Interface with Ship Base Station

Los sistemas WAM pueden clasificarse empleando dos criterios:

• en función del método empleado para calcular el TDOA. • en función del método de sincronización de los receptores.

El apartado 2.1.4.1 describe los métodos de cálculo de TDOA (a partir del tiempo de llegada, o mediante correlación de las señales recibidas). Por su parte, el apartado 2.1.4.2 ahonda en los métodos de sincronización de los receptores.

2.1.4.1. Implementaciones existentes para calcular el TDOA

Según [13], existen principalmente dos métodos para calcular el TDOA: a partir del TOA, o mediante correlación de las señales recibidas.

2.1.4.1.1. A partir del tiempo de llegada (TOA) de cada señal El primero (Figura 2.2) consiste en medir los tiempos de llegada de la misma señal (TOA), y calcular sus diferencias. Este método se emplea cuando se puede medir con facilidad un flanco determinado, como es el caso de las señales enviadas por los transpondedores (SSR) de las aeronaves.

El proceso de obtención de TDOA se describe a continuación:

• El bloque demodulador (“Down converter”) recibe la señal de radiofrecuencia a 1090MHz, y la convierte en una señal de banda base. La salida puede ser una señal I-Q, o una señal de vídeo.

45 _{La normativa existente hace referencia a los niveles de vuelo (Flight Level), basados en}

altitud de presión, donde cada nivel corresponde a 100ft. Así, FL300 significa 30000ft de altitud barométrica.

• El bloque de digitalización (“Digitisation”) emplea un conversor A/D, o similar, con el fin de digitalizar la señal obtenida a la salida del bloque anterior.

• Una vez digitalizada la señal, el sistema TOA asociado al receptor

calcula el tiempo de llegada de la señal. El contenido del mensaje es extraído para poder efectuar la correlación.

• Una vez obtenidas las medidas de TOA para cada receptor, el bloque de

correlación de TDOA agrupa las señales con el mismo contenido, puesto que estas pertenecen a una misma transmisión de una aeronave determinada. Así pueden calcularse las diferencias entre los tiempos de llegada (TDOA).

• El algoritmo de localización (“TDOA algorithm”) calcula la posición de la aeronave (X, Y, Z) a partir de las medidas de TDOA.

• Finalmente, dichas medidas de posición alimentan un filtro de

seguimiento (“tracker”), encargado de crear una pista para cada aeronave, mejorando la precisión mediante filtrado y desestimando los datos erróneos.

Figura 2.2. Obtención de TDOA a partir de las medidas de TOA [13].

2.1.4.1.2. Mediante correlación cruzada

El segundo método (Figura 2.3) consiste en obtener directamente el TDOA mediante procesado, sin medir el TOA de cada señal. Estos sistemas se

emplean mayormente en entornos militares (ESM46), o para la localización de teléfonos móviles durante las llamadas de emergencia.

El proceso de obtención de TDOA se describe a continuación:

• Las etapas de conversión a banda base y digitalización son análogas a

las descritas en 2.1.4.1.1, convirtiendo la señal de radiofrecuencia a banda base, para luego digitalizarla.

• Tras la digitalización, el bloque de correlación cruzada (‘Cross- Correlation’) combina las señales digitalizadas para cada pareja de estaciones. Asumiendo que la misma señal ha sido recibida en ambas estaciones, puede calcularse la diferencia de tiempos de llegada. La precisión de este proceso está determinada por el tipo de señal digitalizada y el multitrayecto, entre otros factores. Cabe destacar que los algoritmos empleados deben garantizar que la correlación cruzada de señales no produzca resultados ambiguos o incorrectos, especialmente cuando las señales recibidas son respuestas SSR que intrínsecamente no ofrecen buenas propiedades de autocorrelación y correlación cruzada.

• El algoritmo de localización y el filtro de seguimiento son análogos a los

descritos en la sección 2.1.4.1.1.

Figura 2.3. Obtención de TDOA mediante correlación cruzada de las señales recibidas [13].

46

Electronic Support Measures - Medidas de vigilancia electrónica. Dícese del apartado de

guerra electrónica encargado de detectar, interceptar, localizar, registrar y/o analizar las fuentes de radiación electromagnética con el fin de localizar una amenaza de manera inmediata (corto plazo), o bien con el fin de planificar operaciones (largo plazo).

2.1.4.2. Métodos de sincronización de receptores

El sincronismo es fundamental para los sistemas de multilateración descritos en el apartado anterior. Con el fin de calcular la posición, es necesario conocer la diferencia de tiempos de llegada de una determinada señal a dos estaciones receptoras en el sistema.

La señal recibe la marca de tiempo durante el proceso de digitalización. Desafortunadamente, esta marca de tiempo no está asociada al instante en que la señal llega a la antena del receptor. Dicha marca se ve afectada por el retardo de grupo inherente al proceso de conversión a banda base. Este retardo ha de ser conocido y considerado a la hora de calcular el TDOA.

Adicionalmente, con el fin de calcular el TDOA correctamente, las marcas de tiempo han de estar referidas a una base de tiempos común. Es por ello necesario un mecanismo para sincronizar los relojes locales, o en su defecto, estimar el error para poder corregirlo a la hora de estimar la posición de cada aeronave.

2.1.4.2.1. Topologías existentes

El árbol de la Figura 2.4 a continuación clasifica los métodos existentes para la sincronización de los receptores.

Figura 2.4. Topologías existentes para la sincronización de los receptores [13, 18].

