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1 Air Traffic Management & Airport Systems 18 Maggio 2005 I sistemi di controllo del traffico aereo Multilaterazione: Tecniche e Risultati Attesi.

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1 1 Air Traffic Management & Airport Systems 18 Maggio 2005 I sistemi di controllo del traffico aereo Multilaterazione: Tecniche e Risultati Attesi

2 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 Limplementazione AMS Funzioni Componenti Performance Integrazione in A-SMGCS

3 3 Introduzione

4 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 5 Esigenza Operativa SMGCS Separazione basata sul principio see and be seen A-SMGCS Separazione 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 lassegnazione dei percorsi ottimi -Conformance Monitoring

6 6 Esigenza Operativa Sorveglianza Basata sulla sola localizzazione derivata Posizione dei target sul sedime aeroportuale Identificazione Manuale Sorveglianza Basata su localizzazione ed identificazione automatica derivata e\o ricevuta Posizione accurata dei target sul sedime aeroportuale Identificazione Automatica Aumento della Accuratezza della Localizzazione Eliminazione dellambiguità sullIdentificazione Maggior Copertura (anche in APRON)

7 7 Sorveglianza Basata sulla sola localizzazione Radar Primari di Superficie-Surface Movement Radar -High Resolution Radar Sorveglianza Basata su localizzazione ed identificazione automatica Multilaterazione-Transponder Avionici e Veicolari DGPS Veicolare-Apparati GPS Veicolari ADS-B-Transponder Avionici e Veicolari Requisiti di Sistema

8 8 Contesto (1/2) Automated Route Planning Strategic & Tactical LINKS TO OTHER ATM PLANNING SYSTEMS Automated Guidance GUIDANCE AIDS Automated Monitoring / Alerting MONITORING PARAMETERS CO-OPERATING TARGETS SENSOR INPUTS Surveillance Link to Aircraft/Vehicle Display USERS Functions carried out entirely manually by system users Human Machine Interface

9 9 Contesto (2/2) Airport Application Wide Area Application A-SMGCSATM Surveillance Cooperative Target Location & Identification MLAT System Attuale Evoluzione

10 10 Sistema cooperativo per la sorveglianza e lidentificazione di velivoli (e/o veicoli opportunamente equipaggiati). Elaborazione degli squitter Modo S standard ed estesi Elaborazione delle repliche asincrone sollecitate da stazioni dinterrogazione. 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 11 Overview (2/2) Il sistema si basa sullinstallazione allinterno 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 12 Accurata stima della posizione del target Univoca i dentificazione del target Frequenza daggiornamento dati pari ad 1 Hz Riuso Apparati di Bordo esistenti Nessun carico aggiuntivo alle trasmissioni radio Caratteristiche

13 13 Il Principio

14 14 Il principio della Multilaterazione (1/3)

15 15 Il principio della Multilaterazione (2/3)

16 16 Il principio della Multilaterazione (3/3) RX TX/RX TX SINC Target Interrogation: All Call Mode A,C Roll Call Mode S Replies:Squitter Mode S Replies Mode 3/A,C Replies Mode S Synchronization Plot Extraction Synchronization Logic Tracking Control & Monitoring Recording & Playback To A-SMGCS Mode-S ATCRBS ADS-B Short Squitters Extended Squitters Roll-Call Replies BDS Registers Total Capability A/C Replies Accurate LocationUnambiguos Identification High Precision Synchronization One Second Refresh Time

17 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 18 Sotto-Sistemi

19 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 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 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 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 23 Stazione TX - Funzioni Stesse funzioni di una stazione ricevente con laggiunta della possibilità di emettere interrogazioni selettive in base ai comandi ricevuti dallelaboratore centrale. La generazione delle sequenze dinterrogazione fornite allunità trasmittente è in carico allelaboratore di segnale.

24 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 25 Squitter Generator - Funzioni Laccuratezza 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 Rx 4 3 CPF Rx 1 2 Ref. Trasp (RT)

26 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 27 Componenti – Elaborazione Target Location & Identification Supervisor & BITE (Control & Monitoring) Recording & Playback Clock Offset Alignment Interrogation Scheduling Tracking

28 28 Limplementazione AMS

29 29 Limplementazione AMS

30 30 Sotto-sistema di Campo RX Stations RTX Stations TX or SGU Stations 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 EquipmentComponentsFunctions Legenda

31 31 Stazione RX - Caratteristiche Elettriche Alimentazione: 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= ns Stability: Allan Variance 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 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 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; VDC Ambientali Waterproof encapsulation Fisiche Installazione in Rack 19 o trasportabile

34 34 Central Processing Function (CPF) Target Location & Identification Supervisor & BITE Recording Sotto-sistema di Elaborazione

35 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 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)

37 37 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)

38 38 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 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 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 linizializzazione 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 41 Multilateration Display Terminal Presentazione della diagnostica degli apparati e delle funzioni Presentazione del traffico in tempo reale Playback Sotto-sistema di Presentazione

42 42 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)

43 43 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 dinvio 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 loperatore ha sotto costante controllo lo stato funzionale di ogni componente il sistema.

44 44 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 45 System Performance

46 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 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 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 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 50 Position Accuracy Laccuratezza 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. Stazioni 6 RX 2 RTX 2 RTX Sync

51 51 Esempio di simulazione HDOP North Zone South Zone

52 52 Integrazione in A-SMGCS

53 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 REC & PLB with MLAT Contribution A-SMGCS Orders EquipmentBenefitsData Legenda Integrazione in A-SMGCS

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