cui può essere necessario apportare la correzione di quota dovuta alla differenza di altezza tra l'aeroplano e l'antenna della stazione. In molti casi questa differenza è trascurabile rispetto alla distanza, per cui la correzione di quota non è necessaria.
Spesso il DME è associato a un VOR o a un ILS. Basta sintonizzarsi sulla frequenza della stazione VOR desiderata per ottenere direttamente anche la lettura DME. La portata di queste trasmittenti varia da qualche decina fino a 100 o più NM, a seconda della potenza del trasmettitore, della quota di volo e dell'orografia dell'area.
Abbiamo visto che l'ADF ci fornisce il rilevamento angolare della stazione NDB. Ad esempio, se il rilevamento è 90° (est) vuol dire che ci troviamo a ovest della stazione, cioè il nostro rilevamento angolare rispetto alla stazione è 270°. Sulla carta di navigazione tracciamo una semiretta uscente dall'NDB e orientata come 270° (magnetici!): noi ci troviamo in qualche punto di questa semiretta. Tutto il ragionamento però si regge su due ipotesi: che il quadrante della bussola dell'ADF sia perfettamente orientato secondo il campo megnetico locale, e che la variazione magnetica locale sia uguale a quella della stazione. Nella realtà entrambe le ipotesi potrebbero essere false: non sempre le bussole degli strumenti sono perfettamente regolate, e non sempre la variazione magnetica è uniforme. C'è poi anche un altro piccolo problema legato al fatto che l'antenna ricevente risente dell'inclinazione dell'aereo in pitch e soprattutto bank. Ad esempio mentre si vira la lancetta dell'ADF si muove indicando un allineamento migliore della realtà, ma poi drizzando la lancetta si scosta rivelando che siamo ancora disallineati. Questo fenomeno complica le manovre di precisione.
Per contro le stazioni VOR sono più affidabili perché forniscono direttamente il rilevamento angolare dell'aereo rispetto alla stazione, indipendentemente da ogni altro parametro o movimento dell'aereo. Se poi la stazione VOR include anche un DME, il complesso VOR/DME diventa un preciso strumento di localizzazione. Inoltre i VOR operano su frequenze più alte e risentono meno delle distorsioni di cui invece soffrono i segnali a frequenza bassa delle stazioni NDB. Il segnale radio emesso è però più complesso.
Bisogna immaginare che il VOR emetta 360 "raggi" nelle rispettive direzioni angolari. Ogni raggio è detto radiale. In realtà il segnale emesso dal VOR è continuo, ma in generale è sufficiente considerare i gradi "tondi".
I radiali dei VOR sono sempre riferiti al nord magnetico dell'area in cui il VOR è collocato. Quindi, ad esempio, il radiale 90° corrisponde all'est magnetico del VOR. Se dobbiamo riportare la posizione su di una carta di volo, bisogna ricordare che la carta è sempre orientata con il nord geografico in alto, per cui dovremo fare la solita conversione dal radiale geografico Rgeo dati il radiale magnetico Rmag del VOR usando la variazione magnetica VAR dell'area del VOR (v. la formula precedente).
La figura illustra il passaggio di un aereo sul radiale Rmag = 60° del VOR. Siccome la variazione magnetica nell'area del VOR è VAR=+8°, l'aereo sta transitando sul radiale geografico Rgeo=Rmag+VAR=68°.
Il ricevitore VOR sul nostro aereo deve essere sintonizzato sulla frequenza del VOR scelto. Un ricevitore VOR potrebbe essere un CDI o un più completo HSI. Quest'ultimo è lo strumento disponibile sul nostro simulatore. Questi strumenti non indicano direttamente il radiale attraversato, ma piuttosto indicano lo scostamento angolare da un certo radiale scelto dal pilota. L'informazione sullo scostamento è utile al pilota sia per raggiungere e mantenere un dato radiale, sia per eseguire le manovre. Vedremo degli esempi nel seguito quando parleremo dell'HSI.
La precisione raggiungibile con un VOR può variare dai 3 gradi per i sistemi più antiquati fino a 0,4 gradi per le stazioni più moderne.
Per convenzione si distinguono due tipi di VOR, a seconda della portata e della destinazione d'uso:
Il segnale ad alta frequenza delle stazioni VOR e DME viaggia essenzialmente in linea retta. A causa della curvatura della Terra, la ricezione o meno del segnale dipende anche dalla quota dell'aereo e dalla quota della stazione radio, nonché dall'eventuale presenza di montagne o altri ostacoli. Quindi è normale che una stazione VOR distante anche solo poche decine di NM risulti non ricevibile con l'aereo a terra.
