UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di laurea magistrale in Ingegneria delle Tecnologie di Internet Analisi delle interferenze mutue dei radar marittimi, in particolare, del tipo solid state RELATORE Prof. Gaspare Galati CANDIDATO Giovanni Ianniruberto CORRELATORE Prof. Gabriele Pavan Anno Accademico 2013/2014

2 INTRODUZIONE 1 Introduzione Introduzione La diffusione dei sistemi radar per la navigazione in mare risale agli anni 70 quando l Organizzazione Marittima Internazionale (IMO) emanò l International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS) che, ad oggi, è riconosciuto come il più importante trattato internazionale in materia di sicurezza delle navi [1]. Tra le sue disposizioni ci sono anche quelle che disciplinano l obbligo di installare a bordo i sistemi radar di sorveglianza. Indipendentemente dall effetto generato dalle norme, la diffusione dei radar ha riguardato anche le navi non soggette all obbligo di installazione (e cioè in base alle previsioni della SOLAS con stazza inferiore alle 300 tonnellate lorde) grazie soprattutto al fatto che gli apparati radar per uso commerciale basati su tecnologia a magnetron, sono a basso costo e ad alta potenza. Questi sistemi si caratterizzano per essere di semplice concezione, relativamente facili da manutenere (sebbene la manutenzione sia frequente e costosa) e soggetti ad un basso grado di obsolescenza. Il magnetron, però, ha come principale limite quello di essere un dispositivo di tipo non coerente che lo rende uno strumento non pienamente efficiente nella soppressione del clutter. Per questo motivo, negli ultimi anni, la ricerca (soprattutto in ambito militare) si è orientata non soltanto al miglioramento dei sistemi a magnetron ma anche allo sviluppo di nuovi sistemi basati sulla tecnologia c.d. a stato solido. Il principale beneficio di questa tecnologia risiede nel fatto di essere una sistema di tipo coerente che permette, ad esempio, l implementazione di tecniche anti-clutter con significativo miglioramento dell efficienza del radar. Inoltre tali dispositivi presentano un basso costo di manutenzione che si associa a un elevato numero di ore medio di funzionamento prima del verificarsi di un guasto (elevato MTBF). L incremento delle prestazioni dei radar a stato solido si riscontra particolarmente nei casi in cui essi lavorino in solitario, ossia in assenza di altri sistemi radar che operino in visibilità e sulla stessa banda di frequenza. Ma la descritta diffusione dei radar e la

3 INTRODUZIONE 2 densità del traffico marittimo, soprattutto in determinate aree, può non consentire allo stato solido di esprimere completamente le proprie qualità in termini di efficienza. Ciò in quanto anche questi radar di ultima generazione non sono esenti dallo sperimentare gli effetti negativi dell interferenza subita dalla presenza di altri sistemi radar attivi, per i quali rappresentano, a loro volta, una nuova fonte di interferenza. Anche se, al momento, i radar a stato solido hanno ancora una minima diffusione, essi rappresentano senza dubbio il futuro dei sistemi di sorveglianza in mare e già diverse aziende specializzate hanno introdotto, nella gamma di sistemi proposti, anche radar che implementano questa tecnologia. Per questo motivo può essere interessante studiare quali possono essere e in che misura gli effetti negativi dell interferenza subita e causata da questi radar in un contesto operativo reale. Pertanto l obiettivo della tesi è quello di determinare il degrado della probabilità di detezione di radar quando più sistemi operano in visibilità e sulla stessa banda di frequenza, cioè sono soggetto a interferenza reciproca. Per determinare la visibilità radar tra le navi disporre della distanza tra le navi occorrono le informazioni sulla posizione, ottenuta dai dati AIS (Automatic Identification System AIS) e sulle quote alle quali sono installate le antenne radar. Le altezze delle antenne sono state opportunamente stimate in base alle tipologie di navi considerate. Disponendo della visibilità radar, è possibile determinare per ciascuna nave il numero di navi in visibilità. Oltre alle condizioni di visibilità sono implementati, per ciascuna area di studio, modelli statistici della distanza tra coppie di navi, che congiuntamente alla probabilità di avere una determinata tipologia di nave, ha permesso di calcolare la probabilità di visibilità di una singola coppia di navi, utilizzata a sua volta per il calcolo del numero medio di navi in visibilità. Il calcolo della probabilità di detezione è stato effettuato al variare del numero di navi in visibilità e ne è stato valutato, nello specifico, il degrado, variando (in aumento) la frazione di radar a stato solido presenti sulle navi in visibilità.

