PT106214A - Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A UM SISTEMA AEROTRANSPORTADO, APLICÁVEL À FORMAÇÃO E TREINO DE PESSOAL EM AERONAVES MILITARES, MONTADO NUMA PALETE AMOVÍVEL (1), COMPREENDENDO AS CADEIRAS DOS OPERADORES (2) E AS CONSOLAS RESPECTIVAS (4), ESTANDO INCORPORADOS NESTAS DISPOSITIVOS DE VISUALIZAÇÃO (3), INTRODUÇÃO E GESTÃO DE INFORMAÇÃO (7, 8), BEM COMO OS COMPUTADORES (5) QUE RECEBEM E PROCESSAM OS DADOS ORIUNDOS DA AERONAVE, DISPONIBILIZANDO AO OPERADOR PARÂMETROS DE VOO, POSIÇÃO E NAVEGAÇÃO POR RÁDIO AJUDAS SIMULADAS. A INFORMAÇÃO POSICIONAL TRIDIMENSIONAL, DE DESEMPENHO DO VOO E DE DADOS DO AR PROVÉM DE SISTEMAS PRÓPRIOS DA AERONAVE. AS INDICAÇÕES DOS INSTRUMENTOS DE NAVEGAÇÃO SIMULADOS SÃO OBTIDAS POR CÁLCULO NUMÉRICO, RELACIONANDO INFORMAÇÃO POSICIONAL DA AERONAVE, COM INFORMAÇÃO POSICIONAL RELATIVA A RÁDIO AJUDAS CONVENCIONAIS CONTIDA EM BASE DE DADOS AERONÁUTICA. O SISTEMA DISPONIBILIZA AINDA CARTOGRAFIA AERONÁUTICA ESPECÍFICA E FERRAMENTAS DE APOIO À MISSÃO. PERMITE AINDA A GRAVAÇÃO DOS PARÂMETROS PARA POSTERIOR ANÁLISE DA MISSÃO EFECTUADA.

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA AEROTRANSPORTADO PARA FORMAÇÃO DE PESSOAL NAVEGANTE

Domínio técnico da invenção A componente prática do Curso de Formação de Navegadores da Força Aérea Portuguesa (FAP) é ministrada a Aspirantes a Oficial e Oficiais, destinados à especialidade de Navegador, provenientes do Tirocínio do Curso de Licenciatura de Tecnologias Militares Aeronáuticas, na especialidade de Navegador (CLTMA NAV), do Curso de Formação de Oficiais em Regime de Contrato para a especialidade de Navegador (CFO/RC NAV) ou de Países de Língua Oficial Portuguesa e que tenham terminado, com aproveitamento, a fase de formação teórica na Academia da Força Aérea (AFA), no Centro de Formação Militar e Técnico da Força Aérea (CFMTFA), ou noutra unidade da Força Aérea definida superiormente; assim como a militares de países aliados que tenham terminado com aproveitamento, nos seus países, formação teórica adequada à posterior formação prática ministrada por este sistema. 0 objetivo da componente prática do Curso de Formação de Navegadores é conferir aos alunos as competências técnicas necessárias às suas funções de Oficial Navegador da Força Aérea. 0 presente invento é aplicável, na sua génese, ao apoio à instrução em voo da componente prática do Curso de Formação de Navegadores da Força Aérea Portuguesa.

Este invento tem aplicabilidade direta na Instrução de Navegação Aérea Militar para pessoal navegante, nomeadamente da especialidade de Navegador, podendo também ser adaptado e utilizado para instrução de outro pessoal navegante em ambiente de instrução semelhante como sejam os Coordenadores Aéreos Táticos e Operadores de Sistemas de Vigilância, Deteção ou de Interceção, sempre que os programas curriculares dos seus cursos incluam uma componente prática na aeronave de instrução (após validadas as suas condições físicas e psíquicas de adaptação ao voo).

Estado da Técnica 1 0 advento das tecnologias de computadores e avançados sistemas de visualização permitiu o aparecimento de sistemas de simulação para formação e instrução no ramo aeronáutico, com caracteristicas que se demarcaram das soluções anteriores.

Até então, as soluções de simulação de voo e navegação aérea, recorreram a sistemas mecânicos e eletromecânicos cuja fidelidade e desempenho face aos equipamentos reais deixava muito a desejar. Complexos e onerosos, estes sistemas desempenhavam as suas funções limitados à tecnologia existente à época.

Hoje em dia, a representação virtual de instrumentação real permite alcançar uma redução considerável dos custos de operação e manutenção, uma vez que dispensa toda a complexidade mecânica e construtiva dos instrumentos de voo convencionais.

Além disso, este tipo de visualização possui uma elevada flexibilidade, podendo na prática ser virtualmente representado qualquer tipo de instrumento aviónico disponibilizado nas aeronaves reais.

Para uma utilização em ambiente de treino, as limitações inevitáveis decorrentes da não reprodução mecânica do instrumento, podem ser facilmente obviadas através da adoção de procedimentos de instrução que consciencializem o utilizador para as diferenças entre instrumentos reais e simulados.

