Miros aw Siergiejczyk, Justyna Si kowska
Politechnika Warszawska, WydziaI TransportuANALIZA MO)LIWO+CI WYKORZYSTANIA
TECHNIKI MULTILATERACJI W DOZOROWANIU
PRZESTRZENI POWIETRZNEJ
RKkopis dostarczono: luty 2014
Streszczenie: Dozorowanie niezaleNne kooperatywne (Cooperative Independent Surveillance),
w którym statki powietrzne wyposaNone w transponder przekazujT w odpowiedzi na zapytanie stacji naziemnej identyfikator samolotu oraz dane o pozycji i wysokoVci speInia zaIoNenia planu zatwierdzonego przez ICAO w 1994 roku, przewidujTcego wdroNenie koncepcji systemów ITcznoVci, nawigacji oraz dozorowania w celu zarzTdzania ruchem lotniczym - CNS/ATM (Communication
Navigation Surveillance / Air Traffic Management). Ten sposób funkcjonowania wykorzystujT
naziemne systemy multilateracji (MLAT), zwane teN systemami pozycjonowania hiperbolicznego zIoNone z naziemnej stacji nadawczej, kilku znacznie oddalonych od siebie naziemnych stacji odbiorczych oraz z naziemnej stacji centralnej, w której wyliczana jest lokalizacja statku powietrznego. W artykule dokonano analizy systemu MLAT ze wspólnym wzorcem czasu CCS. Przedstawiono koncepcjK wdroNenia tego systemu dla wybranego portu lotniczego, jako alternatywnego systemu, potencjalnie przewyNszajTcego tradycyjny system MSSR mod S.
S owa kluczowe: dozorowanie, multilateracja, systemy pozycjonowania hiperbolicznego, WAM
1. WST4P
Transport lotniczy stale siK rozwija zwiKkszajTc przy tym liczbK lotów w przestrzeni powietrznej. Miarodajne prognozy przewidujT podwojenie ruchu lotniczego w caIej Europie, a w krajach Europy ]rodkowej, w tym w Polsce, potrojenie w ciTgu najbliNszych 20-tu lat [1]. SIuNby ruchu lotniczego, mimo coraz bardziej zatIoczonej przestrzeni powietrznej, bKdT zobligowane do ciTgIego zapewniania bezpiecze`stwa operacji lotniczych oraz ich pIynnych przebiegów. GIównymi elementami umoNliwiajTcymi zobrazowanie sytuacji w przestrzeni powietrznej sT systemy dozorowania. Ich podstawowymi Vrodkami sT radary pierwotne oraz radary wtórne. Jednak ujawnione ograniczenia rozwiTza` technicznych i organizacyjnych tych radarów szczególnie w przestrzeni wokóI kluczowych lotnisk spowodowaIy, Ne w 1983 r. MiKdzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego ICAO (International Civil Aviation Organization) powoIaIa specjalny komitet FANS (Future Air Navigation System) powierzajTc mu
opracowanie zaIoNe` nowego systemu Neglugi powietrznej. We wczesnych latach 90-tych powstaIa koncepcja systemów ITcznoVci, nawigacji oraz dozorowania dla celów zarzTdzania ruchem lotniczym - CNS/ATM (Communication Navigation Surveillance / Air
Traffic Management). Plan obejmujTcy wdroNenie tej koncepcji zostaI zatwierdzony w
1994 roku przez ICAO i jest podstawT dla dziaIania oraz rozwoju sIuNb Neglugi powietrznej [2]. DziKki niemu powstaIy nowe techniki dozorowania, w tym MLAT, który oparty jest na cyfrowej transmisji danych powietrze – ziemia.
Przewiduje siK, Ne w celu ujednolicenia poziomu oraz technik dozorowania na terenie Europy przy jednoczesnym zapewnieniu bezpiecznego i pIynnego ruchu w przestrzeni powietrznej systemy MLAT bKdT coraz czKVciej wdraNane na terenach europejskich lotnisk, a nastKpnie poITczone z automatycznym systemem dozorowania ADS-B.
2. ISTOTA I POTRZEBA DOZOROWANIA
W LOTNICTWIE CYWILNYM
Systemy dozorowania ruchu lotniczego to zbiór Vrodków technicznych, które majT na celu dostarczenie informacji o pozycji statku powietrznego w przestrzeni lotniczej. W zaleNnoVci od techniki dozorowania dodatkowo do systemów zarzTdzania ruchem lotniczym ATC (Air Traffic Control) przekazywane sT szersze informacje o statku powietrznym oraz o aktualnej sytuacji zarówno w przestrzeni, jak i na lotnisku, a takNe informacje pogodowe. Dane te sT wykorzystywane do zapewnienia bezpiecznego i pIynnego ruchu lotniczego z uwzglKdnieniem minimów separacji.
