Air Traffic Management
& Airport Systems
I sistemi di controllo del traffico aereo
Multilaterazione:
Tecniche e Risultati Attesi
18 Maggio 2005
1
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
2
Introduzione
3
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
4
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 l’assegnazione dei percorsi
“ottimi”
- Conformance Monitoring
5
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 dell’ambiguità sull’Identificazione
Maggior Copertura (anche in APRON)
6
Requisiti di Sistema
Sorveglianza
Basata sulla sola localizzazione
Radar Primari di Superficie
-
Surface Movement Radar
-
High Resolution Radar
Sorveglianza
Basata su localizzazione ed identificazione automatica
Multilaterazione
DGPS Veicolare
ADS-B
7
-
Transponder Avionici e Veicolari
-
Apparati GPS Veicolari
-
Transponder Avionici e Veicolari
Contesto (1/2)
CO-OPERATING
TARGETS
Surveillance
SENSOR INPUTS
MONITORING
PARAMETERS
GUIDANCE
AIDS
Automated
Monitoring /
Alerting
Link to
Aircraft/Vehicle
Display
Human
Machine
Interface
Automated
Guidance
USERS
LINKS TO OTHER
ATM PLANNING
SYSTEMS
Automated
Route
Planning
Strategic & Tactical
8
Functions carried
out entirely manually
by system users
Contesto (2/2)
MLAT System
Wide Area
Application
A-SMGCS
ATM
Surveillance
Surveillance
Cooperative Target Location & Identification
9
Evoluzione
Attuale
Airport
Application
Overview (1/2)
 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).
10
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
11
Caratteristiche
 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
12
Il Principio
13
Il principio della Multilaterazione (1/3)
14
Il principio della Multilaterazione (2/3)
15
Il principio della Multilaterazione (3/3)
Target
Accurate Location Unambiguos Identification
TX/RX
Mode-S
Short Squitters
High Precision Synchronization Extended Squitters
TXSINC
Roll-Call Replies
BDS Registers
Interrogation: All Call Mode A,C
Roll Call Mode S
RX
RX
Replies:Squitter Mode S
Replies Mode 3/A,C
Replies Mode S
Synchronization
ATCRBS
A/C Replies
RX
Plot Extraction
Synchronization Logic
Tracking
Control & Monitoring
Recording & Playback
16
To A-SMGCS
One Second Refresh Time
ADS-B
Total Capability
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)
17
Sotto-Sistemi
18
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
19
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
20
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.
21
Stazione RX - Componenti
La stazione Ricevente è composta da:
 RF Antenna
 RF Receiver Unit (1090 MHz)
 Signal Processor Unit
 Data Link Unit
 BITE
22
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
all’elaboratore di segnale.
23
è
in
carico
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
24
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”
Ref. Trasp (RT)
Rx3
Rx1
CPF
Rx2
25
Rx4
Squitter Generator – Componenti
Componenti
 RF Antenna
 RF Receiver Unit (1090 MHz)
 RF Transmission Unit (1090 MHz)
 Signal Processor Unit
 Duplexer
 Data Link Unit
 BITE
26
Componenti – Elaborazione
 Target Location & Identification
 Supervisor & BITE (Control & Monitoring)
 Recording & Playback
 Clock Offset Alignment
 Interrogation Scheduling
 Tracking
27
L’implementazione AMS
28
L’implementazione AMS
FieldSection
Remote Unit
Remote Unit
Multilateration
LAN
LAN Switch
ProcessingSection
CD- RO M
CPF
VT520
DisplayTerminal
29
Remote Unit
Point toPoint
Connection
Configuration
andMaintenanceUnit
(CMU)
Op
LAN
Remote Unit
CD- RO M
CPF
Redundant
Central
Processor
(CPF)
CD- RO M
1000x1000
MDT Display
Sotto-sistema di Campo
FieldSection
Remote Unit
Remote Unit
Remote Unit
Point toPoint
Connection
Configuration
andMaintenanceUnit
(CMU)
Multilateration
LAN
LAN Switch
ProcessingSection
CD- RO M
CPF
VT520
DisplayTerminal
CD- RO M
CPF
Redundant
Central
Processor
(CPF)
Op
LAN
RTX
Stations