As aplicações de software aeronáuticas do tipo CBT Computer Baseei Training, como é o caso do SIMAVIO Simulador de Aviónicos, utilizado na FAP, são desde há muito utilizadas para formação de pessoal navegante em ambiente simulado. Estes proporcionam uma forma eficaz de ajudar os alunos a solidificar os seus conhecimentos e a tomarem um contacto inicial com a instrumentação existente a bordo de uma aeronave.

No entanto, os CBT são ferramentas de apoio em sala de aula e normalmente isoladas entre si, não permitindo a formação integrada do pessoal navegante em situações de contexto real de operação.

Os simuladores de voo existentes na FAP, como o SIMAJET -Simulador da Aeronave AlphaJet, Simulador F-16MLU ou o SEPS - Simulador de Epsilon, todos utilizados em instrução e treino dos pilotos das Esquadras de voo, também se constituem como soluções de emulação de instrumentação de voo e de navegação, uma vez que representam os instrumentos 2 de uma forma visual e funcional, similar aos instrumentos reais.

Este tipo de equipamentos, apesar de complexos e onerosos de operar e manter, cumprem os requisitos da instrução de voo sendo, no entanto, mais adequados a um regime de exploração permanente, permitindo a formação no solo sem as restrições da actividade aeronáutica normal, condicionada nomeadamente pela meteorologia.

Atualmente, vários tipos de simuladores baseados em computadores pessoais, permitem a simulação/emulação fiel de variados tipos de sistemas eletrónicos, onde podemos incluir os sistemas aviónicos, que fazem parte das aeronaves, de uma forma simplificada e mais acessível. No caso particular dos simuladores de voo, também as rádio ajudas à navegação convencionais são simuladas de forma precisa, proporcionando informação de navegação virtual para a instrumentação também ela virtual.

No entanto, no que diz respeito a sistemas de formação aerotransportados, isto é, que permitem a instrução e treino em condições de voo reais, a bordo de uma aeronave, existem poucos exemplos de tais soluções, dada a relativa complexidade dos mesmos por um lado, e das restrições de disponibilidade de espaço e condições técnicas de montagem destes sistemas, por outro.

Para o enquadramento do presente invento, importa referir a seguir o estado da arte e outros sistemas e conceitos idealizados neste domínio até à data, particularmente aqueles cuja visualização dos dados fornecidos pelos instrumentos/equipamentos recorre a dispositivos de visualização baseados em monitores de computador e que utilizem informação proveniente de rádio ajudas convencionais ou simuladas. Em detrimento dos sistemas específicos para instrução de voo de pilotos atrás descritos, serão referidos sistemas dedicados à instrução e ao treino de outro pessoal navegante em condições reais de voo.

Patente US4424038 - "Inflíght aircraft training system", 1984: Sistema de treino de operadores em voo que simula ameaças radar, conjugando para o efeito dados posicionais da aeronave e bases de dados com informação relativa à ameaça (localização, tipo e outra), de forma a calcular e/ou simular parâmetros que são disponibilizados aos 3 operadores de forma similar à real, permitido o treino de cenários em ambiente operacional realista.

Patente US2007/0264617A1 - "Reconfigurable non-pilot aircrew training system", 2007: Sistema de treino de operadores em voo, reconfigurável na sua função. Consiste em estações de trabalho multifunções disponibilizadas a vários operadores e a pelo menos um instrutor. Pode simular/emular vários sistemas aviónicos, utilizando informação de voo obtida por meio de interface adequada com os sistemas aviónicos da aeronave, processando-a e disponibilizando-a de forma realista ao operador. Permite com isso o treino especializado de operadores não pilotos.

Patente US 4692869 - "Aircraft navigational Systems and methods for creating navigational guidepoints", 1987: Descreve um sistema e métodos de navegação, idealizado para fornecer dados numéricos e visualização relativa a pontos de navegação durante o voo. Descreve também os cálculos utilizando navegação em grandes círculos e conceitos de geometria esférica, necessários para determinar rumos e distâncias entre a aeronave e uma rádio ajuda, dadas as suas respetivas localizações geográficas. TMT - Tactical Mission Training system: Sistema comercial, da empresa XWAVE, utilizado pela Real Força Aérea Canadiana para treino de navegadores e operadores de sensores aerotransportados, instalado, de forma integrada e permanente, a bordo de uma aeronave do tipo Bombardier Dash-8-100. É ainda utilizado para treino de operadores de outros países como Alemanha, Singapura, Noruega, Austrália, Nova Zelândia e Coreia do Sul. Para além da versão instalada em aeronaves, existe um sistema equivalente para uso em terra, em ambiente simulado.

Para além destes sistemas, importa referir um sistema concebido e instalado em Portugal, utilizado até há alguns anos atrás, pela Força Aérea Portuguesa que operou um sistema de instrução de Navegadores aerotransportado numa aeronave C212-100 Aviocar, especialmente modificada em exclusivo para esta missão. 0 sistema instalado na aeronave consistia em seis consolas, montadas no compartimento de carga, dotadas de instrumentação, mecânica e eletromecânica, barométrica e de navegação, replicada da instrumentação do cockpit da aeronave. De manutenção complexa, esta aeronave viria a ser descomissionada em 2005, perdendo a Força Aérea a 4 capacidade interna Navegadores. a nível nacional, da formação de

Enquadramento da invenção

Durante a formação avançada do pessoal navegante, nomeadamente pilotos-aviadores, navegadores, operadores táticos, controladores de radar e de vigilância aérea, são utilizados diversos sistemas que permitem a interação, quer em voo quer em ambiente simulado, com os instrumentos/equipamentos utilizados nas aeronaves por esses operadores. A Instrução de Navegadores em particular, utiliza rádio ajudas convencionais em voo para uma formação mais eficaz, em contexto de voo real. Para este efeito, algumas aeronaves são equipadas com instrumentação adicional, disponibilizada aos operadores em formação, para além da instrumentação já instalada a bordo para uso exclusivo da tripulação. A instrumentação de aeronaves para esta função recorrendo a tecnologia convencional, implica utilização/replicação dos instrumentos nativos presentes a bordo da aeronave, o que torna a conceção e manutenção destes sistemas complexa e dispendiosa.

