ES2930577T3 - Sistema de control de tráfico espacial suborbital con sistema de radar y receptor ADS-B - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema de control de tráfico espacial suborbital (20) que comprende: un sistema de radar (21) configurado para monitorear una región suborbital predeterminada (30) y detectar y rastrear objetos (41, 42) en dicha región suborbital predeterminada (30), donde dichos objetos incluyen vehículos (41) y desechos espaciales (42); y un sistema de monitoreo de tráfico espacial suborbital (22) configurado para: recibir, desde el sistema de radar (21), datos de seguimiento relacionados con los objetos (41, 42) detectados y rastreados por dicho sistema de radar (21); monitorear, sobre la base de los datos de seguimiento, las trayectorias de los objetos (41, 42) en la región suborbital predeterminada (30) usando una o más técnicas predeterminadas de aprendizaje automático para detectar situaciones potencialmente peligrosas para los vehículos (41) en dicha región predeterminada región suborbital (30); y, si detecta una situación potencialmente peligrosa para uno o más vehículos dados (41), transmitir los mensajes de alarma correspondientes a dicho(s) vehículo(s) dado(s) (41). el sistema de radar (21) incluye un sensor de radar primario (211) equipado con una antena de conjunto escaneada electronicamente; un receptor ADS-B (212) basado en la tecnología de Vigilancia Dependiente Automática - Broadcast; y una unidad de procesamiento de radar (213), que está conectada al sensor de radar principal (211) y al receptor ADS-B (212) para recibir datos del mismo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de control de tráfico espacial suborbital con sistema de radar y receptor ADS-B
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere, en general, a un sistema para monitorizar una región suborbital predeterminada convenientemente comprendida entre aproximadamente 20/22 km y aproximadamente 120/150 km de la superficie terrestre (preferentemente, entre el nivel de vuelo (FL) 650 y aproximadamente 150 km de la superficie terrestre) y, en particular, a un sistema para monitorizar objetos en dicha región suborbital y detectar situaciones potencialmente peligrosas para dichos objetos (por ejemplo, situaciones de colisión potencial entre dichos objetos). Más específicamente, la presente invención se refiere a un sistema de control de tráfico espacial suborbital.
Técnica anterior
Como se conoce, un vuelo espacial suborbital (también denominado simplemente vuelo suborbital) es un vuelo espacial donde el vehículo espacial (por ejemplo, un avión espacial) alcanza el espacio con una trayectoria que interseca la atmósfera (o, más en general, la superficie del cuerpo gravitatorio del que partió), sin completar una revolución orbital.
En la actualidad, se están llevando a cabo actividades experimentales de vuelos suborbitales HOTOL (HOrizontal Take-Off and Landing (despegue y aterrizaje horizontal)), por ejemplo, desde Spaceport America, ubicado en Nuevo México, en Estados Unidos (mientras que en Italia se está definiendo la normativa pertinente con el fin de poder realizar los primeros vuelos suborbitales experimentales).
A este respecto, la figura 1 muestra, de manera muy esquemática, un ejemplo de vuelo suborbital HOTOL. En particular, la figura 1 muestra una trayectoria (indicada en su conjunto por 11) seguida por un avión espacial de despegue y aterrizaje horizontal (no mostrado) que despega de un puerto espacial 12, alcanza el espacio a más de 100 km de la tierra (por ejemplo, alcanzando una altitud de aproximadamente 110 km con gravedad cero), y a continuación regresa a la tierra, aterrizando en el puerto espacial 12. Además, la figura 1 también muestra un ejemplo de espacio aéreo segregado 13 asociado al puerto espacial 12 para realizar vuelos suborbitales HOTOL. Como se conoce, las soluciones alternativas pueden basarse en el uso de sistemas de dos etapas, en los que una aeronave principal que transporta un avión espacial despega y alcanza una altitud predeterminada (por ejemplo, aproximadamente 15 km). A continuación, el avión espacial se libera/desacopla y puede así alcanzar de manera autónoma el espacio más allá de los 100 km de altitud, y a continuación reentrar (por ejemplo, planeando) en el puerto espacial de partida.
Además, otras soluciones pueden estar convenientemente basadas en el despegue y aterrizaje vertical (por ejemplo, basadas en el uso de cohetes de despegue y aterrizaje vertical (VTVL)).
De cara al futuro, los vuelos suborbitales pueden tener numerosas aplicaciones. Por ejemplo, dejando de lado la aplicación inicial centrada en el "turismo espacial" con despegue y aterrizaje en el mismo puerto espacial, una aplicación bastante interesante se refiere a la posibilidad de despegar de un puerto espacial A y aterrizar después en un puerto espacial B, con potencialidades increíbles, tales como la reducción drástica de los tiempos de vuelo tradicionales (por ejemplo, un vuelo de Roma a Nueva York de este tipo podría durar alrededor de una hora).
Además otra aplicación se refiere a la fabricación de vehículos de lanzamiento de bajo coste para microsatélites. Por otro lado, el sector de vuelos suborbitales también podría explotarse ventajosamente para:
• experimentos científicos (por ejemplo, en ciencias de la vida en microgravedad, ciencias físicas en microgravedad, ciencias aeromédicas, física de la salud, ciencias de la Tierra, etc.); y
• actividades de ensayo y/o formación (por ejemplo, para probar dispositivos destinados al uso espacial y/o para la formación de astronautas).