Techniki dozorowania moNna podzielig na trzy grupy [3]:
Dozorowanie niezaleNne niekooperatywne (Non-Cooperative Independent
Surveillance), w którym urzTdzenie naziemne wykrywa statek powietrzny
i wyznacza jego pozycjK (x,y), pomijajTc urzTdzenia pokIadowe samolotu. Przedstawicielami tej grupy sT radary pierwotne;
Dozorowanie niezaleNne kooperatywne (Cooperative Independent Surveillance), w którym statki powietrzne wyposaNone w transponder przekazujT w odpowiedzi na zapytanie stacji naziemnej identyfikator samolotu oraz dane o pozycji i wysokoVci. Przedstawicielami tej grupy sT radary wtórne SSR oraz SSR Mod S, a takNe pasywne systemy multilateracyjne MLAT (Multilateration);
Dozorowanie zaleNne kooperatywne (Cooperative Dependent Surveillance) jest caIkowicie podporzTdkowane pokIadowym systemom samolotu, które okreVlajT pozycjK samolotu, jego wysokoVg, identyfikator oraz inne parametry, a nastKpnie przesyIajT je wykorzystujTc cyfrowT transmisjK danych. Do tej grupy dozorowania zaliczajT siK automatyczne systemy dozorowania zaleNnego ADS (Automatic Dependent Surveillance System).
PrzynaleNnoVg Polski do struktur Unii Europejskiej zobowiTzuje do przestrzegania podstawowych zaIoNe` operacyjnych EUROCONTROL w zakresie dozorowania [4]:
Podwójne pokrycie pola radiolokacyjnego SSR oraz pojedyncze pokrycie pola radiolokacyjnego radaru PSR dla rejonu kontrolowanego lotniska TMA.
3. MULTILATERACJA
3.1. WPROWADZENIE
Multilateracja (MLAT) nazywana teN pozycjonowaniem hiperbolicznym jest nowoczesnT metodT przeznaczonT do lokalizowania statków powietrznych. MLAT jest naziemnym, niezaleNnym, kooperujTcym systemem dozoru ruchu lotniczego. Instalacja systemu multilateracji skIada siK z naziemnej stacji nadawczej, kilku znacznie oddalonych od siebie naziemnych stacji odbiorczych oraz z naziemnej stacji centralnej, która wylicza pozycjK statku powietrznego. Obiekt wysyIa sygnaI, który dociera do kilku odbiorników umieszczonych na danym obszarze. Na podstawie róNnicy czasu przybycia sygnaIu TDOA (Time Difference of Arrival) do czterech oddalonych anten moNliwe jest wyznaczenie punktu przeciKcia hiperboloid, który wskazuje pozycjK samolotu w pIaszczylnie 3D (x,y,z). WiKksza liczba odbiorników pozwala na dokIadniejsze okreVlenie pozycji i wyeliminowanie ewentualnych bIKdów pomiarowych.
Ze wzglKdu na obszar wykorzystania MLAT dzielimy na [5]:
Local Area Multilateration (LAM) – system dozorujTcy obszar lotniska;
Wide Area Multilateration (WAM) – system dozorujTcy przestrze` TMA lotniska lub przestrze` trasowT kontynentalnT.
Systemy MLAT dzielT siK na pasywne i aktywne [6]. System pasywny skIada siK tylko z odbiorników. SygnaI, który dochodzi do stacji odbiorczej pochodzi z rozgIaszania lub odpowiedzi transpondera na zapytania stacji zapytujTcych (interrogatorów) innych systemów takich jak SSR Mod S. DziKki temu MLAT nie zajmuje dodatkowo pasma 1030 MHz na zapytania i 1090 MHz na odpowiedzi. oródIem sygnaIów dochodzTcych do stacji odbiorczych WAM moNe byg samolot z transponderem w trybie:
Mod S;
Mod A/C w zasiKgu 1 lub wiKcej interrogatorów;
Mod A/C w zasiKgu 1 lub wiKcej samolotów wyposaNonych w system ACAS. Systemy pasywne MLAT najlepiej sprawdzajT siK przede wszystkim w obszarze z infrastrukturT radaru MSSR Mod S lub z duNym natKNeniem ruchu samolotów wyposaNonych w system ACAS oraz tam, gdzie wykorzystywanie Modu S jest obowiTzkowe.
