1 Air Traffic Management & Airport Systems 18 Maggio 2005 I sistemi di controllo del traffico aereo...
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Air Traffic Management & Airport Systems
18 Maggio 2005
I sistemi di controllo del traffico aereo
Multilaterazione:Tecniche e Risultati Attesi
2
Argomenti trattati Introduzione
Standard di Riferimento Esigenza operativa Requisiti Contesto Overview Caratteristiche
Il principio Il principio della Multilaterazione Transponder management
Sotto-Sistemi Funzioni Componenti
L‘implementazione AMS Funzioni Componenti Performance
Integrazione in A-SMGCS
3
Introduzione
4
Standard di Riferimento
ICAO, "Aeronautical Telecommunications - Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems," Annex 10 Vol.IV, Third Edition, July 2002
EUROCAE ED-117, "MOPS for Mode S Multilateration Systems for Use in Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems (A-SMGCS)," November 2003
RTCA DO-260A, “MOPS for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B) and Traffic Information Services – Broadcast (TIS-B)”, April 2003
EUROCAE ED-73B, "MOPS for Secondary Surveillance Radar Mode S Transponders," January 2003
EUROCAE ED-102, " MOPS for 1090 MHz Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B)”, November 2000
5
Esigenza Operativa
SMGCSSeparazione basata sul principio “see and be seen”
A-SMGCSSeparazione garantita in modo automatico dal sistema attraverso le funzioni di:
Surveillance - Introduzione di Elementi per la gestione dei target cooperanti (localizzazione ed identificazione)
- On-Board Situational Awareness
Control - Conflict Prediction, Detection and Resolution
- On-Board Alert
Guidance - Sistemi di guida automatizzati e cooperanti con le funzioni di Surveillance, Control e Planning
- On-Board Guidance
Route Planning - Sistemi di ausilio per l’assegnazione dei percorsi “ottimi”
- Conformance Monitoring
6
Esigenza Operativa
SorveglianzaBasata sulla sola localizzazione derivataPosizione dei target sul sedime aeroportuale
Identificazione Manuale
SorveglianzaBasata su localizzazione ed identificazione automatica derivata e\o ricevutaPosizione accurata dei target sul sedime aeroportuale
Identificazione Automatica
Aumento della Accuratezza della Localizzazione
Eliminazione dell’ambiguità sull’Identificazione
Maggior Copertura (anche in APRON)
7
SorveglianzaBasata sulla sola localizzazioneRadar Primari di Superficie - Surface Movement Radar
- High Resolution Radar
SorveglianzaBasata su localizzazione ed identificazione automaticaMultilaterazione - Transponder Avionici e Veicolari
DGPS Veicolare - Apparati GPS Veicolari
ADS-B - Transponder Avionici e Veicolari
Requisiti di Sistema
8
Contesto (1/2)
AutomatedRoute
PlanningStrategic & Tactical
LINKS TO OTHERATM PLANNING
SYSTEMS
AutomatedGuidance
GUIDANCE AIDS
AutomatedMonitoring /
Alerting
MONITORINGPARAMETERS
CO-OPERATING TARGETS
SENSOR INPUTS
SurveillanceLink to
Aircraft/VehicleDisplay
USERSFunctions carried
out entirely manuallyby system users
HumanMachineInterface
9
Contesto (2/2)
Airport Application
Wide Area Application
A-SMGCS ATM
Surveillance Surveillance
Cooperative Target Location & Identification
MLAT System
Attu
ale
Ev
olu
zion
e
10
Sistema cooperativo per la sorveglianza e l’identificazione di velivoli (e/o veicoli opportunamente equipaggiati).
Elaborazione degli squitter Modo S standard ed estesi
Elaborazione delle repliche asincrone sollecitate da
stazioni d’interrogazione.
