IL RADAR

IL RADAR Come funziona questo importantissimo dispositivo.

Cos'è un RADAR e come funziona? Qual'è la differenza tra primario e secondario?
Il RADAR – termine usato per la prima volta dagli Alleati durante la seconda guerra mondiale sta per RAdio Detection And Ranging (individuazione e misurazione di distanza tramite onde radio) - è un sistema che utilizza la propagazione e la riflessione di onde elettromagnetiche ad altissima frequenza (GHz) per ottenere la rilevazione e la misurazione di varie caratteristiche di oggetti in volo a distanze considerevoli nello spazio circostante la stazione trasmittente. Il Radar nella storia Alla fine del XIX secolo si moltiplicarono in tutto il mondo gli studi sulla propagazione delle onde elettromagnetiche (Maxwell, Hertz, Watt, Tesla, Marconi). Le basi teoriche per la realizzazione di radar primari erano già disponibili, ma la tecnologia costruttiva non era ancora a disposizione. L'ingegnere tedesco Christian Hülsmeyer brevettò nel 1904 un radiolocalizzatore, il "Telemobiloscope" che utilizzava la riflessione delle onde elettromagnetiche per prevenire collisioni tra le navi. Questo dispositivo tuttavia non era in grado di misurare direttamente, perciò non si può parlare proprio di radar. Anche Guglielmo Marconi nel 1922 propose un dispositivo localizzatore tramite onde corte. Fu il fisico scozzese Robert Watson-Watt, del Dipartimento Radio del National Physical Laboratory, a realizzare nel 1935 il primo radar vero e proprio. Per dimostrare la possibilità di localizzare aerei nemici fece rimbalzare con successo un'onda radio emessa da un trasmettitore a onde corte della BBC su un aereo Handley Page Heyford. Tuttavia il sistema riusciva che rilevare solo oggetti di dimensioni superiori ai 10 metri.

Robert Watson Watt e un Handley Page Heyford

Nel 1939, due scienziati britannici, il fisico Henry Boot e il biofisico John T. Randall, inventarono il tubo elettronico detto "magnetron a cavità risonante": un generatore radio ad alta frequenza in grado di trasmettere elevate potenze con brevissimi impulsi, a basso consumo e molto affidabile, che rese possibile realizzare il radar a microonde. Nello stesso tempo vennero messe a punto sia le guide d'onda che antenne direzionali per permettere la propagazione senza grosse perdite i segnali a microonde in trasmissione e ricezione. Inoltre si studiarono sistemi di ricezione, protezione, elaborazione e presentazione adeguati allo scopo. Alla fine la Royal Air Force poté avvantaggiarsi allora mise a punto radar che, utilizzando lunghezze d'onda inferiori, potevano rilevare facilmente gli aerei tedeschi durante la famosa battaglia d'Inghilterra (10 Luglio - 31 Ottobre 1940).

L'installazione a Poling nel Sussex: sulla sinistra si vedono allineate tre torri per la trasmissione in acciaio di 110m (360ft), con le antenne trasmittenti sospese tra esse, mentre sulla destra vi sono quattro torri per la ricezione in legno alte 73m (240ft) disposte sui vertici di un quadrato.

Un'operatrice radar WAAF che sta tracciando un aereo sul tubo a raggi catodici (CRT)
di un ricevitore RF7 nella sala di ricezione della stazione della RAF a Bawdsey CH.

Radar Primario Per il radar di sorveglianza primario (PSR: Primary Surveillance Radar) il bersaglio è totalmente passivo nel processo di rilevazione.
Il sistema trasmette un segnale elettromagnetico di adeguata potenza (parecchi KW di picco) e opportunamente modulato tramite un'antenna altamente direttiva (pochi gradi angolari di apertura) per un certo periodo di tempo t (impulso).
Dopo di che resta in ascolto per un periodo T di un'eventuale eco dovuta alla riflessione dell'impulso causata da una superficie metallica (ad esempio un aereo) o da superfici che non consentono, parzialmente o totalmente, il passaggio della microonda (come montagne, ostacoli vari, pioggia, ecc.) quindi in grado di riflettere una parte dell'energia emessa.

L'eco giungerà al ricevitore con un certo ritardo τ (leggi "tau"). La distanza del bersaglio viene calcolata moltiplicando questo ritardo dell'eco radar per la velocità di propagazione c delle onde elettromagnetiche nel vuoto (circa 299.792,458 Km/s), diviso per 2 per tener conto del tempo di andata e ritorno delle onde radio).

D=\frac{c\cdot \tau }{2}

La direzione del bersaglio viene calcolata rilevando la posizione angolare del baricentro di antenna che lo illumina, per mezzo dell'angolo di azimut β (leggi "beta") rispetto al Nord magnetico e dell'angolo di elevazione α (leggi "alfa") rispetto all'orizzonte.