La Terra è rotonda e il segnale VOR/DME si propaga in linea retta.
ACM applica la formula seguente per stabilire il range di ricezione (NM) del VOR/DME, data la quota dell'aereo e la quota della stazione (ft):
range = 1,064 * (sqrt(station_altitude) + sqrt(aircraft_altitude))
Questa formula si ricava da semplici considerazioni geometriche fatte sulla figura qui sopra e con qualche piccola approssimazione per semplificare il risultato. Ad esempio, se la stazione sta a 500 ft e l'altitudine dell'aereo è 4000 ft, la stazione non è visibile oltre la distanza di 91 NM.
Spesso a un VOR è associata anche una stazione DME, e si parla allora di VOR/DME oppure di VORTAC o TACAN. Nel nostro simulatore i tre tipi di VOR/DME sono perfettamente equivalenti. Noto il rilevamento angolare e la distanza, si può tracciare con precisione la posizione sulla carta. Ancora una volta ricordiamo che di norma le carte sono orientate con il nord geografico in alto, e che la semiretta uscente dal VOR deve essere orientata tenendo conto della variazione magnetica in corrispondenza del VOR. La variazione magnetica della località dove si trova l'aeroplano è del tutto ininfluente perché il campo magnetico non "piega" le onde radio.
NOTA. In questo testo abbiamo enfatizzato la questione della variazione magnetica perché la la navigazione strumentale avviene su rotte già predisposte che tengono già conto della variazione magnetica, e al pilota non resta che portare gli strumenti a indicare quello che è previsto dalle carte, carte che devono essere aggiornate periodicamente per tenere conto delle continue variazioni del campo magnetico.
L'horizontal situation indicator (HSI) del nostro simulatore è uno strumento che riassume una bussola e i ricevitori VOR, DME e ILS. Si tratta di uno "strumento di sintesi", nel senso che raccoglie tutte queste informazioni e le presenta in una forma uniforme e coerente.
Qui ci concentriamo sull'uso in combinazione con i VOR e i DME, utilizzati per la navigazione. Nel documento Atterraggio strumentale vedremo l'uso dell'HSI per l'atterraggio strumentale con l'ILS.
Cominciamo a descrivere le parti che costituiscono il quadrante dell'HSI, come visibile nella figura qui sotto. La bussola del quadrante ruota in modo che in cima si legga la direzione verso la quale è diretta la prora dell'aereo. Usando la piattaforma inerziale (modalità HUD) si può scegliere tra l'indicazione del TH (true heading, ovvero rotta geografica) e quella del MH (magnetic heading, ovvero rotta magnetica). La modalità strumentazione classica permette solo l'indicazione MH. In generale nella navigazione si usa fare riferimento sempre al MH, mentre il TH può essere utile per navigare basandosi sulle carte geografiche. Ci sono anche una serie di tacche disposte intorno alla bussola ad angoli di 45 gradi, che sono utili riferimenti per varie manovre.
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Il pannello di controllo dell'HSI (a sinistra) e l'indicatore (a destra). Il pannello di controllo è sintonizzato sulla stazione CVE (116.20 MHz) e la distanza dalla stazione è di 5,9 NM. L'indicatore mostra il magnetic heading MH=35° e una deviazione di CDI=−3 rispetto al radiale scelto OBS=023. L'indicatore di senso (il triangolino bianco) indica "FROM". |
A sinistra c'è il pannello di controllo dell'HSI che mostra la frequenza selezionata e la distanza dal DME. Il nostro simulatore mette a disposizione due ricevitori indipendenti, denominati NAV1 e NAV2.
La freccia bianca dell'OBS si può ruotare per impostare il radiale di riferimento del VOR. Il valore scelto viene mostrato anche in forma digitale in alto a destra.
Il nostro aeroplano si trova su di un certo radiale del VOR, che in generale non è quello scelto con l'OBS. Il segmento viola CDI (curse deviation indicator) scorre parallelo alla freccia dell'OBS su di una scala fatta da pallini. Il CDI indica la differenza angolare tra il radiale magnetico sul quale ci troviamo e il radiale scelto con l'OBS. Ogni pallino indica uno scostamento di 1,7 gradi. Quando il CDI è perfettamente allineato con l'OBS significa che ci troviamo esattamente sul radiale OBS del VOR.
