BR102022009913A2

BR102022009913A2 - Método para gerenciamento de um radar secundário operando em modo s para evitar o problema de troca de bds

Info

Publication number: BR102022009913A2
Application number: BR102022009913-8A
Authority: BR
Inventors: David CARLIER; Lionel MATIAS; Philippe Reuillon; Yves MEIGNAN
Original assignee: Thales
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2022-12-06
Also published as: CN115390065A; KR20220159271A; FR3123454B1; EP4095554A1; CA3159661A1; US20230031350A1; FR3123454A1; JP2022181181A; EP4095554B1

Abstract

A invenção refere-se a um método para gerenciamento de um radar secundário operando em Modo S, o método compreendendo: a) uma detecção em "modo de busca", sendo o referido "modo de busca" implementado até que uma aeronave seja detectada pelo radar secundário; b) uma detecção em "modo de rastreamento", sendo o referido "modo de rastreamento" implementado se uma resposta válida a uma interrogação por chamada nominal foi detectada no "modo de busca"; sendo o método caracterizado por compreender uma etapa intermediária a1), a qual é executada entre a detecção em "modo de busca" e a detecção em "modo de rastreamento", a referida etapa intermediária compreendendo: detectar a presença ou ausência da resposta da aeronave em uma janela de ruído do radar secundário; realizar pelo menos uma interrogação por chamada nominal, usando a primeira janela de monitoramento, se a resposta da aeronave não estiver localizada na referida janela de ruído.

Description

MÉTODO PARA GERENCIAMENTO DE UM RADAR SECUNDÁRIO OPERANDO EM MODO S PARA EVITAR O PROBLEMA DE TROCA DE BDS

[0001] A invenção se refere de modo geral a sistemas de radar e, em particular, a um método e dispositivo para gerenciar um radar secundário operando no Modo S.

[0002] Os radares secundários são usados para controle de tráfego aéreo (ATC). Um radar secundário, ao contrário de um radar primário, o qual explora a reflexão de uma onda eletromagnética de uma aeronave, interage com um transponder localizado em uma aeronave, ou com um responder IFF localizado a bordo de uma aeronave militar, interrogando-o a fim de obter pelo menos sua identificação (código 3/A) e sua altitude (código C) e determinar sua posição.

[0003] Nos radares secundários de primeira geração (modos A/C), os transponders responderam sistematicamente a todos as interrogações de radar secundário, o que gerou muita poluição ou interferência de RF. Além disso, o conteúdo das respostas era limitado pelo número de bits de dados (no máximo 12 bits).

[0004] O modo S, o S significando seletivo, o qual é amplamente implementado atualmente, permite que um grande número de aeronaves seja interrogado e rastreado na região de cobertura do radar, enquanto diminui a poluição de RF.

[0005] Tal como acontece com os radares secundários de primeira geração, o radar secundário de Modo S, ao detectar uma resposta, recebe a altitude e o endereço da aeronave e determina sua posição a partir daí. O radar também pode receber informações sobre o tipo de aeronave, sua velocidade, seu rumo, etc. Esses dados adicionais são apresentados na forma de registros (BDS para Seletor de Dados de Comm-B) que são identificados por um número e que estão disponíveis a pedido (um BDS por interrogação).

[0006] No Modo S, as interrogações são do tipo chamada geral (all-call) (interrogação geral) ou do tipo chamada nominal (roll-call) (interrogação seletiva). Em uma interrogação por chamada geral, o radar solicita a todos os transponders localizados em sua região de cobertura que forneçam, em 24 bits, seu endereço de Modo S, ou seja, seu número de identificação.

[0007] Uma vez que o radar tenha adquirido a aeronave, ou seja, uma vez que seja capaz de prever a posição da mesma, a cada nova revolução da antena ele inicialmente interroga a aeronave em modo de chamada nominal em uma grande janela espacial para cobrir as incertezas relacionadas à previsão, sendo esta fase denominada "modo de busca" abaixo. O radar obtém assim uma primeira posição precisa da aeronave, permitindo-lhe diminuir o tamanho da janela de interrogação usada para as interrogações por chamada nominal subsequentes e dedicar o resto do espaço/tempo à interrogação das outra aeronave presente em seu domínio de vigilância. Esta segunda fase é chamada de "modo de rastreamento" abaixo.