Elevazione e azimut

Queste informazioni servono anche a generare i sincronismi necessari per la presentazione sullo schermo radar. In ricezione l'eco radar deve essere amplificata avendo subito una forte attenuazione a causa della propagazione e soprattutto dal fatto che ritorna solo la piccola parte della potenza trasmessa che viene riflessa dal bersaglio. Inoltre è indispensabile limitare quanto più possibile il livello di rumore, per meglio discriminare il bersaglio dal rumore di fondo e dai disturbi (clutter). Da notare che il sistema radar utilizza un'unica antenna per la trasmissione e per la ricezione. Quindi è necessario predisporre un sistema di disaccoppiamento e protezione tra trasmettitore e ricevitore, che smista opportunamente i segnali ricevuti. Il trasmettitore attualmente di solito utilizza transistor di potenza, ma esistono ancora apparati a magnetron. Il ricevitore moderno dispone di un processore di segnale che si occupa della ricezione in radiofrequenza e conversione analogico/digitale del segnale, che viene elaborato per:

• estrarre i segnali utili dal rumore di fondo ricevuto;
• discriminare dai segnali estratti i bersagli mobili (aerei) dagli echi fissi o mobili a bassissima velocità (ostacoli, stormi di uccelli, nuvole, ecc.) utilizzando cancellatori o sistemi di rilevazione doppler;
• correlare gli echi estratti con successive repliche amplificando la presenza di bersagli utili;
• applicare mappe fisse e/o adattive per mascherare zone affette da disturbi di varia natura (clutter di terra, clutter di mare, propagazione anomala, ecc.). I vari segnali video ottenuti dal ricevitore (video estratto, background, grezzo primario, ecc.) vengono inviati allo schermo radar dove avviene la presentazione dei dati sia in formato grezzo (macchia, clutter) che in forma sintetica (alfanumerico).

Sullo schermo i bersagli rilevati si muovono tramite la scansione dei sincronismi inviati dall'antenna (NDP: Nord Reference Pulse, ACP: Azimuth Counter Pulse) e dai temporizzatori (trigger, range marks, geografia ATS, ecc.) che assieme al video inviato al cannone elettronico, presente alla base del tubo radar, completano la presentazione che utilizza anche la persistenza sullo schermo per assicurare la migliore visibilità. Nei nuovi sistemi i tubi catodici sono stati sostituiti progressivamente da schermi a colori a cristalli liquidi, che sono visibili anche con luce diurna (brigth display).
Quando il radar rileva un bersaglio sullo schermo si accende un punto (chiamato blip). Radar Secondario Il radar di sorveglianza secondario (SSR: Secondary Surveillance Radar) ha assunto il ruolo di radar di sorveglianza principale, in associazione in genere con un radar primario. Il vantaggio del radar secondario è che ha bisogno di minor potenza rispetto al radar primario, ma richiede che il bersaglio sia cooperante. Fu messo a punto anch'esso a cavallo della seconda guerra mondiale per aiutare a riconoscere e discriminare i velivoli amici da quelli nemici (denominato come IFF: Identification Friend or Foe).

Un Trasponder Garmin GTX 320A

Il sistema trasmette su una precisa frequenza (1030 MHz) un treno di impulsi codificati che costituiscono l'interrogazione del sistema. L'aereo deve essere dotato di un apposito dispositivo di bordo detto transponder (risponditore automatico), che riceve il segnale inviato dal radar e trasmette automaticamente un segnale di risposta codificato (12 bit) su un'altra frequenza standardizzata a livello internazionale (1090 MHz). Il segnale trasmesso dal trasponder di bordo e ricevuto dal radar a terra, viene decodificato ed interpretato per essere poi associato ad un'eco del primario e presentato con le relative informazioni alfanumeriche. Attualmente le interrogazioni da terra avvengono nella cosiddetta modalità convenzionale 3A/C, dove, grazie alla diversa spaziatura dei segnali trasmessi alternativamente, viene richiesto all'aeromobile di fornire il proprio identificativo, composto da una replica di 4 cifre ottali (cifre da 0 a 7 - 4096 codici) ssegnate dal controllo ATC da terra al pilota e caricate sul pannello di controllo del transponder (poi associato dai computer automaticamente ad un Call Sign, cioè ad un nominativo di aeromobile standard) oppure la quota di volo estratta autonomamente dall'altimetro barometrico di bordo. Ad ogni rotazione dell'antenna, l'apparato richiedente a terra effettua un numero di interrogazioni basate su di una coppia di impusi alla frequenza di 1030 Mhz, con spaziatura alternata di 8 msec (Modo A, come facesse la domanda: "qual' è la tua identità?") e 21 msec, (Modo B: "qual'è la tua quota di volo?" ). Il Transponder, ricevuta la richiesta ed identificato il modo (dalla spaziatura temporale), risponde sulla frequenza 1090 Mhz. Il transponder alle richieste risponde in modo automatico, come fosse un pappagallo. Infatti in gergo aeronautico il termine "squawk" (in inglese il verso del pappagallo), sta ad indicare l'invito ad accendere e ed inserire un dato identificativo nel transponder. Oltre a queste informazioni, che vengono "fuse" (combinate) al segnale primario, il radar secondario è in grado di svolgere le stesse funzioni di misura e rilevazione del radar primario, misurando la distanza dell'aeromobile in base al tempo trascorso tra trasmissione degli impulsi e ricezione delle repliche dal transponder (questo solo nel caso che questo sia accesso ed i tempi di ritardo nella risposta siano noti e standardizzati) e misurando l'angolo di puntamento dell'antenna, evidenziando che il sistema di misura angolare può essere comune tra i due radar dove le relative antenne siano sovrapposte e co-rotanti (il caso più diffuso). La presentazione segue le stesse modalità di funzionamento già espresse per il primario, segnalando la possibilità di visualizzare i segnali sia separatamente (segnale sintetico primario e segnale sintetico secondario) che combinato (unico simbolo). Il contributo del secondario è di solito determinante in quanto al simbolo viene sempre associata una label (etichetta) che riporta informazioni fondamentali in formato alfanumerico come il call sign dell'aereo, la velocità calcolata, la quota ricevuta dall'aereo, il vettore traiettoria, la storia della traccia, altre informazioni supplementari come i codici transponder speciali inseriti autonomamente dal pilota:

