Tesis:
Monitorización automática de sistemas de seguimiento multisensor en aplicaciones de control de tráfico aéreo
- Autor: SOTO JARAMILLO, Andrés
- Título: Monitorización automática de sistemas de seguimiento multisensor en aplicaciones de control de tráfico aéreo
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66651/
- Director/a 1º: MIGUEL VELA, Gonzalo de
- Resumen: La necesidad cada vez más extendida de evaluar las prestaciones de los sistemas para garantizar una determinada calidad de servicio (QoS) está motivando la aparición de herramientas encargadas de dicha evaluación a las que se les suele exigir adicionalmente el que sean eficientes tanto desde un punto de vista de uso de recursos, no solo materiales sino también inmateriales, como desde un punto de vista económico. El entorno de la gestión del tráfico aéreo (ATM), que es el ámbito en el que se desarrolla esta tesis, también reproduce esta tendencia asentada desde hace ya unas décadas. Programas orientados a la evolución de los sistemas que se encargan de la gestión del tráfico aéreo, como pueda ser el europeo, SESAR, ya preveía desde sus inicios una evolución en la manera de gestionar el tráfico aéreo desde lo que era o sigue siendo una gestión basada en espacio aéreo, hacia lo que debía ser una gestión basada en trayectorias, que tiene como siguiente hito la incorporación de las prestaciones en el servicio provisto a aeronaves y a aerolíneas, es decir, a los usuarios del espacio aéreo. Estas prestaciones se entienden no solo desde el punto de vista del receptor del servicio, es decir, los usuarios del espacio aéreo, sino también del lado del proveedor del servicio, es decir, los conocidos como proveedores de servicios de navegación aérea (ANSP). Las prestaciones ofrecidas por unos y por otros acabarán siendo las que determinen qué servicios -y con qué nivel de calidad-, pueden ser solicitados por los usuarios y ofertados por la infraestructura establecida por el ANSP. Dentro de los servicios ofrecidos por la gestión de tráfico aéreo, esta tesis se centra en los relacionados con la provisión del control de tráfico aéreo, es decir, en los relacionados en garantizar la adecuada separación de aeronaves entre ellas y con respecto al terreno. Dada la importancia de este cometido, hace que sea necesario, no solo una evaluación puntual del desempeño de los sistemas encargados de proveer dichos servicios, sino una monitorización continua y, a poder ser, automática de los mismos que permita garantizar que trabajan en unas condiciones óptimas para garantizar la eficiencia y la seguridad de las operaciones. Dentro de los diferentes dominios que sostienen la provisión de servicios de gestión de tráfico aéreo (CNS/ATM), el que centra la atención de esta tesis es el de vigilancia (S). En concreto, es la evaluación de las prestaciones de la cadena de vigilancia la que concentra todo el interés. Ésta comprende desde los sensores que detectan a los blancos, aeronaves o vehículos aeroportuarios, hasta la presentación de los datos en las pantallas que muestran la situación actual del tráfico a los controladores, pasando por las redes y sistemas de comunicaciones (e.g. enrutadores o pasarelas de datos), continuado con los sistemas de seguimiento y finalizando con las herramientas de evaluación de prestaciones. Esta tesis comienza (Capítulo 1) con una aproximación que parte del concepto de gestión del tráfico aéreo para ir descendiendo hasta llegar al ámbito en el que se desarrolla toda la investigación llevada a cabo en la misma y que no es otro que lo que se conoce como la función de vigilancia. Sus elementos y sistemas se presentan estableciendo la relación que existe entre ellos. Dicha función suele estar dividida en lo que se conoce como vigilancia de aire, si los blancos se encuentran volando, y vigilancia de superficie, en caso de encontrarse en tierra. En esta tesis el foco está puesto en la evaluación de las prestaciones de una cadena de vigilancia de superficie de aeropuerto, aunque en ningún momento se pierde de vista que la frontera entre ambas es ciertamente difusa y, por lo tanto, se espera cierto trasiego de información entre ambas. Dado que el entorno donde se van a centrar las investigaciones es el aeropuerto, éste se describe junto con sus elementos integrantes ya que algunas de sus características serán aprovechadas por los algoritmos desarrollados como parte de esta tesis. Dentro de la cadena de vigilancia, serán varios de sus elementos los que sean sometidos a la evaluación de sus prestaciones, en concreto, sensores y sistemas de seguimiento. Sus características, tipos, particularidades, modelos de medida, coordenadas en las que proporcionan sus datos y el formato usado para su envío son el objeto del Capítulo 2. Esta presentación se realiza por familias de sensores empezando por los radares, que es claramente la familia dominante a día de hoy, para también presentar la vigilancia dependiente automática (ADS), sobre todo la que se conoce como ADS-B, y la familia de sensores basados en multilateración, tanto de área extensa (WAM) como los más locales que se conocen como MLAT o LAM. No se pierde de vista que, actualmente, existe una tendencia a la incorporación de otra familia de sensores, algo más recientes que los anteriores, que buscan la detección y localización de los blancos de manera independiente y sin la necesidad de la cooperación de éste. Esta familia se conoce por sus siglas en inglés como sensores INCS. A continuación, el capítulo también presenta aspectos