La freccia a forma di triangolo che si vede subito sotto la figurina stilizzata dell'aereo è l'indicatore di senso: questa freccia dice da quale parte si trova effettivamente il VOR lungo la direzione indicata dall'OBS. La figura qui sotto illustra meglio il suo significato.
| Con l'OBS su 45°, lo spazio intorno al VOR si divide in due semipiani: "FROM" (quello dalla parte del radiale) e "TO" (quello opposto). A sinistra, il triangolino diretto come l'OBS dice che ci troviamo nel semipiano "TO", e quindi seguendo il radiale andremmo verso il VOR. A destra, il triangolino bianco diretto opposto all'OBS dice che ci troviamo nel semipiano "FROM", e quindi seguendo il radiale ci allontaneremmo dal VOR. Il segmento viola è il CDI, che dice da che parte sta il radiale scelto. Notare che per l'aeroplano di sinistra il CDI indica lo scostamento angolare dal radiale complementare 45+180. |
Abbiamo visto che i pallini del CDI marcano scostamenti di 1,7 gradi. Altri strumenti riportano tacche corrispondenti a 2°, ma la scelta di 1,7° rende più semplice il calcolo mentale dello scostamento lineare dal radiale scelto. La regola è: ogni punto di scostamento angolare del CDI corrisponde a uno scostamento lineare dal radiale scelto pari alla distanza in NM, diviso 100 e moltiplicato per 3:
distanza_dal_radiale = DME / 100 * 3 * CDI
Conoscere la distanza da un radiale dato torna utile per eseguire con precisione le manovre di accostamento al radiale e di virata. Ad esempio, se la distanza dal VOR/DME è DME=10 NM, ogni punto di scostamento del CDI corrisponde a 0,3 NM di distanza dal radiale. Tenuto conto che alla velocità di 80 kt il raggio di curvatura della virata standard a 3°/s è di 0,4 NM, il pilota ha una idea piuttosto precisa di come manovrare per raggiungere il radiale voluto. (NOTA: la formula esatta è distanza_dal_radiale = DME * tan(1,7°) * CDI, ma siccome tan(1,7°)=0.0297 cioè circa 0.03, ne segue la regola pratica di prima).
Il CDI della figura dice che in realtà ci troviamo a destra del radiale magnetico di circa CDI=3 punti, pari a 5 gradi; siccome la distanza dal VOR/DME è circa 6 NM, ci troviamo a una distanza lineare dal radiale pari a 6/100*3*3=0,54 NM.
Procedure di rotta con i VOR. Un radiofaro VOR può essere usato alla stregua di una stazione ADF, per cui si applicano le stesse procedure degli ADF ma con il vantaggio che il CDI mostra direttamente la deviazione angolare e rende più intuitiva la manovra da eseguire per raggiungere il radiale scelto. Nel documento dedicato alle virate vedremo nel dettaglio come l'informazione su deviazione angolare e distanza permettano di calibrare le manovre di correzione con grande precisione.
Le stazioni VOR e VOR/DME permettono anche di stabilire la posizione dell'aereo rispetto alla stazione VOR una volta noto il radiale e la distanza. Se si fa ruotare la freccia bianca (tasti 7 e 8) fino ad allineare il segmento viola del CDI con la freccia bianca dell'OBS, allora ci troviamo esattamente sul radiale selezionato dall'OBS. Per la precisione, il radiale in questione va letto alla estremità della freccia dell'OBS che sta dalla parte opposta all'indicatore di senso.
Viceversa, se l'indicatore di senso fosse stato orientato come la punta dell'OBS, allora ci troveremmo sul radiale magnetico opposto a quello indicato dall'OBS (cioè OBS+180) e l'indicatore di senso si sarebbe detto "TO". Notare che l'orientamento della prora dell'aereo non ha nulla a che fare con l'indicatore di senso. L'uso dei termini "FROM" e "TO" è poco intuitivo. I ricevitori CDI meno sofisticati riportano queste scritte, costringendo il pilota a un discreto esercizio mentale per figurarsi la situazione. Ecco perché il nostro HSI mostra una freccina che, semplicemente, dice da che parte sta il VOR sul radiale scelto.