[0008] A Figura 1 ilustra a diminuição, em uma dada revolução da antena, no tamanho da janela em "modo de rastreamento", sendo esta janela centrada na aeronave detectada em "modo de busca".

[0009] Uma vez confirmada a aquisição da aeronave, o radar bloqueia o transponder da aeronave em questão por dezoito segundos. O transponder bloqueado da aeronave não responde mais às interrogações por chamada geral de um radar de interrogação possuindo o mesmo código de estação de radar que o radar que bloqueou a aeronave. Este bloqueio é renovado (o tempo de bloqueio é reiniciado, ou seja, um novo bloqueio com duração de dezoito segundos começa) em cada interrogação por chamada nominal contendo um comando de bloqueio.

[0010] Quando dois radares transmitem uma interrogação a um determinado transponder e essas interrogações chegam ao transponder quase simultaneamente, o transponder emite apenas uma resposta às duas interrogações.

[0011] O radar (radar 1) cuja interrogação foi considerada pelo transponder recebe uma resposta (contendo um BDS) consistente com a sua interrogação. Em contraste, o segundo radar (radar 2), cuja interrogação foi ignorada, recebe a mesma resposta (portanto errônea), a qual não corresponde à sua interrogação, mas ã interrogação do radar 1. Além disso, o radar 2 nunca recebe uma resposta ã interrogação que enviou.

[0012] Esse problema é chamado de troca de BDS. A questão da troca de BDS pode ser observada em regiões com alta densidade de radares secundários de Modo S. Essa questão afeta a eficácia do sistema de vigilância e, portanto, precisa ser corrigida. Os sistemas automáticos conhecidos para gerenciar o tráfego aéreo podem ser capazes de lidar com tais anomalias, mas somente após uma pluralidade de revoluções da antena (isto é, uma pluralidade de rotações da parte móvel da antena).

[0013] Esta questão e suas consequências foram descritas em detalhes pela Agência de Segurança da Aviação da União Europeia em seu documento EASA.2016.FC19 SC.001. Em particular, o uso de dados incorretos pelo radar pode induzi-lo a fazer alterações errôneas na aceleração ou na trajetória de voo.

[0014] A Figura 2 ilustra as consequências da troca de BDS no caso onde dados incorretos induziram o radar a cometer um erro em relação à sua distância real para a aeronave. O radar tendo detectado uma resposta BDS errada, deduz a partir dai uma distância errônea. Assim, o tamanho da janela de monitoramento, no "modo de rastreamento", é diminuído, mas em torno dessa distância errônea. Na mesma revolução da antena, o radar continua a interrogar o transponder, mas ignora suas respostas porque elas não estão posicionadas na janela de monitoramento correta.

[0015] Na revolução da antena seguinte, o radar continua a interrogar o transponder em uma janela prevista calculada com base na posição anterior, cuja posição é errônea. Conforme ilustrado na Figura 3, uma vez que esta posição prevista está longe da trajetória verdadeira, o radar não tem chance de readquirir o transponder (por exemplo, para o radar, o alvo parece ter feito uma curva abrupta de 90°).

[0016] Como o transponder está bloqueado, ele não responde mais às interrogações por chamada geral e, portanto, o radar não pode realocá-lo. É necessário aguardar que o bloqueio do transponder termine e que a aeronave seja novamente adquirida pelo radar.

[0017] A técnica anterior fornece soluções que resolvem os problemas de trocas de BDS.

[0018] Uma primeira solução consiste em verificar a consistência das mensagens UF/DF (UF/DF significando formato de enlace ascendente/formato de enlace descendente). Especificamente, as interrogações (mensagens UF) são enviadas pelo radar ao transponder e as respostas (mensagens DF) são transmitidas pelo transponder para o radar.