de la transmisión de los datos desde los sensores a los centros de procesado como pueda ser el formato utilizado, que no deja de ser el bien conocido formato ASTERIX, los protocolos de transmisión o las redes de comunicaciones. Finalmente, el capítulo concluye con un listado de problemas conocidos de los sensores presentados y con una visión prospectiva de lo que puede ser la vigilancia del futuro. El siguiente capítulo (Capítulo 3) se centra en los sistemas que van a encargarse de la evaluación de prestaciones tanto de sensores como de sistemas de seguimiento. Esta evaluación es llevada a cabo por lo que se conocen como herramientas de evaluación de prestaciones (PET). Este capítulo desarrolla la historia de estas herramientas, presenta los estándares que las rigen, las clasifica en diferentes tipos y detalla los métodos que usan para realizar su evaluación. Ejemplos representativos del estado del arte de estas herramientas son incorporados incluyéndose imágenes de su interfaz gráfica. A continuación, se realiza el ejercicio de encajarlas dentro de la arquitectura definida en el programa SESAR, para acto seguido realizar una descripción pormenorizada de lo que sería una descomposición lógica y funcional de estas herramientas. Esto último constituye una primera aportación de esta tesis. El Capítulo 4 aprovecha la descomposición funcional realizada en el capítulo anterior para identificar la sucesión ordenada de procesos que se debe de encargar de implementar las funcionalidades necesarias para que la herramienta pueda al final de dicha sucesión proporcionar el resultado esperado. Estos procesos se agrupan en lo que se han llamado bloques de procesado. Excepto por el bloque encargado de la presentación de las prestaciones y aquellos que se consideran auxiliares, el resto son desarrollados en un capítulo aparte. Así, las cuestiones relativas a la lectura y cribado inicial de los datos generados por sensores y sistemas de seguimiento se presentan en el Capítulo 5. Cabe destacar que se trata de procesos que, si bien no tienen relevancia a nivel investigador, sí que resultan de interés para comprender toda la cadena de procesado ya que en ellos comienza todo. Sin una buena adquisición de los datos, el resto de elaboraciones acaban siendo papel mojado. Los procesos encargados de preparar los datos para su posterior fusión con los generados por otros sensores son detallados en el Capítulo 6. Estos procesos implementan lo que se conoce como los prerrequisitos de la fusión de datos que consisten: en la conversión de todos los datos a un mismo sistema de coordenadas de referencia en el que puedan ser comparados y en la estimación y posterior cancelación de cualquier error sistemático o sesgo que pueda haber sido incorporado a los datos durante el proceso de medición del sensor o en el camino recorrido hasta llegar al centro de fusión. Esta tesis aporta una arquitectura completa no solo para la estimación de los sesgos introducidos por el sensor o de aquellos dependientes de la aeronave, sino también de los sesgos temporales derivados de una falta de sincronización entre los diferentes elementos de la cadena de transmisión. Es importante destacar que en dicha propuesta se incorpora información de contexto como pueda ser el mapa del aeropuerto o las características físicas de la aeronave, que permite mejorar los resultados del proceso. Entre las aportaciones realizadas en este capítulo cabe destacar el algoritmo que permite la identificación del segmento del aeropuerto en el que se encuentra cada uno de los datos recibidos, ya que éste supone el punto de partida de toda la estrategia de estimación de sesgos. Esta estrategia primero identifica un sensor de referencia, al cual se le corrigen los sesgos de manera independiente, para posteriormente conformar pares de medidas construidos a partir de los datos del sensor de referencia, que se considera insesgado, y de cada uno de los sensores restantes. Estos pares serán finalmente procesados por algoritmos basados en diferencias de medidas para obtener los sesgos de los otros sensores. El Capítulo 7 representa la motivación principal de esta tesis que no deja de ser la reconstrucción de la trayectoria ideal seguida por las aeronaves ya que ésta constituye la referencia contra la que se compararán los datos generados por sensores y sistemas de seguimiento. De dicha comparación se extraerán los indicadores que permitirán valorar el desempeño de los sistemas bajo análisis. La reconstrucción de trayectorias aprovecha el conocimiento que se tiene del aeropuerto y de las aeronaves, para obtener una estimación del camino seguido por los blancos. Dicha estimación es proporcionada por un algoritmo de suavizado que es capaz de incorporar tanto la información del pasado como del futuro con respecto a un determinado instante. El diseño de dicho algoritmo también representa una aportación de esta tesis ya que no solo integra la información de contexto, sino que considera modelos de movimiento no considerados previamente en este ámbito que permiten mejorar la estimación de la trayectoria ideal. Los resultados de las pruebas realizadas sobre datos reales del aeropuerto de Lisboa se presentan en el Capítulo 8. En ellos se puede apreciar cómo los diferentes algoritmos presentados en los capítulos anteriores desarrollan su cometido de manera muy satisfactoria. En aquellos casos en los que se aprecian diferencias con respecto a los resultados esperados, se trata de justificar la razón de los mismos y si se considera