Se il VOR manca del DME, allora potremo usare un secondo VOR e trovare sulla carta l'incrocio tra i due radiali. Si può stabilire la posizione anche disponendo di un solo VOR privo di DME, ma il sistema è macchinoso e poco preciso.
Ricordiamo che i radiali dei VOR fanno riferimento al Nord magnetico, mentre le carte nautiche fanno riferimento al Nord geografico. Se vogliamo trovare la nostra posizione sulla carta allora dovremo riportare un segmento che parte dal VOR ed è diretto come Rgeo=Rmag + VAR e di lunghezza data dal DME. Vedremo un esempio più avanti.
Vicino alla pista di decollo della scena default c'è un VOR/DME (CVE, vedi la carta BA.pdf). Attivare l'HSI e impostare la frequenza 116.20 MHz. Allenarsi a individuare la posizione relativamente a questa stazione radio, e provare a seguire determinate rotte di avvicinamento e allontanamento lungo i suoi radiali.
Impostare ora l'HSI in modalità TH (SHIFT-M) in modo che venga indicata la prora geografica, e provare a seguire il radiale MH=360°. Impostare quindi OBS=360° sull'HSI. Siccome la variazione magnetica della zona è VAR=+6°, dovremo in realtà seguire la rotta TH=MH+VAR=360°+6°=6° per mantenere l'allineamento con il radiale. La situazione dell'HSI è mostrata qui sotto.
Seguire il radiale 360° del VOR CVE usando la modalià TH.
Stiamo volando alla quota H=10000 ft. Il rilevamento rispetto al VOR/DME CVE (116.20 MHz, vedi mappa BA) dà Rmag=345° e una distanza D=5.2 NM. Stabilire la posizione.
La variazione magnetica nella località della stazione radio è VAR=06E=+6°, per cui il nostro radiale geografico è Rgeo=Rmag+VAR=345°+6°=351°. La distanza dalla stazione radio è da intendersi in linea d'aria, per cui dovremo applicare la correzione di quota sulla distanza data dal DME (v. figura qui sotto).
Correzione di quota sulla distanza data dal DME.
La stazione DME si trova ad una quota h=450 ft=0.07 NM, mentre la nostra quota è H=10000 ft=1.65 NM. Il triangolo rettangolo della figura si risolve col teorema di Pitagora:
d = √D² − (H − h)² = 4.95 NM
Si vede come la correzione di quota sulla distanza dal DME sia trascurabile. Un'analisi più approfondita porta a concludere che, anche volando ad alta quota (35'000 ft = 5,8 NM), la lettura diretta della distanza DME porta ad un errore minore del 5% per distanze maggiori di 20 NM e a un errore minore dell'1% per distanze maggiori di 40 NM, e quindi il problema si può ignorare nella maggior parte delle applicazioni pratiche.
Riportiamo la posizione esatta data dal radiale geografico 351° e distanza 4.95 NM sulla carta con l'aiuto di un goniometro e di un righello:
Risultato del rilevamento.
Il computer RNAV (anche noto come CLC) sfrutta il segnale di una stazione VOR/DME per creare un riferimento VOR/DME virtuale in un punto arbitrario scelto dal pilota, tipicamente un waypoint (WP) da attraversare lungo la rotta. Il pilota sceglie la frequenza della stazione VOR/DME e quindi imposta le coordinate polari del WP riferite alla stazione VOR/DME. Le coordinate polari sono il radiale magnetico del WP (RAD) e la sua distanza (DST).
Il computer RNAV di ACM permette di fissare fino a 5 WP. Nella figura qui sotto il WP numero 3 dell'RNAV si basa sul VOR/DME TTT dello scenario di Dallas, ed è collocato alle coordinate polari 15°/17,3 NM. La distanza DME e le indicazioni dell'HSI si riferiscono a questo WP.
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Il computer RNAV programmato sulla frequenza 113,10 MHz della stazione VOR/DME TTT di Dallas. Il WP è posto sul radiale 15 a una distanza di 17,3 NM da TTT. A questo punto DME=7.1 NM è la nostra distanza dal WP, mentre il CDI dell'HSI mostra lo scostamento dal radiale 300 del WP. |
Il computer RNAV simula la presenza di un VOR/DME proprio in corrispondenza del WP ed esegue i calcoli necessari e fornisce all'HSI i parametri da visualizzare. La figura qui sotto illustra la situazione, con il WP fissato su di un certo radiale e a una certa distanza dalla stazione di riferimento scelta.
