ITRM20110633A1 - Algoritmo anti-riflessione di modo s per l'eliminazione di false tracce dovute a repliche riflesse in sistemi radar di terra. - Google Patents

Description

Algoritmo anti-riflessione di modo S per l’eliminazione di false tracce dovute a repliche riflesse in sistemi radar di terra

L’invenzione concerne un algoritmo antiriflessione di modo S per l’eliminazione di false tracce dovute a repliche riflesse in sistemi radar di terra.

Il “Mode S†, o Modo S, à ̈ una tecnologia di trasmissione dati utilizzata dal radar secondario di sorveglianza (SSR) per il controllo del traffico aereo dei velivoli dotati di transponder. La "S" sta per “selective†ovvero indica la possibilità di interrogare il velivolo in maniera selettiva tramite un indirizzo univoco a 24 bit, possibilità, questa, non offerta dalle precedenti tecnologie chiamate “Mode A†(o “Mode 3†) e “Mode C†.

Il Mode S à ̈ uno standard di comunicazione aderente alle normative ed alle raccomandazioni dell'Organizzazione Internazionale dell'Aviazione Civile (ICAO - International Civil Avionic Organization), ovvero l'ente incaricato di sviluppare i principii e le tecniche della navigazione aerea internazionale, delle rotte e degli aeroporti e promuovere la progettazione e lo sviluppo del trasporto aereo internazionale rendendolo più sicuro ed ordinato.

Il data link di Modo S à ̈ caratterizzato dalla selettività dello scambio dati tra stazione radar di terra e aereo.

La caratteristica delle tecnologie precedenti al modo S in materia di radar secondari à ̈ quella di effettuare trasmissioni del tipo radiodiffuso o “broadcast†, sfruttando:

- la selettività spaziale dell’antenna radar (dimensione del fascio principale circa 2,4°); - la presenza di un fascio appositamente studiato per la soppressione dei lobi laterali sia in “uplink†(ISLS) che in “downlink†(RSLS) per risolvere i velivoli molto vicini tra di loro. Per “uplink†si intende il collegamento tra un terminale terrestre ed una postazione aerea, per “downlink†il collegamento inverso.

Poiché le interrogazioni generate dal radar non sono indirizzate specificamente ad un aereo, i bersagli nel fascio principale rispondono sempre con una replica che può, pertanto, arrivare all’antenna radar sovrapposta ad altre repliche (di altri aerei) e da esse distorta (fenomeno noto con il nome di “garbling†).

Inoltre, poiché le trasmissioni di un radar sono indistinguibili da quelle di un altro interrogatore nella stessa area, si creano effetti di mutua interferenza tra sistemi di terra. Perciò una replica utile, ovvero generata dall’interrogazione di un radar secondario, può trovarsi “immersa†in un insieme di repliche che sono invece generate da altri radar adiacenti (fenomeno noto con il termine di “fruiting†).

L’aumento del traffico aereo, specialmente nell’area centrale europea (“core area†), ed il proliferare di stazioni di terra ha portato il sistema tradizionale al limite delle sue prestazioni potenziali ed alla necessità di introdurre un sistema di interrogazione terra-bordo-terra selettivo.

Nel protocollo di Modo S, standardizzato in ICAO Annex 10, Vol. IV, l’indirizzo assegnato al radar viene definito IC (“Interrogator Code†, codice di interrogatore) o II (“Interrogator Identifier†, identificatore di interrogatore), mentre quello del bersaglio viene definito indirizzo di Modo S o “Mode S Address†o anche “ICAO 24 bit Address†.

L’indirizzo della stazione di terra non à ̈ necessariamente univoco, anche in un’area relativamente ristretta (200 miglia nautiche x 200 miglia nautiche) ed assume valori che vanno da 0 a 16 (dei quali alcuni riservati per scopi di test o militari). Al contrario, l’indirizzo del bersaglio viene assegnato direttamente da un ente nazionale all’interno di un insieme di indirizzi che ICAO assegna, a livello mondiale, ad ogni paese.

Quindi, il requisito basilare del protocollo di Modo S à ̈ che il Mode S Address sia “discreto†, ovvero che sia valida l’ipotesi che non possano esistere due aerei in copertura (di un solo radar) con lo stesso indirizzo di Modo S.

Come in altri sistemi radar tradizionali si pone qui il problema di discriminare tra bersagli reali e falsi bersagli generati dalla riflessione delle repliche su ostacoli naturali o artificiali.

Sebbene il Mode S address sia teoricamente discreto, esistono casistiche, studiate e pubblicate da EUROCONTROL, che riportano esempi di aerei con indirizzi di Modo S uguali. La causa di tale fenomeno à ̈ tipicamente legata alla cessione degli aerei da una compagnia aerea ad un’altra ed alla mancata programmazione dell’indirizzo del transponder di bordo. Negli aerei civili, infatti, il pilota non ha accesso alla programmazione sul transponder dell’indirizzo di Modo S ed inoltre, essendo il Mode S Address un indirizzo “tecnico†, non viene esplicitamente presentato al controllore di volo.

La presenza di aerei con lo stesso Modo S Address rende pertanto inutilizzabile, anzi dannoso, l’algoritmo tradizionale tipico di antiriflessione di Modo S, ricadendo nel problema generale delle connessioni precedenti, in cui oltre alle repliche dovute ai bersagli naturali, vi sono le repliche dovute alla non univocità dei codici di aereo.

La soluzione classica al problema prima descritto à ̈ quella di utilizzare altre condizioni per il rilevamento e la conseguente eliminazione dei target indesiderati creai dall’estrattore radar in conseguenza delle riflessioni delle repliche contro i riflettori (oggetti naturali o artificiali differenti dal bersaglio aereo).

I parametri utilizzabili, singolarmente o in combinazione tra loro, sono:

− Mode S Address (ad esempio: 0x30000F)

− Mode A (ad esempio A1234)

− “Call Sign†(un identificativo unico per ogni volo, ad esempio: AZ3518)

− Confronto con mappe di riflettori pre-definite.

