Modellazione delle Misurazioni Radar
4.1 Elaborazione dei Dat
Questo lavoro di tesi ha l'obbiettivo di dimostrare la fattibilità di un algoritmo di tipo MM nel tracking di UAV, avente prestazioni migliori di un comune ltro di Kalman (esteso o lineare).
Essendo, quindi, uno studio preliminare, le simulazioni non sono state eettuate diretta- mente con il radar IDS Black Knight, in quanto ciò implicherebbe uno stadio più avanzato
4.1 Elaborazione dei Dati
Figura 4.1: Formato del messaggio ADS-B Tabella 4.1: Contenuto del messaggio ADS-B
# Bit Bit Abbreviazione Descrizione
5 1-5 DF Formato del Downlink (17 o 18)
3 6-8 CA Ulteriore identi catore del tipo di messaggio
24 9-32 ICAO ID fornito dall'ICAO
56 33-88 DATA Dati del messaggio
33-37 TC Tipologia di informazione presente nei dati 24 89-112 PI Parity: controllo di errori presenti nel messaggio nella progettazione del sistema di tracking.
Per simulare uno scenario realistico si è scelto di utilizzare delle tracce ADS-B: esse non rappresentano gli ingressi al sistema, ovvero le misurazioni radar, bensì la traccia vera (o analogamente lo stato vero) dell'UAV bersaglio, in cui è compreso anche il rumore di processo. Gli errori della traccia ADS-B, legati al GPS, sono stati inglobati nello stato vero. A loro volta, le misurazioni radar sono state simulate partendo dalla posizione reale dell'oggetto per poi aggiungervi il rumore del radar, dato dall'IDS Corporation. Le moda- lità con cui è stato modellato tale errore sono descritte nella sezione ??. Questa sezione, invece, è interamente dedicata all'elaborazione dei dati forniti dalle tracce ADS-B. Per comprendere il lavoro svolto in questa sezione è necessario fare una breve introduzione al formato dati dell'ADS-B. La trasmissione del messaggio ADS-B avviene tramite broa- dcast, in quanto il trasmettitore (in questo caso l'UAV) non è interessato a chi riceve il messaggio. Inoltre il messaggio ADS-B viene generato e trasmesso in maniera automatica, senza l'invio di una richiesta esterna o l'intervento di operatori. La frequenza di trasmis- sione del segnale è 1090 MHz. Questa tecnica richiede l'utilizzo di un transponder Modo S, collegato ad un dispositivo GPS, a bordo dell'UAV, per l'invio della posizione dello stesso. La strumentazione è stata prodotta e fornita dall'IDS Corporation. Un messaggio ADS-B è composto da 112 bit ed è diviso principalmente in 5 parti, illustrate in gura ?? e descritte sinteticamente in tabella ??. In questa tesi si è utilizzata solamene l'in- formazione sulla posizione dell'UAV (trasmettitore). Questa è espressa nelle coordinate latitudine, longitudine (entrambe espresse in deg) e altezza (espressa in metri) rispetto al sistema di riferimento WGS84 (World Geodetic System 1984).
Le tracce fornite dall'IDS Corporation si possono dividere in due categorie:
quelle raccolte in Spagna (circa una ventina), nei mesi antecedenti all'inizio del lavoro svolto in azienda;
4.1 Elaborazione dei Dati
Figura 4.2: Interfaccia Gra ca del software adsbSCOPE quelle raccolte nel campo volo dell'azienda nei mesi di attività.
Per la lettura delle tracce della prima categoria si è utilizzata una function MATLAB, chiamata load_FARAD_EXT_TRK_bin, fornita dall'IDS Corporation. L'esten- sione di tali tracce è .bin. L'input richiesto è il percorso del le della traccia da leggere. Gli output sono raggruppati in una struttura dati ma non tutti sono stati utilizzati per l'algoritmo implementato. Quelli necessari sono la latitudine, la longitudine e l'altezza dell'UAV e gli istanti di ricezione del messaggio ADS-B espressi nel formato UTC, in millisecondi. L'estrazione di questi dati è stata implementata separatamente in un'altra function MATLAB, dal nome load_bin_ le, dove si richiama quella descritta prece- dentemente.
