Conclusioni
Lo studio del fenomeno di windshear risulta di particolare interesse per la sorveglianza e la sicurezza del traffico aereo. In questo lavoro è stata presentata una descrizione del fenomeno, della sua pericolosità e delle tecniche utilizzate per la sua rivelazione. Nel capitolo 1 sono state analizzate le principali caratteristiche dei radar avionici meteorologici, principali strumenti di rivelazione di windshear e argomento di questa tesi. Lo scopo principale di un AWR (Airborne Weather Radar) è quello di rilevare la presenza di fenomeni meteorologici lungo il percorso di volo dell’aereo e preparare il pilota alle opportune manovre correttive. Tipicamente un AWR è un radar coerente ad impulsi. Rispetto ad uno schema classico di un radar di questo tipo, si tende attualmente ad utilizzare trasmettitori allo stato solido e tecniche di compressione di impulso per aumentare la risoluzione in distanza e utilizzare minori livelli di potenza in trasmissione. Si sta inoltre cercando di realizzare ricevitori digitali, quindi utilizzando frequenze di campionamento sempre più alte.
Il fenomeno di windshear, analizzato nel capitolo 2, costituisce una delle maggiori cause di pericolo per l’aviazione, tanto da essere stato studiato in modo particolareggiato da un ente di ricerca come la NASA che ha avviato un programma di ricerca di sistemi di detection del fenomeno. Un AWR in modalità “windshear detection” sfrutta generalmente l’informazione contenuta sullo spettro del segnale ricevuto. Dallo studio frequenziale del segnale ricevuto si risale alla stima dei parametri caratteristici del fenomeno di windshear: valor medio della velocità del fenomeno e dispersione della velocità del fenomeno. Questo ultimo parametro è un indice di turbolenza del fenomeno stesso. All’interno del programma della NASA è stato definito un fattore di rischio, calcolato sulla base dei parametri del fenomeno appena
citati, che indica il grado di pericolosità degli effetti dell’incontro dell’aereo con il fenomeno stesso. La difficoltà di acquisire dati reali di windshear, data la sua pericolosità, ha indotto la NASA ha sviluppare un simulatore per la generazione di fenomeni di windshear (TASS) e un simulatore per la generazione di dati radar avionici (AWRS). Il simulatore di fenomeni di windshear rende disponibili delle griglie di punti ad alta risoluzione caratterizzate da valori di riflettività e vettori velocità del vento caratteristici del particolare fenomeno. In questa tesi è stato utilizzato il database di dati di windshear della NASA e una versione del programma AWRS, fornita da Galileo Avionica, per la generazione del segnale radar. Il simulatore, una volta fornito lo scenario di acquisizione, utilizzando il database di dati di windshear, un modello della RCS del clutter di terra e la geometria di acquisizione, genera il segnale ricevuto da un AWR in presenza di fenomeno meteorologico e di clutter di terra. L’analisi degli spettri del segnale ricevuto in presenza di solo windshear e di solo clutter, fatta rispettivamente nel capitolo 2 e nel capitolo 3, ha messo in evidenza come lo spettro del segnale di windshear sia modellabile con un modello gaussiano e lo spettro dell’eco di clutter sia modellabile con modello power-law di ordine 2.
Il problema principale che compromette la stima dei parametri caratteristici di windshear è la presenza del clutter di terra. In alternativa alle tecniche presenti in letteratura, come mostrato nel capitolo 5, basate sulla cancellazione del clutter, in questa tesi si è deciso di trovare una tecnica che eviti la cancellazione del clutter e la conseguente possibilità di alterare l’informazione contenuta nel segnale meteorologico. La tecnica studiata si basa sull’uso di un modello bimodale dello spettro del segnale ricevuto. Il modello è dato dalla somma del modello gaussiano e del modello power law.