Purtroppo ognuno di questi parametri, in Modo S, risulta non affidabile, in quanto:

− il Modo S Address, come detto, può non essere univoco;

− il Modo A, nello spazio aereo di Modo S, à ̈ lo stesso per tutti gli aerei (“conspicuity code A1000†); inoltre non à ̈ sempre presente in tutte le repliche (ma solo in alcune interrogazioni selettive dette “ROLL CALL†ed effettuate al momento dell’inizializzazione di una traccia o quando la stessa non viene confermata da nuovi rilevamenti radar per un certo tempo) e, in particolare, il protocollo di acquisizione Modo S tende a limitare il numero di interrogazioni di Modo A verso un volo;

− il Call Sign à ̈ teoricamente univoco, ma viene impostato dal pilota e, pertanto, potrebbe essere sbagliato a causa di un errore di digitazione. La frequenza di questi errori à ̈ relativamente elevata. Inoltre anche il Call Sign non à ̈ presente in tutte le repliche;

− Infine, il confronto con le mappe di riflettori à ̈ un metodo molto efficace, anche se esiste una difficoltà pratica oggettiva nel definire una mappa sufficientemente definita e nel mantenerla aggiornata.

Il diagramma di flusso dell’algoritmo antiriflessioni suddetto può essere schematicamente rappresentato come in figura 1.

Nella pratica però, la combinazione dei criteri di decisione suddetti, cioà ̈ il risultato dell’algoritmo descritto, non può essere considerata del tutto efficace.

Il documento US20020180631 descrive un metodo simile, in cui un’analisi cinemaica à ̈ effetuata su tracce che hanno un codice di modo valido per aggiornare una mappa dei riflettori. Tuttavia, in un ambiente di Modo S SSR (spazio aereo), sarà adottato il cosiddetto “conspicuity code†, ovvero tutti gli aerei equipaggiati con transponder di modo S condivideranno lo sesso codice di Modo A (A1000) per evitare perdite di modo A dovute alla proliferazione di traffico aereo. Quindi l’algoritmo di US20020180631 cancellerebbe tutti i voli di modo S.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo per eliminare le tracce false nelle rilevazioni radar, che risolva i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore.

E’ scopo della presente invenzione quello di fornire i mezzi e gli apparati e i sistemi configurati per effettuare il metodo scopo dell’invenzione.

E’ oggetto della presente invenzione un metodo per l’eliminazione di false trace in Modo S SSR o codice 3A su display radar create da un estrattore radar di un radar in conseguenza di false repliche, ovvero riflessioni di repliche contro riflettori, un riflettore essendo un oggetto naturale o artificiale differente da un bersaglio aereo, il radar comprendendo l’estrattore radar e un tracciatore radar, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di eseguire le seguenti fasi:

A. creare una mappa di video grezzo RVM, che à ̈ estesa all’area coperta dal radar ed à ̈ suddivisa in celle di dimensione pre-definibile, ciascuna cella delimitando una porzione dell’area dove il bersaglio aereo può essere presente, a ciascuna cella essendo associata una probabilità di presenza di false repliche nella cella;

B. Per una situazione corrispondente ad una scansione da parte del radar:

B0. Identificare insiemi di repliche, ovvero due o più repliche reciprocamente più vicine in azimuth e range di corrispondenti valori di soglia predefiniti;

B1. Associare a ciascuna cella della RVM un livello di potenza ricevuta dal radar nella corrispondente porzione di area;

B2. Estrarre i plot, ovvero i punti medi di insiemi di repliche determinate nel caso in cui un insieme di repliche ha un numero di repliche più grande di una soglia pre-determinata, attraverso l’estrattore radar;

B3. Inviare i plot estratti al tracciatore radar insieme a detta probabilità di presenza di false repliche nelle celle a cui rispettivamente appartengono;

B4. Calcolare, per mezzo del tracciatore radar, le trace relative ai plot, aggiornare le trace già esistenti sul display del radar ed inizializzare nuove trace utilizzando una o più soglie di inizializzazione scelte sulla base di detta probabilità di presenza di false repliche calcolata nella fase B3;

C. Rispetto a tutte le trace della fase B4, determinare, per mezzo del tracciatore radar, false trace e i loro relative punti di inizio (in realtà, il tracciatore radar determina la presenza di false tracce utilizzando svariati criteri, il metodo secondo l’invenzione concentrandosi sul fatto di evitare di inizializzare false tracce e non sul particolare metodo per la loro scoperta, metodo che può variare con il progresso nel campo);

D. Sulla base dei punti iniziali delle false tracce determinate nella fase C, calcolare la probabilità di presenza di dette false repliche nelle celle corrispondenti a detti punti iniziali e aggiornare la RVM della fase A;

E. Ripetere le fasi B-D.

Una scansione radar à ̈ il rilevamento radar in una certa finestra temporale.

La definizione di plot data in B2 à ̈ la definizione radar conosciuta al tecnico medio del ramo. Ne consegue che il numero di plot non à ̈ necessariamente uguale al numero degli insiemi.

Per esempio, riguardo alla fase B4, la soglia può essere il numero di plot consecutive che correlano necessari per inizializzare la traccia. Un tale numero può essere scelto proporzionale a detta probabilità di presenza. Il tecnico medio del ramo comprende come usare una tale probabilità di presenza rispetto ai differenti criteri di inizializzazione di traccia.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase B4 à ̈ usata una soglia di inizializzazione di traccia, la quale à ̈ un numero predefinito di plot consecutive che correlano, detta soglia di inizializzazione di traccia essendo una funzione crescente di detta probabilità di presenza di false repliche calcolata nella fase B3.