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Una volta impostato il waypoint TTT 15°/17.3, l'HSI mostra al pilota come deve manovrare per raggiungere la tratta A-WP, e come proseguire sulla tratta WP-B della rotta A-WP-B. |
Ad esempio, le procedure di rotta prevedono spesso di passare attraverso una serie di waypoint (WP) in corrispondenza dei quali non c'è una stazione radio specifica. Il computer RNAV permette di piazzare in corrispondenza di questi WP un VOR/DME fittizio e quindi fornisce distanza e rilevamento angolare. Volare verso un WP diventa facile proprio come volare verso un VOR.
Altra applicazione: atterrare su di una pista o altra area che non è servita da radioassistenze. In questo caso possiamo sfruttare la stazione VOR/DME più vicina e piazzare il nostro WP in corrispondenza della soglia pista. Se poi mettiamo l'OBS sull'orientamento della pista, allora abbiamo il nostro LOCATOR/DME fittizio.
Altra applicazione ancora: eseguire la procedura di holding nei pressi di un aeroporto. E' una manovra noiosa, ma si può semplificare il lavoro se piazziamo un WP nel punto di riferimento indicato dalla procedura.
I WP delle rotte riportano sulle carte le coordinate polari di un qualche VOR/DME, per cui basta copiare questi valori nel pannello di configurazione dell'RNAV. Se le coordinate non sono note, allora dovremo misurare la distanza sulla carta e usare il goniometro per il rilevamento angolare. Ricordare di applicare la correzione per la variazione magnetica, tenendo conto della variazione magnetica in corrispondenza della stazione VOR/DME di riferimento (se indicata) oppure della variazione magnetica media dell'aerea riportata sulla carta.
In generale il pilota prepara il piano di volo e traccia i WP previsti, quindi programma l'RNAV prima di decollare. Grazie a questo strumento la navigazione si riduce a seguire una successione di WP, lasciando al pilota compiti di supervisione del volo più importanti.
Piccola ma utile regola pratica: una variazione di rotta di 1 grado comporta una variazione di posizione di 1 NM dopo aver percorso 60 NM. La formula generale è
deviazione_lineare = distanza / 60 * deviazione_angolare
NOTA. Questa formula approssimata vale per piccoli angoli e dà un errore inferiore al 10% per angoli fino a 20 gradi. La formula esatta è deviazione_lineare = distanza * tan(deviazione_angolare).
Esempio: dobbiamo passare 5 NM a nord del VOR provenendo da est; a questo scopo seguiamo il radiale 90° e giunti a una distanza di 30 NM viriamo a destra di 10 gradi.
Questa regola ci permette anche di stimare la precisione del calcolatore RNAV. La precisione con la quale passaremo sul WP dipende dalla precisione offerta dal VOR/DME di riferimento. L'errore dipende da due fattori: la distanza del WP e il suo rilevamento angolare. La distanza viene determinata con grande precisione, per cui il contributo all'errore si aggira sulla frazione di NM (indicativamente 0,1 NM). L'angolo, invece, ha una precisione di circa 1 grado, per cui l'errore cresce con la distanza: a 60 NM l'errore è intorno a 1 NM, a 120 NM raddoppia.
Navigando in un'area come quella dello scenario di Dallas con un forte gradiente di variazione magnetica (d'ora in poi in breve "VAR") si notano curiose discrepanze tra la rotta indicata dall'HSI e la rotta effettiva da mantenere per seguire il radiale di un VOR. Ad esempio, ci aspettiamo che per raggiungere un VOR navigando sul radiale r=360 "TO" basti raggiungere il radiale e poi mantenere la rotta MH=360. A causa del gradiente di VAR le cose non vanno così, e se si mantiene quella rotta presto dovremo apportare una correzione, di solito piccola, ma che qui vogliamo investigare.
