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RADAR WORKSHOP 2016
MONASH UNIVERSITY, Clayton Campus
16th NOVEMBER 2016
Marcus Kruckow , Regional PoC,
André Weipert, Head of MET Information Systems
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ABOUT US Selex ES GmbH
• has been a service provider to the German
Military since 1961
• has more than 50 years of experience in
electronic equipment and radars
• focuses on meteorological systems,
services, solutions and the logistical
support
• produces weather radars in C-, S-, and X-
Band
• has installed close to 400 weather radars
in 76 countries worldwide
• employs approximately 170 highly-
qualified staff
• maintains facilities completely equipped for
production and tests
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OUR PRODUCTS & APPLICATIONS
Weather Radar Systems METEOR
• X-Band Magnetron
• C-Band Magnetron & Klystron
• S-Band Magnetron & Klystron
All State-of-the-Art Features
• Doppler & Dual Polarization
• Antenna Mounted Receivers
• Dynamic clutter filtering
• Automatic weather pattern
recognition & warnings
Wind Shear Detection Systems
• Lidar/Radar & Anemometer Based
• LLWAS
Serving all Applications
• General Meteorology
• Aviation Meteorology
• Hydrology
• Research
• Others (Agriculture, Forestry, Hydro-/Wind-Energy,
Storage reservoirs, Harbours, Off-shore platforms,
Utility companies, Military, etc.)
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OUR EMPLOYEES
4 © 2015 Selex ES GmbH - All rights reserved
31%
47%
9%
6% 4% 3%
Development
Production / Delivery
Sales & Marketing
Administration
Human Resources
Finance
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COMPANY HISTORY
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CUSTOMERS WORLDWIDE
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CUSTOMERS WORLDWIDE
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ENVIRONMENT AND CLIMATE CHANGE CANADA
9 © 2015 Selex ES GmbH - All rights reserved
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MÉTÉO FRANCE – OVER 30 RADARS SINCE 1988
10 © 2015 Selex ES GmbH - All rights reserved
FranceFrance
System Type Qty Frequency
METEOR 600S 3 S-Band
METEOR 600C 4 C-Band
METEOR 500C 10 C-Band
METEOR 50DX 7 X-Band
METEOR 360AS 2 S-Band
METEOR 300AC 3 C-Band
METEOR 300AS 1 S-Band
Rainscanner 2 X-Band
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SOME OF OUR CLOSE TO 400 INSTALLATIONS
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PRODUCT PORTFOLIO
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TYPES OF RADAR & APPLICATIONS
S-Band
• 2.7 – 2.9 GHz
• 400 km operating range
• Tropical regions, extreme precipitation, severe thunderstorms
• Low attenuation, long range
C-Band
• 5.4 – 5.8 GHz
• 200 km operating range
• Mean latitude regions, moderate precipitation
• Moderate attenuation, medium range
X-Band
• 9.6 – 9.8 GHz
• 100 km operating range
• Research, gap filling, wind shear detection, hydrological systems
• Short range applications,
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PRODUCT PORTFOLIO
Weather Radars Software Aviation Integration Services
METEOR 700C Rainbow® ShearScout®
Sonic 3rd Party Radars Consultancy
METEOR 735C Ravis® ShearScout® 3D Lidar Radar Siting
METEOR 1700C Lightning
Detection
Project
Management
METEOR 700S Raingauges Training
METEOR 1700S AWOS
Tailored
Maintenance
Contracts
METEOR 60DX,
mobile Disdrometer
Spare Part
Management
METEOR 60DX,
fixed ATC Consoles System Upgrades
RAINSCANNER® Nowcasting
(STEPS, Titan)
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FROM SITING TO SERVICE
RADAR WORKSHOP 2016
MONASH UNIVERSITY, Clayton Campus
16th NOVEMBER 2016
André Weipert, Head of MET Information Systems
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
Design Availability Standards
Network
Local Remote Centralized
Radar Management
MET Data Processing
Single Combined
MET Service Display Provision
Application Technology
Siting
FROM SITING TO SERVICE
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
10 min: Siting etc.