Preferibilmente secondo l’invenzione, il livello di potenza associato a ciascuna cella nella fase B1 à ̈ determinate dall’intensità del o dei segnali all’interno della cella, detta probabilità di presenza per la cella essendo calcolata su scansioni radar multiple come:

E {P<i>

RX* Nscan with reflection/ PMAX* Nscan TOT}

dove:

- Nscan with reflectionà ̈ il numero di scansioni radar per cui sono state determinate false trace nella cella durante la fase C;

- Nscan TOTÃ ̈ il numero delle scansioni radar multiple;

- P<i>

RXindica la potenza del segnale ricevuto dalla replica i-esima che cade nella cella, con i=1,…k dove k à ̈ il numero totale di repliche nella cella e dipende dall’estensione geografica della stessa cella;

- PMAXindica la massima potenza ricevibile dalla cella;

Ed in cui E{} indica una operazione di media eseguita sulle repliche nella cella.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detta probabilità di presenza in ciascuna cella à ̈ calcolata come percentuale della potenza media corrente memorizzata per la cella Pr<n>:

Pft= b Pr<n>

dove b à ̈ un parametro configurabile.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase B1, per ciascuna cella, il livello di potenza ricevuto nella scansione corrente Prà ̈ mediato con un livello di potenza Pr<n-1>già associato alla cella, ed un valore medio Pr<n>à ̈ correntemente associato alla cella, secondo la condizione seguente:

Se Pr≥ Pr<n-1>, allora Pr<n>= Pr

Altrimenti Pr<n>= α Pr+ (1-α) Pr<n-1>

dove α à ̈ un peso a valori nei numeri reali, uguale per tutte le celle, che parametrizza una “memoria†della potenza media di cella che influenza dette una o più soglie di inizializzazione di traccia nella fase B4, il valore α essendo adatto ad essere pre-impostato per tener conto di situazioni di rilevamento mutanti quali la densità di traffico aereo e il tasso di variazione dell’ambiente, e, una volta che una traccia à ̈ stata identificata come falsa nella fase C, il valore di α à ̈ posto ad un valore differente αr< α per aumentare la memoria di algoritmo per la traccia falsa.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase C il tracciatore radar determina false tracce sulla base di uno o più criteri pre-definiti, una falsa traccia essendo determinata quando una traccia:

− Ha una traiettoria non costante definita da una varianza della velocità in range e/o azimuth più grande di una pre-determinata soglia;

− È scelta tra due tracce che hanno lo stesso indirizzo di Mode S e manovra allo stesso tempo, in cui la condizione di manovra à ̈ stimata secondo il criterio di energia di innovazione del filtro di Kalman, calcolando la distanza in range tra le due tracce e usando i seguenti criteri di scelta: o Se detta distanza in range à ̈ più grande di una soglia predefinita di distanza in range, in particolare l’accuratezza in range del radar, à ̈ scelta la traccia con la più ampia distanza in range;

o Altrimenti à ̈ scelta la traccia che termina prima nel tempo;

− La falsa traccia à ̈ una delle due tracce che hanno lo stesso indirizzo di mode S, per la quale le interrogazioni di roll call non hanno successo; − È scelta da un operatore che inserisce manualmente le informazioni nel tracciatore radar su quale tracce sono da considerare false tracce.

Preferibilmente secondo l’invenzione, durante la fase D, il tracciatore radar comunica i punti iniziali delle false tracce individuate nella fase C all’estrattore radar, il quale effettua il calcolo della probabilità di presenza.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase A, quando si abbia a disposizione il sistema ADS-B, nel caso sia presente un plot ADS-B correlante in posizione con un plot SSR, tutti i plot restanti saranno marcati come riflessioni e le celle relative della mappa di localizzazione saranno marcate con probabilità 100%.

E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un programma per elaboratore, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a codice configurati per eseguire, quando operano su un computer, le fasi A-E del metodo per eliminare false tracce in Mode S SSR o codice 3A su display radar, che sono create da un estrattore radar in conseguenza di false repliche, secondo l’invenzione.

E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un supporto di memoria leggibile da un elaboratore elettronico, che ha un programma memorizzato su di esso, caratterizzato dal fatto che il programma à ̈ il programma per elaboratore secondo l’invenzione.

E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un sistema per eliminare false trace di Modo S SSR o codice 3A su un display radar create da un estrattore radar in conseguenza di false repliche, il sistema essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a codice per eseguire il metodo secondo l’invenzione, il sistema comprendendo:

− Un estrattore radar, che include mezzi elettronici configurati per eseguire le fasi A, B0-B3, D;

− Un tracciatore radar, che include mezzi elettronici configurati per eseguire le fasi B4, C.

L’invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo ma non limitativo, sulla base di alcune sue preferite forme di realizzazione , in cui:

- la figura 1 mostra un diagramma di flusso tipico per un algoritmo tradizionale di antiriflessione in Modo S;

- la figura 2 mostra un esempio di video grezzo o “raw video†senza bersaglio in atterraggio (a) e con target in decollo (b, c, e d);

- la figura 3 mostra un esempio di analisi geometrica del raw video;

- la figura 4 mostra una prima ipotesi circa la posizione dei riflettori nel raw video della figura 3;

- la figura 5 mostra una seconda ipotesi circa la posizione dei riflettori nel raw video della figura 3;

- la figura 6 mostra una terza ipotesi circa la posizione dei riflettori nel raw video della figura 3;

- la figura 7 mostra un aggiornamento “RVM†nel caso della seconda ipotesi di cui alla figura 5;

- la figura 8 mostra un esempio di traccia falsa calcolata sulla base della correlazione temporale delle repliche e della durata della traccia (traccia che evolve nel tempo in modo casuale senza criterio geometrico);

- la figura 9 mostra un esempio di traccia falsa calcolata sulla base della correlazione temporale e della durata della traccia (traccia che evolve nel tempo con un criterio geometrico speculare ad un’altra traccia);

- la figura 10 mostra uno schema a blocchi di una forma di realizzazione del sistema secondo l’invenzione.

- Figures 11a-n show the updating of the RVM map according to the invention method.

Nel sistema secondo l’invenzione, l’algoritmo di eliminazione delle riflessioni à ̈ basato sul controllo di:

- Mode S Address o codice 3A degli aerei e - posizione reciproca di aerei con Mode S Address o codice 3° uguale.

