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Il Sistema Garmin-1000
Scritto da Andrea "Alpha Papa" Pasqualini   
Tuesday 26 October 2010
Premessa

Sempre più frequentemente, in Aviazione Generale, si parla di ATA (Advanced Technology Aircraft); si tratta di aeromobili muniti di avionica totalmente integrata con sistemi a logica programmata al posto dei convenzionali cruscotti con strumenti meccanici o elettromeccanici.

Una avionica realizzata tramite integrazione di sistemi programmati acquisisce i dati di volo tramite sensori e trasduttori; i dati di posizione sono acquisiti tramite un sistema di rilevamento GPS.
I dati acquisiti vengono elaborati e presentati al pilota in forma sintetica; possono anche essere utilizzati per una gestione automatizzata della navigazione e del volo alimentando un autopilota integrato nel sistema.

Non si tratta quindi solo di un modo diverso per presentare i dati di volo, ma di un modo completamente diverso per organizzare e gestire l'attività di pilotaggio.

Nel presente documento viene descritto il sistema Garmin-1000 (G1000); il principale riferimento è il G1000 installato su Cessna 172SP Nav III, dal cui manuale operativo sono tratte gran parte delle informazioni.



Line Replaceable Units

Il G1000 è costituito da una serie di unità, dette LRU (Line Replaceable Units), ognuna delle quali è specializzata per un compito ed è collegata tramite data link ad altre LRU.

L’organizzazione del sistema su LRU ha fondamentalmente lo scopo di minimizzare i tempi di manutenzione e diagnostica in caso di malfunzionamenti: l’intervento manutentivo infatti si riduce, nelle intenzioni del progettista, alla sola sostituzione dell’unità malfunzionante – riducendo quindi i tempi di fermo macchina in officina.

La seguente immagine (© Garmin), estratta dalla Pilot’s Guide For Cessna Nav III, mostra lo schema a blocchi delle LRU ed i rispettivi data link.

 

sistemag1000_3.jpg

G-1000 block diagram © Garmin


Seguendo lo schema da sinistra a destra e dall’alto verso il basso, incontriamo le seguenti LRU:

  • GDU1040 (due unità): si tratta di una coppia di display multifunzione atti a presentare i dati di volo (PFD) e la mappa oppure i dati di sistema, secondo le selezioni eseguite da menù (MFD); i due display sono collegati in crosslink con un bus industry standard Ethernet1 ;
  • GMA1347: è la centralina di governo del sistema audio (selezione della sorgente audio da COM, NAV, DME, ADF, impostazioni dell’intercom, impostazioni per la ricezione marker beacons, impostazioni per l’audio dedicato ai passeggeri tramite due canali dedicati compatibili con playback MP3); la centralina GMA1347 gestisce anche il cosiddetto “reversionary mode”, ovvero la proiezione degli stessi dati primari su entrambi i display come ridondanza in caso di failure del PFD o dell’MFD; la GMA1347 è collegata con data link industry standard RS2322 con i moduli GIA63;
  • GIA63A (#1 e #2): sono due calcolatori e data integrators identici, che elaborano in parallelo lo stesso insieme di dati (per consentire un livello di ridondanza); la GIA63 #1 comunica direttamente con il PFD, la #2 con l’MFD; entrambe le unità concentrano i canali COM, NAV, l’input dai ricevitori GPS; la GIA63 #2 fornisce anche l’output verso l’autopilota; il collegamento con i display è tramite data bus Ethernet;
  • GDC74A: è l’Air Data Computer, ovvero il sistema di concentrazione ed elaborazione dei dati da sonde esterne (temperatura esterna, statica, pitot) e calcola le grandezze rispetto all’aria (velocità indicata, altitudine, velocità verticale); è collegato alle GIA63, all’AHRS ed ai display tramite data bus ARINC 4293 ;
  • GRS77: è l’Attitude & Heading Reference System (AHRS), ovvero il sistema di concentrazione ed elaborazione delle grandezze fisiche misurate, su un’avionica tradizionale, tramite giroscopi; l’AHRS utilizza accelerometri e sensori di rateo allo stato solido, opportunamente integrati con l’input dai ricevitori GPS;
  • GMU44: è un magnetometro in grado di rilevare il campo magnetico locale per fornire al sistema informazioni sulla rotta magnetica; comunica direttamente con il sistema AHRS; è posizionato nell’ala sinistra; l’elevata sensibilità del GMU è evidente a terra, quando la vicinanza di masse metalliche (p.es. la struttura di un hangar) producono anomale letture dell’heading; è collegato all’AHRS tramite un data link industry standard RS4854 ;
  • GTX33: è il transponder, in grado di fornire i modi A,C,S; è controllato direttamente dal PFD; è collegato alle GIA63 tramite un data link industry standard RS232;
  • GEA71: è l’unità di concentrazione dei dati provenienti dalla cellula e dal propulsore; fornisce le informazioni su RPM, pressione e temperatura olio, livello e flusso carburante, parametri dell’impianto elettrico; è collegato alle GIA63 tramite un data link industry standard RS485;
Nello schema non è indicato il ricevitore ADF (presente sul C172SP) ed integrato nel sistema tramite collegamento alle unità GIA63.