20 min: Network design + samples
20 min: Radar Management &
Surveillance
15 min: MET service provision
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
18
• A weather radar should do „simply“ its job • A radar operates sometimes like a black-box for the
user
Device, process, or system, whose inputs and outputs (and the
relationships between them) are known, but whose internal
structure or working is (1) not well up to at all, understood, (2) not
necessary to be understood for the job or purpose at hand, or (3)
not supposed to be known.
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
Radar Siting
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SITING
20
• Dimensions and infrastructure
• Safety distances for human
• General considerations
• Special restrictions: Airport applications
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
DIMENSIONS AND WEIGHT
21
Band Dimension
antenna
[m]
Dimension
radome
[m]
Total
weight
[kg]
X 2.4 3.5 1400
C 4.4 7.1 5000
S 8.5 11 16000
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SAFETY DISTANCES
Radar
System X-Band C-Band S-Band
Occupational
Area Far Field Distance RF 70 m 160 m 235 m
General
Public Area Far Field Distance RF 160 m 360 m 525 m
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
GENERAL CONSIDERATIONS …
23
• Main purpose of Wx radar (aviation, hydrology,
meteorology, tactical)
• Beam blockage (obstructions and ground clutter),
wave guide losses, wind farms
• Building permissions, transmitting frequency, radiation
safety analysis, nearby transmitters & interferences
• Local topography, climatological conditions
• Vegetation and future growth, future local
infrastructure & buildings
• Power supply, data connection, site access, equipment
storage, security
• Tower foundation, crane hard standing, soil capacity
conditions
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
ADDITIONAL ISSUES
24
• Remote unmanned
location
• Helicopter installation
• Specific tower types
(steel, concrete, …)
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3D WIND SHEAR SYSTEM FRANKFURT AIRPORT
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SPECIAL CASE: AIRPORT INSTALLATION (ANNEX 3 AND
ICAO DOC 9817)
26
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bereich
nicht
beschr
eiben!
Diesen
Bereic
h nicht
beschr
eiben!
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
RUNWAY DISTANCES (ICAO ANNEX 14)
27
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
GEOMETRICAL CONSIDERATIONS FOR RUNWAY ORIENTED
SHEAR
28
For good loss and gain
calculation, the difference
between β and α must be
small.
Quality parameter Q
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SUMMARY SITING
29
• Application defines siting.
• Siting is constrained and impacts coverage.
• Coverage impacts application …
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Network
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Bereic
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Radar Network 1
Aviation MET Radar 2
RADAR NETWORK APPLICATIONS
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Radar Network 1
RADAR NETWORK APPLICATIONS
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SIMPLIFIED CENTRALIZED SYSTEM LAYOUT
Com
munic
atio
n
Regional Centers
Country Dissemination
Systems
Alert Generation
Systems
Global Centers
Various (technology and
completion) weather radars
Communication
Com
munic
atio
n
Data Control and Processing
Center
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h nicht
beschr
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SIMPLIFIED CENTRALIZED SYSTEM LAYOUT
Com
munic
atio
n
Regional Centers
Country Dissemination
Systems
Warning Generation
Systems
Global Centers
Various (technology and
completion) Weather Radars
Communication
Com
munic
atio
n
Data Control and Processing
Center • Continuous and
automated
acquisition of
consolidated
(=quality
controlled) radar
raw data
• Local
consolidated MET
product
generation
• Local network
infrastructure
(server and
working places)
• Centralized radar
monitoring
• Consolidated MET
products
• Composite
processing
• Preparation for
dissemination
(GIS/XML/GML/
ODIM-HDF5/UF/
GeoTIFF, netCDF,
etc.)