Gestione dei transponder ATCRBS (repliche modo 3/A e
modo C)
Correlazione con le informazioni contenute nei registri dei
transponder di bordo (BDS) quali altitudine, callsign,
classe di velivolo, etc).
Overview (1/2)
11
Overview (2/2)
Il sistema si basa sull’installazione all’interno ed intorno al sedime aeroportuale, di un opportuno numero di stazioni riceventi e trasmittenti.
Non sono richiesti apparati aggiuntivi a bordo dei velivoli.
Per il controllo dei veicoli è necessario equipaggiarli con transponder ATC
12
Accurata stima della posizione del target
Univoca identificazione del target
Frequenza d’aggiornamento dati pari ad 1 Hz
Riuso Apparati di Bordo esistenti
Nessun carico aggiuntivo alle trasmissioni radio
Caratteristiche
13
Il Principio
14
Il principio della Multilaterazione (1/3)
15
Il principio della Multilaterazione (2/3)
16
Il principio della Multilaterazione (3/3)
RX
RX
RX
TX/RX
TXSINC
Target
Interrogation: All Call Mode A,C Roll Call Mode S
Replies:Squitter Mode SReplies Mode 3/A,CReplies Mode S
Synchronization
Plot ExtractionSynchronization LogicTrackingControl & MonitoringRecording & Playback
To A-SMGCS
Mode-S
ATCRBS
ADS-B
Short SquittersExtended SquittersRoll-Call RepliesBDS Registers
Total Capability
A/C Replies
Accurate Location Unambiguos Identification
High Precision Synchronization
One Second Refresh Time
17
Transponder Management
Mode-S Short Squitter (DF11)
Mode-S ADS-B Extended Squitter (DF17)
Repliche Modo S (Downlink Format 4, 5, 20 e 21) dovute a interrogazioni selettive
Repliche ADS-B Extended Squitter/Non-Transponder (Downlink Format 18) inviate da “non-Mode-S transponders”
Repliche 3A/C inviate da transponders Modo S, dovute a interrogazioni Roll Call
Repliche 3A/C inviate da transponders convenzionali, dovute a interrogazioni All-Call convenzionali
Interrogazioni selettive (UF4, UF5 e UF20/21)
18
Sotto-Sistemi
19
Sotto-sistemi Componenti Sotto-sistema di Campo
Acquisizione dei segnali emessi dai Transponder
Calcolo ed associazione dei Time Stamp
Interrogazione selettiva dei Transponder
Emissione dei segnali di sincronizzazione dei Clock
Performance & Integrity Monitoring
Sotto-sistema di Elaborazione Target Location & Identification
Sincronizzazione dei Clock delle stazioni in campo
Supervisor & BITE
Recording
Sotto-sistema di Presentazione Presentazione della diagnostica degli apparati e delle funzioni
Presentazione del traffico in tempo reale
Playback
20
Componenti – Apparati di Campo
Stazioni Riceventi Acquisizione dei segnali emessi dai Transponder
Calcolo ed associazione dei Time Stamp
Stazioni Trasmittenti Acquisizione dei segnali emessi dai Transponder
Calcolo ed associazione dei Time Stamp
Interrogazione selettiva dei Transponder
Stazioni di Sincronizzazione Emissione dei segnali di sincronizzazione dei Clock
Emissione dei segnali per Performance & Integrity Monitoring
21
Stazione RX - Funzioni
La principale funzione che svolge una stazione
ricevente è quella di acquisire, decodificare ed
assegnare un time stamp ai segnali emessi dai
transponder di bordo.
22
Stazione RX - Componenti
La stazione Ricevente è composta da:
RF Antenna
RF Receiver Unit (1090 MHz)
Signal Processor Unit
Data Link Unit
BITE
23
Stazione TX - Funzioni
Stesse funzioni di una stazione ricevente con
l’aggiunta della possibilità di emettere
interrogazioni selettive in base ai comandi
ricevuti dall’elaboratore centrale. La
generazione delle sequenze d’interrogazione
fornite all’unità trasmittente è in carico
all’elaboratore di segnale.