Desgraciadamente, como es fácil adivinar, la introducción de los vuelos espaciales suborbitales podría dar lugar a muchos riesgos en materia de seguridad, tanto para los propios vuelos suborbitales como para el tráfico aéreo tradicional y la población (por ejemplo, en el caso de accidentes y/o colisiones). A este respecto, es importante señalar que actualmente no existen sistemas que permitan limitar estos riesgos, ni autoridades/agencias delegadas para controlar los vuelos suborbitales. De hecho, hasta ahora las misiones de prueba siempre han sido gestionadas y controladas de manera autónoma por las empresas responsables de estas misiones, sin control por parte de terceras agencias/sistemas. Para el futuro, será sin duda necesario un control exterior para este tipo de vuelos, así como la coordinación entre los distintos operadores que trabajan en este sector (y también con los operadores de tráfico aéreo tradicionales).
Por otra parte, debería recordarse que hoy en día la basura espacial representan un grave riesgo de seguridad para los vuelos aéreos tradicionales, para las infraestructuras terrestres y para la población, mientras que en un futuro próximo podrían representar también un riesgo para los vuelos espaciales suborbitales.
En los últimos años se han propuesto diversas soluciones para la detección, seguimiento y monitorización de esta basura. Por ejemplo, las soluciones de este tipo se exponen en:
• el documento US9586704B2, que describe un sistema para modelar y simular la propagación de la basura espacial con el fin de predecir colisiones potenciales entre objetos espaciales;
• el documento CN106507959B, que describe un sistema de radar terrestre de matriz bidimensional para la detección de basura espacial;
• el documento CN107529385B, que describe otra solución de radar para la detección de basura espacial y para la generación de alertas tempranas;
• el documento CN102042820A, que describe un sistema de detección de pequeñas piezas de basura espacial basado en la espectroscopia; y
• el documento CN108226888A, que describe un método para la detección de múltiples objetivos espaciales (por ejemplo, basura espacial) basado en imágenes de apertura sintética.
Además, el artículo de Pengfei Duan titulado "ADS-B feasibility study for commercial space flight operations", Digital Avionics Systems Conference (DASC), 29a IEEE/AIAA 2010, iEe E, Piscataway, NJ, Estados Unidos, 3 de octubre de 2010, páginas 3.A.1-1 - 3.A.1-11, se refiere a un estudio de viabilidad sobre el uso de ADS-B para ayudar a la integración de las operaciones de vuelos espaciales comerciales con las operaciones de la aviación convencional, en el marco de los servicios de vigilancia de los futuros vehículos espaciales comerciales suborbitales, adaptando los vehículos espaciales comerciales y las aeronaves convencionales bajo el mismo sistema de tráfico aéreo usando ADS-B. En particular, este artículo sugiere que el sistema de gestión del tráfico aéreo (ATM) se actualice a un sistema de gestión del tráfico espacial y aéreo (SATM) de tal manera que se coordinen los vehículos espaciales con las aeronaves, en donde puedan recopilarse datos de seguimiento y otra información de los vehículos espaciales y las aeronaves para soportar el sistema SATM, que incluye una herramienta de apoyo a las decisiones (DST) diseñada para ayudar a los controladores del tráfico aéreo a gestionar las asignaciones del espacio aéreo, pudiendo predecir situaciones potencialmente peligrosas basándose en los datos importados de los vehículos espaciales y las condiciones ambientales. Más concretamente, este artículo enseña que la caída de basura provocada por la fragmentación de un vehículo espacial ubicado por encima del nivel de vuelo (FL) 600 podría provocar un accidente catastrófico a las aeronaves en crucero que se encuentran por debajo. La DST puede, por lo tanto, ayudar a las aeronaves a cambiar sus trayectorias para evitar una zona de riesgo potencial.
Además, tanto el artículo de Riahi Manesh Mohsen et al., titulado "Analysis of vulnerabilities, attacks, countermeasures and overall risk of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) system" (International Journal on Critical Infrastructure Protection, vol. 19, 31 de octubre de 2017, páginas 16-31) como el artículo de Dastner Kaeye et al., titulado "Classification of Military Aircraft in Real-time Radar Systems based on Supervised Machine Learning with Labelled ADS-B Data" (2018 Sensor Data Fusion: Trends, Solutions, Applications (SDF), IEEE, 9 de octubre de 2018, páginas 1-6) divulgan el uso de técnicas de aprendizaje automático, respectivamente para la detección de errores/amenazas/ataques/inconsistencias con respecto a la fusión de datos de las señales de radar y ADS-B y para la identificación/clasificación de aeronaves militares.
Por último, el documento US 2018/246205 A1 divulga un sistema de radar con capacidades de detección meteorológica y de objetos, que comprende un dispositivo de radar de matriz en fase.
Objeto y sumario de la invención
A la luz de lo anteriormente expuesto, el solicitante ha sentido la necesidad de realizar una investigación en profundidad con el fin de desarrollar un sistema innovador que permita monitorizar y controlar los vuelos espaciales suborbitales de una manera extremadamente fiable reduciendo los riesgos asociados, llegando de este modo a la presente invención.
Por lo tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar un sistema capaz de monitorizar y controlar el tráfico espacial suborbital de una manera extremadamente fiable, reduciendo de este modo los riesgos asociados.
Este y otros objetos se logran mediante la presente invención en la medida en que se relaciona con un sistema de control de tráfico espacial suborbital, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la presente invención, se describirán ahora algunas realizaciones preferentes, proporcionadas a modo de ejemplo no limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos (no a escala), en los que:
• la figura 1 muestra esquemáticamente un ejemplo de vuelo espacial suborbital HOTOL;
• la figura 2 muestra esquemáticamente un sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con una realización preferente de la presente invención;
• la figura 3 muestra con más detalle un sistema de radar del sistema de control de tráfico espacial suborbital de la figura 2;
• la figura 4 muestra esquemáticamente la instalación del sistema de control de tráfico espacial suborbital de la figura 2 en un puerto espacial; y
• la figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo de arquitectura de un sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital del sistema de control de tráfico espacial suborbital de la figura 2.