• Sharing of
consistent and
tailored (fit for
purpose) MET
products, alerts,
geo-tagged
information, meta
data, gridded data,
geo-spatial
enabled polygons,
CAP (Common
Alert Protocol /
XML, etc.)
„End User“ data visualization / hybrid systems
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RADAR SITES CANADA BASED ON METEOR AND
RAINBOW 5
35
80°32'1.82"W
2017 2018 2019 2020 2021 2022
XBL Blainville QC XSM Strathmore XTI Timmins XNC Chipman XSS Silver Star M. WGJ Montreal River
Harbour 5.615 MHz
WSO Exeter XLA Landrienne XMB Marion Bridge XPG Prince George WTP Holyrood
XRA Radison XBU Schuller XDR Dryden XNI Lasseter Lake WVY Villeroy
XFW Foxwarren WWW Spirit River WUJ Aldergrove WHN Jimmy Lake XSI Mount Sicker
XWL Woodlands WMB Lac Castor XME Marble M. XFM Lower
Athebasca Area
XBE Bethune WHK Carvel XFT Franktown XGO Gore
WBI Britt WKR King XAM Val d'Irene
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ENVIRONMENTAL CANADA RADAR NETWORK
36
Composite &
Monitoring
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
ENVIRONMENTAL CANADA RADAR SITE
37
Management &
product generation
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TYPICAL MET INFORMATION
• Constant Altitude PPI, Column Maximum, Echo Height, Layer Mean Reflectivity, Vertvical Integrated Liquid Water Content
• Wind Fields, isotropic turbulence / EDR, shear
• Surface Rainfall Intensity, Precipitation Accumulation
• QPE, QPF
• Freezing Level Analysis, hail
• Gust Front, Microburst, Thunderstorm
• Echo classification
Local Products (inter alia)
• Surface Rainfall Intensity, Precipitation Accumulation
• QPE, QPF
• Thunderstorm Tracking
• Precipitation Classification
• Ensemble based rainfall prediction
Centralized Products (inter alia)
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Aviation MET Radar 2
RADAR NETWORK APPLICATIONS
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Acquisition Processing
Runway oriented speed
loss / gain
Base wind profiling
Processing of horizontal wind fields
Glide slope monitoring
Runway oriented alerts on adverse
weather condition
Radar / Lidar based Microburst and
Gust front Detection + LLWAS
integration
Airport airspace monitoring and
feature detection
Echo classification (rain, hail, etc.)
Data export (Asterix CAT008)
METEOR
Polarimetric Weather Radar
Doppler Lidar
AIRPORT SYSTEM OVERVIEW & TYPICAL MET PRODUCTS
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CHANGI AIRPORT WEATHER RADAR SYSTEM
NETWORK BASED ON METEOR AND RAINBOW 5
41
Network &
Firewall
Main airport
office
Radar and
data fusion
data servers
Lidar
servers
MET display
clients C-band
weather
radar
ATC Center
backend
servers
Local Area
Network
S-band
weather
radar
Doppler
Lidars
Server
backup
center
Different
display
clients
Control
tower
displays
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SUMMARY NETWORKS
42
• Sensor and IT networks tend to be more
and more complex
• Availability matters
• Data standards matter
• Sustainable serviceability and MRO
(maintenance, repair and operations)
matter
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
Radar Management
and Monitoring
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
MAIN COMPONENTS RADAR MANAGEMENT & MONITORING
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
MAIN COMPONENTS RADAR M & M
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SCAN MANAGEMENT
46
• The scan definition defines the radar system
performance tailored to a dedicated service
• Raise attention to 3 important “ingredients”:
• Individual scan definition per elevation
• Dynamic pulse width enables constant duty
cycle
• Dynamic radar calibration for scan time
optimization
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
INDIVIDUAL SCAN DEFINITION PER ELEVATION
47
Elevation (PPI)
slices
Signal processor
parameter
groups
Summary /
Overview
ZN
S
EW
AzimuthRange
Elevation
Volume
Scan
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DYNAMIC PULSE WIDTH ENABLES CONSTANT DUTY
CYCLE (1/2)
48
Background:
• Duty cycle is used to calculate the average power of a radar
system. There is a dependency between operational pulse
repetition frequency (PRF) and pulse width (PW) as well.