System aktywny MLAT tak jak pasywny odbiera odpowiedzi transmitowane w paVmie 1090 MHz oraz dodatkowo dziKki stacji nadawczej pracujTcej w transmisji ogólnokierunkowej moNe wysIag zapytanie. Aktywne systemy MLAT mogT wspóIpracowag z MSSR zwiKkszajTc dokIadnoVg pomiarów, jak i dziaIag niezaleNnie np. na maIych wysokoVciach, gdzie nie ma pokrycia radaru MSSR.
System MLAT wykorzystuje do wyliczenia róNnic czasowych czasu przybycia TDOA (Time Difference of Arrival) sygnaIu emitowanego w paVmie 1090 MHz z transpondera statku powietrznego przynajmniej cztery zdalne stacje naziemne znacznie oddalone od siebie. RóNnice czasu przybycia sygnaIu wykorzystywane sT do precyzyjnego wyliczenia wspóIrzKdnych nadajnika [6]. Na rysunku 1 przestawiono ogólnT zasadK dziaIania systemu multilateracyjnego.
Rys. 1. Zasada dziaIania systemu multilateracyjnego
Gdy nadajnik nie leNy w pIaszczylnie odbiorników naziemnych moNliwe jest okreVlenie wspóIrzKdnych x, y, z nadajnika gdy impuls 1090 MHz odbierany jest przez co najmniej 4 odbiorniki naziemne.
3.2. SYGNA8Y WYKORZYSTYWANE W OPERACYJNYCH
SYSTEMACH MLAT
Zrealizowane operacyjnie systemy MLAT wykazaIy, Ne transmisje cyfrowe Mod S w paVmie 1090 MHz wykazujT przydatne cechy umoNliwiajTce wyznaczenie pozycji nadajnika impulsu. Szczególnie cenne cechy przydatne do zastosowa` MLAT wykazujT nastKpujTce transmisje [6]:
SSR Mod S Mode S Squitter
Mod S Extended Squitter
Odpowiedzi na zapytania z uNyciem Modu S sT niezwykle przydatne w systemach MLAT, poniewaN pozwalajT na wyznaczenie pozycji statku, jego identyfikacjK oraz ustalenie wysokoVci z dokIadnoVciT do 25 ft [6].
Istotne korzyVci poITczenia technik MLAT oraz ADS-B wynikajT z moNliwoVci odebrania duNej liczby róNnych sygnaIów przesyIanych na czKstotliwoVci 1090 MHz.
Pojedynczy odbiornik naziemny znajdujTcy siK w zasiKgu nadajnika statku powietrznego moNe odebrag:
transmisjK systemów antykolizyjnych ACAS (Airborne Collision Avoidance System) i systemów automatycznego zaleNnego dozorowania ADS (Extended Squitter) nadawane automatycznie;
odpowiedzi ADS mod A/C i ADS mod S.
SygnaIy te umoNliwiajT skutecznT detekcjK, identyfikacjK oraz dozorowanie w systemach MLAT.
3.3. PODZIA8 SYSTEMÓW MLAT
Systemy MLAT moNna podzielig na dwa rodzaje ze wzglKdu na[6]:
MetodK wyliczania róNnicy czasu przybycia sygnaIu do sensorów TDOA (Time Difference of Arrival);
MetodK synchronizacji sensorów naziemnych.
3.3.1. Metody obliczania ró;nicy czasu przybycia TDOA
Do obliczania róNnicy czasu przybycia TDOA wykorzystywane sT dwie metody. MoNliwe jest poddanie korelacji odebranych sygnaIów i wyznaczenie TDOA albo pomiar czasu przybycia sygnaIów TOA, a nastKpnie wyliczenie róNnicy czasu przybycia sygnaIów.
System korelacyjny (TDOA)
System korelacyjny TDOA (Time Difference of Arrival) jest szeroko wykorzystywany w militarnych zastosowaniach oraz do lokalizacji pozycji nagIych wezwa` telefonem komórkowym. Rysunek 2 przedstawia schematyczny przepIyw danych w metodzie korelacyjnej.
