(Cambridge Pixel, esperto leader in ‘Elaborazione del segnale radar’; simulazione di un bridge; foto courtesy www.cambridgepixel.com)
Non si tratta di una ‘navigazione’ intesa come scienza: cioè non determina la direzione che una nave segue in mare o la sua posizione in un determinato istante; queste informazioni vengono fornite anche, ma con una integrazione combinata tramite sistemi digitalizzati.
Per ‘navigazione digitale’ usata in processi marittimi si intende una evoluzione tecnologica che ha trasformato le relazioni operative di una nave e le relative connessioni esperienziali dei passeggeri durante un viaggio o dell’intero equipaggio.
La tecnologia usata è del tipo ‘smart’ e riesce ad integrare i sistemi digitali avanzati tra cui: – Sensori digitali in tempo reale: – Algoritmi di controllo smart: – Simulazioni digitali e digital twin; – Sistemi di assistenza alla navigazione; – Piattaforme di comunicazione avanzate.
Questi sistemi digitali consentono di prevedere scenari meteomarini, ottimizzare le rotte, gestire in modo proattivo i rischi e garantendo sicurezza, efficienza e comfort durante la traversata.
In tema di sicurezza in mare, alcune piattaforme possono prevenire incidenti o collisioni; mentre quando si parla di ottimizzare le rotte ci riferiamo principalmente al risparmio dei tempi di viaggio e del carburante; esistono poi sistemi digitali in grado di rilevare guasti in tempo reale e di migliorare la gestione dei servizi e risorse di bordo.
Lo ricordiamo che le principali tecnologie di bordo di una nave moderna includono: – Sistemi di navigazione inerziale con sensori digitali; – Piattaforme di comunicazione terrestri e satellitari; – Droni UAV per estensione della connettività; – Sistemi di rete di integrazione con i sistemi di navigazione.
Per quanto riguarda i sistemi di navigazione inerziale o sistema di guida inerziale, dobbiamo dire che sono dispositivi di navigazione capaci di fornire informazioni sulla posizione, velocità e accelerazione di un dato veicolo (nave, aeromobile, missile, veicoli spaziali, robot), senza la necessità di riferimenti esterni (nella costa o nella volta celeste) o di stazioni terrestri di radiocomunicazione.
Il rilevamento inerziale è impiegato in una vasta gamma di applicazioni e piattaforme, dai dispositivi di uso quotidiano come gli smartphone a sistemi complessi come i veicoli autonomi.
La maggior parte del rilevamento inerziale si basa su accelerometri che forniscono misurazioni specifiche della forza, così come su giroscopi che forniscono misurazioni della velocità angolare. Una Unità di Misura Inerziale (IMU) consiste tipicamente in tre accelerometri ortogonali e tre giroscopi ortogonali (X,Y,Z), con prestazioni e costi variabili.
Per la navigazione marittima, tali sistemi combinano accelerometri e giroscopi per garantire una navigazione affidabile anche in condizioni di segnale GPS limitato, fornendo un supporto cruciale per l’autonomia delle navi.
Il sistema è inizialmente fornito della sua velocità e posizione da un’altra sorgente (un operatore, un ricevitore satellitare GPS o altro), e dopo calcola la sua posizione aggiornata e velocità integrando le informazioni che ha ricevuto dai sensori di moto.
Per rilevare una variazione della sua posizione geografica (per esempio, uno spostamento verso il nord o verso l’est), una variazione della sua velocità (velocità, orientamento e verso del moto), e una variazione del suo orientamento (rotazione attorno ad un asse), il sistema usa i giroscopi che misurano la velocità angolare in una terna di riferimento inerziale. Utilizzando l’orientamento iniziale del sistema rispetto al riferimento inerziale quale dato iniziale ed integrando la velocità angolare, si conosce l’orientamento attuale del sistema in qualsiasi momento.
Poi, gli accelerometri misurano le accelerazioni lineari del sistema nel riferimento inerziale, nelle direzioni relative al sistema in movimento in cui vengono misurate (gli accelerometri sono fissati al sistema e si muovono con esso); questa accelerazione integrata nel tempo fornisce la velocità con cui si muove il sistema, integrata a sua volta nel tempo fornisce la distanza percorsa.
I sistemi di navigazione inerziale sono spesso abbinati ai sistemi di navigazione satellitare, come il GPS, tramite un filtraggio digitale: il sistema inerziale fornisce dati a breve termine, mentre il sistema satellitare corregge gli errori di deriva del sistema inerziale. Questo tipo di integrazione viene tipicamente effettuata tramite un filtro di Kalman.
Oggi, i sistemi di navigazione inerziale con deep learning stanno rivoluzionando il campo della navigazione in senso stretto. Utilizzano algoritmi di apprendimento profondo, migliorando l’autonomia e la reattività del veicolo, operando anche in condizioni di comunicazione limitate.
Questi sistemi possono apprendere dall’ambiente circostante in tempo reale, aprendo algoritmi di navigazione che non sono stati progettati specificamente per situazioni non previste. Questo approccio offre una soluzione versatile e potente per applicazioni in ambito aerospaziale, dove la precisione e l’affidabilità sono fondamentali.
Abele Carruezzo
