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

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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

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Introduzione

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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Il Principio

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Il principio della Multilaterazione (1/3)

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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

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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)

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Sotto-Sistemi

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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

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Componenti – Apparati di Campo

Stazioni Riceventi Acquisizione dei segnali emessi dai Transponder


Stazioni Trasmittenti Acquisizione dei segnali emessi dai Transponder


Interrogazione selettiva dei Transponder

Stazioni di Sincronizzazione Emissione dei segnali di sincronizzazione dei Clock

Emissione dei segnali per Performance & Integrity Monitoring

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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.

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Stazione RX - Componenti

La stazione Ricevente è composta da:

RF Antenna

RF Receiver Unit (1090 MHz)

Signal Processor Unit

Data Link Unit

BITE

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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.

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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

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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)

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Squitter Generator – Componenti

Componenti

RF Antenna

RF Receiver Unit (1090 MHz)

RF Transmission Unit (1090 MHz)

Signal Processor Unit

Duplexer

Data Link Unit

BITE

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Componenti – Elaborazione

Target Location & Identification

Supervisor & BITE (Control & Monitoring)

Recording & Playback

Clock Offset Alignment

Interrogation Scheduling

Tracking

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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

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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



MultilaterationLAN

OpLAN

Field Section

LAN Switch


CD- RO M

CPF



(CMU)

CPF

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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

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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)



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”

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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)



Elettriche Potenza di uscita: 48 dBm max Alimentazione: 220V 50Hz AC; 9-

12 VDC

Ambientali Waterproof encapsulation

Fisiche Installazione in Rack 19” o

trasportabile

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Central Processing Function (CPF)

Target Location & Identification

Supervisor & BITE

Recording

Sotto-sistema di Elaborazione

Processing Section

1000x1000

CD- RO M CD- RO M

RedundantCentral



MultilaterationLAN

OpLAN

Field Section

LAN Switch


CD- RO M

CPF



(CMU)

CPF

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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.

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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).

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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)

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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.

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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



MultilaterationLAN

OpLAN

Field Section

LAN Switch


CD- RO M

CPF



(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).

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System Performance

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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)

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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.

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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

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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


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


54

Via Tiburtina Km 12,40000 131 Roma, ItaliaT+39 06 41501F+39 06 4131133

www.amsjv.com

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