Descripción detallada de realizaciones preferentes de la invención
La figura 2 muestra esquemáticamente un sistema de control de tráfico espacial suborbital (indicado en su conjunto por 20) de acuerdo con una realización preferente (pero absolutamente no limitativa y no vinculante) de la presente invención. En particular, la figura 2 muestra (por medio de un diagrama de bloques funcionales) una arquitectura de alto nivel del sistema de control de tráfico espacial suborbital (SSTCS) 20.
En detalle, dicho SSTCS 20 incluye:
• un sistema de radar 21 configurado para
- monitorizar una región suborbital 30 predeterminada (preferentemente, dicha región suborbital 30 predeterminada está comprendida entre una primera altitud predeterminada de aproximadamente 20/22 km y una segunda altitud predeterminada de aproximadamente 120/150 km desde la superficie terrestre; más preferentemente, dicha región suborbital 30 predeterminada está comprendida entre el nivel de vuelo (FL) 650 y aproximadamente 150 km de la superficie terrestre), y
- detectar y rastrear objetos presentes (por ejemplo, en tránsito) en dicha región suborbital 30 predeterminada, en donde dichos objetos incluyen vehículos 41 (por ejemplo, aviones espaciales, cohetes, vehículos de lanzamiento, aerostatos, etc.) y basura espacial 42;
• un sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (SSTMS) 22 configurado para
- recibir, del sistema de radar 21, datos de seguimiento relacionados con los objetos detectados y seguidos por dicho sistema de radar 21,
- monitorizar, basándose en los datos de seguimiento, las trayectorias de los objetos en la región suborbital 30 predeterminada usando una o varias técnicas predeterminadas de aprendizaje automático, preferentemente una o varias técnicas predeterminadas de aprendizaje profundo, para detectar situaciones potencialmente peligrosas para los vehículos 41 en dicha región suborbital 30 predeterminada (por ejemplo, situaciones de colisión potenciales) y,
- si dicho SSTMS 22 detecta una situación potencialmente peligrosa para uno o más vehículos 41 dados, transmitir los correspondientes mensajes de alarma a dicho o dichos vehículos 41 dados; y
• una infraestructura de comunicaciones 23 configurada para permitir que dicho SSTMS 22 realice
- comunicaciones tierra-aire y aire-tierra 51 con los vehículos 41 en dicha región suborbital 30 predeterminada y
- comunicaciones tierra-tierra 52 con sistemas para el control de tráfico aéreo (ATC) 61 y/u otros sistemas (por ejemplo, sistemas de control de misión 62 para vuelos espaciales suborbitales, sistemas de defensa aérea/espacial 63, etc.).
Convenientemente, dicho SSTMS 22 está configurado para monitorizar las trayectorias de los objetos en la región suborbital 30 predeterminada no solo sobre la base de los datos de seguimiento proporcionados por el sistema de radar 21, sino también sobre la base de los datos recibidos de sistemas exteriores, tales como sistemas de seguimiento de satélites y/o sistemas de radar de misiles antibalísticos.
La figura 3 muestra con más detalle el sistema de radar 21, que incluye:
• al menos un sensor de radar primario 211 equipado con una antena de matriz de barrido electrónico;
• al menos un receptor basado en la tecnología ADS-B (vigilancia dependiente automática -transmisión) 212 (en lo sucesivo denominado "receptor ADS-B" para abreviar); y
• una unidad de procesamiento de radar 213, que está conectada al sensor de radar primario 211 y al receptor ADS-B 212 para recibir los datos respectivos de los mismos, y está configurada para
- detectar y rastrear los objetos en la región suborbital 30 predeterminada sobre la base de los datos recibidos de dicho sensor de radar primario 211 y dicho receptor ADS-B 212,
- generar los correspondientes datos de seguimiento relacionados con dichos objetos detectados y seguidos, y - suministrar dichos datos de seguimiento al SSTMS 22.
Preferentemente, dicho SSTMS 22 está configurado para comunicarse con los vehículos 41 en la región suborbital 30 predeterminada (por ejemplo, para transmitir datos y/o información a estos últimos, por ejemplo, mensajes de alarma) por medio del sensor de radar primario 211 (convenientemente, usando una tecnología basada en/obtenida a partir de LDACS (sistema de comunicación aeronáutica digital de banda l)). De este modo, el sensor de radar primario 211 proporciona la funcionalidad de detección y seguimiento de objetivos típicos del radar, y también una funcionalidad de comunicación bidireccional con los vehículos 41 en la región suborbital 30 predeterminada.
Convenientemente, el receptor ADS-B 212 está configurado para recibir señales ADS-B directamente de los vehículos 41 en la región suborbital 30 predeterminada y/o a través de uno o más satélites 71. Si dicho SSTMS 22 detecta, sobre la base de las trayectorias monitorizadas, una situación de colisión potencial entre dos o más vehículos 41 dados en la región suborbital 30 predeterminada o entre al menos una pieza de basura espacial 42 y al menos un vehículo 41 dado en la región suborbital 30 predeterminada, está configurado para transmitir un mensaje de alarma correspondiente al o los vehículos 41 dados (y, convenientemente, también a uno o más sistemas ATC 61 y/o a uno o más sistemas de control de misión 62 y/o a uno o más sistemas de defensa aérea/espacial 63, etc.). Si dicho SSTMS 22 detecta una colisión entre dos o más vehículos 41 dados en la región suborbital 30 predeterminada o entre al menos una pieza de basura espacial 42 y al menos un vehículo 41 dado en la región suborbital 30 predeterminada o si se detecta una explosión de un vehículo 41 dado en la región suborbital 30 predeterminada, está configurado para
• operar el sensor de radar primario 211 para detectar y seguir la basura producida por dicha colisión/explosión y • monitorizar las trayectorias de dicha basura producida por dicha colisión/explosión usando la o las técnicas predeterminadas de aprendizaje automático (preferentemente, la o las técnicas predeterminadas de aprendizaje profundo) para detectar situaciones de peligro provocadas por dicha basura en la región suborbital 30 predeterminada y/o en uno o más espacios aéreos subyacentes y/o en la superficie terrestre.