No caso particular da Força Aérea Portuguesa, a aeronave C212 Aviocar especialmente modificada para esta função deixou de operar há vários anos, mantendo-se a necessidade operacional de formação de novos Navegadores. A necessidade operacional continuada de formação de Navegadores obriga, na ausência de um meio orgânico nacional que permita esta modalidade de instrução, ao envio de alunos para o estrangeiro, o que acarreta grandes custos. 0 presente invento colmata esta necessidade e recupera a capacidade nacional de formação de pessoal navegante. Para isso recorre a um sistema computorizado aerotransportado amovível que, dispensando a instalação de instrumentos de voo tradicionais, reduz a complexidade de manutenção e aumenta a fiabilidade dos equipamentos. Além disso, o sistema assim desenhado proporciona uma maior versatilidade 5 na utilização, alargando o leque de áreas possíveis de formação.

Tendo em conta a necessidade da sua utilização em voo, o presente invento foi desenvolvido para ser transportado e utilizado a bordo de aeronaves militares de transporte do tipo C-295M ou C-130, que integram a Força Aérea Portuguesa, não ficando no entanto limitado a estes tipos de aeronave, sendo possível a sua utilização em aeronaves similares, dada a padronização das dimensões dos seus elementos principais, nomeadamente a palete, as cadeiras e os postos de operador, bem como o tipo de recursos necessários de energia eléctrica, dados de voo e comunicações.

Uma vez que o tipo de aeronaves mencionado executa normalmente vários tipos de missões, o invento é concebido de forma a ser facilmente instalado ou removido, permitindo a rápida reconfiguração da aeronave, sendo carregado e retirado pela rampa de carga desta. 0 presente invento é seguidamente descrito em pormenor, na sua realização preferida representada por figuras apresentadas nos desenhos anexos, com a seguinte identificação:

Figura 1 — Representação do invento na sua forma completa. Estão assinalados: 1- Palete amovível reforçada; 2- Cadeiras de operador (1 por posto, 3 postos); 3- Monitores de computador (1 por posto, 3 postos); 4- Postos de operador (1 por posto, 3 postos); 5- Computador integrado na estrutura do posto de operador (1 por posto, 3 postos); 6- Mesa de trabalho (1 por posto, 3 postos); 7- Dispositivo apontador (1 por posto, 3 postos); 8- Teclado alfanumérico, integrado na mesa (1 por posto, 3 postos);

Figura 2 - Representação do posto de operador modular e intermutável. Estão assinalados: 3 - Monitor de computador; 7 - Dispositivo apontador; 6 8 - Teclado alfanumérico, integrado na mesa.

Figura 3 - Representação do alçado lateral do invento, com pormenor do interior do posto de operador. Estão assinalados: 1- Palete amovível reforçada; 2- Cadeira de operador; 3- Monitor de computador; 4- Posto de operador e a sua estrutura tubular interna; 5- Computador integrado na estrutura do posto de operador;

Figura 4 - Representação de exemplo de configuração alternativa com dois sistemas justapostos e interligados, acrescida de cadeiras de descanso.

Figura 5 - Representação do modo de carregamento do sistema na aeronave. Exemplo com aeronave C-295M.

Figura 6 - Representação do diagrama da rede de dados.

Estão representados: 9- Sistema aviónico da aeronave que fornece os dados de voo/navegação; 10- Computador do posto de instrutor (central); 11- Concentrador de rede de área local; 12- Computador do posto de aluno 1; 13- Computador do posto de aluno 2.

Figura 7 - Representação exemplificativa da visualização disponibilizada ao aluno. Estão assinalados: 14- ALT - Indicador de altitude; 15- ASI - Indicador de velocidade do ar; 16- VSI - Indicador de razão de descida/subida; 17- Painel seletor de funções; 18- FMS - Sistema de gestão de voo; 19- RMI - Indicador rádio magnético; 20- RMI - Indicador rádio magnético; 21- HSI - Indicador de situação horizontal; 22- Painel seletor de cartas aeronáuticas; 7 23- Cartas aeronáuticas / Gráficos de desempenho de voo; 24- Mapa móvel.

