www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Noções básicas de radar

Precisão dos radares

Precisão é o grau de conformidade entre a posição estimada ou medida e / ou a velocidade de uma plataforma em um determinado momento e sua verdadeira posição ou velocidade. A precisão do desempenho da navegação de rádio é geralmente apresentada como uma medida estatística do erro do sistema e é especificada como:

  1. Previsível: A precisão de uma posição em relação às coordenadas geográficas ou geodésicas da Terra.
  2. Repetível: A precisão na qual um usuário pode retornar a uma posição cujas coordenadas foram medidas em um momento anterior com o mesmo sistema de navegação.
  3. Relativa: A precisão que um usuário pode determinar uma posição em relação a outra (negligenciando todos os possíveis erros).

O valor declarado da precisão requerida representa a incerteza do valor relatado em relação ao valor verdadeiro e indica o intervalo em que o valor verdadeiro está com uma probabilidade declarada. O nível de probabilidade recomendado é de 95 por cento, o que corresponde a 2 desvios padrão da média para uma distribuição normal (Gaussian) da variável. A suposição de que toda correção conhecida é levada em consideração implica que os erros nos valores relatados terão um valor médio (ou bias) próximo de zero.

Qualquer bias residual deve ser pequeno em comparação com o requisito da precisão declarada. O valor real é aquele valor que, sob condições operacionais, caracteriza perfeitamente a variável a ser medida / observada ao longo do tempo representativo, área e / ou intervalo de volume requerido, levando em conta localização e exposição.

erro de medição
pulso + ruído
limite
pulso ideal

Figura 1: Falsificação da borda de pulso devido à superposição de ruído

erro de medição
pulso + ruído
limite
pulso ideal

Figura 1: Falsificação da borda de pulso devido à superposição de ruído

Precisão na determinação de alcance

A precisão máxima teórica com a qual uma distância pode ser medida depende da precisão da medição do tempo de execução.

Erro de Medição Aleatória

Um erro aleatório ocorre com um radar de pulso quando a borda ascendente do sinal de eco é distorcida pelo ruído. Como o pulso é sempre sobreposto com ruído durante a medição e o pulso mais o ruído é medido como amplitude, o pulso também é exibido maior na realidade. Isso desloca a borda de pulso e causa um erro de medição na medição do tempo de execução.

A figura 1 mostra a influência do ruído na borda detectada no pulso de eco. A linha sólida (magenta) mostra um impulso trapezoidal quase ideal, com as bordas muito íngremes. Esse pulso não pode se tornar muito retangular porque isso exigiria uma largura de banda infinita. O tempo é medido em um ponto determinado por um valor limite, geralmente em 0,707 da tensão máxima. No entanto, esse pulso é sobreposto ao nível de ruído (verde). Somente uma tensão pode ser medida, que é formada pela soma da tensão instantânea do pulso e do ruído (linha amarela pontilhada)(linha azul pontilhada). Essa tensão excede o valor limite em um momento anterior ao pulso limpo. A diferença é o erro de medição aleatório causado pelo ruído.[1]

Se a duração do pulso é conhecida (o que não pode ser o caso do radar primário, mas com o radar secundário), então este erro aleatório pode ser reduzido matematicamente pela avaliação simultânea das bordas frontal e traseira do pulso.

Contexto Matemático

Como mostrado na Figura 1, a precisão da medição de distância depende essencialmente do ruído ou melhor: o tamanho do ruído em relação ao impulso. Essa quantidade é descrita pela relação sinal-ruído (SNR). O tamanho do ruído em si também depende da largura de banda. A inclinação da borda de pulso também depende da largura de banda. Para uma relação sinal-ruído consideravelmente maior que 1, existe a seguinte relação entre essas variáveis:[2]

(1)

  • δR = erro de medição
  • c0 = velocidade da luz
  • B = largura de banda
  • SNR = relação sinal-ruído

No entanto, a largura de banda também é significativa para a resolução da faixa de radares Sr = c0 / 2B. Assim, a máxima precisão alcançável também pode ser representada em função da resolução do alcance dos radares:

(2)

A partir disso, pode-se observar que a precisão máxima alcançável na determinação da faixa deve ser consideravelmente melhor que a resolução da faixa.

Erros de Medição Sistemática

Com um radar de pulso, o tempo de execução é geralmente medido a partir da borda de subida do pulso de transmissão até a borda de subida do sinal de eco. A precisão dessa medição depende da magnitude da freqüência do relógio para essa medição de tempo. Os resultados de medição entre os ciclos não são possíveis e geram um erro de medição sistemático. Praticamente, a precisão depende do tamanho das células de intervalo individuais no processamento de sinal. A ICAO recomenda[3] um tamanho celular de 1/128 NM, ou seja, cerca de 14,5 m, para radar de vigilância aérea de controle de tráfego aéreo, que corresponde a um intervalo de tempo de quase 10 nanossegundos.

Com um radar CW, a medição do deslocamento de fase do sinal recebido em relação à fase atual do transmissor pode conter informações de distância (ainda que ambíguas).