Podstawowe elementy systemu MLAT:
Transponder umieszczony na statku powietrznym;
Anteny sensorów naziemnych rozmieszczone w ten sposób, Ne odlegIoVg miKdzy parami anten jest porównywalna z wielkoVciT dozorowanego obszaru;
Down conwerter (konwerter obniNajTcy) RF do pasma baseband przetwornika A/C w module digitalizacji;
Digitalisation (przetwornik A/C) przetwarza sygnaI baseband na postag cyfrowT; TOA measurement (moduI pomiaru czasu przybycia sygnaIu TOA)
umieszcza znacznik czasu przybycia;
TOA Correlation (moduI obliczania róNnicy czasu przybycia sygnaIu);
TDOA Algoritm (algorytm TDOA) wylicza pozycjK statku na podstawie róNnic czasowych;
Tracker (urzTdzenie VledzTce) wykreVla trasK lotu na podstawie kolejnych pozycji statku powietrznego.
Rys. 2. PrzepIyw danych w metodzie korelacyjnej (Cross Corelation) [6]
System pomiaru czasu przybycia (TOA)
Systemy TOA (Time of Arrival) sT zazwyczaj wykorzystywane w multilateracji SSR. Rysunek poniNej przedstawia uproszczony przepIyw danych w systemie TOA. Schemat przepIywu danych w systemie pomiaru czasu przybycia przedstawiony jest na rysunku 3.
Elementy systemu:
ModuI konwertera obniNajTcego (Down Converter) oraz moduI przetwornika A/C (Digitisation) speIniajT ta samT rolK jak w metodzie korelacyjnej, przeksztaIcajTc sygnaI RF na formK wideo lub formK czKstotliwoVci poVredniej, a nastKpnie na formK cyfrowT;
ModuI TOA wylicza czas przybycia sygnaIu do odbiornika; Wyliczone serie czasów przybycia TOA poddawane sT korelacji;
ModuI TDOA i Trakera speInia tK samT rolK jak w metodzie korelacyjnej.
3.3.2. Metody synchronizacji systemów MLAT
Synchronizacja jest kluczowa zarówno dla systemu multilateracyjnego z pomiarem róNnicy czasu przybycia sygnaIu TDOA, jak i z pomiarem czasu przybycia sygnaIu TOA mimo, Ne sposób synchronizacji jest na ogóI róNny. PoglTdowa ilustracja opólnienia grupowego oraz synchronizacji przy operacji precyzyjnego wyliczania wspóIrzKdnych jest przedstawiona na rysunku 4.
Rys. 4. Opólnienia grupowe oraz synchronizacja, jako kluczowe elementy sIuNTce precyzyjnemu
wyliczeniu wspóIrzKdnych (x, y, z) statku powietrznego [6]
DokIadna wartoVg róNnicy czasu przybycia sygnaIu (TDOA) jest kluczowa do wyliczenia pozycji nadajnika. StTd teN musi byg uwzglKdniona wartoVg opólnienia wnoszona w czasie procesu konwersji sygnaIu przez poszczególne bloki konwerterów i przetworników A/C. Ponadto proces digitalizacji poszczególnych sygnaIów musi byg synchronizowany, w przeciwnym wypadku sygnaIy z róNnych lokalizacji bKdT wyznaczone w odniesieniu do róNnych cykli zegarowych i nie bKdzie moNliwe bezpoVrednie ich porównanie.
Systemy Korelacyjne (Cross Correlation Systems)
Konwerter RF odbiera sygnaI 1090 MHz, a nastKpnie konwertuje go albo do postaci sygnaIu baseband I/Q albo do postaci sygnaIu video Iatwych do przeprowadzenia digitalizacji. ModuI digitalizacji wykorzystuje przetwornik analogowo-cyfrowy do zamiany sygnaIu baseband I/Q lub sygnaIu wideo do postaci cyfrowej.
Sekcja korelacji wykonuje serie korelacji poszczególnych par sygnaIów cyfrowych, dajTc w wyniku wartoVci róNnic czasowych przybycia sygnaIów (TDOA) dla poszczególnych par sygnaIów do miejsca danego odbiornika.
Serie wartoVci TDOA wyliczone dla poszczególnych lokalizacji odbiorników sIuNT do precyzyjnego wyliczenia pozycji x, y, z statku powietrznego. Wyliczone wartoVci x, y, z przesIane sT nastKpnie do urzTdzenia VledzTcego gdzie po wyeliminowaniu bIKdnych wspóIrzKdnych przy pomocy dedykowanych algorytmów sT prezentowane w postaci graficznej dostosowanej do wymaga` stanowiska kontrolera lotu.