pertinente se añade dicha cuestión a la lista de temas a investigar en un futuro. Por último, el Capítulo 9 presenta lo que se consideran como dinamizadores actuales o futuros de esta tendencia enfocada en la evaluación de prestaciones para resumir, a continuación, las aportaciones realizadas por esta tesis e identificar las áreas que podrían dar lugar a futuras líneas de investigación en este campo. El trabajo concluye con una mirada prospectiva hacia lo que podría ser el futuro de las herramientas de evaluación de prestaciones en entornos de gestión de tráfico aéreo. Futuro éste que pinta bastante prometedor y lleno de oportunidades. ----------ABSTRACT---------- The increasingly widespread need for assessing the performance of systems in order to guarantee a certain quality of service (QoS) is fostering the appearance of tools in charge of performing this assessment, which are additionally required to be efficient both, from the point of view of the use of resources, not only material but also immaterial, as well as from an economic point of view. The air traffic management (ATM) environment, which is the field in which this thesis is developed, also reproduces this established trend for several decades now. Research and development programmes aiming at the evolution of the systems in charge of air traffic management, such as the European one, i.e. SESAR, already foresaw since the beginning an evolution in the way of managing air traffic from what was or continues to be an airspace-based management, towards what should be a trajectory-based management, whose next milestone would be the incorporation of the performance level into the service provision to aircraft and airlines, that is, to airspace users. This performance level is understood not only from the point of view of the service customer, that is, the airspace users, but also from the side of the service provider, that is, from the entities known as air navigation service providers (ANSP). The performance level offered by both parties will ultimately determine which services - and with what level of quality - can be requested by users and offered by the infrastructure put in place by the ANSP. Within the services offered by air traffic management, this thesis focuses on those related to the provision of air traffic control, i.e. those related to ensuring adequate separation of aircraft between each other and with respect to the terrain. Given the importance of this task, it is necessary not only to evaluate the performance of the systems responsible for providing these services, but also to continuously and, if possible, automatically monitor them to ensure that they are working in optimum conditions to guarantee the efficiency and safety of operations. Within the different domains that support the provision of air traffic management services (CNS/ATM), the one that focuses the attention of this thesis is surveillance (S). Specifically, it is the performance evaluation of the surveillance chain what keeps all the focus of interest. This chain ranges from the sensors that detect the targets, e.g. aircraft or airport vehicles, to the presentation of data on the screens that show the situational awareness picture to the controllers, also including communications networks and systems (e.g. routers or gateways), tracking systems and lastly, performance evaluation tools. This thesis begins (Chapter 1) with a top-down approach that starts from the concept of air traffic management and goes down to the field in which all the research is developed, which is known as the surveillance function. Its elements and systems are presented and the relationship between them is established. This function is usually divided into what is known as air surveillance, if the targets are airborne, and surface surveillance, if they are on the ground. In this thesis, the focus is on the performance evaluation of an airport surface surveillance chain, although without losing sight that the border between the two is certainly diffuse and, therefore, a certain transfer of information between them is expected. Given that the environment where the research will be focused is the airport, it is described along with its building elements since some of their characteristics will be exploited by the algorithms developed as part of this thesis. Within the surveillance chain, there are several components which might undergo a performance evaluation, in particular, sensors and tracking systems. Their characteristics, types, particularities, measurement models, coordinates in which they provide their data and the format used to send them are the subject of Chapter 2. This presentation is made per sensor families, starting with radars, which are clearly the dominant family nowadays, continuing with automatic dependent surveillance (ADS), especially the one known as ADS-B, and finally, ending with the family of sensors based on multilateration techniques, which includes both, the ones devoted to wide areas (WAM) and the more local ones known as MLAT or LAM. It is worth noting that there is currently a trend towards incorporating another family of sensors, which are more recent than the previous ones, that seeks to detect and locate targets independently and without the need for their cooperation. This family is known as independent and non-cooperative sensors (INCS). The chapter then also addresses aspects related to the data transmission from the sensors to the data processing centres, such as the data format, which is the