• Transmitter (magnetron & klystron) shall operate at a constant
duty cycle to increase thermal stability.
• Signal to noise ratio (SNR) should be high.
How to select the PW ?
• Doppler dilemma constraints radar range and PRF
• Maximum transmitter system duty cycle
(DC = 𝑃𝑅𝐹 ∙ 𝑃𝑊 = PW / PRT ) defines PW
Classical approach:
• Radar system provides a limited number of discrete, predefined
pulse widths (typically 3-4)
• For given PRF largest PWpredef. is selected because
𝑺𝑵𝑹(𝒅𝑩) ̴ 𝟐𝟎𝒍𝒐𝒈 (𝑷𝑾)
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DYNAMIC PULSE WIDTH ENABLES CONSTANT DUTY
CYCLE (2/2)
49
Dynamic Pulse Width:
• Automatic determination of PWdyn. for given PRF
considering constant (and optimized) TX duty cycle
Benefits:
• Operates transmitter at constant DC, i.e. increase of
thermal stability
• No discrete PW figures any more
• SNR improvement for selected radar range intervals
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Folie platziert werden, diesen Raum
freilassen
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Wenn mehr als zwei Objekte auf einer
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beschr
eiben!
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Bereic
h nicht
beschr
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
DYNAMIC RADAR CALIBRATION FOR SCAN TIME
OPTIMIZATION
© 2016 Selex ES GmbH 50
Classical approach:
• Interruption of operational data acquisition for
different calibrations inter alia noise sampling,
receiver, ZDR, …
• Extended scan time reduces cyclic volumetric
information
Dynamic Calibration:
• Calibration measurement / test signal injection during
scan beyond operational range
• Minimized delay of operational data acqusition
• Increased interval of calibration measurements
PPI scan 1, 2,3 and 4: Used for calibration measurements if sample
volume height > 15km
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
MAIN COMPONENTS RADAR M & M
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
DATA FLOW MET PROCESSING
52
3D – 3D Polar based corrections
3D – 2D Polar ->
F[CCG, S]
2D – 2D F[CCG, S] -> FN[CCG,S] FN[CCG, S]
-> Geo
ZN
S
EW
AzimuthRange
Elevation
Volume
Scan
CCG: Cartesian Coordinate Grid
S: Scalar
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
METEOROLOGICAL DATA PROCESSING
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beschr
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
OUTLOOK (2017 – 2019)
54
• Consistent, coherent, accurate and fit-for-purpose MET
information is key.
• Urban hydrology and aviation MET matters
• Innovations are driven by SESAR2020 -> ICAO -> WMO CAeM
• Extended MET data fusion (polarimetric radar, Doppler Lidar,
LLWAS-3, 3D scanning ceilometer, infrared cameras,…)
• Short term wind forecast based on Computational Fluid Dynamic
Model
• Tracking of convective cells in 3D/4D
• Research in wind shear / turbulence for curved approach
procedures
• Research in wake vortex applications and enhanced vision
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
MAIN COMPONENTS RADAR M & M
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RADAR SYSTEM MONITORING
56
• > 700 standard radar system „monitorables“ (out of >2000)
• Interactive visualization
• Storage time: One year (typically 100GB - 120GB)
Operational Radar System Monitoring
• Automated monitoring of deviations or threshold violations of critical parameters
• Daily, scheduled generation
• Storage time: At least 10 years
Medium to long term statistical assessment
• Automated incident reports
• Periodic status reports
Automated report generation
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THE ANALYST – INCIDENT REPORT GENERATOR
• Incident report triggered by
radar system on warning or
error HW conditions
• Shows initial and
subsequent issues
• Stores contextual conditions
(inter alia scan settings,
operating hours, …)
• Offers system record
containing all system
parameters for offline
• Creates automated PDF
reports
• Email service connectivity
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THE ANALYST – PERIODIC REPORT GENERATOR
• Automated periodic
status reports
• daily
• weekly
• monthly
• Plots of relevant system
parameters
• Plots of relevant system
parameter statistics
• Creates automated PDF
reports
• Email service
connectivity
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SUMMARY RADAR MANAGEMENT & MONITORING
59
• In order to tailor and optimize the radar
performance the capabilities of sensor
management are fundamental.