Figura 8 - Representação exemplificativa da visualização disponibilizada ao instrutor. Estão assinalados: 25- ALT - Indicador de altitude; 26- ASI - Indicador de velocidade do ar; 27- VSI - Indicador de razão de descida/subida; 28- RMI - Indicador rádio magnético; 29- RMI - Indicador rádio magnético; 30- HSI - Indicador de situação horizontal; 31- Recursos atribuídos ao aluno 1; 32- Recursos atribuídos ao aluno 2; 33- Recursos atribuídos aos alunos 1 e 2; 34- Painel selector de Mapas/Gráficos de desempenho; 35- Informação sobre rádio ajudas; 36- Informação sobre dados de voo e posição geográfica;

Descrição da concretização preferida do invento

Com referência às figuras ilustradas nos desenhos em anexo, vai agora ser descrita a concretização preferida do invento, explicitando os diversos elementos que o constituem e a forma como são montados. O invento é constituído por uma palete amovível reforçada (1) com dimensões padronizadas para transporte em aeronaves de transporte do tipo C-295M ou C-130 (aqui citadas como exemplo não limitativo), três postos de instrução (4) e respetivas cadeiras para os operadores (2).

Cada posto de operador é modular e intermutável, contém um computador integrado na estrutura (5), um monitor de computador (3), um teclado alfanumérico com dispositivo apontador (7,8) e interfaces para dispositivos de salvaguarda de dados, bem como uma área destinada a servir de mesa de trabalho (6) . Cada posto de operador está ainda equipado com um sistema de intercomunicação interna, para comunicação de voz entre os operadores dos postos e a restante tripulação da aeronave que transporta o invento.

De forma a permitir a instrução simultânea de vários operadores, três postos de operador são montados lado a lado na palete (1,2,4). 0 conjunto assim disposto está ainda equipado com uma rede de energia elétrica local que alimenta os diversos equipamentos presentes nos três postos: computador, monitor, concentrador de rede local, sistema de intercomunicação e sistema integrado de iluminação. 0 invento dispõe ainda de uma rede de dados local, ilustrada na figura 6 dos desenhos em anexo, que interliga os computadores dos três postos. Esta rede de área local, com topologia em estrela por recurso a um concentrador de rede (11), permite a troca de informação entre as aplicações dedicadas ao processamento dos algoritmos de navegação e a interação entre os postos de instrução atribuídos aos alunos navegadores (12,13) e o posto atribuído ao instrutor de navegação (10). A arquitetura da rede de dados permite a expansão do número de alunos em instrução pela adição de um segundo sistema, isto é, uma segunda palete idêntica com outros tantos postos de operador, conforme ilustrado na figura 4 dos desenhos em anexo, interligada com a primeira, por intermédio de ligação ao concentrador de rede (10) instalado na primeira palete. A finalidade do presente invento é a de permitir a aprendizagem da utilização, validação e gestão de instrumentos e de dados de voo em contexto de instrução, por simulação e representação visual num ecrã de computador, mostrando informação relativa a dados de voo e de navegação. Estes dados de voo e de navegação exibidos podem ter proveniências distintas: reais (obtidos por meio de interface apropriada (9) ilustrada na figura 6 dos desenhos em anexo, a partir dos equipamentos nativos da aeronave), simulados (por computação numérica), introduzidos pelo utilizador, e calculados (a partir dos dados já atrás mencionados).

Os dados reais, relativos ao voo e à navegação da aeronave, consistem na informação posicionai geográfica (latitude e longitude), altitude barométrica, velocidade do ar, razão de subida/descida e temperatura do ar exterior. Estes dados, no todo ou de forma parcial, são obtidos (por recurso a uma interface adequada (9) ) a partir de equipamento nativo da aeronave como sejam: INS - Inertial 9

Navigation System (sistema de navegação inercial), Recetor GNSS (sistema de posicionamento global: GPS, Galileo, Glonass ou outro, independente ou integrado noutro eguipamento), FMS - Flight Management System (sistema de gestão de dados de voo) , e ADS - Air Data System (sistema de medição de parâmetros do ar) ou outro sistema aviónico instalado passível de fornecer esses dados via interface adequada.

Esta informação, conjugada com bases de dados digitais contendo informação relativa a rádio ajudas para apoio à navegação aérea convencional (identificação, posição geográfica, altitude, frequência de operação e alcance de emissão), permite a simulação virtual dos instrumentos/equipamentos convencionais de voo e navegação, habitualmente presentes no painel de instrumentos da aeronave, de forma visual e funcionalmente similar ao instrumento/equipamento real.

As rádio ajudas convencionais existentes e mais comuns para apoio à navegação aérea militar são as seguintes: NDB -Non-Directional Beacon, VOR - VHF Omni-directional Radio Range, DME - Distance Measurement Eguipment, VOR-DME - VHF Omni-directional Radio Range and Distance Measurement Equipment, TACAN - Tactical Air Navigation, VORTAC - VHF Omni-directional Radio Range and Tactical Air Navigation, e o ILS - Instrument Landing System. Todos os elementos identificativos, posicionais e auxiliares associados a estas rádio ajudas estão contidos nas bases de dados disponibilizadas no invento, estando disponíveis para consulta e utilização pelos operadores. Dado o elevado número de estações existentes, é disponibilizada ao operador uma funcionalidade que permite a seleção e delimitação de uma área de treino em particular, adequada à missão a desempenhar.

