Il Sistema Garmin-1000

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Il Sistema Garmin-1000
A cura di Andrea “Alpha Papa” Pasqualini
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.
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
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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:
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:
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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:
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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;
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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:
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”.
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.
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.
Il Multi-Function Display (MFD)
Nel corso delle normali operazioni, il secondo display, appare come nell’immagine sottostante:
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:
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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
Il 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.
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.
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:
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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.
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.
2
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).
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.
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