[0019] Se a resposta não corresponder ao pedido, a resposta é rejeitada.

[0020] Por exemplo, apenas uma resposta de DF = 4 (vigilância, resposta de altitude) ou uma resposta de DF = 20 (Comm-B, resposta de altitude) é esperada em resposta a uma interrogação de UF=4 (vigilância, pedido de altitude). Apenas uma resposta de DF = 5 (vigilância, resposta de identificação) ou uma resposta de DF = 21 (Comm-B, resposta de identificação) é esperada em resposta a uma interrogação de UF=5 (vigilância, pedido de identificação).

[0021] No entanto, esta solução não permite que o problema de troca de BDS seja evitado quando dois interrogadores pedem as mesmas informações. Infelizmente, no controle de tráfego aéreo, muitas vezes são as mesmas informações que são pedidas.

[0022] Uma segunda solução consiste em verificar a consistência do primeiro byte do registro de BDS 1,0, do registro de BDS 2,0 ou mesmo do registro de BDS 3,0. Quando o número de BDS é extraível da resposta, sendo este apenas o caso desses registros, a execução encadeada de processamento verifica se a interrogação foi destinada a esses BDSs.

[0023] No entanto, esta solução não funciona com todos os registros de BDS.

[0024] Uma terceira solução conhecida consiste em incluir o número do BDS no código de paridade da resposta de DF contendo o BDS devolvido pelo transponder. Assim, quando o interrogador recebe a resposta, este pode verificar, em virtude de uma verificação de paridade, se a resposta corresponde ao registro de BDS esperado. Esta solução corresponde à técnica denominada sobreposição de BDS, a qual foi introduzida na Emenda 89 do Anexo 10 do Volume IV da ICAO.

[0025] No entanto, a implantação desta solução requer que o software do transponder seja atualizado, o que é uma restrição.

[0026] 0 documento Dl "Data Integrity Augmentation by ADS-B SSR Hybrid Techniques" (Mariano et al., 2018 Conferência Integrada de Comunicações, Navegação e Vigilância) apresenta uma solução de monitoramento interativo para sistemas para gerenciamento de tráfego aéreo. No entanto, o documento Dl não busca resolver o problema da troca de BDS.

[0027] Documento D2 "Autonomous Continuous Target Tracking Technology for Safety in Air Traffic Radar Systems Network" (Koga et al., 2011 IEEE 6° Simpósio Internacional de Engenharia de Sistemas Orientados a Serviços) descreve o rastreamento de uma aeronave com dois radares, mas não busca resolver o problema de troca de BDS.

[0028] Existe assim a necessidade de um método e dispositivo melhorados para gerenciamento de um radar secundário.

[0029] Um assunto da invenção é, portanto, um método para gerenciamento de um radar secundário operando no Modo S, ο método compreendendo:

a) uma detecção em "modo de busca", o referido "modo de busca" sendo implementado até que uma aeronave seja detectada pelo radar secundário, o "modo de busca" compreendendo uma pluralidade de períodos de interrogação de radar secundário por chamada geral e uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada nominal, em uma primeira janela de monitoramento;
b) uma detecção em "modo de rastreamento", o referido "modo de rastreamento" sendo implementado se uma resposta válida a uma interrogação por chamada nominal foi detectada no "modo de busca", o "modo de rastreamento" compreendendo uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada geral, e uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada nominal, em uma segunda janela de monitoramento, a referida segunda janela de monitoramento sendo em torno da posição da aeronave prevista pelo radar secundário em resposta a uma interrogação por chamada geral;

sendo o método caracterizado por compreender uma etapa intermediária al) , a qual é executada entre a detecção em "modo de busca" e a detecção em "modo de rastreamento", a referida etapa intermediária compreendendo:
detectar a presença ou ausência da resposta da aeronave em uma janela de ruído do radar secundário;
realizar pelo menos uma interrogação por chamada nominal, usando a primeira janela de monitoramento, se a resposta da aeronave não estiver localizada na referida janela de ruído.