Os instrumentos emulados/simulados empregues no presente invento, disponibilizados aos operadores alunos e instrutores na forma ilustrada nas figuras 7 e 8 dos desenhos em anexo, respectivamente, são os seguintes: RMI -Radio Magnetic Indicator (indicador de direcção rádio magnética; 19, 20, 28, 29), HSI - Horizontal Situation

Indicator (indicador de situação horizontal; 21, 30), ALT -

Altitude Indicator (altímetro; 14, 25) , ASI - Air Speed

Indicator (indicador de velocidade do ar; 15, 26) , VSI -

Vertical Speed Indicator (indicador de velocidade vertical; 16, 27) , OAT - Outside Air Temperature indicator (indicador 10 de temperatura do ar exterior) . São ainda emulados ou simulados os seguintes sistemas aviónicos: FMS - Flight Management System (sistema de gestão de informação de voo; 18), WR - Weather Radar (radar meteorológico).

Toda a informação obtida, quer seja real, simulada, calculada, introduzida ou visualizada pode ser registada em base de dados, durante a realização do voo de instrução, de modo a permitir posterior análise em ambiente de debriefing de missão com a tripulação, assim como o posterior estudo da missão pelos alunos nos seus computadores pessoais.

Para além da reprodução virtual dos instrumentos de voo e de navegação, o invento aqui descrito permite a visualização de cartas aeronáuticas (23), podendo-lhes ser sobreposta a informação de voo relativa à aeronave (24) , nomeadamente, a sua localização, altitude, rumo e velocidade.

Para além de cartas e mapas, o invento possibilita também a visualização de outra documentação aeronáutica, bem como a utilização de ferramentas de apoio à navegação, como sejam folhas de cálculo e bases de dados aeronáuticas.

Descrição dos métodos utilizados

Parâmetros Adquiridos

Os parâmetros-base para os cálculos de navegação a seguir demonstrados são adquiridos a partir dos sistemas da aeronave já identificados, podendo eventualmente ser simulados, introduzidos ou calculados, na eventualidade de falha de alguns dos sistemas de onde são originados os dados. • Posição Geográfica, exprimida no datum WGS84 - World Geodetic System 1984 - o elipsoide de referência empregue no sistema GNSS norte-americano, GPS (Global Positioning System): LAT - LATITUDE; LON - LONGITUDE; (ambas medidas em graus, minutos e segundos, ou formas equivalentes como graus, minutos e décimas de minuto, ou ainda graus e décimas de grau) 11

Direção de voo: MHDG - RUMO MAGNÉTICO (Magnetic Heading) . (medida em graus) • Dados barométricos: ALT - ALTITUDE. (medida em ft, ou pés. 1 ft = 0.3048 m) TAS - VELOCIDADE DO AR VERDADEIRA (True AirSpeed) . (medida em kts, ou nós. 1 knt = 1 Milha Náutica (NM) / hora. 1 NM = 1852 m ) TEMP - TEMPERATURA DO AR EXTERIOR (Outside Air Temperature). (medida em graus Celsius) • Dados de navegação: GS - VELOCIDADE NO TERRENO (Ground Speed). (medida em kts, ou nós) DA - DERIVA (Drift Angle). (medida em graus)

Parâmetros Calculados • Cálculo de distâncias entre dois pontos geográficos:

Uma vez obtidos os dados posicionais, relativos à localização geográfica da aeronave, a distância geográfica entre dois conjuntos de coordenadas geográficas (por exemplo, entre a localização atual da aeronave e um ponto correspondente à localização de uma rádio ajuda), pode ser calculada por recurso à formulação de Haversine, elaborada para o cálculo de distâncias em círculos máximos, ou grandes círculos ("great circle"), e largamente utilizada nos cálculos de navegação, [1] e [2].

Um círculo máximo de uma esfera define-se como sendo a linha resultante da interseção de um plano, que contenha o centro da esfera, com a superfície desta, 12 delineando o traçado com o maior perímetro sobre a mesma e dividindo-a em dois hemisférios iguais.

Aplicado à Terra, modelada como uma superfície esférica, o conceito de arco de círculo máximo determina o menor arco de círculo entre dois pontos dados, i.e. a menor distância que é possível percorrer unindo quaisquer dois pontos à face da superfície. Este arco de círculo define a rota, parte do círculo máximo, também designada por ortodrómica, que é percorrida por aeronaves e navios em viagens de longa distância.

Utilizando o modelo esférico da Terra, o valor estabelecido para o raio terrestre é: R= 6371,009 Km (em milhas náuticas: 3440.0647948164 NM)

Este valor de raio difere em menos de 1% do valor determinado pelo modelo elipsoidal empregue pelo datum WGS84 [2] .

Considerando o modelo elipsoidal como sendo o mais rigoroso na aproximação efetuada à forma real do planeta Terra, verifica-se, em contrapartida, que o cálculo do valor de raio terrestre segundo este modelo varia consoante a latitude, de um valor aproximado de 6357Km nos pólos a um valor aproximado de 6378Km no equador.

Para efeitos de simplificação dos cálculos (algoritmo a implementar no computador) e pelo facto de a diferença ser negligenciável para os efeitos do presente invento, opta-se por utilizar o valor de raio terrestre dado pelo modelo esférico, i.e. R=6371Km.