A completamento del sistema (non presenti però sul C172SP) possono esserci moduli opzionali, p.es. il radioricevitore XM GDL69 per la ricezione di dati meteo da satellite (XM Weather), oppure l’upgrade delle GIA63 al livello W, per ottenere capacità WAAS (Wide Area Augmentation System), StormScope, sistemi di informazione ed evitamento del traffico, TAWS (Terrain Awareness & Warning System).

Il sistema G1000 prevede anche un autopilota integrato Garmin oppure (come sul C172SP e sul DA40 oggetto delle prove in volo) il collegamento con un autopilota Bendix-King KAP140.
In quest’ultimo caso, non essendoci una completa integrazione fra l’AP ed il G1000, si rende necessario impostare l’AP (p.es. per fornirgli il QNH) separatamente dal G1000.


Il Primary Flight Display (PFD)

Le immagini dei display sono state realizzate con il software Garmin per la simulazione del sistema G1000; il software, comandato da tastiera o tramite joystick, permette di apprendere o studiare le funzioni offerte dal sistema G1000, emulando le funzioni PFD o MFD.


Il PFD si presenta così quando tutte le visualizzazioni possibili sono abilitate contemporaneamente:

 

immagine_2_485_x_358.jpg


 

Nella cornice, a sinistra, a destra e in basso abbiamo le pulsantiere ed i tasti per impostare il sistema ed accedere alle funzioni del software (sono identiche per PFD ed MFD).

A sinistra, dall’alto:
  • selezione NAV1/NAV2;
  • selezione frequenza attiva/stand by sulla NAV selezionata;
  • manopole di impostazione della frequenza;
  • manopola di sincronizzazione/impostazione heading bug;
  • manopola di selezione altitude bug;

In basso dieci softkeys per accedere alla struttura di menù del software G1000; il menù di primo livello, visualizzato, permette di impostare:
  • INSET window (è la piccola mappa verde a sinistra);
  • funzioni PFD;
  • selezione della sorgente per il CDI (possibili scelte:VOR1, VOR2, GPS);
  • selezione sorgente DME;
  • impostazione codice e modo del transponder (XPDR);
  • invio IDENT transponder;
  • visualizzazione della finestra TIMER/REF SPEED (a destra), che mostra le velocità pre-programmate (Vr, Vx, Vy e best glide, nel caso relative al C172SP) e offre le funzionalità di un cronometro;
  • menù NeaReST waypoint;
  • visualizzazione finestra messaggi (annunciators); questa finestra sostituisce l'annunciator panel tradizionale e presenta i messaggi (codificati nelle quattro priorità: alert, caution, warning e messages) in forma sintetica, utilizzando differenti colori secondo la priorità del messaggio.