[0030] O método compreende vantajosamente as seguintes modalidades:

[0031] Ο radar secundário compreende uma antena, sendo a primeira janela de monitoramento calculada, para uma determinada aeronave, com base na velocidade de rotação da antena do radar secundário e na posição da aeronave prevista para a revolução seguinte da antena.

[0032] A posição prevista da aeronave é calculada com base em todas as posições possíveis da aeronave, sendo estas calculadas com base na trajetória conhecida da aeronave e nos parâmetros da aeronave relacionados ã taxa recebidos pelo radar secundário.

[0033] A janela de ruído é calculada com base na diferença entre uma trajetória ideal da aeronave e uma posição prevista da aeronave pelo radar secundário.

[0034] A trajetória ideal da aeronave é calculada com base em um conjunto de suposições afirmando que a aeronave voará ao longo de uma trajetória reta a uma velocidade constante da aeronave.

[0035] A posição prevista da aeronave é calculada com base em um conjunto de discrepâncias calculadas, uma discrepância correspondente à diferença entre uma estimativa da posição da aeronave e uma posição da aeronave medida em uma das revoluções anteriores começando de quando a aeronave foi detectada pela primeira vez.

[0036] A discrepância é integrada em relação ao tempo usando um filtro recorrente.

[0037] O filtro recorrente é um filtro Kalman estendido.

[0038] A posição prevista da aeronave é calculada com base no erro de medição do radar.

[0039] A invenção também se refere a um radar secundário configurado para implementar o método supracitado.

[0040] Outras características, detalhes e vantagens da invenção se tornarão evidentes na leitura da descrição, a qual é dada com referência aos desenhos anexos, os quais são dados a título de exemplo e os quais mostram, respectivamente:

[0041] Figura 1, a qual já foi descrita, a diminuição na janela de interrogação entre o "modo de busca" e o "modo de rastreamento", em um caso nominal (sem troca de BDS);

[0042] Figura 2, a qual já foi descrita, a diminuição na janela de interrogação entre o "modo de busca" e o "modo de rastreamento", em um caso de falha (após uma troca de BDS);

[0043] Figura 3, a qual já foi descrita, o aparecimento de uma troca de BDS e uma localização errônea da aeronave;

[0044] Figura 4, o método de acordo com a invenção;

[0045] Figura 5, as várias janelas usadas no método de acordo com a invenção, e uma representação de uma resposta e da representação associada;

[0046] Figura 6, o caso onde é feita uma nova interrogação.

[0047] O método de acordo com a invenção é ilustrado na Figura 4.

[0048] Em uma primeira etapa a) , o "modo de busca" é implementado até que uma aeronave seja detectada pelo radar secundário.

[0049] Conforme indicado acima, a primeira janela de monitoramento usada no "modo de busca" é bastante grande a fim de acomodar tanto as restrições relacionadas à taxa especificadas no padrão europeu em relação ao Modo S quanto as incertezas estimadas na posição real da aeronave.

[0050] A primeira janela de monitoramento pode ser calculada, para uma determinada aeronave, com base na velocidade de rotação da antena do radar secundário e na posição da aeronave prevista para a revolução seguinte da antena.

[0051] A janela de monitoramento ilustrada na Figura 5 compreende uma pluralidade de componentes independentes: uma janela de previsão e uma janela de ruído.

[0052] A janela de previsão, a qual é construída em torno da posição prevista da aeronave, leva em consideração os critérios de variação relacionados à taxa exigidos pela norma europeia em relação ao Modo S, como por exemplo uma aceleração transversal de até 5g e uma aceleração longitudinal de até para 1g.

[0053] A janela de ruído, a qual é centrada na posição da aeronave, leva em consideração uma estimativa de erros de medição feitos em interrogações anteriores e imprecisões estimadas no modelo de previsão usado para prever a posição da aeronave.