Sejam as coordenadas esféricas de dois pontos:

Ponto 1 (posição da aeronave): (Lati, Longl) (la)

Ponto 2 (posição da rádio ajuda): (Lat2, Long2) (2a) A diferença de latitudes e longitudes é dada por: ALat = Lat2 - Lati (2a) 13 ALong = Long2 - Longl (2b)

Convertendo os valores obtidos de graus para radianos e introduzindo estes valores na formulação de Haversine (simplificada para adequação ao cálculo computacional [2]) obtém-se: a = sin2 (ALat/2)+cos(Lati) .cos (Lat2) .sin2 (ALong/2) (3) A distância angular entre os dois pontos, em radianos é dada por: c = 2 * Atan2(V (a), V (1 - a)) (4)

Nota: a implementação aqui utilizada da função Atan2 (condicionada pela linguagem de programação utilizada na criação dos algoritmos empregues no invento) , recebe dois argumentos (x, y) , na forma atan2(y,x), e calcula o arco tangente do quociente y/x, devolvendo valores entre -n radianos (-180°) e +n radianos (+180°), i.e. nos 4 quadrantes. Difere da implementação típica em computador da função arco-tangente (atan) que devolve valores apenas em dois quadrantes, na gama -n/2 to +n/2, e não está preparada para lidar com valores nulos de x. A distância entre os dois pontos obtém-se multiplicando a distância angular entre os dois pontos em radianos obtida em (4) pelo raio médio terrestre R: d [em milhas náuticas, NM]= R * c (5) (1 NM = 1852 m)

Este é o valor da distância, sobre um círculo máximo, entre os dois pontos geográficos, correspondentes à posição da aeronave e à posição da rádio ajuda (ou outro ponto notável, como um fixo de navegação, por exemplo).

Para além do cálculo da distância entre dois pontos, dadas as suas coordenadas geográficas, é também 14 possível derivar, por cálculo adicional, os restantes parâmetros de navegação. • Cálculo da direção entre dois pontos geográficos:

De acordo com a definição de círculo máximo, é possível traçar um número infinito de círculos máximos à superfície da Terra, modelada como superfície esférica.

Neste modelo, os meridianos convencionados pela Geografia constituem casos particulares de círculos máximos, por se encontrarem alinhados com os pólos N e S da Terra. A direção entre dois pontos geográficos é estabelecida de forma relativa como a distância angular entre o Norte (geográfico ou magnético) e o arco de círculo máximo que une os dois pontos. Considerando o modelo esférico da Terra, ao efetuar um voo entre dois pontos, a direção de voo está em constante mudança, exceto se o voo decorrer ao longo de um meridiano. Esta variação depende da distância e gama de latitudes percorrida.

Considerando a rota como uma direção planeada entre dois pontos e o rumo como a direção a tomar por uma aeronave, de modo a compensar o efeito do vento, é possível calcular para cada ponto da rota qual o rumo a seguir de forma a alcançar o destino. Sendo um cálculo repetitivo, efetuado de forma manual nos primórdios da navegação aérea (e marítima), é hoje efetuado com recurso a computadores de navegação, que efetuam estes cálculos de forma automática e precisa, fornecendo a informação quer à tripulação da aeronave, quer aos sistemas de controlo automático de voo, como o piloto automático.

Para efeitos práticos da instrução de navegação aérea, no contexto do presente invento, o algoritmo implementado permite obter o rumo inicial para um determinado destino a partir da localização dada da aeronave, recorrendo à seguinte formulação (simplificada para uso computacional, [1] [2]): 15 (6)

Azimute inicial[em radianos]= Atan2 (Sin(ALong)*Cos(Lat2), Cos (Lati)*Sin (Lat2) -Sin (Lati) *Cos (Lat2)*Cos(ALong))

Conforme já referido, a implementação da função Atan2 devolve valores entre -n radianos (-180°) e +n radianos ( + 180°) . De forma a se obter um rumo a seguir, por referência ao Norte (magnético ou geográfico) é necessário converter este valor para a gama entre 0o a 360°. Para isto, é necessário converter o azimute inicial de radianos para graus e aplicar a seguinte formulação:

Rumo Inicial [graus 0-360°]= Mod(((Azimute inicial[em graus]) + 360)/360) (7)

Em que 'Mod' designa a função que implementa o cálculo do resto da divisão inteira do valor submetido.

Recorrendo ao mesmo método é possível encontrar o valor do Rumo Final, utilizando a formulação acima para calcular o rumo inicial* a partir do ponto de destino para o ponto inicial, invertendo depois o valor resultante (em graus), por aplicação da seguinte conversão:

Rumo Final[graus 0-360°]= Mod((Rumo Inicial* + 180)/360)

Os valores obtidos das direções, para poderem ser utilizados e visualizados nos instrumentos devem ser afetados pelo valor da declinação magnética, devido ao facto de as rádio ajudas, aquando da sua construção e instalação, serem habitualmente alinhadas com a direção do Norte magnético.

Como a declinação magnética é variável segundo a localização geográfica, torna-se necessário obter o valor correspondente à localização pretendida, quer a partir da consulta do valor corregistado na base de dados de rádio ajudas (se a aeronave estiver próximo da estação) ou a partir de uma base de dados dedicada de declinações magnéticas, como a fornecida e 16 regularmente atualizada pelo National Geophysical Data Center [3] , divisão da agência norte-americana ΝΟΆΆ-National Oceanic and Atmosphere Administration.