Convenientemente, dicho SSTCS 20 está instalado en un puerto espacial. A este respecto, la figura 4 muestra de manera esquemática un puerto espacial 81 equipado con dicho SSTCS 20 para controlar la región suborbital 30 predeterminada. Además, la figura 4 también muestra una región de espacio aéreo segregado 91 que se extiende entre la superficie terrestre (en particular, entre dicho puerto espacial 81) y la región suborbital 30 predeterminada. Solo los vehículos 41 que despegan del puerto espacial 81 para alcanzar la región suborbital 30 predeterminada y viceversa pueden transitar por dicha región de espacio aéreo segregado 91, mientras que esto está prohibido para el tráfico aéreo tradicional. Preferentemente, dicho SSTMS 22 también está configurado para:
• operar el sensor de radar primario 211 para el seguimiento de aeronaves en los espacios aéreos 92 adyacentes a la región de espacio aéreo segregado 91;
• monitorizar las trayectorias de dichas aeronaves usando la o las técnicas predeterminadas de aprendizaje automático (preferentemente, la o las técnicas predeterminadas de aprendizaje profundo) para detectar situaciones de colisión potenciales entre los vehículos 41 en la región de espacio aéreo segregado 91 y las aeronaves en los espacios aéreos 92 adyacentes a la región de espacio aéreo segregado 91; y,
• si se detecta una situación de colisión potencial entre un vehículo 41 en la región de espacio aéreo segregado 91 y una aeronave en un espacio aéreo 92 adyacente a la región de espacio aéreo segregado 91, transmitir un mensaje de alarma correspondiente a dicho vehículo 41 en la región de espacio aéreo segregado 91 y a al menos un sistema ATC 61 que controle dicha aeronave en dicho espacio aéreo 92 adyacente a la región de espacio aéreo segregado 91.
En otras palabras, el sensor de radar primario 211 permite a dicho SSTMS 22 realizar simultáneamente el control del tráfico espacial suborbital y el seguimiento de los vuelos de aeronaves tradicionales con una trayectoria crítica. De hecho, el uso de una antena de matriz de barrido electrónico, con haces estrechos e independientes controlados electrónicamente, permite dedicar algunos de estos haces a la vigilancia del espacio aéreo tradicional, mientras que los otros haces se usan para el seguimiento/monitorización de los vuelos suborbitales.
Convenientemente, los vehículos 41 en la región suborbital 30 predeterminada pueden comprender:
aviones espaciales, cohetes o, más en general, vehículos para vuelos suborbitales HOTOL y/o VTVL; drones;
aerostatos, por ejemplo dirigibles, aeronaves y/o globos aerostáticos;
aviones supersónicos;
vehículos de lanzamiento;
vehículos de reentrada y/o satélites;
• etc.
A la luz de lo que se ha explicado anteriormente, la presente invención se origina en la idea innovadora del solicitante de aprovechar diferentes tecnologías de manera sinérgica (por ejemplo, uno o más sensores obtenidos de la línea de radares multifunción más avanzados e integrados en un centro de control ad hoc) para producir un sistema extremadamente fiable y seguro para el control de vuelos espaciales suborbitales (o, más en general, para la monitorización de los vehículos suborbitales y de la basura espacial en la región comprendida entre aproximadamente 20/22 km (o más bien FL 650) y aproximadamente 120/150 km de la superficie terrestre), ya que hoy en día todavía no existen ni sistemas de control ni autoridades/agencias de control.
En otras palabras, el campo de aplicación de la presente invención puede considerarse convenientemente como la unión e integración del tráfico espacial y el control de tráfico aéreo, en esa zona que todavía hoy no está regulada ni vigilada.
Para una mejor comprensión de la presente invención, se describirán en detalle a continuación varias características preferentes (incluso si son absolutamente no limitativas) de dicho SSTCS 20.
1. Arquitectura de sistema
Como se ha descrito anteriormente, con el finde controlar el tráfico espacial suborbital, dicho SSTCS 20 está equipado con:
• un sensor de radar primario de barrido electrónico 211 que también permite las comunicaciones bidireccionales basadas en/obtenidas a partir de LDACS;
• un subsistema de vigilancia adicional de tipo cooperativo secundario, en el caso específico un receptor ADS-B 212 (configurado para recibir también señales ADS-B de los satélites 71);
• un SSTMS 22, convenientemente de origen ATC/ATM (Gestión de tráfico aéreo), para permitir una transición "sin fisuras" entre los sistemas ATC tradicionales 61 y el sistema de acuerdo con la presente invención; y
• una infraestructura de comunicaciones 23 para las comunicaciones tierra-aire y aire-tierra 51 y las comunicaciones tierra-tierra 52 capaz de aprovechar convenientemente las tecnologías actuales para las comunicaciones aeronáuticas (por ejemplo, el Modo 2 - VDL2 de enlace de datos de muy alta frecuencia, el sistema de comunicación aeroportuaria móvil aeronáutica - AeroMACS, LDACS, etc.).
Sin embargo, también puede proporcionarse convenientemente lo siguiente en dicho SSTCS 20:
• gestión de carga útil a través de una conexión SATCOM (es decir, las comunicaciones por satélite) y sus desarrollos; e
• integración de los datos suministrados por otros sistemas exteriores a dicho SSTCS 20, tales como los sistemas de seguimiento por satélite y/o los sistemas de radar de misiles antibalísticos.