4 INTRODUZIONE 3 Il capitolo 1 descriverà brevemente il traffico navale reale e la sua gestione attraverso strumenti di controllo quali il Vessel Traffic Service (VTS), sistema informativo di terra gestito dalle autorità marittime locali e l Automatic Identification System (AIS), sistema di bordo per la trasmissione automatica alle altre navi e ai sistemi di terra di informazioni identificative e di posizionamento della nave emittente. Il capitolo 2 descrive le caratteristiche e i requisiti di sistema dei radar marittimi, a magnetron e a stato solido, facendo particolare riferimento anche ai sistemi radar prodotti da alcune aziende specializzate. Viene introdotto in questo capitolo il concetto di orizzonte radar, necessario ai fini dell analisi del fenomeno dell interferenza. Il capitolo 3 si sofferma sulla descrizione delle caratteristiche delle navi e sulla definizione di una loro classificazione ai fini del presente lavoro, avendo come base la classificazione ufficiale fornita dalla International Telecommunication Union (ITU). Viene descritto poi il processo mediante il quale si è proceduto alla stima del dato sull altezza di installazione dell antenna dei radar a bordo delle navi. Il capitolo infine si conclude con un analisi della visibilità radar basata su un modello di traffico poissoniano. Il capitolo 4 descrive nel dettaglio la definizione delle aree marittime che sono state scelte per condurre l analisi sul fenomeno dell interferenza radar nonché il processo di estrapolazione delle informazioni sul traffico navale necessari ai fini della stessa analisi. Inoltre viene determinato un modello statistico che permette sia di rappresentare ciascuna area geografica da un punto di vista statistico, sia di calcolare la probabilità di avere una generica coppia di navi in visibilità. Infine, il capitolo 5 affronta il tema del fenomeno dell interferenza radar mostrando i risultati in termini di probabilità di detezione e del suo potenziale deterioramento. La variazione di tale probabilità è stata osservata dapprima facendo variare il numero di navi interferenti e poi, individuato un determinato numero di interferenti, è stato ripetuto il calcolo della probabilità introducendo la variabile legata alla tecnologia di radar installato a bordo attraverso la variazione della frazione di sistemi a stato solido rispetto ai radar a magnetron.

5 INDICE i Indice Introduzione Introduzione al traffico marittimo e al suo monitoraggio La Gestione del traffico marittimo La sorveglianza in ambito marittimo Il Vessel Traffic Service (VTS) Tipologie e area VTS Le funzioni e i servizi VTS Il radar VTS L Automatic Identification System (AIS) Aspetti e funzioni AIS Le classi dell AIS Il messaggio AIS Caratteristiche tecniche dei radar marittimi e analisi dei requisiti Introduzione ai sistemi radar per la sorveglianza marittima Requisiti di un sistema radar di sorveglianza marittima L antenna radar Analisi dei sistemi radar per applicazioni marittime nell ambito civile I sistemi radar della azienda Furuno I sistemi radar dell azienda Kelvin Hughes I sistemi radar dell azienda GEM Elettronica I sistemi radar dell azienda JRC La probabilità di detezione, la probabilità di falso allarme e il numero di impulsi sul bersaglio I modelli e le RCS per i target marittimi Orizzonte radar Analisi della tipologia delle navi e il modello di traffico marittimo La classificazione delle navi Caratteristiche delle navi Il modello di traffico poissoniano Considerazioni sul modello di traffico poissoniano... 55

6 INDICE ii 4 Analisi delle aree di traffico marittimo Caratterizzazione delle aree di interesse Mar Adriatico Centrale Canale d Otranto Tirreno centrale settore est (panoramica sul porto di Napoli) Stretto di Messina Canale di Sicilia Dardanelli e Bosforo Analisi del fenomeno dell interferenza Introduzione al fenomeno dell interferenza Probabilità di visibilità per una coppia di navi Analisi sulla riduzione della probabilità di detezione causato da segnali interferenti in un PRT mediante simulazione Analisi sulla riduzione della probabilità di detezione causato dalla presenza di segnali interferenti in una cella radar mediante il processo di Poisson Confronto tra la valutazione della riduzione della probabilità di detezione calcolata con la simulazione e con il processo di Poisson Analisi sulla probabilità di detezione negli ambienti di interesse Simulazione delle variazioni delle probabilità di detezione in un ambiente reale Conclusioni Appendice A Determinazione delle funzioni di densità di probabilità delle distanze tra coppie di punti 147 A.1 Funzione di densità e di distribuzione di probabilità della distanza tra un punto fisso e un punto uniformemente distribuito in X e in Y A.2 Funzione di densità di probabilità della distanza tra due punti uniformemente distribuiti in X e in Y A.2.1 Confronto di una situazione di traffico reale con il modello della distanza tra due punti uniformemente distribuiti nel piano A.3 Funzione di densità del minimo della distanza tra un punto fisso e un punto uniformemente distribuito nel piano Appendice B Codici Matlab B.1 Codice per le mappe di traffico negli ambienti di studio B.2 Codice per l analisi statistica sugli ambienti di interesse B.3 Codici per il calcolo della probabilità di detezione Bibliografia