Do synchronizacji odbieranych sygnaIów sT wykorzystywane nastKpujTce systemy: System wspólnego wzorca czasu (Common Clock System),
System rozproszonego wzorca czasu (Distributed Clock System).
WVród systemów wykorzystujTcych rozproszony wzorzec czasu moNna wyróNnig dwa sposoby realizacji synchronizacji:
System synchronizowany transponderem (Transponder Synchronized System), System synchronizowany z wykorzystaniem GNSS (GNSS Synchronized System) WVród tych ostatnich technik synchronizacji moNna wyróNnig systemy autonomiczne i systemy wspólnie dziaIajTce!z wykorzystaniem do synchronizacji wzorców czasu z
systemu GNSS.
Na rysunku 5 przedstawiono róNne techniki synchronizacji systemów WAM (Wide Area
Multilateration)
System wspólnego wzorca czasu (common clock system) odbiera sygnaI RF ze statku
powietrznego, konwertuje go na sygnaI poVredniej czKstotliwoVci (IF), a nastKpnie przesyIa do centralnej lokalizacji wykorzystujTc dedykowane ITcze analogowe (radiolinia mikrofalowa lub VwiatIowód). Konwersja do postaci baseband lub do postaci sygnaIu wizyjnego, a nastKpnie sekwencyjna digitalizacja przeprowadzana jest w lokalizacji centralnej odbiornika, synchronizowana wspólnym wzorcem czasu. Istotne sT wartoVci grupowego opólnienia pojawiajTce siK pomiKdzy poszczególnymi antenami odbiorczymi, a konwerterem w lokalizacji centralnej i muszT byg dokIadnie wyznaczone, gdyN zawierajT opólnienie dedykowanych linii analogowych (róNne dla poszczególnych zdalnych odbiorników).
DokIadna wartoVg opólnienia grupowego pochodzTca od poszczególnych odbiorników warunkuje moNliwoVg precyzyjnego wyliczenia pozycji nadajnika. Oznacza to, Ne dla uzyskania wymaganej precyzji niezbKdne jest przeprowadzenie kalibracji torów odbiorczych oraz analogowych ITcz danych, gdyN jest ona niezbKdna do wyeliminowania poszczególnych opólnie` grupowych. Struktura systemu wspólnego wzorca czasu przedstawiona jest na rysunku 6
Rys. 6. Architektura systemu wspólnego wzorca czasu (common clock system)[6]
Ta architektura jest korzystna ze wzglKdu na proste zdalne odbiorniki o maIym poborze mocy oraz ze wzglKdu na pojedynczy centralny procesor multilateralny. Jednak opólnienie sygnaIu pomiKdzy antenami, a procesorem multilateralnym wymusza speInienie rygorystycznych wymaga`, co do typu i dIugoVci ITcz analogowych. Zazwyczaj wykorzystywane sT bezpoVrednie ITcza radiowe z zakresu mikrofal (link MW) lub ITcza VwiatIowodowe. Z tego teN powodu procesor multilateralny musi byg zlokalizowany centralnie, aby minimalizowag dIugoVci ITcz komunikacyjnych.
Systemy ze wspó dzielonym wzorcem czasu (zegarem) wykorzystujT znacznie
danych. SygnaI RF jest konwertowany do postaci baseband (podstawowe pasmo przetwornika A/C) albo do postaci wideo, a nastKpnie digitalizowany, odczyt kodu oraz pomiar czasu przybycia sygnaIu TOA wykonywane sT przez odbiornik. Daje to duNT dowolnoVg w tworzeniu ITcza danych, gdyN wartoVg kodu SSR oraz czas przybycia sygnaIu TOA moNe byg transmitowana do miejsca przetwarzania przy pomocy cyfrowych ITcz, a opólnienia ITcz nie sT krytyczne. Jednak musi byg uNyty mechanizm synchronizacji wzorców czasu (zegarów) we wszystkich lokalizacjach. Struktura systemu wspólnego wzorca czasu przedstawiona jest na rysunku 7.
Rys. 7. Architektura wspóIdzielonego wzorca czasu MLAT (wspóIdzielonego zegara) [6]
3.4. ZALETY MULTILATERACJI
GIównT przewagT MLAT nad SSR jest moNliwoVg wyznaczania pozycji samolotów w trudno dostKpnych dla wiTzki radiolokacyjnej obszarach, szczególnie w rejonach o zróNnicowanej rzelbie terenu i morskich. Dodatkowo brak informacji z jednej ze stacji odbiorczych nie powoduje przerw w dozorowaniu przestrzeni caIego systemu. Jego instalacja potrzebuje zdecydowanie mniej mocy niN radar SSR. Dane przesyIane do ATC sT aktualizowane sT z czKstotliwoVciT ok. 1 Hz, co skutkuje wiKkszT pIynnoVciT obrazu na wyVwietlaczu kontrolera. System MLAT zapewnia znacznie wiKkszT dokIadnoVg lokalizowania statków powietrznych niN tradycyjny radar SSR.