24
Stazione TX - Componenti
La stazione Ricevente è composta da:
RF Antenna RF Receiver Unit (1090 MHz) RF Transmission Unit (1030 MHz) Signal Processor Unit Duplexer Data Link Unit BITE
25
Squitter Generator - Funzioni
L’accuratezza di un sistema di Multilaterazione dipende fortemente
dalla precisione con cui le stazioni RX assegnano il Time Stamp ad
una replica ricevuta. Per questo sono necessari apparati di
calibrazione la cui funzione è quella di simulare un target in una
posizione nota (Squitter Generator). I segnali emessi da questi
apparati vengono utilizzati anche per la funzione di “Performance
& Integrity Monitoring”
Rx4
Rx3
CPF
Rx1
Rx2
Ref. Trasp (RT)
26
Squitter Generator – Componenti
Componenti
RF Antenna
RF Receiver Unit (1090 MHz)
RF Transmission Unit (1090 MHz)
Signal Processor Unit
Duplexer
Data Link Unit
BITE
27
Componenti – Elaborazione
Target Location & Identification
Supervisor & BITE (Control & Monitoring)
Recording & Playback
Clock Offset Alignment
Interrogation Scheduling
Tracking
28
L’implementazione AMS
29
L’implementazione AMS
Processing Section
1000x1000
CD- RO M CD- RO M
RedundantCentral
Processor(CPF) MDT Display
Remote Unit Remote Unit Remote UnitRemote Unit
MultilaterationLAN
OpLAN
Field Section
LAN Switch
Point to PointConnection
CD- RO M
CPF
VT520Display Terminal
Configurationand Maintenance Unit
(CMU)
CPF
30
Sotto-sistema di Campo
RXStations
RTXStations
TX or SGUStations
• RF Antenna• RF Filter Unit• Freq. Synthesizer Unit• OVEN Clock Unit• Digital Processing Unit• Redundant PWR Supply• 19” rack mount case• No Break PWR Supply
• RF Antenna• RF Filter Unit• Duplexer• Power Amplifier Unit• Modulator Unit• Freq. Synthesizer Unit• OVEN Clock Unit• Digital Processing Unit• Redundant PWR Supply• 19” rack mount case• No Break PWR Supply
• RF Antenna• RF Filter Unit• Power Amplifier Unit• Modulator Unit• Digital Processing Unit• Redundant PWR Supply• 19” rack mount case• No Break PWR Supply
• 1090 MHz Signals Acquisition• TOA Computation• Real Time BITE• Remote Configurable
• 1090 MHz Signals Acquisition• 1030 MHz Tx Interrogations• TOA Computation• Real Time BITE• Remote Configurable
• 1090 MHz Synchr. Squitter (SGU)• 1030 MHz Tx Interrogation (TX)• Real Time BITE• Remote Configurable
Equipment Components FunctionsLegenda
Processing Section
1000x1000
CD- RO M CD- RO M
RedundantCentral
Processor(CPF) MDT Display
Remote Unit Remote Unit Remote UnitRemote Unit
MultilaterationLAN
OpLAN
Field Section
LAN Switch
Point to PointConnection
CD- RO M
CPF
VT520Display Terminal
Configurationand Maintenance Unit
(CMU)
CPF
31
Stazione RX - Caratteristiche
Elettriche Alimentazione: 85 - 255 VAC, 47
Hz .. 63 Hz AC Assorbimento: < 50 W
Ambientali Temperature: -50° .. +70° C Humidity: up to 97% non
condensing
Fisiche Installazione in Rack 19”
Antenna: Omni with 6 dB gain. Directive type can also be used
Channel: 1090 MHz
Bandwidth: ± 15 MHz
