SISTEMA DE VIGILANCIA DE ALTA PRECISIÓN POR MEDIO DE MULTILATERACIÓN DE SEÑALES DE RADAR SECUNDARIO DE VIGILANCIA (SSR).

Sistema para localizar e identificar elementos móviles cooperadores que llevan un transpondedor de un radar secundario de vigilancia (SSR) apto para emitir una señal SSR,

comprendiendo dicha señal SSR un preámbulo made up por una secuencia de pulsos, dicho sistema que comprende:

  una pluralidad de estaciones de medida, que comprenden cada una de ellas una sección de procesado,   uno o más transpondedores de referencia instalados en posiciones conocidas y adaptado para emitir una señal SSR, y   un subsistema de procesado, en el que la sección de procesado dentro de cada estación de medida está adaptada para procesar señales SSR emitidas por un transpondedor llevado por un elemento móvil o por uno de los transpondedores de referencia, de forma que se obtenga una medida del tiempo de llegada referido a un reloj de dicha estación, en el que el subsistema de procesado está adaptado para:

  recopilar datos relacionados con dicho tiempo de llegada para cada señal SSR detectada asociada a un transpondedor llevado por un elemento móvil o a uno de los transpondedores de referencia y para reconstruir la posición e identidad del transpondedor,   ejecutar una sincronización de de las estaciones de medida con respecto a estación de medida asignada usada con una referencia temporal, produciendo así una referencia temporal única para el sistema, sobre la base de una diferencia entre le tiempo de llegada de una señal desde un transpondedor de referencia hasta la estación de medida asignada y el tiempo de llegada hasta la estación que debe se va a sincronizada, estando caracterizado el sistema porque dicha sección de procesado dentro de cada estación de medida está adaptada para:

  detectar una señal SSR emitida por un elemento móvil mediante el análisis de la salida de un filtro adaptado F, adaptado a un preámbulo de dicha señal;

  filtrar dicha señal SSR mediante la aplicación de una filtro adaptado de pulso único-un solo pulso;   diferenciar la salida del filtro adaptado de un solo pulso;

  medir el tiempo de llegada de cada uno de los varios pulsos que constituyen el preámbulo de la señal SSR, mediante la determinación del cruce por cero de la señal de filtro adaptado diferenciada, dicha medida siendo habilitada por la detección de la señal SSR; y

  reducir la varianza de error del tiempo de llegada medido por cálculo de un medio aritmético de los valores relativos a los varios pulsos que constituyen el preámbulo de la señal SSR.

Sistema de vigilancia de alta precisión por medio de multilateración de señales de radar secundario de vigilancia (SSR)

Campo de la invención La invención pertenece al campo de la gestión de tráfico aéreo y de tráfico aeroportuario y de vigilancia e identificación de elementos móviles (aeronaves, vehículos de tierra) . En particular, se aplica en vigilancia cooperadores que usa señales de Radar Secundario de Vigilancia transmitidas enlaces abajo por transpondedores de a bordo.

Antecedentes y alcance de la invención Esta invención se basa en la recepción y procesado, con nuevos medios y métodos, de señales emitidas por un equipo presente a bordo de todas las aeronaves que operan en el espacio aéreo controlado, es decir, el transpondedor del radar secundario de vigilancia, SSR para acortar. La invención aplica tanto a transpondedores con características menos recientes (Modo A y C, no selectivos, con indicación de 12 bit de la identidad del objetivo- Modo A - y de altitud barométrica - Modo C) como para transpondedores con características más recientes (Modo S

selectivo o selectivo, con código de respuesta de 112 o 56 bit) , así como para equipos equivalentes (denominados "dispositivos sin transpondedor") para vehículos incluso aunque no respeten los requerimientos de calidad aérea.

En tal contexto, la presente invención se refiere a un sistema, denominado internacionalmente Multilateración (MLAT) cuyos requerimientos funcionales y operacionales están contenidos en el documento escrito siguiente de la Organización Internacional Eurocac - La Organización Europea para Equipamiento de Aviación Civil:

[1] Eurocac ED-117 "Minimum operational performance requirements for Mode S multilateración systems for use in A-SMGCS", Abril 2-003, disponible en Eurocac, 17, rue Hamelin, Paris Cedex 16.

Un sistema MLAT tiene el alcance de localización e identificación, típicamente pero no exclusivamente en el área del aeropuerto, de las aeronaves y los vehículos equipados con un transpondedor apropiado, más exactamente, del transpondedor mencionado arriba del radar secundario de vigilancia (SSR) .

El sistema de radar SSR tanto del tipo tradicional o "modo AlC" como de tipo selectivo o "modo S", está descrito en varios documentos entre los cuales está el libro:

[2] M. Stevens "Secodar y vigilanciaillance radar", Artech House, 1988.

