Principi di radar primari per controllo del traffico aereo - InfoCom

Principi di radar primari per controllo del
traffico aereo
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anno Paese Evento Autore
1865 UK equazioni dell'e.m. Maxwell
1887 GE esperimenti onde e.m. Hertz
1895 IT esperimenti onde e.m. Marconi
1897 UK Wireless Telegraph Co Marconi
1902 UK nota a Royal Society Marconi
1904 GE 1° brevetto per radiolocalizzazione Hulsmeyer
1921 UK concetto del magnetron Hull
1922 IT relazione AIEE-IRE onde corte Marconi
1925 USA osservazione echi della ionosfera Tuve, Apppleton
1931 USA primi esperimenti detezione aerei
1932 IT esperimenti interferenza passiva Marconi
1934 USA 2° brevetto Taylor
1934 USA primo radar impulsi NRL
1934-36 GE radar navali sperimentali
1935 IT esperimenti avvistamento per EI Marconi
1935 UK memo to RAF:def. sistema radar Watson-Watt
1935 UK dimostrazioni di detezione aerei Watson-Watt, Tizard
1935-41 IT Installazione apparati sperimentali Tiberio
1936-40 UK sviluppo Home Chain
1936 USA duplexer
1937 UK primo air-to-surface radar
1938 UK magnetron
1938 USA prototipo radar UHF
1939 IT pubblic. equazione radar su AF Tiberio
1940 USA MIT radiation lab.
1941 USA prototipo antenna monopulse NRL
1941-43 IT progetti Gufo, Veltro, Lince
1941-45 USA radar MTI MIT
1950+ USA sviluppo KLYSTRON
1950+ USA radar a codice chirp
1950+ USA teoria detezione Marcum, Swerling
1956 USA calcolo portata Hall
1950+ USA concetto radar SAR
1960 IT prototipo monopulse el. scan Selenia
1958-68 USA FPS 85 a scan elettron. Bendix
1999 IT-UK NASCE ALENIA MARCONI SYSTEMS
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Principio di funzionamento di radar primari di sorveglianza
∆t = 2 R / c 1 ms = 150 Km
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Principio di funzionamento di radar primari di sorveglianza:
Uso e denominazione delle bande di frequenza
Radio
KHz KHz KHz KHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz GHz GHz GHz GHz GHz
FREQ 10 30 100 300 1 3 10 30 100 300 1 3 10 30 100
WL 30 10 3 1 300 100 30 10 3 1 300 100 30 10 3
Km Km Km Km m m m m m m mm mm mm mm mm
BANDA VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
Radar
BANDE (US) L S S C C X Ku K Ka
BANDE (NATO) D E F G H I J K K L M
FREQUENZA min 1 2 3 4 6 8 10 20 30 40 60
max 2 3 4 6 8 10 20 30 40 60 80
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Uso e denominazione delle bande di frequenza: assegnazione
ad uso radio localizzazione in ambito civile e militare
420 – 450 MHz UHF
1215 – 1400 MHz Banda L
2700 – 3400 MHz Banda S
5250 – 5850 MHz Banda C
8.50 – 10.50 GHz Banda X
13.40 – 14.00 GHz Banda Ku
15.70 – 17.70 GHz Banda Ku
24.05 – 24.25 GHz Banda K
33.40 – 36.00 GHz Banda Ka
59.00 – 64.00 GHz Banda mm
• Specificatamente all’interno di
ogni banda sono allocati servizi
civili o militari.
• In alcune bande l’applicazione
radar è servizio primario, in altre
è servizio secondario.
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Misure fornite dal radar: generalità
•Distanza (ritardo dell’eco)
•Azimuth (puntamento del fascio d’antenna, intensità degli echi)
•Elevazione (solo per radar 3D, multifunzionali e di inseguimento)
•Quota (derivata da distanza ed elevazione)
•Intensità (potenza dell’eco)
•Radar Cross Section (derivata da intensità e distanza)
•Velocità radiale (misura di fase differenziale per effetto Doppler)
•Misure polarimetriche (confronto di fase ed intensità tra echi
in polarizzazioni ortogonali, HH, HV, VH, VV)
•Profilo di riflettività (radar ad alta risoluzione, radar di immagine)
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Misure fornite dal radar: distanza
E’ il dato in genere più preciso, a causa della breve durata degli
impulsi trasmessi.
Problemi legati all’uso di segnali ad impulsi:
•ambiguità in distanza (ritardo superiore al periodo degli impulsi)
•velocità cieche (eliminate con PRT non costante)
R < c PRT / 2
R > c PRT / 2
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Misure fornite dal radar: azimuth
Vista in pianta (PPI)
Echi modulati dal fascio
inizio e fine azimuth del bersaglio
rumore
Soglia di
rivelazione
Tempo = azimuth
La rotazione meccanica nel piano orizzontale del fascio d’antenna molto
direttivo (1° - 3°) fornisce la scansione del volume di ricerca e la misura
precisa dell’azimuth, affinata dall’esame dell’intensità degli echi ricevuti
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Misure fornite dal radar: elevazione
Vista in distanza e quota
Fascio a ventaglio
Fascio a matita
La forma del fascio a ventaglio NON consente la determinazione dell’elevazione.