• The system should offer a dedicated set of
consolidated MET services and products.
• Local and remote system monitoring as
well statististical tools are key. Automated
incident and quality assessment measures
are essential.
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MET Service
Output
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DATA FLOW
61
Multi sensor data
acquisition, initial
Quality of
Services
Fusion /
Consolidation of
relevant MET
information
Customization
and translation
to specific
applications
Service oriented
MET information
Application -
oriented
visualization &
external service
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EXAMPLES FOR DATA VISUALIZATION
62
Desktop
Embedded &
touchscreen
Browser
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
WHAT WE SHOULD CONSIDER
63
• Using standards (architecture, OGC compliance, WFS, WCS, WMS)
• Maintainability, serviceability, scalability, hybrid enabled
• Providing MET information combined with GIS services
• Web enabled technology • Use Web language standards: HTML5/Javascript/CSS
for client technology • Scalable for meteorological/hydrological, tactical or
energy applications • Multi user, multi profile, seamless portfolio integration • Be flexible for 3rd party frameworks
OGC: Open Geospatial Consortium
WMS: Web Map Service
WFS: Web Feature Service
WMTS: Web MapTile Service
WPS: Web Processing Service
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Wenn mehr als zwei Objekte auf einer
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Diesen
Bereic
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Bereic
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SYSTEM DESIGN– PHYSICAL VIEW OF SMARTWX
64
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Bereic
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beschr
eiben!
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Diesen Bereich
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr als 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SYSTEM DESIGN – PROCESS VIEW OF SMARTWX
65
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Bereic
h nicht
beschr
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr als 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
ARCHITETURAL LAYOUT OF SMARTWX
66
SQL
Queries JPG/PNG Image
GeoJSON/JSON
WMS
WFS
WCS
REST
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Bereic
h nicht
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Bereic
h nicht
beschr
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr als 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SYSTEM DESIGN - BROWSER
© 2016 Selex ES GmbH – Company confidential 67
Main Layer Definition
Meteorological Products
Auto Update/Data Selection
Toolbar/Animation
Option/Settings
Radar Data
Underlaying
Map
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SYSTEM DESIGN - BROWSER
© 2016 Selex ES GmbH – Company confidential 68
Different GIS Services
Zoomable on
street level
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Bereic
h nicht
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr als 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
SYSTEM DESIGN - BROWSER
69
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bereich
nicht
beschr
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Diesen
Bereic
h nicht
beschr
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bereichnicht
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bereichnicht
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Der Titel einer Standardfolie sollte nicht mehr wie 34 Zeichen haben. Maximum sind 38 Zeichen, bei dann kleinerer Schrift .
• Siting Application defines siting.
Siting is constrained and impacts coverage.
Coverage impacts application …
• Network Complex IT is a growing demand and
needs the suppliers preparedness.
• Sensor Management Innovative radar surveillance and
radar control is the key enabler for return of
investment for sensing technologies.
• MET data services Consolidated sensor data processing
and fusion are key. Availability is key.
Maintainability is key. Standardization is key.
Scalability is key.
• MET Service Provison Web standards and hybrid back-ends are
fundamental.
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Wenn mehr als zwei Objekte auf einer
Folie platziert werden, diesen Raum
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Bereic
h nicht
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