Las características mencionadas anteriormente se implementan convenientemente en una arquitectura de sistema en la que:
• dicho SSTMS 22 puede ser convenientemente implementado en un centro de control capaz de proporcionar el escenario y la gestión de carga útil en estaciones dedicadas; y
• la infraestructura de comunicaciones 23 está perfectamente integrada en las comunicaciones de ATC clásicas. Gracias a la presente invención, los sistemas de control de misión 62 para vuelos espaciales suborbitales y los sistemas de defensa aérea/espacial 63 pueden recibir convenientemente datos de posición de trabajo de control (CWP) similares a los de los controladores de dichos SSTCS 20, incluso si las estaciones de los sistemas de control de misión 62 y los sistemas de defensa aérea/espacial 63 son simplemente estaciones de observancia, sin derecho a emitir órdenes específicas sobre el sistema (a menos que las autoridades, por ejemplo, las autoridades militares proporcionen una anulación de seguridad).
Obviamente, en el caso de problemas a bordo detectados por sus propios sistemas de telemetría, un sistema de control de misión 62 podría informar tanto al operador del SSTCS 20 que controla el vuelo suborbital como al correspondiente sistema de defensa aérea/espacial 63. Convenientemente, una CWP también podría proporcionarse en la cabina de mando de los vehículos suborbitales con la posibilidad de integrar los datos de seguimiento en el Sistema de Gestión de Vuelo (FMS) de a bordo. Todo esto permite tener una visión completa del escenario de referencia y de cualquiera de los riesgos relacionados con la basura y las situaciones de emergencia que puedan poner en peligro la misión.
Además, con el tiempo, todo esto permitiría la integración completa del nuevo SSTCS 20, reduciendo al mínimo las segregaciones de ATC.
2. Sistema de radar
En cuanto al sistema de radar 21, es importante observar que:
• el sensor de radar primario 211 puede diseñarse convenientemente con opciones comerciales de bajo coste (sin necesidad de piezas ECCM o EPM, es decir, contramedidas electrónicas/ medidas de protección electrónicas), pero con una funcionalidad similar, en términos de rendimiento de seguimiento, a las destinadas a la detección de satélites y al seguimiento de misiles balísticos tácticos (TBM); sin embargo, dicho sensor de radar primario 211 también podría usarse convenientemente como transmisor de un sistema biestático (por ejemplo, usando los radiotelescopios del Instituto nacional de astrofísica italiano (INAF) como receptores, en un contexto de colaboración, integración y fusión de datos con radares similares de la red nacional del ejército del aire italiano);
• como se ha explicado anteriormente, el sensor de radar primario 211 se usa preferentemente también para realizar comunicaciones tierra-aire y aire-tierra basadas en/obtenidas a partir de lDa CS;
• el receptor ADS-B 212 tiene convenientemente una antena omnidireccional con un alcance de hasta 463 km y con capacidad para recibir también señales ADS-B de los satélites 71. Convenientemente, el sistema de radar 21 puede proporcionar los datos de seguimiento al SSTMS 22 en forma de pistas en formato ASTERIX (estándar internacional ATC para el intercambio de datos de radar).
Como se ha explicado anteriormente, una vez recibidos por dicho SSTMS 22, los datos de seguimiento también pueden combinarse convenientemente por éste último con otros datos de seguimiento recibidos de los sistemas de seguimiento por satélite y/o los sistemas de radar de misiles antibalísticos.
3. Sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (SSTMS)
El sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (SSTMS) 22 representa un centro de control innovador para los vuelos espaciales suborbitales y para monitorizar la basura espacial y, convenientemente, no se basa en la mejora de las funciones típicas del control de tráfico aéreo (ATC) y también es capaz de integrar cualquier dato proporcionado por sistemas exteriores (por ejemplo, sistemas de seguimiento de satélites y/o sistemas de radar de misiles antibalísticos).
Con respecto a esto, la figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo de una arquitectura utilizable para dicho SSTMS 22 de acuerdo con una realización preferente (pero absolutamente no limitativa y no vinculante) de la presente invención. En particular, la figura 5 muestra (mediante un diagrama de bloques funcionales) una arquitectura de alto nivel de dicho SSTMS 22.
En detalle, como se muestra en la figura 5, dicho SSTMS 22 está convenientemente diseñado para implementar las siguientes funciones derivadas del ATC tradicional:
• fusión espacial de seguimiento múltiple (SMTF) 221, en la que las pistas de los vuelos suborbitales proporcionadas por el sistema de radar 21 se mejoran convenientemente con cualquier otro dato cooperativo procedente del control por satélite, aprovechando SATCOM en las bandas Ka y/o L con terminales específicos a bordo del vehículo suborbital; de este modo, existe la posibilidad de extraer y/o gestionar cualquier carga útil relacionada con la misión;
• procesador de datos de vuelo espacial (SFDP) 222, a altitudes inferiores a FL 650, los vuelos de salida de uno o más puertos espaciales pueden controlarse sustancialmente como vuelos convencionales bajo las Reglas de vuelo por instrumentos (IFR), con cambios mínimos en los sistemas de ATC convencionales 61 y con una gestión oportuna de las áreas segregadas, es decir, el Uso flexible del espacio aéreo (FUA); sin embargo, una vez alcanzado el límite de altitud, las pistas proporcionadas por el sistema de radar 21 permiten tener una trayectoria correlacionada con el plan de vuelo específico del vuelo suborbital;
• detección y resolución de conflictos espaciales (SCADR) 223, también en este caso, a altitudes inferiores a FL 650, los conflictos entre los vuelos suborbitales y otros vuelos IFR pueden gestionarse como sucede normalmente en el ATC con las funciones típicas (es decir, alerta de conflicto a corto plazo - STCA, detección de conflicto a medio plazo - MTCD, etc.); sin embargo, por encima de FL 650, se activa la función SCADR 223, principalmente para analizar las trayectorias de la basura espacial detectadas por el sistema de radar 21 con respecto a las trayectorias previstas y a los vuelos suborbitales mencionados anteriormente; además, a través de algoritmos específicos, determinados en la fase de planificación, también puede decidirse la interrupción de una misión espacial suborbital; además, en el caso de una explosión de un vehículo espacial suborbital con la consiguiente producción de basura, existe la posibilidad de gestionar de manera dinámica y flexible la emergencia en tiempo real en la zona ATC subyacente mediante la configuración de zonas segregadas ad hoc basándose en las posiciones y trayectorias de esta nueva basura detectada y rastreada por el sistema de radar 21.