Quindi ci si basa sul Mode S Address o sul codice 3A che à ̈ l’unica informazione presente in tutte le repliche di Modo S o codice 3A. Nel seguito ci riferiremo principalmente al modo S, perché esso à ̈ lo standard attuale nei cieli europei, ma il modo 3° à ̈ ugualmente possibile secondo l’invenzione.

La soluzione secondo la presente invenzione à ̈ quella di cancellare una delle due tracce, secondo un procedimento di seguito descritto.

Più in dettaglio, la soluzione proposta à ̈ quella di utilizzare il video grezzo o “raw video†trasformato in digitale, unitamente ad un set di regole di decisione predefinite per caricare automaticamente una mappa di riflettori.

Tale algoritmo, inoltre, potrà integrare i rapporti ADS-B per individuare la posizione reale del target e costruire automaticamente (e mantenere aggiornata) la mappa dei riflettori.

Per completezza di spiegazione, ADS-B (“Automatic Dependent Surveillance – Broadcast†, sorveglianza dipendente automatica - diffusione), à ̈ una tecnica cooperativa di controllo del traffico aereo (ATC) particolarmente utile per l'identificazione di aeromobili e veicoli sul sedime aeroportuale nell'ottica della gestione del traffico in aeroporto e per evitare eventuali collisioni in mancanza di visibilità o congestione del traffico. Ogni aeromobile o veicolo dotato di un transponder Modo S à ̈ in grado di calcolare la propria posizione GPS e di inviarla periodicamente nell'etere in modo che speciali ricevitori di tipologia ADS-B siano in grado di identificare la posizione del target trasmittente.

Le repliche inviate da ogni aereo all’interno del tempo di osservazione definito dalla apertura azimutale dell’antenna vengono integrate (correlate) in azimut per definire un cosiddetto “plot†(rilevamento) che corrisponde alla posizione di un possibile bersaglio ad un certo istante temporale.

Sequenze temporali di plot che mostrano una correlazione geometrica rispondente a determinati principi cinematici vengono aggegate in cosiddette “tracce†, che si presentano sul video del controllore come simboli posizionati in determinati punti (a cui sono associate informazioni cinematiche e di identità).

La figura 2 rappresenta un caso di riflessioni legato alla presenza di un hangar e di una torre in un sito operativo.

Le righe bianche sul display di RMM (“Radar Maintenance Monitor†) rappresentano le repliche ALL CALL (nello standard di Modo S le repliche sono non indirizzate, dette “all call†, oppure selettive, dette “roll call†) ricevute dal radar con aerei in decollo (secondo ICAO Annesso 10, Vol. IV un aereo a terra non dovrebbe emettere repliche di ALL CALL, ma anche in questo caso, come per il Mode S Address ed il Call Sign, sono molti i casi in cui lo standard internazionale non viene pienamente rispettato; poiché le repliche di Modo S sono più lunghe di quelle convenzionali e rispetto ad esse trasportano un contributo energetico maggiore (modulazione PPM (“Pulse Position Modulation†)) invece di modulazione di ampiezza) la presenza di così tante repliche in un ambiente complesso come un aeroporto comporta serie degradazioni della performance complessiva del sensore). Evidentemente un singolo bersaglio in attesa sulla pista di decollo genera moltissime repliche (figura 2(c)) del tutto false che spesso generano plot e, in qualche caso, false tracce.

L’algoritmo proposto analizzerà il contributo informativo delle repliche (a livello di video grezzo, ovvero prima del processo di estrazione del plot) con la finalità di calcolare la posizione dei riflettori. La presenza di rapporti ADS-B, se disponibili, permetterà di facilitare il processo di analisi, altrimenti sarà fatta una analisi geometrica della distribuzione delle repliche e verrà confrontata con il plot (o i plot) estratto dal sensore radar. La possibilità di correlare nel tempo lo spostamento dei plot, il loro luogo di origine e la durata media delle tracce da essi generati permetterà di capire se il plot era relativo ad una riflessione oppure no.

Nel caso venga presa la decisione di “riflessione†sarà automaticamente aggiornata una mappa di riflettori onde evitare di permettere l’inizializzazione della traccia in quell’area.

Il primo passo del procedimento secondo l’invenzione à ̈ l’identificazione geometrica di “cluster†aventi lo stesso Mode S Address, ovvero di insiemi di repliche vicine in azimuth e range, secondo un criterio geometrico pre-definibile (figura 2).

Successivamente, i cluster verranno associati ai plot aventi lo stesso Mode S Address (figura 3), poiché, chiaramente, qui si procede alla identificazione di un aereo vero tra tracce aventi lo stesso Mode S address, altrimenti la distinzione à ̈ immediata.

I cluster così trovati saranno riportati su una mappa (mappa di video grezzo o “Raw Video Map†, RVM)) suddivisa in celle di dimensioni predefinibili, ognuna delle quali delimita una zona in cui può essere presente un bersaglio. La mappa quindi fornisce una localizzazione spaziale di tutte le repliche del bersaglio. Ad ogni cella si assocerà un parametro di livello di energia determinato dall’intensità del o dei segnale/i replica all’interno della stessa cella.

Le tracce che nascono in una cella saranno analizzate sulla base dell’evoluzione cinematica della traccia. Ad esempio i criteri possono essere i seguenti:

- traccia che evolve nel tempo in modo casuale senza criterio geometrico: sarà una falsa traccia (vedi caso della figura 8);

- traccia che evolve nel tempo con un criterio geometrico speculare ad un’altra traccia: in tal caso la traccia più corta à ̈ quella falsa.

Il criterio può anche essere un inserimento manuale da parte dell’operatore. La cella sarà corrispondentemente aggiornata. Nell’esempio della figura 3, i due gruppi di repliche 1 e 3 generano due corrispondenti plot, uno vero e l’altro falso. Il gruppo di repliche 2 invece non genera alcun plot. In questo esempio si suppone che il plot generato dal gruppo di repliche 1 sia rappresentativo di un aereo vero.

