Sistema di multilaterazione (MLAT) per sorveglianza aeroportuale

The ground stations of Mode S Multilateration systems (MLAT) receive Mode S signals (reply/squitter) transmitted by on board transponders to determine their position. These systems use TDOA (Time Difference of Arrival) technique. The MLAT systems can achieve high performance for surveillance in A-SMGCS in term of accuracy, resolution and identification. Multilateration systems provide the localization and surveillance of co-operative targets, both aircraft and service vehicles, equipped with Mode S transponders on the airport surface and in the Terminal Area. The typical installation presents (1) the installation on board of device Mode S compatible, (2) the deployment of a finite number of ground stations in order to have a good geometry for the measurements. In this work, a deep analysis of the ICAO requirements (ICAO Annex 10, volume IV, 2002) and of the user requirements (Eurocae ED 117, April 2003) is made. A brief list presents some commercial Multilateration systems by European and American companies (Sensis – USA, Thales – France, ERA – Czech Republic). The general architecture and logic connection by subsystem has been reported. A clear overview compares the performance in their different configurations. The development of a patented algorithm for TOA estimation is shown. The relevant simulations show the results under a typical SNR scenario. The comparison with the traditional method currently used is also dealt with. Together with the analysis of the TOA algorithm a proposal of a receiving station for MLAT applications, from the TDOA measurements to the decoding part. The localization problem solution depends on both the accuracy of the measurement (TOA, TDOA) and the geometry of the installation. Therefore, the present work deals also with the problems related to DOP (Diluition of Precision) parameters. The choice of a configuration considered optimal is made. Different localization algorithms have been analysed. The simulation of two of them is shown. The first one is an iterative solution, the latter a closed form. The results in term of accuracy and computational cost are presented. After these simulation a cascade of the two solutions is proposed to overcome the drawbacks of each single algorithm.

I sistemi di multilaterazione (brevemente, MLAT) di Modo S utilizzano la ricezione, da parte di un certo numero di stazioni a terra, di segnali (repliche/squitter) emessi da trasponder installati a bordo per la determinazione della posizione (tramite tecnica iperbolica, TDOA Time Difference of Arrival). Tali sistemi già sperimentati in aeroporti esteri come Francoforte, possono consentire il raggiungimento d’elevate prestazioni per quanto riguarda la funzione di sorveglianza del sistema A-SMGCS in termini d’accuratezza, risoluzione, identificazione. I sistemi MLAT consentono la localizzazione e la sorveglianza cooperativa d’aeromobili e di mezzi di servizio dotati di transponder di Modo S (e di Modo A/C se presenti), presenti sia sulla superficie aeroportuale sia nelle fasi di avvicinamento e, più in generale, nell’Area Terminale di Manovra (TMA: Terminal Manoeuvering Area). E’ quindi necessario (1) equipaggiare velivoli e veicoli da localizzare (e di conseguenza sorvegliare) con opportuni strumenti compatibili con la tecnologia di Modo S, e (2) poi implementare un sistema distribuito di stazioni di terra, sia di sola ricezione sia rice-trasmittenti. In questo modo è possibile utilizzare la multilaterazione per calcolare in maniera accurata la posizione del bersaglio, sia esso un aeromobile o un veicolo. Nel presente lavoro è effettuata dapprima un’analisi critica della documentazione relativa ai requisiti ICAO (ICAO Annex 10, volume IV) e dei requisiti specifici d’utente (Eurocae ED 117, April 2003). Questa fase si è resa necessaria poiché i sistemi MLAT utilizzano, come segnali per la sorveglianza/identificazione, risposte Modo A/C e repliche/squitter Modo S. Si è analizzata la struttura dei segnali (Modo A/C/S) e i vari protocolli di comunicazioni in cui tali segnali sono impiegati. È, inoltre, elencata una rassegna dei principali sistemi attualmente esistenti prodotti da aziende europee e americane – ERA (Repubblica Ceca), Thales (Germania) e SENSIS (USA) – mostrandone l’architettura generale e il funzionamento dei vari sottosistemi. Sono state presentate le prestazioni ottenute da tali sistemi nelle varie configurazioni esaminate. Lo sviluppo di un algoritmo (brevettato) di stima TOA è mostrato nel dettaglio con derivazioni teoriche. Le simulazioni delle prestazioni, in funzione della banda del ricevitore, hanno riguardato uno scenario tipico in termini di rapporto segnale-rumore. Sono riportati confronti con il metodo tradizionale di superamento della soglia sia per un ricevitore lineare che logaritmico. Sono, inoltre, mostrate le possibili alternative per la catena ricevente con una proposta realizzativa di una stazione MLAT, dalla ricezione e stima del tempo d’arrivo alla parte relativa alla decodifica. Il calcolo della posizione di un bersaglio richiede l’utilizzo di un algoritmo di localizzazione che dalle misure di TOA (e quindi di TDOA) ricavi la stima delle coordinate del target. Le prestazioni sono influenzate, a parità di algoritmo, sia dalla bontà della misura che dalla geometria dell’installazione. Sono affrontati, quindi, gli aspetti relativi alle geometrie delle installazioni. In particolare, sono stati curati i problemi di singolarità e di malcondizionamento delle equazioni per la soluzione della posizione del trasponder e ricavati i parametri DOP (Diluition of Precision) nelle varie configurazioni testate. Dalla scelta della configurazione ottimale è effettuata un’analisi teorica degli algoritmi (tradizionali e innovativi presenti in letteratura) di localizzazione. Sono presentati due algoritmi, uno iterativo l’altro in forma chiusa; ne sono stati analizzati gli svantaggi e le prestazioni, in termini d’accuratezza e di complessità realizzativa. È avanzata l’ipotesi di combinare le due soluzioni per una proposta di algoritmo da poter applicare in un sistema operativo.