La forma del fascio a matita PERMETTE invece la misura precisa dell’elevazione
MA richiede di coprire il volume di ricerca con diverse posizioni del fascio
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Misure fornite dal radar: precisione
La precisione (valore rms dell’ errore di misura) è prevalentemente legata ai
seguenti fattori:
•Dimensione dell’impulso radar (distanza)
•Larghezza (a –3dB) del fascio di radiazione (azimuth, elevazione)
•Tempo di insistenza sul bersaglio (Doppler)
•Rapporto segnale – rumore (E/N 0)
•Numero di osservazioni (echi) che concorrono alla misura (n)
•Fluttuazioni statistiche della sezione d’eco del bersaglio (RCS)
•Algoritmo di determinazione della misura
•Errori di strumentazione (temporizzazione, scansione del Nord)
•Errori di allineamento meccanici e di localizzazione del sito radar
Valori numerici tipici:
•100 m (distanza)
•0.35° (azimuth)
•0.15° (elevazione)
σ x = k ∆x / [n 2E/N 0 ] 1/2
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Misure fornite dal radar: risoluzione
La risoluzione è la capacità di rivelare come due bersagli distinti gli echi
prodotti da due aeromobili separati in una sola coordinata (ad es. distanza)
ma sostanzialmente coincidenti nelle altre.
Si contrasta naturalmente con il requisito di minimizzare lo splitting di un
singolo bersaglio.
La risoluzione è legata ai seguenti fattori:
•Dimensione dell’impulso radar (distanza)
•Larghezza (a –3dB) del fascio di radiazione (azimuth, elevazione)
•Tempo di insistenza sul bersaglio (Doppler)
•Rapporto segnale – rumore (E/N 0)
•Numero di osservazioni (echi) che concorrono alla misura (n)
•Fluttuazioni statistiche della sezione d’eco del bersaglio (RCS)
•Algoritmo di determinazione della misura
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La rivelazione dell’eco di un bersaglio
•H0 : il segnale osservato è costituito da solo rumore
•H1: il segnale osservato contiene l’eco del bersaglio
Le due probabilità di errore sono volutamente MOLTO diverse:
•Probabilità di Falso Allarme (P FA , tipicamente 10-6)
•Probabilità di Mancata Rivelazione (1 – P D , tipicamente 0.1)
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Esempio di presentazione del video grezzo (1/2)
Al procedere della scansione
sul PPI si presenta una serie
di punti luminosi indicativi
delle posizioni nelle quali il
processo di rivelazione ha
dato esito positivo.
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Esempio di presentazione del video grezzo (2/2)
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Esempio di presentazione del video sintetico
Ogni aeromobile è
identificato da uno o
più simboli (plot,
tracce) e da etichette
(identità del volo,
codice SSR, quota)
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Equazione della portata radar: P D e P FA
Il processo di decisione si basa sui seguenti elementi:
•Il Filtro Adattato (massimizza S/N out = 2E/N 0 )
•Il rivelatore di modulo
•La soglia di decisione
P D = f [ P FA (soglia), S/N out]
La funzione dipende dalla
legge statistica degli echi
e dal numero di impulsi
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Equazione della portata radar: Rapporto Segnale-Rumore
Calcolo della tratta radar – bersaglio – radar
Pr = [Pt Gt / (Lt Latm 4π R 2 )] σ [1 / (Lr Latm 4π R 2 ) Gr λ 2 / 4π ]
Calcolo della potenza del rumore
Pn = KTBnFn
Calcolo del rapporto segnale rumore (con guadagno di elaborazione)
S/Nout = G (Pr / Pn )
La portata del radar R è quel valore per il quale si ottiene:
S/Nout >= D 0 (min valore di S/N per ottenere P D , P FA )
Il bersaglio è caratterizzato tramite la sua RCS σ
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Equazione della portata radar: Curve di S/N e P D vs R
•La rivelazione del bersaglio è un
fatto statistico.
•Quindi per ogni P D si definisce
un valore di portata diverso.
•S/N varia con la potenza R -4
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Equazione della portata radar: Radar Cross Section
La RCS σ ha le dimensioni fisiche [m 2 ] ma NON è la dimensione REALE
del bersaglio ma la sua sezione EQUIVALENTE da un punto di vista e.m.
Sostituisco il bersaglio con una SFERA tale che
•irradia in modo isotropo
•raccolgo la stessa potenza d’eco nel mio ricevitore.