A destra, dall’alto:
  • selezione COM1/COM2;
  • selezione frequenza attiva/stand by sulla COM selezionata;
  • manopole di impostazione della frequenza;
  • manopola di selezione course/barometrica;
  • manopola/joystick di selezione map range;
  • pulsanti di accesso alle funzioni FMS (menù di impostazione flight plan, pulsante direct-to, menù procedure disponibili per un determinato aeroporto: approach, missed approach, departure, arrival);
  • manopola/pulsante multifunzione di navigazione nei menù e di impostazione dati;


PFD: NAV e COM

Il display mostra tutti i dati primari della situazione di volo (velocità, altitudine, assetto), la posizione rispetto alle radioassistenze attive, i dati ausiliari impostati tramite le apposite funzioni software.

In alto abbiamo le frequenze (NAV1 e 2, COM1 e 2) impostate:

immagine_3_485_x_36.jpg

A sinistra le NAV1 e 2, a destra le COM 1 e 2; le frequenze attive sono quelle verso il centro del display, pertanto abbiamo NAV1 sul VOR di SRN, NAV2 sul VOR di LIN; COM1 su 124.925 Milano Informazioni, COM2 su 136.975 (ATIS di Linate).
L’identificativo delle stazioni VOR è decodificato dal segnale Morse inviato in frequenza.
Le frequenze verso l’esterno sono le frequenze di stand-by, mentre il riquadrino blu intorno alla frequenza mostra la NAV o COM al momento selezionata per modificarne le impostazioni.


PFD: dati di volo

Nella parte centrale del display abbiamo la presentazione dei dati di volo: IAS visualizzazta a nastro a sinistra (con indicazione visibile dell’arco verde e dell’arco bianco in corrispondenza degli 85 nodi); altitudine visualizzata a nastro a destra, con indicazione del QNH impostato e della vertical speed (in questo momento non presente perchè pari a zero).

In centro al display l’orizzonte artificiale, con l’indicazione di assetto e di banco; la funzione della “pallina” è svolta dal piccolo trattino orizzontale (“slip/skid indicator”); in caso di scivolata o derapata questo si disallinea rispetto al triangolino bianco, funzionando esattamente come la classica “pallina”.

 

immagine_4_485_x_283.jpg


PFD: Horizontal Situation Indicator

Infine abbiamo la visualizzazione dell’HSI, da cui possiamo acquisire tutti i dati utili alla navigazione in corso:

  • prua (heading), impostata su 010 nella casella HDG a sinistra ed attualmente seguita;
  • rotta (course), impostata a 352 nella casella CRS ed indicata dalla freccia viola (navigazione GPS);
  • le due radioassistenze NAV1 e NAV2, indicate dalle due frecce azzurre e riportate in sintesi in basso, con l’identificazione della stazione e la distanza DME;
  • la piccola finestra in alto a sinistra è l’indicazione del vettore vento (visualizzato in uno dei tre modi possibili, scomponendolo in front- e crosswind).

Sotto l’indicazione della prua abbiamo in azzurro l’heading bug, impostato dalla manopola “Heading” posizionata sulla cornice del display.

In caso si stia volando senza correggere l’effetto di deriva dato dal vento al traverso, oltre al bug compare anche un’indicazione (in colore magenta) che mostra l'effettivo percorso al suolo (tracking).

I quattro trattini (due a destra e due a sinistra) subito sotto l’indicazione della prua sono l’equivalente della “paletta”; in virata infatti viene disegnato un arco magenta che indica la velocità angolare: il primo trattino corrisponde a 1,5 gradi/sec, quello più esterno indica la virata standard di 3 gradi/sec.

immagine_5_485_x_378.jpg

 

Tutti i dati visualizzati sull’HSI sono impostabili da software (è possibile decidere di visualizzare solo il CDI rispetto ad una delle stazioni NAV, abilitare o meno la visualizzazione dei dati di ognuna delle radioassistenze – selezionando per ognuna la fonte NAV1, NAV2 o ADF).

Ridotta al minimo, la rappresentazione sull’HSI può essere la seguente: è stata infatti soppressa la visualizzazione dei due bearing ed impostato il CDI sulla stazione NAV1.

In questo momento l'aereo sta volando per prua 220 e viene visualizzato uno scostamento di oltre 10 gradi rispetto alla radiale 266 di VOR1.