Sensitivity (MTL): configurable, min. better than –60 dBm
Dynamic range: better than 60 dB
Reply type: Mode A/C, Mode-S (DF 4/ 5/ 11/ 17/ 18/ 20/ 21)
Time Reference System
Clock: Ovenized Crystal Oscillator
Sample rate: 60 MHz
Resolution: LSB=0.12975 ns
Stability: Allan Variance 10-12 per sec., very low phase noise
TOA Accuracy: better than 1 ns RMS. (Matched Filter + Interpolation Technique* and advanced Digital Processing, live testing on-going)
Counter register range: 48 bit=12 h
Interfaces
1 Ethernet 10/100 BaseT (IEEE 802.3)
1 Infrared port for local configuration
1 RS232 port for local configuration
(*) Patent-pending
32
Stazione TX - Caratteristiche
Tx Interrogator Antenna: Omni with 6 dB gain. Directive type can
also be used
Channel: 1030 MHz
Bandwidth: ICAO compliant
Interrogator Type: A/C All Call, UF4/5, UF20/21 (option)
Output Power: configurable, 50 dBm max
Interfaces 1 Ethernet 10/100 BaseT (IEEE 802.3)
1 Infrared port for local configuration
1 RS232 port for local configuration
Elettriche Potenza di uscita: 48 dBm max Alimentazione: 220V 50Hz AC Assorbimento: < 50 W
Ambientali Temperatura di servizio: -50° ..
+70°C Umidità: fino a 97% (non
condensing)
Fisiche Installazione in Rack 19”
33
Squitter Generator – Caratteristiche
Tx Synchro Antenna: Omni with 6 dB gain. Directive type can
also be used
Channel: 1090 MHz
Bandwidth: ICAO compliant
Squitter type: DF11 or DF18
Squitter rate: configurable, 2 Hz max
ICAO/Non-ICAO Address: configurable by local/remote
Output Power: configurable, 50 dBm max
Interfaces 1 Ethernet 10/100 BaseT (IEEE 802.3)
1 Infrared port for local configuration
1 RS232 port for local configuration
Elettriche Potenza di uscita: 48 dBm max Alimentazione: 220V 50Hz AC; 9-
12 VDC
Ambientali Waterproof encapsulation
Fisiche Installazione in Rack 19” o
trasportabile
34
Central Processing Function (CPF)
Target Location & Identification
Supervisor & BITE
Recording
Sotto-sistema di Elaborazione
Processing Section
1000x1000
CD- RO M CD- RO M
RedundantCentral
Processor(CPF) MDT Display
Remote Unit Remote Unit Remote UnitRemote Unit
MultilaterationLAN
OpLAN
Field Section
LAN Switch
Point to PointConnection
CD- RO M
CPF
VT520Display Terminal
Configurationand Maintenance Unit
(CMU)
CPF
35
CPF - Target Location
La funzione di Target Location sfrutta il principio della multilaterazione:
Ricezione simultanea dei segnali emessi da transponder (avionici o veicolari) da parte di tre (localizzazione 2D) o più (localizzazione 3D) stazioni RX di campo.
Differenza tra I tempi di ricezione di tutte le stazioni ed il tempo di ricezione di una di esse presa come riferimento.
Applicazione ai TDOA ricevuti (all-in-view sensor) di un algoritmo di stima misto, iterativo e non iterativo:
Metodo Chan-Ho (non-iterativo) Metodo delle serie di Taylor (iterativo)
Questa procedura permette di ottenere stime molto accurate in tempi di elaborazione molto brevi.