L’algoritmo prenderà in considerazione tutte le possibilità, ovvero:

- ipotesi 1 (figura 4): il plot generato dal gruppo di repliche 1 Ã ̈ quello vero;

- ipotesi 2 (figura 5): il plot generato dal gruppo di repliche 3 Ã ̈ quello vero;

- ipotesi 3 (figura 6): i due plot sono entrambi veri.

Facendo riferimento alla figura 7, a seguito dell’analisi geometrica suddetta, sarà aggiornata la suddetta mappa RVM, e, ad ogni sua cella, associate le seguenti informazioni:

- probabilità di presenza del riflettore; - posizione di provenienza della riflessione. Il contributo probabilistico sarà ad esempio ottenuto utilizzando il rapporto:

E {P<i>

RX* Nscan with reflection/ PMAX* Nscan TOT}

dove:

- Nscan with reflection: numero di scansioni in cui occorrono estrazioni di repliche;

- Nscan TOT: numero di scansioni totale;

- P<i>

RXindica la potenza del segnale ricevuto sull’i-esima replica che cade in quella cella, con i=1,…k ove k à ̈ il numero totale di repliche nella cella e dipende dall’estensione geografica della cella stessa;

- PMAXindica la massima potenza ottenibile da quella distanza (il “Sensitività Time Control†, STC, à ̈ corretto dall’estrattore, quindi il sistema secondo l’invenzione non dovrà essere configurato per tenerne conto);

- E{} indica l’operazione di media effettuata sulle repliche in una particolare cella. Così facendo la probabilità di avere una riflessione in quella cella viene determinata sia dal numero di riflessioni rilevate sia dalla potenza media dei segnali ricevuti in quella cella. Quindi, facendo un esempio, se in 10 scansioni viene rilevata 1 riflessione e la potenza media del segnale ricevuto à ̈ pari alla massima ottenibile da quella distanza, la probabilità di avere un’altra riflessione sarà del 10%. Se invece, nelle stesse 10 scansioni, viene rilevata una riflessione ma questa à ̈ stata generata da segnali molto deboli rispetto al massimo teoricamente ottenibile, la probabilità sarà più bassa. L’introduzione di un peso legato alla potenza media del segnale permette di compensare gli effetti dovuti a doppia riflessione senza sbilanciare l’algoritmo verso decisioni di cancellazione eccessiva ed inoltre fornisce un grado di adattività a riflettori mobili i cui spostamenti sono comparabili con il tempo di osservazione (ad esempio: gru in movimento, alberi mossi dal vento ecc.).

Il numero di scansioni totale sarà sufficientemente più alto del tempo di permanenza di un aereo in pista al fine di decorrelare le osservazioni (es.: Nscan TOT: 250 scansioni).

L’algoritmo secondo l’invenzione terrà conto di questa probabilità per evitare l’inizializzazione di una traccia che nasce in una cella a forte probabilità di falso allarme, oppure per ritardare tale inizializzazione.

La posizione di provenienza della riflessione sarà valutata in base all’ipotesi fatta, nel caso della figura 3 sarà quella corrispondente all’ipotesi 1. Ovviamente le mappe RVM diventano così N, dove N indica il numero delle ipotesi fattibili a partire dalla situazione geometrica di partenza.

Questo à ̈ un vantaggio importante della presente invenzione, che permette di lasciare solo le tracce vere, e al tempo stesso tenere conto di quelle false per l’aggiornamento della mappa RVM, aggiornamento che permetterà un migliore riconoscimento delle tracce successive.

Nel caso si abbia a disposizione il sistema ADS-B, allora la posizione à ̈ inviata dall’aereo e questo permette di identificare subito i cluster generati da riflessione e quindi di aggiornare immediatamente la mappa. Si ricorda qui che l’ADS-B à ̈ un sistema alternativo al radar secondario, che à ̈ dipendente dal sistema GPS, con tutti gli svantaggi del caso.

Nel caso sia presente un plot ADS-B correlante in posizione con un plot SSR, tutti i plot restanti saranno marcati come riflessioni e le celle relative della mappa RVM saranno marcate con probabilità 100%.

La presenza di un plot ADS-B elimina quindi tutte le mappe RVM delle ipotesi scartate, quindi, di fatto, semplifica molto l’implementazione e l’impatto di calcolo dell’algoritmo secondo l’invenzione. Il radar di sorveglianza secondario in modo S estrae i report ADS-B.

Infine l’output del tracciatore operativo sarà proiettato sulle mappe e, sulla base di un set di regole predefinite (tracce che si evolvono in maniera casuale/speculare ecc.) sarà deciso se la traccia era una riflessione oppure no.

Nell’esempio della figura 8 un bersaglio fermo sulla taxi genera riflessioni. Poiché la stima di velocità di un veicolo fermo à ̈ soggetta ad errori molto alti, il filtro che inibisce l’inizializzazione di nuove tracce basato sulla velocità minima non entra in funzione e viene generata una traccia che segue un percorso “randomico†(Randomic Path Rule). Dopodiché esce dall’area di riflessione, perde di contributi di repliche e il plot muore. La lunghezza della vita della traccia, misurata in numero di scansioni, e la sua casualità cinematica saranno indicatori di una traccia riflessa.

Nell’esempio della figura 9, invece, un bersaglio in volo effettua una manovra ma un riflettore genera un bersaglio con caratteristiche cinematiche speculari o quasi.

Anche in questo caso la traccia riflessa sarà terminata dopo poche scansioni, ovvero non appena le condizioni di riflessioni verranno a mancare a causa del movimento dell’aereo. L’analisi del percorso della traccia rispetto all’originale saranno indicatori di presenza di una traccia riflessa (la traccia falsa si spegne prima).