Si intravede, sotto l’heading bug, l’indicatore magenta del tracking.


immagine_6_485_x_419.jpg

 

 Il Multi-Function Display (MFD)


Nel corso delle normali operazioni, il secondo display, appare come nell’immagine sottostante:

immagine_7_485_x_352.jpg

La disposizione di pulsanti e tasti sulla cornice è identica al PFD (infatti le due unità display sono identiche, variando solo i dati visualizzati e la struttura a menù attivabile con le softkeys).

Sull’MFD abbiamo, in alto, la ripetizione delle impostazioni NAV/COM e fra di esse alcuni dati sintetici riguardanti la navigazione quando il sistema G1000 sta eseguendo un piano di volo preimpostato o una procedura.

Nella colonna a sinistra abbiamo le indicazioni relative al motore ed agli impianti di bordo:
  • RPM;
  • fuel flow (in galloni/ora);
  • pressione e temperatura olio;
  • EGT;
  • depressione nel circuito vacuum (che alimenta l’orizzonte artificiale di stand-by);
  • televel serbatoi;
  • letture dei parametri elettrici sui bus e in batteria;
L’MFD sta visualizzando la mappa del territorio a Nord di Milano, con i punti significativi nel database del sistema, comprensiva di colori per indicare l’elevazione del terreno (in giallo e marrone sono evidenziate le prime alture in alto a destra, nei pressi di Lecco).
Si notano, evidenziati rispettivamente in viola e azzurro, i confini del CTR e dell'ATZ di Milano Linate.

La posizione è indicata dalla piccola sagoma di aeroplano al centro del display.

La scala della mappa è modificabile a piacere (il lato della mappa può rappresentare da un minimo di 5000’ a 2000NM, l'immagine sopra presenta un lato di 30NM).


Reversionary Mode

Se il PFD o l’MFD presentano anomalie, il sistema G1000 attiva la modalità reversionary; in questa modalità sul display rimanente viene presentato il contenuto del PFD integrato dalla colonna con i dati motore e di sistema.

La modalità reversionary è attivabile anche dal pilota, tramite un ben visibile pulsante rosso sulla centralina GMA1347.


Lean Assist

 

immagine_8_98_x_300.jpgIl menù dell’MFD consente di avere un aiuto per lo smagrimento della miscela tramite la funzione “lean assist”; attivando infatti il menù ENGINE si hanno a disposizione, tra le altre, le funsioni LEAN e ASSIST; selezionando LEAN la presentazione dei dati motore cambia come visualizzato a sinistra.

Abbiamo sempre l’indicazione RPM, seguita dalla rappresentazione grafica della EGT per ogni cilindro (in questo momento abbiamo il picco sul cilindro 2, a 1610 gradi F), dalla rappresentazione della temperatura cilindri e dal fuel flow.

Agendo sulla miscela, si ottiene la corretta regolazione osservando l’andamento dell’EGT e smagrendo o arricchendo per arrivare al picco EGT (e poi arricchendo quanto basta per le operazioni Rich On Peak secondo le indicazioni del POH).

La funzione ASSIST aggiunge, sotto l’indicazione EGT, un’ulteriore indicazione che è il delta (Δ) di temperatura rispetto alla lettura precedente; secondo il POH, la corretta operazione ROP è data da un Δ di -75F rispetto al picco.

 

 

Flight Plan

Tramite il sistema G1000, sia sul PFD che sull’MFD è possibile inserire, modificare, salvare e recuperare piani di volo operativi, intesi come sequenze di waypoint da raggiungere in sequenza ad una predeterminata altitudine.

Una volta inserito o selezionato il flight plan, è necessario attivarlo ed impostare l’AP in modo NAV per fare in modo che il G1000 lo esegua portanto automaticamente l’aereo lungo le varie tratte.

 

immagine_9_149_x_250.jpg

A sinistra, un flight plan impostato sul software di simulazione, con indicazioni delle distanze; la tratta attiva è evidenziata (LIMB – SRN).

Una volta attivato ed impostato il flight plan, è possibile, durante il suo svolgimento, alterarlo (agigungendo o sopprimendo waypoints), selezionando la funzione Direct-To su uno specifico waypoint, invertire l’ordine dei waypoint e tutta una serie di funzioni gestionali simili.