2.1.4.2.1.1. Sistemas de reloj común

Por una parte, los sistemas de reloj común (Figura 2.5) emplean receptores sencillos, dejando la parte compleja en el centro de procesado. Estos sistemas reciben las señales de RF de la aeronave, convirtiéndolas a frecuencia intermedia (FI). La señal de FI es transmitida de cada receptor a la central de procesado (ubicada normalmente en el centro de la constelación) a través de un enlace analógico, mediante radioenlace o fibra. La conversión a banda base y la digitalización se producen en dicha central de procesado empleando un

único reloj. Con esta arquitectura, no es necesario sincronizar los receptores situados en cada estación, debido a que la marca de tiempo asociada a cada señal se genera en un mismo punto del proceso. Sin embargo, el retardo de grupo existente entre la recepción de la señal en la antena y la central es significativo, al incluir la conversión a frecuencia intermedia y el enlace analógico. Según [13], la incertidumbre en la medida del retardo es proporcional al propio retardo total, dado que éste depende de las condiciones atmosféricas. Por ello, estos sistemas suelen emplearse en constelaciones pequeñas.

Figura 2.5. Arquitectura de reloj común [13, 18].

2.1.4.2.1.2. Sistemas de relojes distribuidos

Los sistemas de relojes distribuidos (Figura 2.6) emplean receptores más complejos con el fin de evitar las incertidumbres derivadas del enlace a frecuencia intermedia. El receptor se encarga de procesar la señal RF con el fin de obtener el tiempo de llegada de la señal, tal y como se enuncia en 2.1.4.1.1. Esta filosofía puede emplearse reutilizando un conjunto de estaciones ADS-B, dado que los propios receptores ADS-B se encargan de decodificar la señal RF y establecer la marca de tiempos. Esto es posible gracias a que los datos de salida de los receptores ADS-B contienen el tiempo de llegada de la señal ADS-B enviada por la aeronave (ASTERIX CAT-021, Data Items I021/073 e I021/074)[19]. La región de cobertura resultante sería la intersección de las regiones de cobertura asociadas a cada estación.

Figura 2.6. Esquema de arquitectura distribuida [13, 18].

Aun así, es necesario un mecanismo que sincronice los relojes ubicados en cada estación (ya sea dedicada a WAM, o ADS-B). Existen dos métodos de sincronismo: mediante transpondedor, o mediante la señal de un sistema de navegación por satélite (GNSS).

Por una parte, los sistemas sincronizados mediante transpondedor utilizan las emisiones de un transpondedor (con un reloj de referencia) para calibrar el retardo existente en cada receptor, y sincronizar los relojes asociados. Esto implica que el transpondedor de referencia ha de tener línea de vista con cada uno de los receptores, siendo necesarias las instalaciones de mástiles y torres. Además, cuanto más importantes sean las distancias entre las estaciones base, peor es el calibrado, debido a los cambios en el retardo inducidos por la propagación troposférica.

La alternativa es el sincronismo empleando fuentes externas de tiempo, como los existentes en los sistemas de navegación por satélite (Figura 2.7). Se trata de aprovechar los requisitos de precisión asociados a las marcas de tiempo de las señales GNSS, dado que dichas señales son básicas para los sistemas de navegación47_{. Por ejemplo, el sistema GPS permite obtener marcas de tiempo} con un error inferior a 100ns. Puesto que lo importante en los sistemas de

47 _{Los satélistes GPS son controlados y operados por el Departamento de Defensa de los}

multilateración es el TDOA y no el TOA de las señales, es posible sincronizar los receptores de manera que el error en la medida del TDOA esté por debajo de 20ns empleando osciladores acoplados con GPS.

Esta técnica emplea un oscilador de cuarzo termoestabilizado o de rubidio. Los principales factores que afectan a la deriva de dicho oscilador son la antigüedad y la temperatura. El mecanismo de acoplo se efectúa de manera similar al bucle de enganche de fase (PLL)48.

En la mayoría de estos osciladores, el bucle de filtrado es sustituido por un microcontrolador que analiza y compensa los cambios de fase y frecuencia del oscilador local, los efectos del envejecimiento, temperatura y otros parámetros ambientales que a la deriva de dicho reloj (Figura 2.8) [20].

Figura 2.7. Arquitectura de sincronismo “stand-alone” mediante GNSS [13, 18].

El sincronismo entre las estaciones puede refinarse obligando a que los distintos receptores reciban la señal GNSS de un mismo satélite (Figura 2.9). Esto permite eliminar muchas fuentes de error, obteniendo errores de sincronismo inferiores a 1ns.

48 _{Siglas del término inglés,}

Figura 2.8. Arquitectura de reloj acoplado con GPS [20].

2.1.4.2.2. Topologías aplicables

En relación a los mecanismos de sincronización mencionados en el apartado anterior, hay que recordar que la presente tesis doctoral está enfocada hacia la localización y el seguimiento de aeronaves en ruta, con lo que el tamaño de la constelación de receptores se presume importante.

Quedan por ello descartados, el uso de un sistema de reloj común (2.1.4.2.1.1), y el uso de un transpondedor de referencia en un sistema de relojes distribuidos.

De este modo, podemos determinar que el sistema bajo estudio requiere un sincronismo mediante GNSS. Debido a la extensión de la constelación, no se puede garantizar que los distintos receptores puedan ver simultáneamente al mismo conjunto de satélites. Por ello, lo más razonable es asumir que la arquitectura de sincronismo es mediante GNSS “stand-alone”.

Puesto que se espera que este sistema funcione en ausencia de GNSS, es necesario considerar aspectos como las derivas de los relojes en cada receptor49, y la manera de mitigar sus efectos.