A precisão de um radar FMCW também depende do transmissor, especialmente na inclinação e linearidade do desvio de frequência.

Precisão na medição de ângulo
Padrão de separação em rota
Precisão do Azimute Especificado:
„Janela Deslizante“ ATCRBS (e ARSR)
Monopulse ATCRBS/Mode S
Distância do Radar (NM)

Figura 2: Dependência da precisão angular do intervalo
(Fonte: Laboratório Lincoln do MIT)

Padrão de separação em rota
Precisão do Azimute Especificado:
„Janela Deslizante“ ATCRBS (e ARSR)
Monopulse ATCRBS/Mode S
Distância do Radar (NM)

Figura 2: Dependência da precisão angular do intervalo
(Fonte: Laboratório Lincoln do MIT)

A precisão da medição do ângulo depende dos métodos internos de processamento do sinal e das condições externas. Condições de propagação anômala, que freqüentemente ocorrem devido a mudanças na pressão do ar em medições de ângulo de altura, podem, em princípio, também ocorrer em ângulos laterais e formar um erro aleatório. No entanto, fontes de erros sistemáticos mais frequentes ocorrem internamente.

Por exemplo, a determinação do ângulo pela janela deslizante é um procedimento bastante impreciso. Na prática, a meia largura da antena é apenas dividida pelo número de quantificações do método (por exemplo, 8 ou 16 períodos de pulso) e, assim, resulta em um erro sistemático da ordem de grandeza de até um grau. Outros métodos de correlação também podem interpolar valores intermediários e, portanto, são muito mais precisos. A melhor precisão é atualmente obtida com a varredura cônica e o método monopulso.

Como é realizada uma medição?

A medição é realizada exatamente como o resultado da medição é definido: a posição medida pelo radar é comparada com a posição real do alvo. No caso de um radar de vigilância aérea, um voo de teste é realizado para esse fim, por exemplo, pela FCS Flight Calibration Services GmbH. A bordo da aeronave Learjet 35 existe um gravador que registra a posição atual da aeronave usando GPS diferencial com precisão inferior a um metro. Ao mesmo tempo, a trajetória de voo também é registrada na unidade de radar. Uma vez que ambos os gravadores são sincronizados através da base de tempo também fornecida pelo sistema GPS, as posições podem ser exatamente comparadas umas com as outras.

Métodos estatísticos também são usados para o cálculo. Medições errôneas óbvias são excluídas do cálculo porque o erro sistemático da unidade de radar deve ser calculado. Isso não significa, no entanto, que muitos sucessos sejam necessários (talvez para alcançar um bom valor). Se o radar usa tecnologia monopulse, então um valor também é determinado para cada pulso. Se o radar determinar a posição usando o método da janela deslizante, o respectivo valor será determinado de acordo com o número concreto de ocorrências necessárias.

Para uma boa precisão na determinação da distância, é necessária uma borda estável e íngreme do pulso do radar. Esta borda de pulso íngreme geralmente não é visível quando a modulação intrapulso é usada. Mas aqui tem que ser dito que a distância só pode ser medida após a compressão do pulso. Neste momento, o impulso (agora comprimido) está presente novamente com uma inclinação muito boa da borda.

A única condição para a medição é que o radar opere em um ambiente livre de interferências. Meios livres de interferência: o sinal de eco recebido não é sobreposto por sinais externos de interferência. Isso também inclui o nível de ruído. Uma medição útil é, portanto, somente possível se a intensidade do sinal do sinal de eco medido da aeronave for muito maior do que o nível de ruído. Finalmente, uma calibração de vôo deve detectar possíveis erros sistemáticos adicionais e não erros aleatórios.

Exemplos fornecidos

Alguns resultados de unidades de radar são indicados na seguinte tabela como exemplo:

unidade de radarrumo de precisãoprecisão de alcanceexatidão em altura
BOR–A 550< ±0.3°< 20 m 
LANZA< ±0.14°< 50 m340 m ≈ 1150 feet (at 100 NM)
GM 400< ±0,3°< 50 m600 m ≈ 2000 feet (at 100 NM)
RRP–117< ±0,18°< 463 m1000 m ≈ 3000 feet (at 100 NM)
MSSR-2000< ±0.049°< 44.4 m 
STAR-2000< ±0.16°< 60 m 
Variant< ±0.25°< 25 m 

Tabela 1: Examplos

Referências:

  1. Merrill I. Skolnik: ''Introduction to Radar Systems'' McGraw-Hill Europe, 2001, ISBN 007-118189-x , S. 317, Topic 6.3 Theoretical Accuracy of Radar Measurements
  2. G. Richard Curry: ''Radar System Performance Modeling'' 2005, ISBN 978-1-58053-816-9, S.168
  3. ICAO Annex 10 - Volume 4. Aeronautical Telecommunications - Surveillance and Collision Avoidance Systems, Topic 4.3.2.1.3 Range and Bearing Accuracy, (Bundesamt für Zivilluftfahrt, Schweiz)