Anche qui il report ADS-B permetterà di identificare univocamente il bersaglio vero da quello falso. E’ chiaro che il sistema della presente invenzione si applica convenientemente al caso in cui non si hanno sempre i report ADS-B, altrimenti il riconoscimento à ̈ univoco.

Il confronto tra le RVM, e le considerazioni sulle tracce “rule-based†permetteranno di identificare la riflessione e di cancellarla o indicare che si tratta di traccia riflessa (freccia rossa in Figura 10).

Esempio dettagliato

Questo esempio descrive i passi operativi del metodo secondo l’invenzione in uno scenario realistico.

3.1 Descrizione RVM – definizione dello scenario Lo scenario à ̈ definito dal “punto di vista del radar†, quindi l’uscita dell’estrattore radar à ̈ descritta nel seguito per più scansioni. L’uscita del tracciatore à ̈ descritta in termini di trace, assumendo che:

− La soglia di inizializzazione della traccia à ̈ fissata a 2 (due plot sono necessari per inizializzare una traccia stabile);

− La soglia di terminazione della traccia à ̈ fissata a 2 (due plot consecutivi mancanti determinano la fine della traccia).

I risultati esemplificaivi durante i passi della ricognizione radar (che sono dati come ingresso al metodo secondo l’invenzione) sono come segue:

Radar Scan 0 – L’irraggiamento radar à ̈ acceso;

Radar Scan 1 – Il radar estrae due plot “reali†(ad esempio PA<1>e PB<1>), ovvero: due plot generati dal rilevamento di target reali A, B;

Radar Scan 2 – Il radar estrae due plot “reali†(ad esempio PA<2>and PB<2>), di nuovo generate dal rilevamento di target reali A, B.

Radar Scan 3 – Il radar estrae tre plot (ad esempio PA<3>, PB<3>e PAR<3>). PAR<3>à ̈ il plot generato da un riflettore quando à ̈ investito dal segnale che arriva dal target A. Radar Scan 4, 5, 6 – Il radar estrae tre plot tutti correlanti da un punto di vista cinematico e, quindi, creanti una traccia.

Radar Scan 7, 8 – Il radar estrae solo due plot.

Radar Scan 9 – Il tracciatore termina la traccia data dalla sequenza di plot PARinformando l’estrattore radar che era una falsa traccia (ovvero soddisfa uno dei criteri di identificazione di traccia).

La seguente tabella riassume la procedura con i risultati dell’esempio.

Radar Scan Plot in Uscita del uscita tracciatore

Radar Scan 0 Nessun plot Nessuna

traccia

Radar Scan 1 PA<1>and PB<1>Nessuna

traccia

Radar Scan 2 PA<2>e PB<2>Nessuna

traccia

Radar Scan 3 PA<3>, PB<3>e PAR<3>TAe TB

Radar Scan 4 PA<4>, PB<4>e PAR<4>TAe TB

Radar Scan 5 PA<5>, PB<5>e PAR<5>TA, TBe TAR

Radar Scan 6 PA<6>, PB<6>e PAR<6>TA, TBe TAR

Radar Scan 7 PA<7>e PB<7>TA, TBe TAR

Radar Scan 8 PA<7>e PB<7>TA, TBe TAR

Radar Scan 9 PA<7>e PB<7>TAe TB

Radar Scan 10 PA<7>e PB<7>TAe TB

Radar Scan 11 PA<7>e PB<7>TAe TB

Tabella 1

3.2 Descrizione della RVM – grandezza della RVM Ora à ̈ descritta la creazione e l’aggiornamento della mappa RVM secondo la presente invenzione.

Rappresentiamo l’evoluzione delle mappe RVM negli scan sopramenzionati. Nelle Figure 11a-11n, la RVM à ̈ rappresentata, unicamente per semplicità illustrativa, come matrice 3x3. Nei casi reali essa rappresenterebbe l’intero spazio aereo coperto dal radar, quindi, assumendo 256 miglia nautiche (NM) su 360° con una risoluzione in range di Rr= 30m ed una codifica azimutale di 12bit (2<12>= 4096), la RVM avrebbe:

• 256*1852 / Rrrighe, dove 1852 à ̈ il fattore di conversione da NM a metri;

• 2<12>colonne, ciascuna colonna rappresentando un passo azimutale di 0.08°.

Poiché i riflettori possono cambiare la loro posizione o sparire (gru mobile, condizioni ambientali dovute alla neve), à ̈ necessario un algoritmo che permetta alla RVM di “dimenticare†(processo che à ̈ anche detto secondo l’invenzione “scarica della RVM†) le posizioni delle false tracce.

Questo à ̈ raggiunto mediando la potenza ricevuta degli insiemi di repliche da memorizzare in ciascuna cella della RVM con il relativo valore già presente nella cella. Ovvero, essendo:

• Pr<n-1>la potenza memorizzata nella cella i-esima della RVM e relativa agli scan fino a n-1;

• Pril valore di potenza per l’insieme ricevuto nello scan corrente nella cella i-esima; • Pr<n>il valore della potenza memorizzato nella RVM durante lo scan corrente nella cella iesima;

si esegue il seguente aggiornamento:

se Pr≥ Pr<n-1> Pr<n>= Pr

altrimenti Pr<n>= α Pr+ (1-α) Pr<n-1>

Si noti che il valore di α (<1) determina la “memoria†del metodo secondo l’invenzione circa la potenza media di cella che influenza la probabilità di inizializzazione di tracce false. Il valore di α à ̈ configurabile per tenere conto di densità di traffico, velocità dell’ambiente che varia ecc.

La seguente tabella fornisce I risultati in un caso specifico per α = 0.4 quando il 20% e il 30% di un segnale à ̈ ricevuto nella cella i-esima (scan da 3 a 5 e da 12 a 16). I valori sono dati sono forniti come percentuale del Massimo valore di potenza (tipicamente 22 dbm). La tabella include anche un valore αril cui significato à ̈ descritto nel seguente paragrafo.