Utilização dos valores calculados A implementação no presente invento dos algoritmos acima descritos, permite, em conjunção com os restantes parâmetros adquiridos por via dos sistemas próprios da aeronave e eventualmente de outros parâmetros simulados ou gerados pelo utilizador, a simulação virtualizada dos instrumentos de voo e navegação.

Assim replicados artificialmente, os instrumentos reproduzidos num monitor de computador, permitem a visualização de dados de voo e de navegação, com o aspeto visual e comportamento esperado, de forma semelhante à verificada pela tripulação no painel de instrumentos da aeronave nos respetivos instrumentos e sistemas aviónicos reais.

Nomeadamente, os instrumentos de navegação simulados e representados nos monitores incorporados no invento, nas posições representativas das figuras 7 e 8 dos desenhos em anexo, RMI - Rádio Magnetic Indicator (19, 20, 28, 29) e o HSI - Horizontal Situation Indicator (21, 30), permitem a exibição do azimute atual da aeronave, rumo a tomar para uma rádio ajuda e distância a essa rádio ajuda.

Para os cálculos quer da distância, quer do rumo, entre a localização atual (real) da aeronave e uma rádio ajuda, o invento recorre a uma base de dados de rádio ajudas que incorpora, entre outros dados de identificação, as coordenadas GPS (exprimidas no datum WGS84) da localização da rádio ajuda selecionada pelo operador.

Esta base de dados é compilada e divulgada periodicamente pelas entidades oficiais que regulam a Navegação Aérea, permitindo assim a actualização e melhoria da qualidade dos dados calculados pelo invento, de forma a conferir o grau de realismo necessário para a atividade de instrução de navegação em que o invento se integra.

Todos os restantes valores, sejam adquiridos, calculados, simulados ou introduzidos pelo utilizador, são empregues pelo invento para a visualização dos dados de voo nos 17 principais instrumentos virtuais implementados, mencionados a seguir, embora não se restringindo a estes: • Velocímetro (ASI - Air Speed Indicator) : Exibe a Velocidade do Ar (obtida da aeronave); • Variómetro (VSI - Vertical Speed Indicator): Exibe a Velocidade Vertical (obtido da aeronave); • Altímetro (ALT): Exibe a altitude barométrica (obtida da aeronave); • Indicador de temperatura do ar exterior (OAT - Outside Air Temperature) : Exibe a temperatura do ar exterior (obtida da aeronave); • FMS - Fligh Management System: Sistema aviónico simulado que permite, entre outras funções:

Consulta de informação relativa a rádio ajudas e seleção destas;

Consulta de informação GPS;

Exibição de dados do ar (temperatura exterior, velocidade sobre o terreno, velocidade do ar verdadeira, altitude de pressão);

Introdução e seleção de pontos geográficos notáveis (fazendo ou não parte de um plano de voo) ;

Seleção de padrões de busca (para treino de missões de busca e salvamento); • Relógio: Com mostrador analógico (ou digital) e funções de cronómetro, permite o treino de alterações de rota em voo e o seu seguimento;

As figuras 7 e 8 dos desenhos em anexo demonstram a organização visual representativa dos diversos elementos acima referidos, que compõem a visualização disponibilizada respetivamente aos operadores alunos Navegadores (figura 7) e ao instrutor de Navegação (figura 8).

Para a implementação física dos métodos de visualização acima enunciados, são utilizados monitores de computador de dimensão adequada, sendo que os elementos de imagens que representam instrumentos de voo ou outros sistemas 18 aviónicos são reproduzidos visualmente de forma o mais realista possível.

Para a implementação lógica dos algoritmos utilizados, aquisição e processamento dos parâmetros recolhidos dos sistemas específicos da aeronave, são utilizados computadores (unidades de processamento). Estes também armazenam os programas, as bases de dados necessárias aos cálculos a efectuar, cartas aeronáuticas, mapas e outros documentos e ficheiros necessários.

Para proporcionar interação com os programas de computador mencionados são empregues dispositivos de entrada/saída de dados, nomeadamente, teclados alfanuméricos e dispositivos apontadores (rato ou 'trackball') .

Concretização dos elementos constituintes do invento

Todos os equipamentos e elementos que constituem o invento são escolhidos em função da sua adequação à utilização aeronáutica, com caraterísticas físicas e técnicas específicas deste ambiente, obedecendo a critérios de segurança, usabilidade, manutenibilidade e ergonomia.

Por estes motivos atrás enunciados, todos os elementos constitutivos do invento são desenhados, dimensionados, fabricados, testados e certificados para transporte em aeronaves militares de transporte aéreo do tipo C-130 ou C-2 95M, aqui citadas a título de exemplo mas não limitado a estes dois tipos. 0 posto de instrução base, ilustrado pela figura 2, é constituído por uma estrutura modular, de conceção metálica tubular, em alumínio aeronáutico, coberta por painéis fabricados em materiais compósitos.

Esta estrutura suporta o monitor de computador numa posição aproximadamente vertical, à altura e ângulo de visualização adequados ao utilizador sentado em cadeiras de voo. Suporta ainda o computador dedicado aos cálculos de navegação e geração dos gráficos, e também o concentrador de rede local de dados. A estrutura do posto integra também o sistema de intercomunicações e respectivas interfaces com os operadores, nomeadamente auscultadores e microfone. 19 A estrutura incorpora ainda uma mesa de trabalho, fabricada em materiais compósitos, na qual está embutido um teclado alfanumérico com dispositivo apontador. A mesa serve também para a utilização de cartas em papel e outra documentação relevante para as tarefas de navegação aérea. A área desta mesa é iluminada com uma iluminária instalada na própria estrutura do posto de operador.