Come abbiamo detto, il segnale radio fornito dal VOR permette di determinare lo scostamento da un radiale scelto dal pilota. Il radiale di riferimento viene impostato ruotando la freccia dell'OBS. Ricordiamoci che le direzioni dei radiali di un VOR sono riferite al campo magnetico locale del VOR, e che le onde radio vanno, di norma, in linea retta. Ne segue che il radiale r corrisponde a un orientamento geografico
TH = r + VARVOR
dove VARVOR è la variazione magnetica nei pressi della stazione VOR. Questo TH è la rotta vera da sequire. Siccome però la variazione magnetica dell'area dove si trova l'aereo è in generale diversa e vale VARaereo, la rotta magnetica che dovremo seguire sarà
MH = TH − VARaereo
e sostituendo la formula precedente si ottiene infine la nostra rotta in funzione del radiale scelto e della variazione magnetica nella località del VOR e della località dell'aereo:
MH = r + VARVOR − VARaereo
Questa formula si legge così: quando la variazione magnetica locale e quella del VOR sono uguali, per raggiungere il VOR basterà raggiungere un radiale e mantenere una prua uguale al radiale; se invece la variazione magnetica è diversa, allora per mantenere azzerato il CDI dovremo correggere la rotta di un angolo pari alla differenza tra la VAR del VOR e la VAR locale.
E' possibile verificare questa formula in ACM. Per ogni NAVAID lo scenario riporta la sua VAR, che si può leggere anche sulle carte di volo allegate al programma. La VAR locale dell'aereo è quella del NAVAID più vicino. Questa deviazione è poco evidente sullo scenario italiano, ma è sensibile sullo scenario di Dallas.
Per completezza, accenniamo brevemente ad altri sistemi di navigazione che non sono disponibili in ACM. Alcuni di questi sistemi sono ormai obsoleti o relegati ad impieghi speciali, altri sono di uso corrente nella navigazione aerea e marittima. Li elenchiamo nell'ordine cronologico in cui furono introdotti.
Si utilizza un sestante per navigazione aerea dotato di una livella per determinare la direzione verticale del filo a piombo. Attraverso una opportuna apertura praticata nella fusoliera, il navigatore individua due o tre stelle note e, usando il sestante, ne misura la distanza angolare dallo Zenit. Usando poi le tavole delle effemeridi e alcuni calcoli, è possibile determinare con precisione la posizione geografica. Notare che per gli aerei che volano ad alta quota le stelle sono visibili anche in pieno giorno. Sono stati realizzati anche sistemi di navigazione astronomica automatici che eseguono osservazioni e calcoli relativi (vedi ad esempio il sistema montato sull'SR-71 Blackbird).
E' il primo sistema di navigazione aereo a largo raggio impiegato fin dagli anni 192X in analogia a quanto si faceva in marina già da secoli. La navigazione astronomica è ormai obsoleta per gli usi civili. Per approfondire come sia possibile determinare la posizione geografica usando gli astri, è disponibile un articolo in questo stesso sito: Navigazione astronomica da casa.
Si tratta di un sistema di antenne a terra e sincronizzate tra di loro che emettono un particolare segnale; il ricevitore determina la posizione in base alla differenza dei tempi di ricezione di tre o più stazioni. I più noti sistemi di questo tipo sono Decca e LORAN C, rimasti in uso fino agli anni 199X. Oggi sono stati sostituiti dai sistemi satellitari.
Per approfondire: Decca, LORAN C.
Il veicolo dispone di un apposito radar puntato verso il terreno che determina il vettore velocità misurando l'effetto Doppler delle onde riflesse; il computer esegue poi l'integrazione numerica di questa velocità per mantenere aggiornata la posizione. L'accuratezza del sistema può risentirne in caso di forti precipitazioni oppure sorvolando masse d'acqua; inoltre la precisione degrada con il tempo.
Fu introdotto nel 1955 per uso militare e poi esteso agli usi civili; oggi è obsoleto per la navigazione ordinaria.
Si tratta di un sistema di accelerometri e giroscopi che permettono di mantenere la nozione di posizione e assetto dell'aereo a partire da una condizione nota. Gli accelerometri (tre per le tre direzioni dello spazio) misurano il vettore accelerazione; il procedimento matematico di integrazione numerica fornisce il vettore velocità; l'integrazione della velocità fornisce lo spazio percorso. I giroscopi (tre per le tre direzioni dello spazio) forniscono il vettore velocità angolare dell'aereo; l'integrazione numerica della velocità angolare fornisce l'assetto, cioè l'orientamento dell'aereo nello spazio. Combinando le informazioni su velocità, posizione e orientamento, è quindi possibile teterminare il percorso seguito dall'aereo a partire da un punto iniziale noto.
