АЗН-В / ADS-B приемник по технологии SDR

АЗН-В/ADS-B приемник с использованием технологии Software Defined Radio (SDR) (кликните по картинке для увеличения)

Использование технологии SDR (Software Defined Radio) позволяет работать напрямую с радионесущей уже в домене программного обеспечения. Очевидно, что для профессионального использования необходимо учитывать вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС), а говоря проще – воздействия помех со стороны других источников излучения, которые не обязательно должны находиться в этом же диапазоне. Близлежащая ФМ станция может очень просто создать такую помеху, которая повлияет на характеристики обнаружения сигнала сквиттера с борта. И как следствие – необходим входной полосовой фильтр, далее с учетом потерь фильтрации малошумящий усилитель, и так далее. Но в данном случае нас интересует принципиальная организация тракта радиоприема АЗН-В, который нашел воплощение в прототипе который показан на фото. Данный приемник представляет из себя, как говорят в таких случаях, POC: Proof of Concept, доказательство верности концептуальных подходов к реализации, реализуемость ключевых принципов, положенных в основание системы.

Описание начнем с первого вопроса: в каком виде с борта к нам приходит сигнал сквиттера?

Сквиттер АЗН-В: Pulse Position Modulation и код Манчестера

Адресно – навигационная информация с борта как последовательность бит включается в пакет, который излучается бортом как широковещательная (сквиттер) рассылка. Пакет состоит из преамбулы, состоящей из неизменной фиксированной и заранее известной последовательности из 8 бит длительностью 8 мкс и следующих за ней 56 или 112 блоков данных, каждый из которых занимает 8 мкс. Биты данных кодируются кодом Манчестера, который показывает переходы из 0 в 1 или наоборот в исходных данных. Такое кодирование дает следующее:

• исчезает “постоянная составляющая” в потоке данных (эфир не может передать постоянную составляющую!): если в исходной комбинации преобладают нули или единицы, выходная последовательность все равно будет периодичной и состоять из перемежающихся нулей и единиц;
• перемежающаяся последовательность содержит информацию о синхронизации, то есть является самосинхронизирующейся.

Использование кода Манчестера приводит к кодированию местоположением импульса (Pulse Position Modulation, PPM). При скорости передачи 1Мбит/с на несущей  1090 МГц во временном интервале 1 мкс, выделенном для каждого бита, единица будет представлена импульсом 0,5 мкс находящимся в начале этого интервала, нуль будет представлен импульсом 0,5 мкс который будет находиться в конце интервала:

Структура пакета АЗН-В

Таким образом, в потоке бит данных с частотой 1 МБит/с всегда будут присутствовать импульсы, и только их положение по времени говорит о том, ноль это или единица.

Теперь немного о преамбуле. Она используется для распознавания начала пакета, поскольку ее битовая структура известна, и к тому же она (как и любая другая правильная синхронизирующая последовательность) не может встретиться в потоке данных, посколькую содержит пропуски в импульсах. По преамбуле в реальном времени идет настройка максимального и минимального уровня сигнала, чтобы адаптироваться под конкретные характеристики образуемой радиолинии борт – земля. Кроме этого, контролируется целостность преамбулы, которая может быть разрушена наложением сквиттера с другого борта. Используя настроенные параметры, приемник использует их для определения порога обнаружения информационных импульсов. При обработке информационных импульсов используются и другие критерии целостности данных, помимо контрольной суммы.

Proof of Concept: структура прототипа

Как показано на фото, прототип состоит из следующих узлов: простейшей широкополосной антенны, приемного модуля с антенным входом и USB выходом, который в свою очередь подключен к USB разъему одноплатного компьютера SBC (Single Board Computer).

Приемный модуль фактически является приемником прямого преобразования и оснащен быстродействующим АЦП с частотой выборки 2 Ms/s. Оцифрованный поток векторных данных I/Q направляется в USB SBC.

SBC имеет ARM архитектуру и работает под ОС Linux. Входной поток I/Q данных проходит демодуляцию и преобразуется в вещественную форму. ПО обработки содержит отдельный тред (thread), который обеспечивает поиск преамбулы во входных данных в соответствии с описанными критериями, и при нахождении преамбулы декодирует информационную часть пакета, извлекая информацию о номере борта ИКАО, его координатах и скорости. В соответствии с документом RTCA DO-282B, используется Downlink Format (DF) DF=17, предназначенный для АЗН-В. Декодированные SBC выдает по протоколу TCP/IP (желтый Ethernet кабель на фото), где они могут быть использованы в трекинговых системах, мультисенсорных системах наблюдения и КСА УВД/ATC.

Операционная система и программы обработки располагаются на флеш-карте. Источник питания на фото не показан.

Тесты

Собственно говоря, для тестов нашего POC прототип размещается на столе, антенна находится там же, включаем электропитание и наблюдаем на экране что летает сверху. Надо мной (Северо – Запад Москвы) в тот момент летало следующее:

Лог приемника АЗН-В. Показаны все сообщения со всех бортов в порядке поступления

В данном режиме, приемник АЗН-В просто выводит лог всех сообщений со всех бортов, которые к нему поступили так, как они пришли во времени. Так, например для воздушного судна с адресом ИКАО 42498d показаны сообщения расширенного сквиттера. В другом режиме отображения, который приведен ниже, все данные разнесены по бортам, которые в настоящий момент находятся в зоне действия приемника:

Список бортов, находящихся в воздухе, с координатами АЗН-В

Здесь каждой строке соответствует один борт со своим номером рейса, и приведены данные по его скорости, широте и долготе. Параметр Seen показывает на периодичность обновления информации: это таймер, который сбрасывается в ноль каждый раз, когда приходит сообщение. Из списка следует, что для борта с идентификатором 424049 последнее сообщение было 44 секунды назад и он вышел из зоны действия приемника. Для рейсов AFL1422, AFL205 и AFL1123 высокая частота обновления сообщений: их таймеры постоянно сброшены в ноль.

Есть возможность наложить полученные геодезические данные на карту Google Maps. Например, для борта с адресом ИКАО 42498d, которому соответствует номер рейса AFL521, так выглядит его положение на карте Московской области и даже трек с указанием направления движения:

Данные приемника АЗН-В, наложенные на карту Google Maps

Таблица справа содержит список всех бортов, находящихся в данный момент в воздухе, в зоне действия приемника АЗН-В.

Таким образом, наш Proof of Concept подтверждает реализуемость тракта обработки приемника АЗН-В с использованием принципов SDR. Для улучшения характеристик этого приемника, а также для возможности его использования на профессиональном рынке необходимо сделать следующее:

• добавить входной фильтр и малошумящий усилитель;
• для зон с высокой интенсивностью полетов использовать многосекторную антенну;
• использовать дополнительные алгоритмы обработки для дискриминации помех;
• добавить программный интерфейсный модуль Asterix для сопряжения с КСА УВД;
• сделать редизайн конструкции для размещения приемника в стандартном конструктиве Евромеханика 3U;
• добавить функции контроля и управления, в том числе удаленного.

Но самое главное – работают базовые технологии.