Nell’esempio in basso, la mappa sull’MFD mostra le tratte del piano di volo attivo e, in magenta, la tratta corrente.

L’inserimento del piano di volo non effettua una validazione dei waypoint e delle altitudini impostate: è pertanto necessario porre attenzione agli spazi aerei attraversati e a tutte le regolamentazioni in essere!
Infatti il piano di volo, nella tratta SRN-TZO attraversa lo spazio aereo di Linate a nord, effettuando il sorvolo di Monza.

Il sistema G1000, per quanto possa essere sofisticato e sollevare il pilota da parte del workload, richiede comunque un'attenta preparazione e pianificazione delle attività di volo e navigazione esattamente come su aeroplani tradizionali; l’annunciator panel, comunque, avvisa tramite un annuncio la prossimità a spazi aerei regolamentati.

 


Failures


I guasti ad una o più delle LRU facenti parte del sistema G1000 sono indicati sul PFD o sull’MFD o su entrambi i display, secondo i dati che vengono a mancare, visualizzando una “X” rossa e la dicitura “FAIL” nel riquadro corrispondente.

Il pilota deve interpretare quindi la segnalazione come “assenza di dati” per guasto ad un elaboratore, non come guasto del sistema monitorato; un guasto alla unità GEA71, pertanto, priva il pilota di parte o tutte delle letture dati provenienti dal motore; non indica però un’avaria motore in atto o imminente.

Nell’immagine seguente, un guasto simulato all’Air Data Computer fa apparire lo stato di failure relativamente ai dati IAS, altitude e VS.

immagine_11_485_x_306.jpg 

Nelle operazioni di addestramento le failures sono facilmente simulabili disconnettendo il CB collegato all’alimentazione dell’unità.

Normalmente, in caso di guasto, si devono verificare i CB ed i parametri elettrici indicati sull’MFD (se disponibili); in caso di failure totale del sistema rimangono disponibili gli strumenti meccanici di stand-by (anemometro, orizzonte, altimetro, bussola).


Riferimenti documentali


Il presente articolo, oltre che prendere spunto da esperienze personali dell'autore, fa riferimento ai seguenti documenti:


  • Garmin 1000 Cockpit Reference Guide for Cessna NAV III
  • Garmin 1000 Pilot’s Guide for Cessna NAV III
  • Cessna 172S NAV III Aircraft Information Manual, sezioni 7 e 9


Per un approfondimento sulle tecnologie descritte per i data link nella sezione “Line Replaceable Units”, si possono usare i seguenti riferimenti internet:


  • RS232 serial bus:             http://en.wikipedia.org/wiki/RS232
  • RS/EIA 485 serial bus:         http://en.wikipedia.org/wiki/RS485
  • ARINC 429 bus:             http://en.wikipedia.org/wiki/ARINC_429
  • Ethernet (standard IEEE 802.3):    http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.3

 

 

Note:

1 La specifica di riferimento è data dallo standard IEEE 802.3. (per tornare al testo cliccare sul tasto indietro del browser)

2 Il riferimento è appunto la specifica RS-232, che descrive tanto il livello fisico (voltaggi, segnali e temporizzazioni) quanto quello logico (codifica dei dati, codifica dei segnali di controllo, sistemi di error detection/correction) per la trasmissione di dati digitali in modo seriale.  (per tornare al testo cliccare sul tasto indietro del browser)

3 Lo standard ARINC-429 descrive anch’esso tanto la parte fisica quanto la parte logica della trasmissione dati; lo standard ARINC-429 è stato sviluppato appositamente per i sistemi di avionica e descrive integralmente il protocollo di trasmissione e scambio dati (costituito da messaggi su parole di 32 bit inviati su un bus seriale). (per tornare al testo cliccare sul tasto indietro del browser)

4 Il riferimento è la specifica EIA-485, che descrive la sola parte elettrica (voltaggi, segnali e temporizzazioni) per la trasmissione di dati digitali su canale seriale; la specifica EIA-485 descrive una linea con ridotta sensibilità alle interferenze elettromagnetiche. (per tornare al testo cliccare sul tasto indietro del browser)

 

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