Preferentemente, la función SCADR 223 incluye una comparación entre las trayectorias de la basura espacial y las trayectorias de los vehículos suborbitales, donde las trayectorias de la basura espacial y/o de los vehículos suborbitales se calculan convenientemente mediante una o más técnicas predeterminadas de aprendizaje profundo sobre la base de datos históricos de las trayectorias (por ejemplo, grandes datos) archivados en una fase estratégica. Esto permite tener una mayor precisión en el cálculo de las trayectorias y evitar posibles colisiones.
Convenientemente, existe una alineación entre dicho SSTMS 22 y los sistemas ATC 61 que permite gestionar las regiones suborbitales como si fueran sectores dentro de las regiones de información de vuelo (FIR), aunque en
realidad sean regiones a mayor altura con límites definidos por las misiones espaciales suborbitales.
De manera conveniente, dicho SSTMS 22 es capaz de intercambiar datos con otros centros de control, aeropuertos y partes interesadas a través de gestión de información de sistema amplio (SWIM)/ sistema de manejo de mensajes aeronáuticos (AMHS).
Además, como se ha explicado anteriormente, al aprovechar una conexión propia basada en/obtenida a partir de LDACS (que el solicitante ha denominado "ENH lDa CS"), dicho SSTMS 22 es capaz de distribuir e integrar una CWP del tipo espacial suborbital, con todas sus alertas, directamente en la cabina de mando de los vehículos suborbitales. De este modo, un piloto tiene una representación en tiempo real de las trayectorias de su vehículo suborbital y de cualquier basura espacial cercana, así como una indicación de cualquier alarma (por ejemplo, relacionada con riesgos potenciales de colisión) y/o de las trayectorias sugeridas para el vehículo suborbital. Todo esto permite la coordinación en tiempo real, con una gestión de emergencias optimizada, entre el SSTCS 20, el sistema de control de misión 62 y el sistema de defensa aéreo-espacial 63.
Convenientemente, como se ha explicado anteriormente, también es posible integrar los datos de seguimiento procesados por el SSTMS 22 dentro del sistema de gestión de vuelo (FMS) de a bordo. Esto permitiría, por ejemplo, un cambio de rumbo automático del vehículo suborbital basado en lo sugerido por la función SCADR 223.
4. Integración entre SSTMS y ATC
Como se ha explicado anteriormente, el SSTMS 22 está convenientemente diseñado para permitir un escenario ATC a niveles de vuelo más altos integrados con las FIR de referencia.
Esto permite una interoperabilidad e integración completas entre los actuales sistemas ATC 61 y el nuevo SSTCS 20, por lo que:
• en el nuevo SSTCS 20 (en particular, en dicho SSTMS 22) es posible tener convenientemente planes de vuelo completamente alineados con los de los centros de control de área (ACC) y de control de aproximación (APP) existentes;
• es posible obtener convenientemente una transferencia y coordinación "silenciosas" del control entre los controladores de los sistemas ATC 61 y los del SSTCS 20;
• la CWP puede configurarse convenientemente para mostrar objetos suborbitales (es decir, vehículos 41 basura espacial 42) y objetos a menor altura (es decir, aeronaves) en la misma imagen de radar y proporcionar una única posición de operación también para el control ATC;
• el SSTCS 20 puede ofrecer convenientemente una transición sin fisuras entre la presentación de datos suborbitales y datos de vuelo tradicionales debido a una actualización adaptativa de los símbolos de pista basada en el tipo de sensores que contribuyen a sus lecturas;
• las estaciones CWP del tipo espacial suborbital podrían configurarse convenientemente como estaciones CWP adicionales en los sistemas ATC 61 para la gestión de emergencias;
• el SSTCS 20 (y, en particular, el SSTMS 22) podría configurarse convenientemente como centro de recuperación de desastres de un sistema ATC 61 correspondiente, teniendo
- una separación física entre los lugares de instalación,
- una alineación completa de pistas y planes de vuelo entre los dos sistemas, y
- estaciones CWP de tipo espacial suborbital capaces de recuperar la sectorización AIR del centro ATC.
5. Infraestructura de comunicaciones
Como se ha explicado anteriormente, el SSTCS 20 comprende preferentemente también la integración de una infraestructura de comunicaciones ad hoc 23 insertada en el escenario clásico de comunicaciones ATC (por ejemplo, VDL2) y su evolución (es decir, LDACS).