Tabella 2

3.3 Descrizione della RVM – Comunicazione di false tracce

Nel suddetto scenario, abbiamo assunto che una falsa traccia à ̈ inizializzata e terminata nella stessa cella. Certamente questo non sarà sempre il caso nelle applicazioni della vita reale. Di conseguenza, secondo l’invenzione, nelle applicazioni della vita reale il tracciatore radar informerà il sistema sulla posizione di “inizializzazione†di una traccia che à ̈ stata identificata come falsa (ed eventualmente anche la serie di celle attraversate dalla traccia falsa), ovvero che soddisfa i criteri di identificazione di falsa traccia.

Una volta che una traccia à ̈ stata identificata come falsa, il tracciatore comunicherà questa occorrenza al sistema secondo l’invenzione insieme alla sua posizione di inizializzazione, e la cella corrispondente verrà segnata come “a probabile originazione di false tracce†. Da questo momento in poi, il valore di α sarà posto ad un differente valore αr. Si noti che esso à ̈ tipicamente αr< α per incrementare la memoria di falsa traccia dell’algoritmo.

La seguente tabella illustra la differenza quando il nuovo valore di αrà ̈ applicato alla cella. Si noti che il tempo di “decadimento†della potenza media à ̈ più lungo di prima.

3.4 Descrizione della RVM – reset della cella

La cella subisce un “reset†, ovvero à ̈ segnata ancora come “improbabile originazione di false tracce†, quando il valore di potenza medio scende a 0. La seguente tabella illustra questa procedura (le righe possono essere considerate la parte finale della tabella precedente che à ̈ stata tagliata a scopo illustrativo):

3.5 Descrizione della RVM – Probabilità di false tracce

Infine, ogni volta che un nuovo plot à ̈ inviato al tracciatore, il sistema secondo l’invenzione verifica se la relative cella ha una probabilità di generare false trace e, se questo à ̈ il caso, informa il tracciatore di tener conto di ciò.

Il tracciatore alzerà quindi le soglie di inizializzazione per quel particolare plot per evitare la creazione di false tracce.

La probabilità à ̈ calcolata come una percentuale della potenza memorizzata nella cella:

Pft= b Pr<n>

dove b à ̈ un parametro configurabile.

3.6 Comportamento del sistema nello scenario.

Le figure 11a-11n riassumono l’evoluzione nel tempo della matrice RVM 3x3 in conseguenza dello scenario sopra descritto.

Nello scan 1 (Figura 11a) n on c’à ̈ plot, nello scan 2 (Figura 11b) PA<1>e PB<1>sono i plot estratti, che persistono fino (almeno) allo scan 11 (Fig. 11n). nello scan 4, il plot PAR<3>appare e persiste fino allo scan 6 (Figura 11g) quando si trova che la traccia generata da un tale plot à ̈ una traccia falsa.

Dallo scan 7 (Figura 11h) in poi, la potenza del terzo plot PAR<3>diminuisce (or in generale varia) così che nello scan 9 solo i plot relativi ai target A e B sono inizializzati, mantenendo allo stesso tempo memoria del fatto che nella cella (1,3) à ̈ apparsa una falsa traccia (C), secondo la descrizione qui sopra. Il contributo innovativo dell’algoritmo secondo l’invenzione sta nella tecnica di analisi proposta: essa infatti non à ̈ basata solo sul confronto di repliche, secondo quanto fanno i processi di estrazione tipicamente utilizzata nei sensori radar, né sulla sola correlazione “scansione per scansione†, secondo quanto fanno gli algoritmi di tracking, ma sull’informazione globale proveniente dal processo di estrazione/tracciamento. Inoltre viene anche integrato il contributo ADS-B, se presente. Pertanto l’algoritmo à ̈ trasversale rispetto alla tradizionale architettura dei sistemi radar e rappresenta l’applicazione di una metodologia più generale di caratterizzazione dell’ambiente circostante.

Tornando al metodo del documento summenzionato US20020180631, anche trascurando il problema della cancellazione delle tracce di aeromobili relative al modo S con lo stesso conspicuity code, tale metodo à ̈ basato sulla stima della posizione fisica del riflettore. Tuttavia, una stima fata sulla base di un singolo evento di rilevamento relative ad un target reale rispetto ad un riflettore sarebbe differente da una stima di un altro evento generato dallo stesso riflettore ma relativo ad un altro target reale, a causa delle effettive differenti posizioni dei target reali. Quindi c’à ̈ un’elevata incertezza sulla posizione del riflettore, che impedisce di evitare efficacemente le tracce false. Questo à ̈ il motivo per cui la presente invenzione non prova a stimare la posizione effettiva dei riflettori,ma si concentra sulla determinazione della probabilità di avere tracce false in un’area predeterminata (cella), a prescindere da dove il riflettore à ̈ effettivamente posizionato. Questo ha come vantaggio quello di un monitoraggio dinamico (e quindi cancellazione) di false tracce entro brevi intervalli temporali anche nel caso di limitato traffico aereo da monitorare. Infatti, il metodo della tecnica anteriore non può calcolare rapidamente la posizione del riflettore quando avvengono solo poche riflessioni (piccoli aeroporti).