Rys. 8. Porównanie dokIadnoVci dozoru radaru oraz systemów MLAT i ADS-B w zaleNnoVci od
odlegIoVci od stacji naziemnej. [11]
Systemy MLAT oraz ADS-B wykazujT znaczTcT przewagK wVród technik dozorowania, gdyN oferujT znacznie lepsze charakterystyki dozoru. Istotne z nich to:
DokIadne lokalizowanie obiektów w szerokim zakresie; ZnaczTco niNszy puIap uNytecznego dozoru;
DokIadnoVg dozoru niezaleNna od wielkoVci statku powietrznego; WspóIdziaIanie obu systemów.
KompatybilnoVg systemu MLAT z systemem ADS-B oraz elastyczne moNliwoVci rozbudowy i modyfikacji zdecydowaIy, Ne organizacje lotnicze uwaNajT MLAT oraz ADS-B za gIówne systemy dozoru, zapewniajTce bezpiecze`stwo i Iad w ruchu powietrznym w perspektywie najbliNszych kilkudziesiKciu lat.
4. PRZYK8AD WDRO)ENIA MULTILATERACYJNEGO
SYSTEMU DOZOROWANIA
System multilateracji pasywnej WAM o efektywnym zasiKgu 5 NM – 90 NM zapewni speInienie nastKpujTcych zaIoNe`:
PojemnoVg obszaru – 400 celów, Aktualizowanie pozycji celów – 1Hz,
Teren w promieniu do 5 NM od lotniska zostaI pominiKty w przeprowadzaniu lokalizacji stacji systemu WAM, poniewaN w tym obszarze konieczna jest wiKksza dokIadnoVg okreVlenia pozycji obiektów. Wymagania te w przyszIoVci speIni system LAM dedykowany do dozoru terenu przylegIego do lotniska.
SkutecznoVg systemu MLAT zaleNy od poprawnego rozmieszczenia naziemnych stacji odbiorczych. Podczas lokalizowania sensorów naleNy uwzglKdnig nastKpujTce warunki:
stacje systemu MLAT muszT byg nieustannie, optycznie widoczne przez stacjK centralnT zawierajTcT procesor systemu;
zasiKg pojedynczego sensora zaleNy od czuIoVci teoretycznej sensora, a takNe od jego „pola widzenia” - obszaru jaki pozostaje w linii bezpoVredniej widocznoVci optycznej (fale radiowe z zakresu 1090MHz siK rozchodzT siK w sposób zbliNony do fal elektromagnetycznych z zakresu mikrofal, a takNe zakresu widzialnego);
uNyteczny sumaryczny zasiKg sensorów ograniczony jest do obszarów, które pozostajT w polu widzenia przynajmniej 4 sensorów;
w celu zachowania nadmiarowych sensorów pozostajTcych w polu widzenia, podwyNszono liczbK sensorów pozostajTcych w polu widzenia do 5;
instalacja stacji zapytujTcej (interrogatora) na odpowiedniej wysokoVci, aby jej sygnaI nie byI przesIoniKty infrastrukturT;
uwzglKdnienie uksztaItowania terenu i wystKpowania przeszkód terenowych; okreVlenie minimalnego puIapu wykrywania obiektów;
utworzenie ITcza opartego o radioliniK pracujTcT w zakresie mikrofal w ten sposób, Ne wszystkie te ITcza zbiegajT siK w jednym centralnym punkcie, który pozostaje w optycznej widocznoVci z antenami mikrofalowymi zdalnych sensorów;
lokalizacja na obiekcie centralnym nowych anten komunikacyjnych dedykowanych dla systemu MLAT powinna uwzglKdniag lokalizacjK anten juN funkcjonujTcych innych systemów ITcznoVci lotniczej i w miarK moNliwoVci wykorzystywag istniejTce ITcza telekomunikacyjne;
umieszczenie procesora systemu moNliwie najbliNej anten telekomunikacyjnych (bezpoVredni link MW do stacji naziemnych);
usytuowanie anten telekomunikacyjnych tworzTcych ITcza mikrofalowe z kaNdT z 6-ciu oddalonych stacji naziemnych w pobliNu procesora systemu w ten sposób, aby pozostawaIy w linii widocznoVci anteny telekomunikacyjnej odpowiedniej stacji naziemnej;