• 7000 - generico volo VFR (Italia ed Europa);
• 7004 - volo acrobatico;
• 7500 - atto di pirateria a bordo;
• 7600 - avaria radio;
• 7700 - emergenza generica a bordo;

nonché, a richiesta del controllore, lo "special indicator" (lampeggio del simbolo). Radar Modo-S I sistemi radar Modo-S, evoluzione del radar di sorveglianza secondario, sono radar ad interrogazione "selettiva". Riescono ad comunicare scegliendo gli aerei con cui scambiare informazioni.

Un Trasponder Modo S

La codifica parte dal sistema SSR convenzionale 3A/C (anche per mantenere una certa compatibilità con i vecchi transponder), ma viene estesa aggiungendo altri bit di informazione al pacchetto di impulsi trasmessi in grado di aumentare sia il numero di codici sfruttabili contemporaneamente dagli aerei in modalità "elementary" (24 bit = 16.777.216 di codici), sia di aumentare ulteriormente il numero di informazioni trasferibili in coda ai codici identificativi tra i due sistemi (interrogatore a terra Modo-S e transponder Modo-S a bordo) ad esempio fornendo oltre la quota anche elementi di telemetria, assetti istantanei di volo, informazioni varie a disposizione dei piloti e/o dei passeggeri, ecc.., anche in modalità "squitter", cioè senza che il transponder venga interrogato da terra Con questo nuovo sistema non è più necessario inserire di volta in volta i codici SSR forniti da terra, ma l'aereo manterrà un univoco codice a 24 bit che lo caratterizzerà per tutta la vita operativa. La disponibilità e la velocità di informazioni è legata essenzialmente alle caratteristiche dell'antenna (velocità di rotazione) perché scambio di informazioni può avvenire solo nel periodo in cui l'antenna è allineata in direzione target.

Schema del sistema ADS-B

ADS-B L'ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) è l'ultimo avanzamento tecnologico in termini di Transponder e di localizzazione aerea. In questo sistema, il dispositivo di bordo trasmette ciclicamente la propria identità, posizione GPS e altre informazioni, non solo alle stazioni di terra (ADS-B Out), ma anche ad eventuali altri aeromobili, equipaggiati con la stessa tecnologia (ADS-B In). L'ADS-B è un sistema di sorveglianza automatico, perché non è richiesto alcuno stimolo esterno, dipendente perché si basa sui sistemi di bordo per fornire informazioni di sorveglianza ad altri soggetti.
Infine i dati vengono diffusi, la sorgente non sa chi riceverà i suoi dati e non c'è nessuna interrogazione o contatto biunivoco. I vantaggi sono molteplici: utilizzando un segnale digitale e quindi, se ricevuto correttamente, non degrada con la distanza, le informazioni trasmesse possono essere maggiori: ad esempio si possono trasmettere come CallSign (nominativo del volo), direttamente le marche dell'aeromobile e non solo il codice a 4 cifre assegnato per il volo; può essere trasmessa la IAS (velocità dell'aria indicata), ecc. Questo sistema può essere di grande aiuto per i piloti poiché possono ricevere i segnali degli aerei che passano nel range di funzionamento del sistema, ed avere direttamente un'immagine del traffico aereo nella zona. FONTI www.enav.it www.ilmondodelletelecomunicazioni.it (Francesco Buffa) www.saturatore.it (Massimo Vascotto) www.flightradar24.com planefinder.net www.rafmuseum.org.uk www.aeroexpo.online www.pagerpower.com/ Andrea Betlamini/