well-known ASTERIX format, the transmission protocols, or the communications networks. Finally, the chapter concludes with a list of known problems of the presented sensors and with a prospective view of what surveillance can be in the future. The next chapter (Chapter 3) focuses on the systems that will be responsible for performance evaluation of both, sensors and tracking systems. This evaluation is carried out by performance evaluation tools (PET). This chapter tells the history of these tools, presents the standards that govern them, classifies them into different types and details the methods they use to perform their evaluation. Representative examples of the state of the art of these tools are incorporated including images of their look like. Next, the exercise of fitting them into the architecture defined within the SESAR programme is carried out, followed by a detailed description of what would be a logical and functional decomposition of these tools. The latter constitutes a first contribution of this thesis. Chapter 4 takes advantage of the functional decomposition made in the previous chapter to identify the ordered succession of processes that must be put in place in order to implement the necessary functionalities so that the tool can, at the end of this succession, provide the expected result. These processes are grouped in what have been called as processing blocks. Except for the block in charge of presenting the performance assessment and those considered as auxiliary, the rest are developed in a separate chapter. Thus, the processes related to reading and initially cleaning the data received from sensors and tracking systems are presented in Chapter 5. It is pertinent to highlight that these are processes that are not relevant from a research point of view. However, they contribute to get the full picture of the entire processing chain as they represent the start of the data processing. Without a good data acquisition, the rest of the processing ends up being completely useless. The processes involved in sensor data preparation before their fusion with the data generated by other sensors are detailed in Chapter 6. These processes implement what are known as the prerequisites of data fusion, which consist of the conversion of all data to the same reference coordinate system in which they can be compared, and the estimation and subsequent cancellation of any systematic error or bias that may have been incorporated into the data during the sensor measurement process or on the way to the data processing centre. This thesis provides a complete architecture not only for the estimation of the biases introduced by the sensors or those dependent on the aircraft, but also of the time biases derived from a lack of synchronisation between the different elements of the transmission chain. It is relevant to highlight that this proposal incorporates contextual information, such as the airport map or the physical characteristics of the aircraft, which allows improving the results of the bias estimation. Among the contributions included in this chapter, it is worth highlighting the algorithm that allows the identification of the airport segment in which each of the data received is located as this is the starting point for the whole bias estimation strategy. This strategy first identifies a reference sensor, whose biases are independently corrected, and then builds measurement pairs with data from the reference sensor, which is considered to be unbiased, and data from each of the remaining sensors. These pairs will finally be processed by algorithms based on measurement differences to estimate the biases of the other sensors. Chapter 7 represents the main motivation for this thesis, which is the reconstruction of the ideal trajectory followed by the aircraft, since it constitutes the reference against which the data generated by sensors and tracking systems will be compared to. From this comparison, indicators will be computed that will assess the performance of the systems under analysis. The trajectory reconstruction takes advantage of the knowledge of the airport and the aircraft features to obtain an estimate of the path followed by the targets. This estimate is provided by a smoothing algorithm that exploits both, past and future information with respect to a given moment. The design of this algorithm also represents a contribution of this thesis since it not only integrates contextual information, but also relies on movement models not previously considered in this field that allow to improve the estimation of the ideal trajectory. The testing results carried out on real data from Lisbon airport are presented in Chapter 8. They show how the different algorithms presented in the previous chapters perform their task in a very satisfactory way. In those cases where differences are found with respect to the expected results, the aim is to justify the reason for these differences and, if considered relevant, add this issue to the list of topics to be investigated in the future. Lastly, Chapter 9 presents the current and future dynamizers of this trend that is focused on the performance evaluation. Next, it summarizes the contributions made by this thesis and, finally, identifies the areas which could give rise to future research lines in this field. The thesis concludes with a forecast concerning the future of performance evaluation tools in air traffic management environments, which looks quite promising and full of opportunities.