w przypadku wystKpowania duNych róNnic wysokoVci wzglKdnych terenu ulokowanie sensorów systemu wykorzystujTc w miarK moNliwoVci istniejTce budowle i infrastrukturK lotniskowT zlokalizowanT w wysokich punktach terenowych lub wzniesienie nowego masztu;
dla kaNdej stacji naziemnej zapewnienie lródIa ciTgIego zasilania w energiK elektrycznT na poziomie 100W, wykorzystujTc w miarK moNliwoVci istniejTcT infrastrukturK energetycznT;
wyposaNenie kaNdej stacji odbiorczej w identyczne moduIy funkcjonalne (antena RF 1090MHz wraz z moduIem konwertera obniNajTcego czKstotliwoVg, moduI telekomunikacyjny wraz z antenT telekomunikacyjnT oraz moduI zasilania);
w przypadku umieszczenia procesora systemu w innej lokalizacji niN stacja zapytujTca, uIoNenie lub wykorzystanie na trasie miKdzy nimi nadmiarowych ITcz
optycznych w celu przesyIania w oddzielnych torach informacji dozorowych na stanowisko kontrolera lotów, sygnaIów do interrogatora oraz informacji kontrolnych do zdalnej centrali monitorowania systemu (RCMS).
Na rysunku 9 przedstawiajTcym obszar potencjalnych lokalizacji odbiorników systemu MLAT z uwzglKdnieniem uksztaItowania terenu (strefa wyITczona z planowania (0 – 5 NM) zostaIa oznaczona kolorem fioletowym, natomiast zasiKg gIównego sensora (90 NM) kolorem niebieskim. BiaIy punkt wskazuje obiekt centralny, który powinien byg dominantT terenowT dla tego obszaru. Stacje MLAT, aby zachowag ciTgIoVg zobrazowania sytuacji w przestrzeni powietrznej muszT znajdowag siK w zasiKgu bezpoVredniej widzialnoVci stacji centralnej. Ogranicza to umiejscowienie sensorów systemu do miejsc naturalnie lub sztucznie wysoko poIoNonych. W pierwszej kolejnoVci przeprowadzono analizK rzelby terenu w zasiKgu 90 NM, która wykazaIa tereny wyNynne, zaznaczone na mapie kolorem pomara`czowym oraz czerwonym, jako najbardziej korzystne do ulokowania stacji systemu. Obszar ten zostaI oznaczony biaIT elipsT (z dalszym wyITczeniem obszaru o promieniu 5 NM od stacji centralnej).
Rys. 9. Obszar potencjalnych lokalizacji odbiorników MLAT na terenie wyNynnym
Kolejnym kryterium wyboru lokalizacji stacji jest istnienie w nim infrastruktury lotniskowej, urzTdze` naziemnych dozorowania lub nawigacji oraz innych budynków czy sIupów lub moNliwoVg wzniesienia masztu. Sensory systemu powinny byg rozmieszczone w miarK moNliwoVci równomiernie wokóI stacji centralnej, nawet kosztem czKVciowego niespeInienia kryterium rzelby terenu. Potencjalne lokalizacje odbiorników MLAT zostaIy przedstawione na rysunku 10. Jest to efekt wstKpnego planowania uwzglKdniajTcego znajomoVg uksztaItowania terenu oraz zabudowy infrastruktury publicznej.
Rys. 10. Potencjalne lokalizacje odbiorników MLAT
WyróNniony punkt znajduje siK na terenie lotniska, reprezentuje stacjK centralnT oraz stacjK zapytujTcT zlokalizowanT obok. PozostaIe biaIe punkty to stacje odbiorcze. PowyNsza ilustracja przedstawia potencjalne rozmieszczenie sensorów systemu WAM po uwzglKdnieniu naturalnego uksztaItowania terenu oraz wystKpowania infrastruktury lotniskowej i wysokich budynków.