Per la seconda categoria, invece, la raccolta dei dati è avvenuta in maniera più complessa. Si è infatti utilizzata un'antenna, collegata ad un computer portatile, per la ricezione del segnale ADS-B emesso dall'UAV bersaglio, al quale è stato associato un ID. La decodi ca del messaggio ADS-B è stata eettuata tramite l'ausilio del software adsbSCOPE. Grazie all'antenna collegata al computer, si è stati in grado di ricevere il segnale di tutti i velivoli (UAV e non) dotati di ADS-B a bordo. Noto l'ID dell'UAV, è stato quindi possibile identi care il bersaglio nell'interfaccia gra ca di adsbSCOPE, illustrata in gura ??, e decodi care il messaggio ADS-B. I dati decodi cati sono stati poi raccolti in un le di estensione .dat. Per utilizzare in MATLAB le informazioni in esso contenute, è stato necessario convertire le righe e le colonne in cui era suddiviso il le in array per poi estrarre quelli necessari: latitudine (in deg), longitudine (in deg), altezza (in metri) ed il tempo in cui si è ricevuto il messaggio ADS-B, espresso in millisecondi, nel formato UTC. ADSB_File_Reader è la function MATLAB implementata per eseguire automatica-
4.1 Elaborazione dei Dati
mente i passaggi descritti sopra. L'unico ingresso della function è il percorso del le .dat da leggere.
A questo punto, una volta estratti i dati dalla traccia ADS-B, è nota la posizione dell'UAV bersaglio, in termini di latitudine, longitudine e altezza, in un sistema di riferimento con origine nel centro della Terra. Quest'ultima è stata considerata come un'ellissoide con semiasse maggiore aEART H = 6378.145 km ed eccentricità eEART H = 0.08182. Le misu-
razioni del radar in ingresso all'algoritmo IMM sono state simulate relativamente ad un sistema di riferimento 2-D polare locale con origine nel radar stesso.
La function MATLAB WGS84_Local_Cartesian eettua la trasformazione di coordi- nate dal sistema di riferimento geocentrico ad quello cartesiano locale centrato nel radar. Successivamente, come spiegato nella sezione ??, il risultato è stato utilizzato come punto di partenza per la modellazione delle misurazioni radar nel sistema 2-D locale polare. Gli ingressi della function sono:
il vettore contenente gli istanti di ricezione del messaggio ADS-B (mission_time) è stato utilizzato per calcolare la dimensione dei vettori di output, in quanto contiene il numero di dati disponibili in quella traccia;
i vettori della latitudine, longitudine ed altezza dell'UAV bersaglio (rispettivamente lat, long e alt);
latitudine, longitudine ed altezza del luogo in cui si stanno compiendo le misurazioni (rispettivamente lat_place, long_place e alt_place).
Le equazioni utilizzate in WGS84_Local_Cartesian sono descritte brevemente di seguito. Il primo passo è calcolare il vettore posizione della stazione radar a terra, indicato con [rp]Tg, dove Tg rappresenta la terna di riferimento geocentrica.
[rp]Tg = aEART H √ 1−e2 EART Hsin 2φ place + hplace
cos φplacecos αplace
aEART H √ 1−e2 EART Hsin 2φ place + hplace
cos φplacesin αplace
aEART H(1−e2EART H)
√ 1−e2 EART Hsin 2φ place + hplace sin φplace (4.1)
Dove: φplace è la latitudine della stazione radar (espressa in radianti), αplace è la longitudi-
ne della stazione radar (espressa in radianti), hplace è l'altezza della stazione radar rispetto
alla super cie terrestre (espressa in metri).
In maniera analoga, noti la latitudine, la longitudine e l'altezza dell'UAV bersaglio, indi- cati rispettivamente con φ, α e h, si calcola il vettore posizione dello stesso rispetto alla terna Tg, indicato con [rU AV]Tg usando l'espressione ??.