La RCS dipende da:
•Dimensioni del bersaglio rispetto a λ
•Struttura aerodinamica del bersaglio (ali, fusoliera, timone)
•Angolo di illuminazione del bersaglio
•Polarizzazione dell’onda e.m. (quindi in realtà σ è una matrice)
•Materiale costituente il bersaglio
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Equazione della portata radar: Radar Cross Section
La RCS varia con la lunghezza d’onda e con l’angolo di vista
RCS sfera vs λ RCS aereo vs φ
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Equazione della portata radar
Esempi di Radar Cross Section /
Correlazione con le dimensioni fisiche del bersaglio
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Equazione della portata radar:
Esempi di Radar Cross Section misurate
Boeing 707 10 (UHF) 25 (L) 40 (S) 50 (C) 60 (X)
B-47 27
B-52 125
C-130 80
DC8 32
Cessna 180 1.5
Cessna 310B 4.0
F4 10
F104 5
Mig21 4 Da Morchin, 1993, Tab. 4.1, p. 111 (dati in m 2 )
Angolo di vista: di punta (φ = 0)
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Definizione e visualizzazione della copertura radar
Il diagramma di copertura radar rappresenta il luogo geometrico
dei punti del piano verticale (distanza, quota) per i quali si consegue
la prestazione di rivelazione (o detezione) specificata per un bersaglio
la cui RCS ha un valore medio assegnato (es. 1 m 2 ) ed un modello
statistico specificato (es. d.d.p. esponenziale).
La prestazione di detezione è definita dalla coppia di valori(P D , P FA )
In spazio libero, il grafico rappresenta il luogo di punti ove si ottiene
almeno la P D desiderata; si intende che per punti più vicini la PD sarà
migliore a parità di RCS.
N.B.:ciò NON è vero in generale (clutter, multipath)
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Definizione e visualizzazione della copertura radar
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Definizione e visualizzazione della copertura radar
La copertura STRUMENTALE è il luogo geometrico dei punti dello spazio per i
quali il radar è in grado di riportare la presenza del bersaglio e le sue co-ordinate, a
patto che l’eco del bersaglio sia sufficientemente intensa (es. RCS grande) da dare
luogo a detezione.
•Distanza minima: è definita dalla durata dell’eclipsing del ricevitore durante la
trasmissione degli impulsi radar Rmin = c τ /2
•Distanza massima (non ambigua) : è definita dall’intervallo minimo di
separazione tra due impulsi consecutivi (PRT): Rmax = c PRT /2
•Elevazione minima e massima: sono determinate dal diagramma di radiazione in
elevazione dell’antenna
•Quota minima e massima: sono prevalentemente date da considerazioni operative
(es. la superficie terrestre (h = 0) e la quota massima di interesse per i velivoli).
•Copertura azimutale: è in genere a 360° fino a Rmax, limitata dall’orografia.
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Definizione e visualizzazione della copertura radar:
Limitazioni di copertura dovute all’orografia ed al sito
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La combinazione dei dati multi radar tende a superare le
limitazioni intrinseche (es. quelle di visibilità e copertura
strumentale) di ciascun sensore
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L’ambiente reale nel quale opera il radar ha un effetto
significativo sulle sue prestazioni
Echi ambientali:
•Clutter di superficie (terra / mare) ed atmosferico
• angeli (stormi di uccelli, sciami di insetti)
• Traffico veicolare di superficie
Propagazione:
• Attenuazione
• Rifrazione
• Diffrazione
• Multipath
Interferenze:
• Rumore cosmico o galattico, radiazione solare
• Apparati radio per altri servizi di comunicazione
• Altri sistemi radar co-locati o in visibilità
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Rumore cosmico o galattico, radiazione solare
Echi ambientali Attenuazione in chiaro e in pioggia
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Height [km]
Effetto del multipath sulla copertura radar
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
10°
7°
5°
4°
3°
2°
1°
-.13°
0°
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Effetto della Propagazione Anomala sulla copertura radar
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Evoluzione dei radar primari
• Tx: dal Magnetron al Klystron / TWT (coerenza)
e dal Klystron / TWT allo Stato Solido (affidabilità)
• SP: dal MTI al MTD, soglie adattive, mappe Doppler
(elaborazione più sofisticata, migliore risposta all’ambiente)
• SP/DP: dalla cancellazione di echi indesiderati alla loro identificazione
e classificazione (birds, storms, ...)
• WFG/SP: codifica e compressione d’impulso (segnali di potenza
più bassa)
• Rx: alta dinamica lineare, STC, campionamento su portante (a IF)
• Antenne: dal riflettore all’array (lobi ridotti, flessibilità, modularità)
• Sistema: dalla scansione meccanica al phased array con
scansione elettronica (programmabilità della scansione,
tracciamento di molti bersagli)
• Sistema: canali meteorologici integrati (economie, data fusion)
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Radar Multifunzionale
•Ricerca settorizzata con differenti periodi di rinnovo
•Tracciamento su bersagli molteplici con data rate variabile
•Conferma delle nuove detezioni
•Acquisizione da altri sensori
•Analisi ambiente
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