Dalla stima dei parametri del modello si risale direttamente ai parametri caratteristici di windshear. Per analizzare la bontà dell’idea del modello bimodale si è cercato di mostrare la convergenza dell’algoritmo applicandolo
al periodogramma medio ottenuto su un certo numero di realizzazioni in modo da non essere troppo legati allo spettro della singola realizzazione La tecnica ha presentato buone prestazioni in termini di stima dei parametri caratteristici di windshear e del fattore di rischio di F come è stato mostrato nel capitolo 6. I casi di windshear su cui è stata applicata la tecnica sono tra i più significativi in quanto relativi a due fenomeni, microburst secca e microburst umida, con caratteristiche di riflettività opposte. Anche nel caso della microburst secca, caso limite in termini di riflettività, la tecnica studiata ha presentato prestazioni analoghe al caso della microburst umida. Al termine del lavoro, dopo la validazione del modello bimodale ottenuta sul periodogramma medio, è stata fatta una analisi delle prestazioni applicando la tecnica alle singole realizzazioni. I risultati ottenuti in questo caso presentano una maggior instabilità dell’algoritmo, ma presentano errori contenuti in termini di valor medio delle stime e bassi valori delle deviazione standard delle stime. I risultati ottenuti anche sulle singole realizzazioni risultano incoraggianti al fine di approfondire la tecnica proposta.
A seguito del lavoro svolto si possono sottolineare i seguenti sviluppi futuri:
1. analisi delle prestazioni della tecnica studiata al variare: a) della geometria di acquisizione, b) del tipo di clutter, c) della scansione in azimut dell’antenna, in modo da poter stimare degli indici statistici relativi alla stabilità dell’algoritmo. Nella tesi ci siamo limitati ad analizzare solo due casistiche dei dati del database di windshear, ci siamo limitati a considerare una sola linea in azimut e abbiamo considerato un solo tipo di clutter. Per quanto riguarda il primo punto sono stati scelti due casi significativi (microburst umida e microburst secca), in quanto presentano delle caratteristiche opposte in termini di riflettività. Per quanto riguarda il secondo punto l’aver fissato una sola linea in azimut non limita la valutazione delle prestazioni, in quanto la tecnica rimane invariata da linea a linea in
azimut e il segnale di windshear, data la relativa simmetria dei fenomeni sul piano in azimut, non dovrebbe presentare sostanziali modifiche. Da sottolineare al riguardo che potrebbe essere importante tener conto dell’allargamento dello spettro di clutter al variare della linea in azimut come descritto nel capitolo 4. Per quanto riguarda il terzo punto si è fissato un tipo di clutter, in particolare clutter di erba previsto dal simulatore, e un valore della potenza di rumore.
2. Valutazione della possibilità di mediare un certo numero di realizzazioni operativamente significative in modo da poter applicare la tecnica ad uno spettro medio e non alla singola realizzazione. E’ necessario valutare la possibilità di mediare sia rispetto al tempo lento, collezionando più impulsi per una singola cella in distanza, sia rispetto alle celle in distanza considerando la relativa distorsione che può essere introdotta nelle stime dei parametri, data la loro variabilità rispetto al range.
3. Confronto dei vari tipi di clutter previsti dal simulatore con dati reali di clutter per confermare la bontà del modello power law e per eventualmente migliorare il modello di clutter utilizzato nel simulatore. Una modifica interessante potrebbe essere quella di implementare la possibilità di simulare bersagli in movimento a terra, che causano degli spike nello spettro del segnale ricevuto e quindi possono alterare le prestazione del sistema.
4. Studio delle tecniche di stima dei parametri caratteristici di windshear direttamente dalle griglie di punti delle velocità del vento, fornite dal database, in modo da avere dei valori di riferimento per confrontare le stime legati strettamente al fenomeno.
Nella tesi, si ricorda che, data la mancanza di questi dati, si sono proposti e ritenuti buoni come parametri di confronto quelli stimata
dalla tecnica pulse pair sul periodogramma medio del segnale ottenuto con eco di solo windshear.
5. Perfezionamenti della tecnica studiata in termini di scelta dell’algoritmo di minimizzazione, dell’algoritmo di selezione del punto iniziale della minimizzazione e della definizione di una tecnica di selezione delle celle dove le stime dei parametri sono significative. Per il primo punto è possibile studiare nel dettaglio algoritmi di minimizzazione di funzioni. Questo è importante sia per poter riscontrare dei miglioramenti rispetto a quello utilizzato sia per definire da un punto di vista realizzativo l’algoritmo stesso. Per il secondo punto, sono stati gia fatti degli studi durante il lavoro, anche se non sono stati riportati nella tesi, che necessitano di miglioramenti come gia accennato nelle conclusioni del capitolo 5.
6. Confronto con altre tecniche come il GMAP o quelle basate sulla cancellazione del clutter in termini di errori di stima dei parametri caratteristici di windshear.