De este modo, se obtiene convenientemente un sistema LDACS legítimo perfectamente integrado en el concepto de infraestructura de comunicaciones futura (FCI) contemplado en las hojas de ruta de la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), sin dejar de lado, por supuesto, las comunicaciones basadas en voz con la radio VHF (muy alta frecuencia) clásica, y también las comunicaciones por satélite entre el piloto, el ANSP (proveedor de servicios de navegación aérea) y el centro de control de misión. Todo está también convenientemente integrado en las comunicaciones tierra-tierra 52 en el interior del puerto espacial 81, que podría gestionarse a través de AeroMACS.
Además, como se ha explicado anteriormente, la antena de matriz de barrido electrónico (preferentemente plana) del sensor de radar primario 211 está convenientemente diseñada para soportar también el seguimiento LDACS y permitir alcanzar altitudes de hasta 100-110 Km mediante el acoplamiento al seguimiento de radar primario. Por lo tanto, existe efectivamente una antena de matriz de barrido electrónico en la banda L tanto para la vigilancia como para las comunicaciones tierra-aire y aire-tierra a gran altura 51. Esto permite tener información espacial CWP
suborbital en la cabina de mando de los vehículos suborbitales incluso a altitudes superiores a los 100 km.
6. Ventajas técnicas de la invención y observaciones finales
A partir de la descripción anterior, las características innovadoras y las ventajas técnicas de la presente invención son inmediatamente evidentes para un experto en la materia.
A este respecto, es importante subrayar en primer lugar que la presente invención permite realizar un sistema completamente autónomo en términos de vigilancia, seguimiento, control y comunicaciones, que puede integrarse fácilmente con todos los sistemas ATC y aeroportuarios actuales instalados en el mundo, y que es capaz de gestionar las emergencias derivadas de la presencia de basura espacial que puede poner en peligro las misiones espaciales suborbitales, así como la presencia de cualquier basura producida por colisiones y/o explosiones.
En particular, el sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con la presente invención garantiza un nivel adecuado de seguridad tanto para los vuelos suborbitales como para las personas y estructuras en tierra, así como para todos los demás usuarios del espacio aéreo y marítimo subyacente, incluso en el caso de colisiones o explosiones de vehículos suborbitales.
En cuanto al futuro escenario con viajes desde un puerto espacial A a otro puerto espacial B, la presente invención podría instalarse ventajosamente no solo en (unos pocos) puertos espaciales específicos, sino en todos los principales centros de aviación.
Además, cabe destacar que la presente invención también permite obtener las siguientes ventajas:
• a diferencia de las soluciones conocidas actualmente para la monitorización de la basura espacial, que solo contemplan la simulación de las trayectorias de esta basura (con el fin de predecir la trayectoria de descenso y la posible zona de la superficie terrestre afectada por la caída de esta basura), la presente invención proporciona, en cambio, un seguimiento en tiempo real de las trayectorias de la basura espacial, así como de la basura producida por explosiones o colisiones, con evidentes ventajas en términos de seguridad;
• debido a la monitorización en tiempo real de la basura espacial (u otros objetos en la región espacial suborbital de interés), la presente invención permite evitar el inicio o la reentrada de un vuelo suborbital en los casos donde se detecten problemas relacionados con la presencia de basura (u otros objetos) o, más en general, permite programar los vuelos suborbitales con mayor precisión y seguridad, reduciendo la probabilidad de falsas alarmas de posible colisión típicas de las previsiones/planificación basadas en el servicio de "boletines" proporcionado por las agencias gubernamentales en los Estados Unidos (notoriamente afectadas por importantes errores a largo plazo);
• como se ha subrayado repetidamente en lo anterior, la presente invención permite reducir drásticamente los riesgos de las misiones por encima de FL 650 debido al seguimiento en tiempo real de la basura en la región suborbital de interés, con análisis de las trayectorias decentes y previsión de la zona de impacto, para alertar y vaciar/evacuar las zonas del espacio aéreo y/o de la superficie terrestre afectadas por la caída de la basura; y • la presente invención representa una solución integrada que no solo responde perfectamente al futuro escenario de los vuelos suborbitales, sino que también permite tener una transición "sin fisuras" entre los sistemas ATC tradicionales y el sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con la presente invención.
Por último, es importante llamar la atención sobre algunas de las características innovadoras de la presente invención:
• control en tiempo real de los vuelos suborbitales y de la basura y/u objetos en altitudes superiores a 20/22 km, es decir, FL 650;
• algoritmos tradicionales reforzados con técnicas de aprendizaje profundo aplicadas al análisis de trayectorias; • previsiones más tempranas y fiables de las zonas de impacto;
• cierre automático del espacio aéreo subyacente aprovechando la fuerte integración con los sistemas ATC tradicionales;
• CWP (posición de trabajo de control) del tipo espacial suborbital instalado en la cabina de mando de los vehículos suborbitales para visualizar un escenario completo en términos de posición del vehículo, del tráfico circundante y de la posible basura espacial cercana, actualizado en tiempo real y transmitido desde el sistema de tierra al vehículo aprovechando una de las bandas disponibles del sensor de radar primario cuando "ilumina" el vehículo (es decir, "ENH LDACS"); y
• evaluación automática del rumbo óptimo a seguir basándose en las alarmas señaladas por el SSTMS, que también se actualiza y transmite en tiempo real en una banda de servicio del sensor de radar primario (es decir, "ENH LDACS").