36
CPF - Target Identification
La funzione di Target Identification sfrutta le informazioni che vengono comunicate direttamente dai transponder di bordo (Identificazione di target cooperativi). A valle di interrogazioni da parte delle stazioni TX di terra o in seguito ad emissioni spontanee dei transponder di bordo è possibile associare ad ogni target:
Codice di Modo 3/A Callsign Codice ICAO 24-bit
Sfruttando lo stesso principio è possibile ottenere informazioni ausiliarie quali:
Altitudine del velivolo Posizione e velocità derivate da GPS di bordo (ADS-B) Tipo di target (veicolo, aeromobile e sotto categorie)
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CPF - Correzione delle derive dei Clock
Gli Squitter Generator dislocati sul sedime aeroportuale simulano
dei bersagli in posizione nota. Il CPF, sfruttando le stime di
posizione di questi bersagli fittizi è in grado di calcolare le derive
dei clock delle stazioni di campo (Synchronization Algorithm).
Sofisticati algoritmi di calibrazione consentono di ottenere stime
del tempo di ricezione delle repliche con incertezze inferiori ad un
nano-secondo (Kalman filtering function)
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CPF – Scheduling delle Interrogazioni
Le interrogazioni effettuate dalle stazioni TX in campo seguono uno
scheduling fornito dal CPF.
Transponder Modo S
Il target emette spontaneamente il solo codice ICAO-24 bit. Questo
consente di calcolarne la posizione (Target Location). Inoltre, sfruttando
la chiave fornita dal codice ICAO-24 bit è possibile programmare una
serie di interrogazioni per acquisire tutte le informazioni Modo S caricate
sui registri del transponder di bordo.
Transponder Convenzionali
Il target non emette spontaneamente alcun segnale. Vengono emesse
periodicamente interrogazioni All-Call peculiari dei transponder
tradizionali per acquisire tali target. Di ogni target vengono collezionati
tramite interrogazioni successive il codice 3/A (identificativo) ed il codice
Modo C (Quota).
39
CPF – Tracking (1/2)
CPF applica ai plot ricevuti dalla funzione di Target Location un algoritmo di Tracking basato su un Filtro di Kalman adattivo e su un avanzato sistema di riconoscimento manovre. Questo algoritmo garantisce elevate prestazioni malgrado i seguenti constraint:
Reply rate maggiore o uguale ad 1 Hz
Forti accelerazioni positive e negative
Cambi di direzione repentini
Plot ricevuti in modalità asincrona
Target con dinamiche sostanzialmente differenti (veicoli e aeromobili)
40
CPF – Tracking (2/2)
Correlazione La correlazione tra posizioni successive dello stesso target (plot/traccia) è
basata sulla congruenza tra posizione stimata e misurata e sulle informazioni ottenute dai transponder (Identificativi Modo S o Modo 3A/C).
Smoothing La funzione di smoothing si basa su una logica adattiva (Kalman) per il
calcolo della correzione da applicare alla nuova posizione misurata.
Inizializzazione Tracce Ogni volta che la logica di correlazione fallisce su un nuovo plot ricevuto,
questo viene mantenuto come possibile base per l’inizializzazione di una nuova traccia. Se questo plot viene seguito da una serie di plot successivi che correlano con questa nuova traccia “tentative”, questa diviene “traccia attiva”. Se questo non avviene la traccia “tentative” viene scartata.
Cancellazione Tracce Le tracce che non ricevono nuovi contributi dalla funzione di correlazione
vengono cancellate dopo un certo numero di “battute” attese e non confermate.
41
Multilateration Display Terminal
Presentazione della diagnostica degli apparati e delle funzioni
Presentazione del traffico in tempo reale
Playback
Sotto-sistema di Presentazione
Processing Section
1000x1000
CD- RO M CD- RO M
RedundantCentral
Processor(CPF) MDT Display
Remote Unit Remote Unit Remote UnitRemote Unit
MultilaterationLAN
OpLAN
Field Section
LAN Switch
Point to PointConnection
CD- RO M
CPF
VT520Display Terminal
Configurationand Maintenance Unit
(CMU)
CPF
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MDT - Traffic Display Presentazione del traffico cooperante in tempo reale (plot e tracce generate dal CPF) sovrapposto ad una mappa aeroportuale sintetica.Ad ogni target sono associate e presentate tutte le informazioni ad esso correlate:
ICAO address 3A code Position Accuracy Numero di RX che hanno contribuito al calcolo della posizione Callsign Altitudine Velocità a terra Heading Tipo di Transponder (A/C, S or ADS-B) Tipo di Target (velivolo, veicolo) Caratteristiche di plot e traccia (garbled/clear plot, VDOP, HDOP, etc.) Target Location performance (dai segnali degli Squitter Generator)
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MDT - Remote Control & Monitoring
E’ possibile controllare da MDT ogni apparato di campo (RXU, TXU e
SGU) per la modifica dei parametri di configurazione, per la loro
disattivazione, per la richiesta d’invio di particolari interrogazioni ai target,
ecc.