RX
Stations
CD- RO M
1000x1000
MDT Display
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
Legenda Equipment
30
Remote Unit
Components
Functions
Stazione RX - Caratteristiche
 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
31
Elettriche
 Alimentazione: 85 - 255 VAC, 47 Hz
.. 63 Hz AC
 Assorbimento: < 50 W
Ambientali
 Temperature: -50° .. +70° C
 Humidity:
up
to
97%
condensing
Fisiche
 Installazione in Rack 19”
non
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
32
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”
Squitter Generator – Caratteristiche
Tx Synchro
 Antenna: Omni with 6 dB gain. Directive type can
also be used
 Channel: 1090 MHz
 Bandwidth: ICAO compliant
Elettriche
 Potenza di uscita: 48 dBm max
 Alimentazione: 220V 50Hz AC; 912 VDC
Ambientali
 Waterproof encapsulation
 Squitter type: DF11 or DF18
 Squitter rate: configurable, 2 Hz max
 ICAO/Non-ICAO
Address:
configurable
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
33
by
Fisiche
 Installazione in Rack 19” o
trasportabile
Sotto-sistema di Elaborazione
Central Processing Function (CPF)
 Target Location & Identification
 Supervisor & BITE
 Recording
FieldSection
Remote Unit
Remote Unit
Multilateration
LAN
LAN Switch
ProcessingSection
CD- RO M
CPF
VT520
DisplayTerminal
34
Remote Unit
Point toPoint
Connection
Configuration
andMaintenanceUnit
(CMU)
Op
LAN
Remote Unit
CD- RO M
CPF
Redundant
Central
Processor
(CPF)
CD- RO M
1000x1000
MDT Display
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.
35
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)
36
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)
37
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).
38
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:





39
Reply rate maggiore o uguale ad 1 Hz
Forti accelerazioni positive e negative
Cambi di direzione repentini
Plot ricevuti in modalità asincrona
Target con
aeromobili)
dinamiche
sostanzialmente
differenti
(veicoli
e
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.
40
Sotto-sistema di Presentazione
Multilateration Display Terminal
 Presentazione della diagnostica degli apparati e delle funzioni
 Presentazione del traffico in tempo reale
 Playback
FieldSection
Remote Unit
Remote Unit
Multilateration
LAN
LAN Switch
ProcessingSection
CD- RO M
CPF
VT520
DisplayTerminal
41
Remote Unit
Point toPoint
Connection
Configuration
andMaintenanceUnit
(CMU)
Op
LAN
Remote Unit
CD- RO M
CPF
Redundant
Central
Processor
(CPF)
CD- RO M
1000x1000
MDT Display
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)
42
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.
43
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).
44
System Performance
45
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)
46
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.
47
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
48
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%.
49
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.
Stazioni
6 RX
2 RTX
2 RTX Sync
50
Esempio di simulazione HDOP
North Zone
51
South Zone
Integrazione in A-SMGCS
52
Integrazione in A-SMGCS
Plots & Tracks
Multi Sensor Fusion
System Track with MLAT Contribution
MLAT Plots & Tracks
Recording & Playback
MLAT BITE
REC & PLB with MLAT Contribution
A-SMGCS Orders
Control & Monitoring
Monitoring & Control of MLAT Nodes
MLAT Plots & Tracks
Controller Display
Legenda Equipment
53
Benefits
Data
Accesso diretto a dati provenienti da MLAT
Eastwood House, Glebe Road
Chelmsford, Essex CM1 1QW
England, United Kingdom
T+44 (0) 1245 702702
F+44 (0) 1245 702700
Via Tiburtina Km 12,400
00 131 Roma, Italia
T+39 06 41501
F+39 06 4131133
www.amsjv.com
The copyright in this document is owned by the
companies of Alenia Marconi Systems and may
not be reproduced without written consent.
© Alenia Marconi Systems Limited 2003
54