TOR VERGATA TESI DI LAUREA SPECIALISTICA ALGORITMI DI LOCALIZZAZIONE PER SISTEMI DI MULTILATERAZIONE CON ESTENSIONE ALL AMBITO WAM

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1 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTÁ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI TESI DI LAUREA SPECIALISTICA ALGORITMI DI LOCALIZZAZIONE PER SISTEMI DI MULTILATERAZIONE CON ESTENSIONE ALL AMBITO WAM RELATORE: Prof. GASPARE GALATI LAUREANDO: FABIO POZZI CORRELATORI: Ing. MAURIZIO GASBARRA Ing. PIERFRANCESCO MAGARO Anno Accademico

2 Introduzione Il lavoro presentato si prefigge di analizzare le caratteristiche di un sistema di multilaterazione. Nel capitolo 1 vengono prima presentate le peculiarità di un tipico sistema di sorveglianza mettendo in risalto l importanza di disporre di un sistema cosiddetto A-SMGCS (dove la A sta proprio per advanced ). Si presentano poi le caratteristiche dell SSR (di Modo S e di Modo A/C) che sono fondamentali per capire a fondo il funzionamento dei sistemi di multilaterazione trattati in maggior dettaglio all interno del capitolo 2. In questo capitolo si mette in evidenza il fatto che questi sistemi sono caratterizzati da costi piuttosto bassi ma soprattutto il fatto che un sistema MLAT è in grado di utilizzare le infrastrutture già presenti negli aeroporti senza bisogno della costruzione di nuove opere in ambito aeroportuale il che porterebbe ad un aumento particolarmente forte dei costi di installazione. Inoltre, si sottolinea il fatto che la maggior parte dei sensori in gioco sono comunque passivi e questo con degli ulteriori vantaggi dal punto di vista dei costi. Si analizzeranno inoltre le principali problematiche che affliggono questi tipi di sistemi quali ad esempio la sincronizzazione delle stazioni ed il multipath (nel capitolo 3). In seguito, entrando nel dettaglio dei sistemi MLAT (con estensione alla WAM), si introdurranno i principali algoritmi di localizzazione utilizzati per questi sistemi, e si effettueranno alcune simulazioni per valutarne l efficienza e le prestazioni. Dunque, nel capitolo 4 verranno presentate le caratteristiche, dal punto di vista prettamente teorico, degli algoritmi presi in esame che sono quattro: Schau Robinson range enh[10]; Schau Robinson[11]; Taylor SVD (verrà mostrata anche la teoria alla base dell SVD, Singular Value Decomposition)[8]; Chan Ho[16]. Nel capitolo 5 invece verranno presentati i risultati di tutte le simulazioni effettuate relativamente agli algoritmi sopra riportati. Dapprima sul modello dell aeroporto di Venezia, poi con estensione alla WAM, come del resto già accennato in precedenza. Si andranno (in WAM) ad analizzare anche le prestazioni dell algoritmo Schau Robinson range_enh con in cascata l algoritmo di Taylor SVD. In ultimo, nel capitolo 6, si andranno ad effettuare i confronti tra i vari algoritmi al fine di determinare il migliore, considerando appunto il trade-off tra MLAT e WAM e si presenteranno le prestazioni dello Schau Robinson range_enh e di Taylor SVD sull aeroporto di Milano Malpensa. In Appendice A-B viene riportato il codice matlab relativo all implementazione degli algoritmi prima citati e all implementazione del modello in ambito WAM. In Appendice C, viene riportata una descrizione analitica della teoria della SVD, mentre in Appendice D viene proposto un algoritmo in forma chiusa che utilizza due misure di range (tramite Round Trip Delay) anziché una (Schau Robinson range_enh).

3 INDICE CAPITOLO 1: IL SISTEMA DI SORVEGLIANZA Introduzione Funzioni dell A-SMGCS I livelli di automazione dell A-SMGCS Requisiti fondamentali di un SMR (Surface Movement Radar) Esempio di architettura di un sistema A-SMGCS Sorveglianza di aeromobili e veicoli sulla superficie aeroportuale Multilaterazione, ADS/GPS e loro confronto Descrizione di un sistema di multilaterazione denominato MDS Caratteristiche del sistema MDS Rivelazione dei bersagli e loro identificazione Controllo di Apron e SMGCS Architettura dell A-SMGCS Sistema ATC e SSR[3] Problemi relativi al Modo S Una soluzione basata su stazioni di terra distribuite Il sistema SSR Le repliche di Modo A/C Le repliche SSR di Modo S Il sistema TCAS Problemi relativi al Modo A/C ed al Modo S 20 CAPITOLO 2: SISTEMI DI MULTILATERAZIONE Introduzione[4] Caratteristiche di funzionamento Precisione della posizione Le tecniche ed i principi di multilaterazione[5] Trasmissioni bordo-terra