[0054] A estimativa dos erros de medição é um dado fornecido pelo fabricante.

[0055] As imprecisões no modelo de previsão são estimadas pelo radar. Elas representam a diferença entre a trajetória ideal do avião e a posição do avião prevista pelo radar. A trajetória ideal do avião é calculada assumindo voo em linha reta com velocidade constante ou uma curva de aceleração transversal e longitudinal constante.

[0056] As imprecisões na posição prevista da aeronave são estimadas com base na discrepância (azimute, distância para ο radar) entre as posições medidas e as previsões nas revoluções anteriores e atual da antena (desde quando o objeto foi detectado pela primeira vez), integrado com relação ao tempo através de um filtro recorrente (filtro de Kalman estendido, por exemplo), e com base em erros de detecção de radar (dados fornecidos pelo fabricante) e de incerteza nos modelos de trajetória e integrados em relação ao tempo (parâmetro de radar definido pelo operador).

[0057] Em uma determinada revolução da antena, uma vez que uma aeronave foi detectada no lóbulo da antena do radar secundário e antes que a detecção comute para o "modo de rastreamento", o método compreende uma etapa intermediária al).

[0058] A etapa intermediária al) compreende duas subetapas.

[0059] A primeira subetapa i) consiste em detectar se a resposta da aeronave à interrogação por chamada nominal está localizada em uma janela de ruído do radar secundário.

[0060] Pode haver duas razões pelas quais a resposta da aeronave não está localizada na janela de ruído.

[0061] A primeira está relacionada ao inicio ou fim de uma manobra da aeronave, ou seja, uma aceleração transversal de até 5g ou uma aceleração longitudinal de até 1g.

[0062] A segunda é que a resposta recebida não se destinava ao radar, sendo isso típico no caso de uma troca de BDS. O protocolo de Modo S não garante a identificação do registro de BDS da aeronave na resposta.

[0063] Neste caso, o radar secundário faz uma nova interrogação por chamada nominal usando a primeira janela de monitoramento (segunda subetapa ii). A probabilidade de ocorrer uma nova troca de BDS é infinitesimal e, portanto, a resposta do alvo deve estar localizada na janela de ruído da primeira janela de monitoramento da nova interrogação.

[0064] Assumindo, como bastante infrequente o caso com o tráfego civil, que a nova resposta da aeronave, após a nova interrogação por chamada nominal, não está localizada na janela de ruído, é feita uma nova interrogação por chamada nominal usando a primeira janela de monitoramento, e assim por diante.

[0065] O algoritmo usado para colocar as interrogações e as janelas de monitoramento deve ser capaz de levar em consideração as novas interrogações feitas para evitar a questão de troca de BDS e para gerenciar essa pequena carga extra de processamento. As restrições no tempo de monitoramento são, portanto, temporariamente maiores.

[0066] No entanto, em virtude deste modo de processamento, o problema de troca de BDS é resolvido imediatamente e o dispositivo evita a perda de rastro.

[0067] Uma vez que a etapa intermediária al) tenha sido realizada, a detecção em "modo de rastreamento" pode ser implementada. O "modo de rastreamento" permite que a aeronave seja rastreada com uma janela de monitoramento menor.

[0068] Para isso, o radar realiza uma série de interrogações por chamada nominal, em uma segunda janela de monitoramento, de tamanho menor que a primeira janela de monitoramento do "modo de busca". A segunda janela de monitoramento é do menor tamanho necessário para capturar a resposta de uma aeronave cuja distância para o radar é conhecida exatamente.

[0069] Em uma determinada revolução de antena, as interrogações são feitas em "modo de rastreamento" até que todas as transações (interrogações/respostas) tenham sido realizadas, ou até que a antena do radar não esteja mais apontando na direção da aeronave.

[0070] Além disso, se, na etapa intermediária al), nenhuma resposta válida for recebida para qualquer interrogação por chamada nominal e a varredura tiver terminado, o método termina.