MDT opera un monitoraggio costante del segnale di stato (BITE) che ogni
apparto invia periodicamente o ad evento. In questo modo l’operatore ha
sotto costante controllo lo stato funzionale di ogni componente il sistema.
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MDT - Recording and Playback
Tutti i dati in uscita dal CPF e tutti i messaggi di stato
degli apparati vengono costantemente registrati dal
sistema.
I dati di uscita del CPF possono essere utilizzati per
riprodurre fedelmente sul display di MDT una situazione
di traffico precedente (playback).
45
System Performance
46
Copertura
La copertura di un sistema di multilaterazione dipende da due
fattori:
Copertura della singola stazione
Posizionamento sul campo delle stazioni
Il sistema è dunque adatto per la copertura di aree limitate come a quella di aree molto estese (wide area application)
47
Capacità
Il sistema di multilaterazione è in grado di processare
oltre 300 target simultaneamente presenti nella sua
area di copertura, mantenendo un rate aggiornamento
dati di 1 report al secondo.
48
Inizializzazione Tracce e Ritardo di Processamento
Ogni nuovo bersaglio acquisito è identificato dal sistema e
tracciato entro 5 secondi dal suo ingresso in area di copertura.
Il delay tra la ricezione del primo impulso del preambolo di un
segnale Modo S o di una replica Modo 3A/C ed il calcolo della
posizione del target che lo ha emesso è inferiore a 0.25 secondi
49
Probabilità di Ricezione e Falsi Target
Probabilità di ricezione segnali Modo 3A/C e Modo S
La probabilità di calcolare una posizione valida da un segnale Modo 3A/C o
Modo S, è sempre maggiore del 93% (media sul volume di copertura).
Probabilità di ricezione segnali ADS-B
La probabilità che un ADS-B long-squitter sia ricevuto da almeno una
stazione RX è sempre maggiore del 99.5%.
Mode S false target rate
Il numero di false target report di Modo S, è inferiore a 1 ogni 6 ore.
Mode 3A / C false target rate
Il rapporto tra falsi target di Modo 3A/C e bersagli reali è inferiore al 2%.
50
Position Accuracy
L’accuratezza dipende da due fattori:
Dalla precisione con cui viene stimato il
tempo di arrivo di un segnale ad un RX
in campo
Dalla geometria con cui vengono
dislocate le stazioni RX in campo e dal
loro numero.
Stazioni6 RX2 RTX2 RTX Sync
51
Esempio di simulazione HDOP
North Zone South Zone
52
Integrazione in A-SMGCS
53
Multi Sensor Fusion
Recording & Playback
Control & Monitoring
Controller Display
System Track with MLAT Contribution
Monitoring & Control of MLAT Nodes
Accesso diretto a dati provenienti da MLAT
Plots & Tracks
MLAT BITE
MLAT Plots & Tracks
MLAT Plots & Tracks
REC & PLB with MLAT Contribution
A-SMGCS Orders
Equipment Benefits DataLegenda
Integrazione in A-SMGCS
54
Via Tiburtina Km 12,40000 131 Roma, ItaliaT+39 06 41501F+39 06 4131133
www.amsjv.com
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