5. PODSUMOWANIE
Systemy MLAT ze wspólnym wzorcem czasu (common clock system) posiadajT korzystnT architekturK ze wzglKdu na proste zdalne odbiorniki o maIym poborze mocy oraz ze wzglKdu na pojedynczy centralny procesor multilateralny. Skuteczna eliminacja wpIywu opólnienia sygnaIu pomiKdzy zdalnymi antenami, a procesorem multilateralnym wnoszonego przez radiowe ITcza analogowe z zakresu mikrofal (link MW) albo przez ITcza VwiatIowodowe przeprowadzana jest w chwili wstKpnego kalibrowania systemu, co umoNliwia w krótkim czasie po wdroNeniu uzyskanie certyfikacji operacyjnej.
Przedstawiony system WAM o efektywnym zasiKgu obejmujTcym obszar od 5 NM do 90 NM wokóI wybranego lotniska wymagag bKdzie rozmieszczenia 6-ciu oddalonych sensorów naziemnych poITczonych dedykowanymi ITczami radiowymi (link MW) z centralnym procesorem MLAT - kluczowym elementem systemu pracujTcego w trybie wspólnego wzorca czasu. Wybrana lokalizacja centralnego procesora MLAT oraz oddalonych anten stacji naziemnych uwzglKdnia istotne parametry istniejTcej wieNy
radarowej oraz rozlegIych przeszkód terenowych. Analiza uksztaItowania terenu w oparciu o dostKpne lródIa wykazaIa, Ne zastosowanie masztów umoNliwi peIne pokrycie terenu w deklarowanym zakresie.
Opisany system MLAT z powodzeniem moNe zastTpig system radarowy SSR lub MSSR mod S, gdyN uwzglKdnia istniejTce uwarunkowania terenowe, które znaczTco obniNajT skutecznoVg klasycznego systemu dozorowania opartego o techniki radarowe. Zaproponowane rozwiTzania sT kompatybilne z systemem ADS-B, co pozwoli speInig jednolite wymagania stawiane portom lotniczym w Unii Europejskiej.
Bibliografia
1. Creativerge, Multilateration Executive Reference Guide, 2007, s. 8 - 9. 2. EUROCONTROL, European Surveillance Strategy, 2007, s. 12.
3. EUROCONTROL, Eurocontrol standard document for radar surveillance in en-route airspace and major terminal areas, 1997 r., s 31.
4. Guidance for the provision of Air Traffic Services Using ADS – B in Radar Airspace (ADS – B – RAD), European Organisation For The Safety Of Air Navigation, Brussels 2008.
5. ICAO, Multilateraion (MLAT) Concept of use, 2007, s. 5.
6. National Aerospace Laboratory NLR, Wide Area Multilateraion Report on EATMP TRS 131/04, 2005, s. 37.
7. Preliminary Safety Case for ADS-B Airport Surface Surveillance Application, European Organisation For The Safety Of Air Navigation, Brussels 2011.
8. Siergiejczyk MirosIaw, Krzykowska K.: The Analysis of Implementation Needs for Automatic Dependent Surveillance in Air Traffic in Poland, w: Methods and Algorithms in Navigation: Marine Navigation and Safety of Sea Transportation / Weintrit Adam, Neumann Tomasz, 2013, CRC Press 9. Siergiejczyk M., Rosi`ski A., Krzykowska K.: Reliability Assessment of Supporting Satellite System
EGNOS. New results in Dependability and Computer Systems. Springer 2013. ISBN 978-3-319-00944-5 10. Siergiejczyk M., Krzykowska K.: WpIyw europejskiego programu CASCADE na jakoVg dozorowania w
ruchu lotniczym. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, nr z. 100, 2013.
11. Strohmeier M., Lenders V., Martinovic I.: Security of ADS-B: State of the Art and Beyond, University of Oxford, United Kingdom, 2013.
12. Zieli`ski M., Bezpiecze`stwo w porcie lotniczym. Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej Rok LI nr 4 (183) 2010.
13. Oficjalna Strona Unii Europejskiej, www.europa.eu
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF USE THE MULTILATERATION TECHNIQUE IN SURVEILLANCE
Summary: he Cooperative Independent Surveillance, in which the aircraft equipped with a transponder
transmit in response to a query identifier aircraft and data about the position and height to ground station, meets the plan approved by ICAO in 1994, providing for the implementation of concepts for Communication Navigation Surveillance / Air Traffic Management - CNS / ATM. This method of operation is used by ground-based multilateration systems (MLAT), also known as hyperbolic positioning systems, composed of ground-based broadcasting station, a few widely spaced apart ground receiving stations and a central ground station, which computes the location of the aircraft. Object sends a signal that arrive to several receivers located in the area. In this article, widely presented MLAT - Common Clock System for the selected airport as a system potentially surpassing the traditional system of MSSR mod S.