4 2.5.1 Primary Surveillance Radar (PSR) Secondary Surveillance Radar (SSR) SSR Modo S Squitter di Modo S Tecnologie ADS-B UAT Segnale di navigazione Il radioaltimetro Il DME (Distance Measurement Equipment) Segnali di comunicazione Il VHF Direction Finder (localizzatore della direzione) ACARS VDL di Modo Sistemi di trasmissione ad RF di bordo Il radar meteo di bordo..36 CAPITOLO 3: ARCHITETTURE WAM ESISTENTI Metodi TDOA Sistemi a cross-correlazione Sistemi basati sulla stima del TOA Metodi di sincronizzazione[5] Sistemi a clock comune Sistemi a clock distribuito Sistemi sincronizzati al trasponder Sistemi sincronizzati al GNSS Sistemi sincronizzati tramite GNSS a vista comune Sommario relativo alle sincronizzazioni Il problema del multipath[7] Introduzione Effetti del multipath[7] Pseudoliti Una possibile soluzione al problema[7] Uso dell MMS[7] Caratteristiche dell MMS Requisiti di sistema (MMS)

5 CAPITOLO 4: ALGORITMI DI LOCALIZZAZIONE Introduzione Caratterizzazione degli errori di misura[8] Parametri DOP[8] Introduzione ai metodi di stima della posizione del bersaglio L algoritmo di localizzazione Shau Robinson range enh[10] Introduzione Descrizione del sistema Descrizione dettagliata dell algoritmo in forma chiusa L utilizzo della ricorsione è veramente indispensabile? Metodo di localizzazione tramite la stima dell angolo di azimuth[10] Algoritmo per la stima dell azimuth del bersaglio L algoritmo di Schau Robinson[11] Utilizzo di superfici sferiche per la localizzazione del bersaglio Differenze fondamentali rispetto a Schau Robinson range enh Algoritmo ricorsivo di Taylor[8] SVD applicata all algoritmo di Taylor[17], [18] Algoritmo in forma chiusa di Chan Ho[16]..95 CAPITOLO 5: RISULTATI DELLE SIMULAZIONI Introduzione[8] Il concetto di visibilità La matrice topografica Cenni sul calcolo della visibilità L aeroporto di Venezia Analisi delle prestazioni dell algoritmo in forma chiusa Schau Robinson range enh (confronto con Taylor SVD, di tipo ricorsivo) Prestazioni dell algoritmo di Schau Robinson (senza Range Enhancement ) Prestazioni dell algoritmo di Chan Ho (senza Range Enhancement ) Analisi delle prestazioni a breve distanza dall aeroporto (mini-wam) Introduzione Prestazioni dello Schau Robinson range enh in ambito mini-wam..155

6 5.5.3 Prestazioni dello Schau Robinson (senza misura di range ) in ambito in ambito mini-wam Analisi delle prestazioni ad elevate distanze dall aeroporto (ambito WAM) Introduzione Prestazioni dello Schau Robinson range enh in ambito WAM Prestazioni dello Schau Robinson (senza misura di range) in ambito WAM Prestazioni dell algoritmo in forma chiusa di Chan Ho Prestazioni dell algoritmo ricorsivo di Taylor (tramite SVD) Algoritmo di Taylor SVD in cascata allo Schau Robinson range_enh Confronto tra i 4 algoritmi analizzati CAPITOLO 6: CONFRONTI E CONCLUSIONI Confronto tra i vari algoritmi Introduzione Confronti e relative conclusioni Prospettive future.218 APPENDICE A: Listato del codice utilizzato (caso WAM) APPENDICE B: Listato del codice utilizzato adattato all aeroporto di Venezia.242 APPENDICE C: Trattazione teorica della SVD..256 APPENDICE D: Proposta di un algoritmo in forma chiusa che utilizza due misure di range (tramite Round Trip Delay) anzichè una...263