[0071] Os tempos de transmissão das interrogações por chamada nominal, seja em "modo de busca" ou em "modo de rastreamento", são determinados dinamicamente dependendo das posições esperadas da aeronave interrogada. O algoritmo usado para colocar as interrogações deve especialmente fazer com que nenhuma resposta esperada possa ser capaz de ser recebida ao mesmo tempo que outra resposta para uma segunda interrogação.

[0072] O método de acordo com a invenção não requer que os transponders atualmente instalados nas aeronaves sejam alterados ou mesmo atualizados. Além disso, a atualização dos radares secundários pode ser implementada gradualmente. Não é necessário que todos os radares secundários de uma determinada região implementem o método de acordo com a invenção.

[0073] A invenção também se refere a um radar secundário capaz de implementar o método supracitado. O radar secundário de acordo com a invenção não é estruturalmente diferente dos radares secundários conhecidos por aqueles versados na técnica, com exceção de que seu módulo de processamento é configurado para inserir janelas de interrogação adicionais no evento de uma troca de BDS.

Claims

Método para gerenciamento de um radar secundário operando no Modo S, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
a) uma detecção em "modo de busca", o referido "modo de busca" sendo implementado até que uma aeronave seja detectada pelo radar secundário, o "modo de busca" compreendendo uma pluralidade de períodos de interrogação de radar secundário por chamada geral e uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada nominal, em uma primeira janela de monitoramento, a primeira janela de monitoramento compreendendo uma janela de ruído;
b) uma detecção em "modo de rastreamento", o referido "modo de rastreamento" sendo implementado se uma resposta válida a uma interrogação por chamada nominal foi detectada no "modo de busca", o "modo de rastreamento" compreendendo uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada geral, e uma pluralidade de períodos de interrogação por chamada nominal, em uma segunda janela de monitoramento, a referida segunda janela de monitoramento sendo em torno da posição da aeronave prevista pelo radar secundário em resposta a uma interrogação por chamada geral;
sendo o método caracterizado por compreender uma etapa intermediária al), a qual é executada entre a detecção em "modo de busca" e a detecção em "modo de rastreamento", a referida etapa intermediária compreendendo:
i) detectar a presença ou ausência da resposta da aeronave em uma janela de ruído do radar secundário;
ii) realizar pelo menos uma interrogação por chamada nominal, usando a primeira janela de monitoramento, se a resposta da aeronave não estiver localizada na referida janela de ruído.
Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZAPO pelo fato de que o radar secundário compreende uma antena, sendo a primeira janela de monitoramento calculada, para uma determinada aeronave, com base na velocidade de rotação da antena do radar secundário e na posição da aeronave prevista para a revolução seguinte da antena.
Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZAPO pelo fato de que a posição prevista da aeronave é calculada com base em todas as posições possíveis da aeronave, sendo estas calculadas com base na trajetória conhecida da aeronave e nos parâmetros da aeronave relacionados à taxa recebidos pelo radar secundário.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a janela de ruído é calculada com base na diferença entre uma trajetória ideal da aeronave e uma posição prevista da aeronave pelo radar secundário.
Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a trajetória ideal da aeronave é calculada com base em um conjunto de suposições afirmando que a aeronave voará ao longo de uma trajetória reta a uma velocidade constante da aeronave.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a posição prevista da aeronave é calculada com base em um conjunto de discrepâncias calculadas, uma discrepância correspondente à diferença entre uma estimativa da posição da aeronave e uma posição da aeronave medida em uma das revoluções anteriores começando de quando a aeronave foi detectada pela primeira vez.
Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a discrepância é integrada em relação ao tempo usando um filtro recorrente.
Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZAPO pelo fato de que o filtro recorrente é um filtro de Kalman estendido.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a posição prevista da aeronave é calculada com base no erro de medição do radar.
Radar secundário, CARACTERIZADO pelo fato de que é configurado para implementar o método conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 9.