Un sistema para control y gestión del tráfico aeroportuario que puede incluir Multilateración (MLAT) es conocido internacionalmente con el acrónimo A- SMGCS (Sistema de Control y Guiado de Movimiento en Superficie Avanzado) . En un sistema de este tipo, se enmarca la presente invención, desde el punto de vista de sus aplicaciones. A- SMGCS está descrito, entre otros, en el documento:

[3] Eurocac ED-87A "Minimum performance specifications for Advanced-Surface Movement Guidance and Control Systems", enero 2.001, disponnible en la Eurocac, 17, rue Hamelin, Paris Cedex 16.

Los sistemas MLAT reciben y procesan las respuestas emitidas por transpondedores SSR, una vez interrogados, ylo las "respuestas espontáneas" emitidas periódicamente en ausencia de solicitudes de identificación, y denominadas "señal espontánea". El procesado de tales señales, según se describe en [1] y [2], permite localizar el transpondedor y por ello la aeronave o el vehículo que lleva éste, por medio de la medida de los tiempos que transcurren desde la emisión -por el transpondedor- de la señal respuestalseñal espontánea (que desde ahora en adelante se denominará simplemente "señal SSR" o abreviadamente "señal") y su recepción por las estaciones receptoras MLAT

(cuatro o más) . La medida de al menos tres diferencias de los tiempos de llegada (técnica TDOA: Diferencia de Tiempo de Llegada también denominada Delta-TOA: (Diferencia en tiempo de llegada) permite localizar el transpondedor en el espacio a través de la intersección de tres hiperboloides. Tal método ha sido aplicado ya desde la mitad del siglo veinte a otros tipos de señales, la denominada navegación hiperbólica con algoritmos clásicos descritos en varios trabajos entre los cuales:

45 [4] R.O. Schmidt "A new approach to geometr y of renge difference localización", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-8 Nº 6 de noviembre de 1972, pp. 821-835.

La técnica de la multilateración ha sido el objeto de muchas patentes, (empezando por la antigua Patente de EE.UU. 2, 972, 742 para Ross) entre las cuales:

[5] Patente de EE.UU. 3, 659, 085 de : "Computer determining the localización of objects in a coordinate 50 system", inventores: B. y Potter; T. K. Bosworth; J. P. Chisholm; J.A. Cadzow, en la cual se proponen métodos con el fin de reducir el error de localización, en un contexto general, que no es específico ni de la aplicación a señales SSR (AlC o Modo) , ni del uso para vigilancia aeroportuaria, y

[6] Patente europea número: EP 0466239 del :"Device for identifying and localizing transponders", inventor Frans Herman De Haan (NL) , en la cual el aeropuerto es dividido en un número considerable (100-250) de regiones cada una de las cuales tiene al menos una, mejor dos, emisores y al menos dos receptores con objeto de localizar transpondedores SSR por medio de Multilateración, y en la cual los emisores y los receptores están conectados a una unidad central de proceso.

En el mercado actual hay tres sistemas MLAT diferentes desarrollados respectivamente por las compañías: ERA (República Checa) , Sensys (EE.UU.) y Thales (Alemania) y presentadas en las Ferias y Exposiciones Internacionales especializadas, tales como la Exposición sobre Gestión de Tráfico Aéreo de Maastricht que es llevada a cabo todos los años en primavera. Sin embargo, no se han hallado patentes específicas relacionadas con tales sistemas MLAT. En un sistema MLAT genérico, cada estación está equipada con un receptor para señales SSR que le permite medir el tiempo de llegada de cada una de ellas. Tales medidas pueden obtenerse, de acuerdo con dos realizaciones posibles y funcionalmente equivalentes cuya elección depende del conjunto de operaciones, como sigue. La primera solución incluye medidas locales, ejecutadas por ello en cada Estación de medida, equipada con un reloj preciso (enclavado con el de una estación maestra a través de conexión radio o sobre cable) , mientras que en la segunda solución las medidas se ejecutan en la estación central de proceso; en esta segunda realización las señales SSR simplemente son transmitidas en tiempo real y modo transparente a la estación central de proceso, en donde se ejecutan las medidas de tiempo. El sistema MLAT desarrollado por ERA usa la segunda solución, con transmisión de la forma de onda de las señales SSR desde las estaciones receptoras hasta el ordenador central de proceso, mientas que los otros dos sistemas (Sensys y Thales) se basan, en cambio, en la segunda solución y tienen estaciones de medida que no solo son receptoras sino también con capacidad de procesado. Los tres sistemas pueden ser considerados sistemas de "primera generación", mientras que el Sistema equipado con transmisión digital y objeto de la presente invención, es un sistema de segunda generación por sus avanzadas características bien descritas más adelante.

El documento de patente de EE.UU. US-A1-6 094 169 describe métodos y aparatos usados para la detección de errores y calibración de sistemas de multilateración. En particular, el documento proporciona una técnica para calibrar sistemas de multilateración usados para seguimiento de aeronaves basados en medidas del tiempo de llegada de señales radio.