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l’eliminazione di false trace in Modo S SSR o codice 3A su display radar create da un estrattore radar di un radar in conseguenza di false repliche, ovvero riflessioni di repliche contro riflettori, un riflettore essendo un oggetto naturale o artificiale differente da un bersaglio aereo, il radar comprendendo l’estrattore radar e un tracciatore radar, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di eseguire le seguenti fasi: A. creare una mappa di video grezzo RVM, che à ̈ estesa all’area coperta dal radar ed à ̈ suddivisa in celle di dimensione pre-definibile, ciascuna cella delimitando una porzione dell’area dove il bersaglio aereo può essere presente, a ciascuna cella essendo associata una probabilità di presenza di false repliche nella cella; B. Per una situazione corrispondente ad una scansione da parte del radar: B0. Identificare insiemi di repliche, ovvero due o più repliche reciprocamente più vicine in azimuth e range di corrispondenti valori di soglia predefiniti; B1. Associare a ciascuna cella della RVM un livello di potenza ricevuta dal radar nella corrispondente porzione di area; B2. Estrarre i plot, ovvero i punti medi di insiemi di repliche determinate nel caso in cui un insieme di repliche ha un numero di repliche più grande di una soglia pre-determinata, attraverso l’estrattore radar; B3. Inviare i plot estratti al tracciatore radar insieme a detta probabilità di presenza di false repliche nelle celle a cui rispettivamente appartengono; B4. Calcolare, per mezzo del tracciatore radar, le trace relative ai plot, aggiornare le trace già esistenti sul display del radar ed inizializzare nuove trace utilizzando una o più soglie di inizializzazione scelte sulla base di detta probabilità di presenza di false repliche calcolata nella fase B3; C. Rispetto a tutte le trace della fase B4, determinare, per mezzo del tracciatore radar, false trace e i loro relative punti di inizio; D. Sulla base dei punti iniziali delle false tracce determinate nella fase C, calcolare la probabilità di presenza di dette false repliche nelle celle corrispondenti a detti punti iniziali e aggiornare la RVM della fase A; E. Ripetere le fasi B-D.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella fase B4 à ̈ usata una soglia di inizializzazione di traccia, la quale à ̈ un numero predefinito di plot consecutive che correlano, detta soglia di inizializzazione di traccia essendo una funzione crescente di detta probabilità di presenza di false repliche calcolata nella fase B3.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il livello di potenza associato a ciascuna cella nella fase B1 à ̈ determinate dall’intensità del o dei segnali all’interno della cella, detta probabilità di presenza per la cella essendo calcolata su scansioni radar multiple come: E {P<i> RX* Nscan with reflection/ PMAX* Nscan TOT} dove: - Nscan with reflectionà ̈ il numero di scansioni radar per cui sono state determinate false trace nella cella durante la fase C; - Nscan TOTà ̈ il numero delle scansioni radar multiple; - P<i> RXindica la potenza del segnale ricevuto dalla replica i-esima che cade nella cella, con i=1,…k dove k à ̈ il numero totale di repliche nella cella e dipende dall’estensione geografica della stessa cella; - PMAXindica la massima potenza ricevibile dalla cella; ed in cui E{} indica una operazione di media eseguita sulle repliche nella cella.
4. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta probabilità di presenza in ciascuna cella à ̈ calcolata come percentuale della potenza media corrente memorizzata per la cella Pr<n>: Pft= b Pr<n> dove b à ̈ un parametro configurabile.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che nella fase B1, per ciascuna cella, il livello di potenza ricevuto nella scansione corrente Prà ̈ mediato con un livello di potenza Pr<n-1>già associato alla cella, ed un valore medio Pr<n>à ̈ correntemente associato alla cella, secondo la condizione seguente: Se Pr≥ Pr<n-1>, allora Pr<n>= Pr Altrimenti Pr<n>= α Pr+ (1-α) Pr<n-1> dove α à ̈ un peso a valori nei numeri reali, uguale per tutte le celle, che parametrizza una “memoria†della potenza media di cella che influenza dette una o più soglie di inizializzazione di traccia nella fase B4, il valore α essendo adatto ad essere pre-impostato per tener conto di situazioni di rilevamento mutanti quali la densità di traffico aereo e il tasso di variazione dell’ambiente, e, una volta che una traccia à ̈ stata identificata come falsa nella fase C, il valore di α à ̈ posto ad un valore differente αr< α per aumentare la memoria di algoritmo per la traccia falsa.
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che nella fase C il tracciatore radar determina false tracce sulla base di uno o più criteri pre-definiti, una falsa traccia essendo determinata quando una traccia: − Ha una traiettoria non costante definita da una varianza della velocità in range e/o azimuth più grande di una pre-determinata soglia; − È scelta tra due tracce che hanno lo stesso indirizzo di Mode S e manovra allo stesso tempo, in cui la condizione di manovra à ̈ stimata secondo il criterio di energia di innovazione del filtro di Kalman, calcolando la distanza in range tra le due tracce e usando i seguenti criteri di scelta: o Se detta distanza in range à ̈ più grande di una soglia predefinita di distanza in range, in particolare l’accuratezza in range del radar, à ̈ scelta la traccia con la più ampia distanza in range; o Altrimenti à ̈ scelta la traccia che termina prima nel tempo; − La falsa traccia à ̈ una delle due tracce che hanno lo stesso indirizzo di mode S, per la quale le interrogazioni di roll call non hanno successo; − È scelta da un operatore che inserisce manualmente le informazioni nel tracciatore radar su quale tracce sono da considerare false tracce.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che durante la fase D, il tracciatore radar comunica i punti iniziali delle false tracce individuate nella fase C all’estrattore radar, il quale effettua il calcolo della probabilità di presenza.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che, nella fase A, quando si abbia a disposizione il sistema ADS-B, nel caso sia presente un plot ADS-B correlante in posizione con un plot SSR, tutti i plot restanti saranno marcati come riflessioni e le celle relative della mappa di localizzazione saranno marcate con probabilità 100%.
9. 9. Programma per elaboratore, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a codice configurati per eseguire, quando operano su un computer, le fasi A-E del metodo per eliminare false tracce in Mode S SSR o codice 3A su display radar, che sono create da un estrattore radar in conseguenza di false repliche, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8.
10. 10. Supporto di memoria leggibile da un elaboratore elettronico, che ha un programma memorizzato su di esso, caratterizzato dal fatto che il programma à ̈ il programma per elaboratore secondo la rivendicazione 9.
11. 11. Sistema per eliminare false trace di Modo S SSR o codice 3A su un display radar create da un estrattore radar in conseguenza di false repliche, il sistema essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a codice per eseguire il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, il sistema comprendendo: − Un estrattore radar, che include mezzi elettronici configurati per eseguire le fasi A, B0-B3, D; − Un tracciatore radar, che include mezzi elettronici configurati per eseguire le fasi B4, C.