Claims (9)
1. Un sistema de control de tráfico espacial suborbital (20), que comprende:
• un sistema de radar (21) configurado para
- monitorizar una región suborbital (30) predeterminada comprendida entre una primera altitud predeterminada de 20/22 km y una segunda altitud predeterminada de 120/150 km desde la superficie terrestre, y
- detectar y rastrear vehículos (41) y basura espacial (42) en dicha región suborbital (30) predeterminada; • un sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (22); y
• una infraestructura de comunicaciones (23) configurada para permitir que el sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (22) realice
- comunicaciones tierra-aire y aire-tierra (51) con los vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada, y
- comunicaciones tierra-tierra (52) con otros sistemas terrestres (61, 62, 63);
en donde el sistema de radar (21) incluye:
• un sensor de radar primario (211) equipado con una antena de matriz de barrido electrónico;
• un receptor ADS-B (212) basado en la tecnología de vigilancia dependiente automática -transmisión; y
• una unidad de procesamiento de radar (213), que está conectada al sensor de radar primario (211) y al receptor ADS-B (212) para recibir datos de los mismos, y está configurada para
- detectar y rastrear los vehículos (41) y la basura espacial (42) en la región suborbital (30) predeterminada sobre la base de los datos recibidos de dicho sensor de radar primario (211) y de dicho receptor ADS-B (212), - generar datos de seguimiento relacionados con dichos vehículos detectados y rastreados (41) y con la basura espacial (42), y
- proporcionar al sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (22) dichos datos de seguimiento; en donde dicho sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (22) está configurado para:
• monitorizar, sobre la base de los datos de seguimiento recibidos del sistema de radar (21), las trayectorias de los vehículos (41) y de la basura espacial (42) en la región suborbital (30) predeterminada usando una o más técnicas predeterminadas de aprendizaje automático para detectar
- una o más situaciones potenciales de colisión entre dos o más de los vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada,
- una o más situaciones potenciales de colisión entre una o más piezas de la basura espacial (42) y uno o más de los vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada, y
- una o más explosiones de uno o más vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada;
• si se detecta, sobre la base de las trayectorias monitorizadas, una situación de colisión potencial entre dos o más primeros vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada, transmitir los correspondientes mensajes de alarma a dichos primeros vehículos (41);
• si se detecta, sobre la base de las trayectorias monitorizadas, una situación de colisión potencial entre una o más piezas de la basura espacial (42) y uno o más segundos vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada, transmitir uno o más mensajes de alarma correspondientes a dicho o dichos segundos vehículos (41);
• si se detecta una primera colisión entre dos o más terceros vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada,
- operar el sensor de radar primario (211) para detectar y seguir la basura producida por dicha primera colisión, y
- monitorizar las trayectorias de dicha basura producida por dicha primera colisión usando la o las técnicas de aprendizaje automático predeterminadas;
• si se detecta una segunda colisión entre una o más piezas de la basura espacial (42) y uno o más cuartos vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada,
- operar el sensor de radar primario (211) para detectar y seguir la basura producida por dicha segunda colisión, y
- monitorizar las trayectorias de la basura producida por la segunda colisión usando la o las técnicas de aprendizaje automático predeterminadas; y,
• si se detecta una explosión de un quinto vehículo (41) en la región suborbital (30) predeterminada,
- operar el sensor de radar primario (211) para detectar y seguir la basura producida por dicha explosión, y - monitorizar las trayectorias de la basura producida por dicha explosión usando la o las técnicas de aprendizaje automático predeterminadas.
2. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de la reivindicación 1, en donde la región suborbital (30) predeterminada está comprendida entre el nivel de vuelo (FL) 650 y 150 km de la superficie terrestre.
3. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde dicha o dichas técnicas de aprendizaje automático predeterminadas son técnicas de aprendizaje profundo predeterminadas.
4. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el sistema de control de tráfico espacial suborbital (22) está configurado para monitorizar las trayectorias de los vehículos (41) y de la basura espacial (42) en la región suborbital (30) predeterminada también sobre la base de los datos recibidos de uno o más sistemas de seguimiento de satélites.
5. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el sistema de control de tráfico espacial suborbital (22) está configurado para controlar las trayectorias de los vehículos (41) y de la basura espacial (42) en la región suborbital (30) predeterminada también sobre la base de los datos recibidos de uno o más sistemas de radar de misiles antibalísticos.
6. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el sistema de control de tráfico espacial suborbital (22) está configurado para comunicarse con los vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada a través del sensor de radar primario (211) usando una tecnología basada en/obtenida a partir de la tecnología del sistema de comunicación aeronáutica digital de banda L.
7. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el receptor ADS-B (212) está configurado para recibir señales ADS-B directamente de los vehículos (41) en la región suborbital (30) predeterminada.
8. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el receptor ADS-B (212) está configurado para recibir señales ADS-B a través de uno o más satélites (71).
9. El sistema de control de tráfico espacial suborbital de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde una región de espacio aéreo segregado (91) se extiende entre la superficie terrestre y la región suborbital (30) predeterminada, permitiéndose solo el paso a través de dicha región de espacio aéreo segregado (91) a los vehículos (41) que llegan o proceden de dicha región suborbital (30) predeterminada;
en donde el sistema de monitorización de tráfico espacial suborbital (22) está configurado para:
• operar el sensor de radar primario (211) para rastrear aeronaves en espacios aéreos (92) adyacentes a la región de espacio aéreo segregado (91);
• monitorizar las trayectorias de dichas aeronaves usando la o las técnicas de aprendizaje automático predeterminadas para detectar situaciones de colisión potenciales entre los vehículos (41) en la región de espacio aéreo segregado (91) y las aeronaves en los espacios aéreos (92) adyacentes a la región de espacio aéreo segregado (91); y,
• si se detecta una situación de colisión potencial entre un vehículo (41) en la región de espacio aéreo segregado (91) y una aeronave en un espacio aéreo (92) adyacente a la región de espacio aéreo segregado (91), transmitir un mensaje de alarma correspondiente a dicho vehículo (41) en la región de espacio aéreo segregado (91) y a al menos un sistema de control de tráfico aéreo (61) que controle dicha aeronave en dicho espacio aéreo (92) adyacente a la región de espacio aéreo segregado (91).
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