Tutti i calcoli relativi vengono eseguiti dal computer di bordo (FMC) e ripetuti centinaia di volte al secondo. Notare che l'INS non richiede il supporto di alcun sistema esterno e rende la navigazione del veicolo del tutto autonoma. La precisione della posizione fornita dall'INS tende a deteriorarsi con il trascorrere del tempo, per cui l'FMC deve periodicamente resettare l'INS usando gli altri sistemi di navigazione. La precisione deve comunque essere sufficiente a garantire il mantenimento del corridoio di rotta entro i margini prescritti per l'intera durata del volo. Rendendo l'aereo del tutto autonomo, l'INS è oggi il sistema di navigazione più affidabile e largamente utilizzato negli aerei di linea.
Per approfondire: Inertial navigation system.
Si tratta di determinare la distanza da almeno tre stazioni DME ed eseguire poi una triangolazione sferica. Siccome la collocazione geografica delle stazioni DME è nota con precisione, la distanza del veicolo dall'antenna determina una superficie sferica di possibili posizioni; ripetendo il procedimento con una seconda stazione si ottiene una seconda sfera che si interseca con la prima sfera in una circonferenza di possibili posizioni; una terza stazione permette infine di ottenere due soli possibili punti di posizione; impiegando la nozione di posizione corrente stimata, è possibile risolvere l'ambiguità rimanente scegliedo il punto di posizione più vicino; in alternativa è possibile risolvere l'ambiguità con un quarta stazione DME.
Questa procedura viene ripetuta dal FMC (vedi sotto) ogni pochi secondi. Il FMC usa il suo data base di navigazione per determinare le stazioni DME più vicine alla posizione stimata corrente dell'aereo, e quindi sintonizza in sequenza le stazioni e svolge tutti i calcoli relativi in modo del tutto automatico. Questo metodo ovviamente non è applicabile nelle regioni prive di stazioni DME, per esempio in mezzo agli oceani.
Si tratta di eseguire una triangolazione sferica simile alla triangolazione DME del punto precedente, ma questa volta con antenne montate su satelliti che orbitano intorno alla Terra. I sistemi più noti di questo tipo sono: GPS (USA), GLONASS (Russia), Galileo (Europa), BeiDou (Cina), NAVIC (India). Questi sistemi furono concepiti per impieghi militari (eccetto Galileo), sono estremamente costosi, richiedono di monitorare continuamente l'esatta posizione dei satelliti, non offrono una copertura uniforme del globo terrestre, e il loro corretto funzionamento e disponibilità dipendono dalla volontà dei governi nazionali che li hanno realizzati.
Per approfondire: Satellite navigation.
Il FMC (o anche flight management system, FMS) ha progressivamente sostituito il navigatore e l'ingegnere di volo umani riducendo il numero dei piloti da 4 ai soli due attuali. Per quanto riguarda la navigazione, il FMC sfrutta ogni possibile tecnica delle precedenti per determinare la migliore stima della posizione e dell'assetto dell'aereo, incluso navigazione satellitare, triangolazione DME, navigazione inerziale e navigazione stimata.
L'FMC stima la precisione offerta da ciascuno di questi sotto-sistemi di navigazione, li confronta per eventuali discrepanze, esclude temporaneamente il sotto-sistema guasto o disallineato, e infine combina tutte queste informazioni per elevare il livello di precisione e affidabilità e presentare ai piloti una mappa dettagliata dell'area sorvolata. L'accuratezza e l'affidabilità della determinazione così raggiunta è garantita dalla varietà dei sistemi utilizzati e dal loro costante confronto incrociato.
Per approfondire: Flight management system.
Geomagnetism - Earth's magnetic field (http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/field/index_e.php). Cos'è il campo magnetico terrestre, cosa lo genera, come evolve. Ricco di illustrazioni esplicative. Molto tecnico; per geologi.
Magnetism and the Magnetic Compass (www.pilotsweb.com/navigate/compass.htm). Il campo magnetico terreste e la bussola aeronautica.
The One to Sixty Rule (www.pilotsweb.com/navigate/onesixty.htm). Spiegazione e altre applicazioni della regola dell'1 a 60.
Holding Pattern Made Easy (www.pilotsweb.com/train/pattern.htm). Come sono fatti e come si usano gli holding pattern.
Italian vACC - Flight Plans (www.vatita.net). Seguire il link "Flight Plans" ed inserire i nomi ICAO degli aeroporti di partenza ed eventualmente di arrivo. Vengono presentati i piani di volo disponibili. Lo stesso sito mette a disposizione le carte STAR dove si possono individuare i vari fix point lungo la rotta, oltre alle carte SID e IAP per il decollo e l'atterraggio.
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