Resumen de la invención Es un objeto específico de esta invención un Sistema para localizar e identificar aeronaves y otros vehículos sobre la base de la recepción -por múltiples Estaciones -de señales SSR transmitidas por el transpondedor SSR estándar que va a bordo; comparado con los sistemas de primera generación descritos en la última parte de la sección de Antecedentes y Alcance previa, este Sistema está caracterizado, desde el punto de vista funcional, por: (a) medidas TOA optimizadas, (b) estimación de la la desviación del reloj de las estaciones receptoras, que hace posible implementar estaciones de bajo coste, uso de algoritmos de álgebra lineal basados en soluciones de cuadrados mínimos para separar señales superpuestas, es decir, señales que se solapan en el tiempo, (d) uso compuesto de algoritmos recursivos y no recursivos en el procesador central... [Seguir leyendo]

1. Sistema para localizar e identificar elementos móviles cooperadores que llevan un transpondedor de un radar secundario de vigilancia (SSR) apto para emitir una señal SSR, comprendiendo dicha señal SSR un preámbulo made up por una secuencia de pulsos, dicho sistema que comprende:

• una pluralidad de estaciones de medida, que comprenden cada una de ellas una sección de procesado, • uno o más transpondedores de referencia instalados en posiciones conocidas y adaptado para emitir una señal SSR, y • un subsistema de procesado, en el que la sección de procesado dentro de cada estación de medida está adaptada para procesar señales SSR emitidas por un transpondedor llevado por un elemento móvil o por uno de los transpondedores de referencia, de forma que se obtenga una medida del tiempo de llegada referido a un reloj de dicha estación, en el que el subsistema de procesado está adaptado para:

• recopilar datos relacionados con dicho tiempo de llegada para cada señal SSR detectada asociada a un transpondedor llevado por un elemento móvil o a uno de los transpondedores de referencia y para reconstruir la posición e identidad del transpondedor, º• ejecutar una sincronización de de las estaciones de medida con respecto a estación de medida asignada usada con una referencia temporal, produciendo así una referencia temporal única para el sistema, sobre la base de una diferencia entre le tiempo de llegada de una señal desde un transpondedor de referencia hasta la estación de medida asignada y el tiempo de llegada hasta la estación que debe se va a sincronizada, estando caracterizado el sistema porque dicha sección de procesado dentro de cada estación de medida está adaptada para:

• detectar una señal SSR emitida por un elemento móvil mediante el análisis de la salida de un filtro adaptado F, adaptado a un preámbulo de dicha señal;

• filtrar dicha señal SSR mediante la aplicación de una filtro adaptado de pulso único-un solo pulso;

• diferenciar la salida del filtro adaptado de un solo pulso;

• medir el tiempo de llegada de cada uno de los varios pulsos que constituyen el preámbulo de la señal SSR, mediante la determinación del cruce por cero de la señal de filtro adaptado diferenciada, dicha medida siendo habilitada por la detección de la señal SSR; y • reducir la varianza de error del tiempo de llegada medido por cálculo de un medio aritmético de los valores relativos a los varios pulsos que constituyen el preámbulo de la señal SSR.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el procesado es implementado a través de una aproximación de la cascada del filtro adaptado y el diferenciador: en la aproximación la respuesta al impulso del filtrado aproximado mencionado arriba tiene un primer grupo de coeficientes consecutivos iguales a uno (º1) , un segundo grupo de coeficientes consecutivos iguales da cero y, finalmente, un tercer grupo de coeficiente consecutivos iguale a menos uno (-1) ..

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque, con el fin de materializar una resolución y precisión elevada en la medida del tiempo de llegada, se lleva a cabo una interpolación entre dos puntos del plano amplitud-tiempo, en el que la amplitud es la de la señal después del procesado usado por la medida, los dos puntos están relacionados con las dos muestras de amplitud consecutivas que tienen signos opuestos, que evidencian un cruce por cero.

.4. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el alineamiento del reloj de cada estación de medida con respecto a la estación de referencia es ejecutado mediante un proceso de filtrado y predicción a través de un filtro Kalman.

5. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que en las estaciones de medida se obtienen las componentes en fase y en cuadratura (I º Q) de las señales recibidas, haciendo posible con ello los algoritmos de súper-resolución para la discriminación de señales.

6. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que, la estación de medida tiene una antena colineal y un receptor multicanal, con tanto canales como los elementos de antena; la salida de los canales está organizada como una matriz de datos que es procesada de acuerdo con técnicas de cuadrados mínimos con el fin de estimar la matriz de mezcla para los diferentes canales mediante explotar los intervalos de tiempo en los que sólo una señal está presente.

7. Sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la matriz de mezcla estimada se usa para un-mix, es decir separar, mediante proyecciones en el espacio de vectores lineales, las señales superpuestas.

8. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que cuando una señal está completamente superpuesta por una de "interferencia", es decir, no hay intervalos de tiempo en los que una parte de ella está presente sola, la señal se "interferencia" es separada, mediante proyección el espacio de vectores lineales, y eliminada con el fin de explotar la contribución de la señal anterior a la estimación de la matriz de mezcla.

9. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que en el subsistema de proceso central la posición precisa de la aeronave o vehiculo es calculada mediante el procesado de las medidas de los tiempos de llegada, con una referencia temporal única, a través de procesado por Multilateración que incluye una primera parte no recursiva seguida por una parte recursiva.