Para o funcionamento dos equipamentos eléctricos e dos sistemas de comunicações e de rede de dados, o sistema tem instaladas todas as cablagens necessárias, que interligadas aos sistemas próprios da aeronave, fornecem energia, informação de voo e comunicações de voz ao invento.

Uma das caracteristicas da instrução de pessoal navegante é a instrução conjunta em simultâneo de vários alunos, pelo que a solução implementada no invento aqui descrito tem este aspeto como requisito fundamental, que é cumprido pela justaposição, sobre a palete de suporte, de 3 postos de instrução similares, conforme ilustrado pela figura 1. 0 sistema está preparado para ser escalável, sendo possível interligar e instalar duas paletes semelhantes por aeronave, desde que permitido pelas diferentes configurações de carga certificadas e autorizadas para a aeronave em causa. Uma possível configuração é ilustrada pela figura 4. 0 carregamento do invento na aeronave é efetuado pela rampa de carga, nas aeronaves do tipo C-130 ou C-2 95M, aqui citadas como exemplos mas não limitadas a estes dois tipos, conforme ilustrado na figura 5. A palete assim composta com os 3 postos de instrução, constitui o Sistema Aerotransportado Para Formação De Pessoal Navegante objeto deste invento.

Referências bibliográficas [1] "Aviation Formulary by Ed Williams.": (http://Williams.best.vwh.net/avform.htm) [2] a. "Q5.1: What is the best way to calculate the great circle distance (which deliberately ignores elevation differences) between 2 points?", Geographic Information 20

Systems FAQ, (preparado por Robert G. Chamberlain do Caltech, JPL - Jet Propulsion Lab / NASA - National Aeronautics and Space Administration: (http://www.faqs.org/faqs/geography/infosystems-faq/) [2] b. "Movable Type Scripts: Calculate distance, bearing and more between Latitude/Longitude points": (http://www.movabletype.co.uk/scripts/latlong.html) [2] c. "The Math Forum @Drexel : Deriving the Haversine Formula", (demonstração da formulação de Haversine): (http://mathforum.org/library/drmath/view/5187 9.html) NOTA: Todas as fontes acima se baseiam no mesmo artigo original de R.W. Sinnott na revista Sky & Telescope: "Virtues of the Haversine", R.W. Sinnott, Sky and Telescope, vol.68, no.2, 1984, p.159 [3] WMM - World Magnetic Model, NGDC - National Geophysical Data Center / NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration: (http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/DoDWMM.shtml)

Alfragide, 11 de Março de 2013. 21

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante, caracterizado por compreender uma palete (1) sobre a qual são montadas três cadeiras idênticas (2) destinadas a sentar três operadores, três postos de operador idênticos (4), nos quais se integram, por posto, uma mesa de trabalho (6), um monitor de computador (3), um teclado de computador (8), um dispositivo apontador (7) e, internamente, um computador (5).
2. 2. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por palete amovível reforçada (1) e postos de instrução modulares e intermutáveis (2,4), singularmente ou em conjuntos de três, elementos estes desenhados, dimensionados, fabricados, testados e certificados para transporte em aeronaves militares de transporte aéreo do tipo C-130 ou C-295M, a título de exemplo mas não limitado a estes dois tipos.
3. 3. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante de acordo com a reivindicação 1, e 2, caracterizado por uma rede local de dados (9, 10, 11, 12, 13) que permite a troca de informação de voo e dados de controlo de exercício pelos restantes postos instalados.
4. 4. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3, caracterizado por um posto mestre (10) de entre os três postos instalados (10, 12 ,13), que recebe dados de voo da aeronave, nomeadamente posição geográfica, altitude, rumo, velocidade e temperatura exterior, por intermédio de interface (9) ligada a sistemas específicos da aeronave e que depois distribui os referidos dados pelos restantes postos via a mencionada rede local de dados.
5. 5. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 e 4, caracterizado pela inclusão de programas de computador com bases de dados, desenhados e desenvolvidos de forma a implementar algoritmos para cálculos de 1 navegação e de outros parâmetros, a partir de dados de voo obtidos, ou simulados, dos sistemas aviónicos específicos da aeronave, ou fornecidos pelo operador.
6. 6. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante de acordo com a reivindicação 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado por apresentar os dados adquiridos e calculados nos monitores dos operadores (3) , recorrendo, também mas não exclusivamente, a representações (14, 15, 16, 18, 19, 20, 21) e (25, 26, 27, 28, 29, 30) visualmente idênticas aos instrumentos reais de voo normalmente utilizados nas aeronaves.
7. 7. Sistema aerotransportado para formação de pessoal navegante, de acordo com a reivindicação 1, 2, e 4, caracterizado pela inclusão de uma rede de energia elétrica e rede de comunicações, dedicadas quer ao funcionamento dos equipamentos e sistemas, quer ao estabelecimento da arquitetura de comunicações de voz internas da aeronave, requisito essencial à interação da tripulação durante a missão. Alfragide, 11 de março de 2013. 2