حدد الاتجاه إلى المطار باستخدام RTL-SDR وراديو GNU

يا هبر!

في الوقت الحالي ، لا يوجد الكثير من معايير الاتصال التي ، من ناحية ، مثيرة للفضول ومثيرة للاهتمام ، من ناحية أخرى ، لا يستغرق وصفها 500 صفحة بتنسيق PDF. واحدة من هذه ، سهلة فك التشفير ، هي إشارة منارة الراديو VHF Omni-Direction (VOR) المستخدمة في الملاحة الجوية.

VOR منارة (ج) wikimedia.org

بادئ ذي بدء ، سؤال للقراء - كيفية تكوين إشارة بحيث يمكن تحديد الاتجاه بمساعدة هوائي استقبال متعدد الاتجاهات؟ الجواب تحت الخفض.

معلومات عامة

نظام نطاق متعدد الاتجاهات عالي التردد تم استخدام (VOR) للملاحة الجوية منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، ويتكون من منارات لاسلكية قصيرة المدى نسبيًا (50-100 كم) ، تعمل في نطاق تردد VHF من 200-108 ميجاهرتز. الآن ، في عصر الجيجاهيرتز ، يبدو الاسم ذو التردد العالي جدًا بالنسبة لمثل هذه الترددات مضحكًا ويتحدث في حد ذاته عن سن من هذا المعيار ، ولكن بالمناسبة ، لا تزال إشارات التنبيه تعمل NDBتعمل في نطاق الموجة المتوسطة 400-900 كيلو هرتز.

يعد وضع هوائي اتجاهي على الطائرة أمرًا غير مريح من الناحية الهيكلية ، لذلك نشأت مشكلة كيفية تشفير المعلومات حول الاتجاه إلى المنارة في الإشارة نفسها. يمكن تفسير مبدأ العملية "على الأصابع" على النحو التالي. لنتخيل أن لدينا منارة عادية ترسل شعاعًا ضيقًا من الضوء الأخضر ، يدور المصباح منه مرة واحدة في الدقيقة. من الواضح أننا سنرى وميضًا من الضوء مرة واحدة في الدقيقة ، لكن مثل هذا الفلاش لا يحمل الكثير من المعلومات. دعونا نضيف الثانية إلى المنارة غير موجه يومض مصباح أحمر في اللحظة التي يمر فيها شعاع المنارة في اتجاه الشمال. لأن فترة الوميض وإحداثيات المنارة معروفة ، من خلال حساب التأخير بين الومضات الحمراء والخضراء ، يمكنك إيجاد السمت في الشمال. كل شيء بسيط. يبقى أن تفعل الشيء نفسه ، ولكن بمساعدة الراديو. تم حل هذا عن طريق تغيير المراحل. يتم استخدام إشارتين للإرسال: المرحلة الأولى ثابتة (مرجعية) ، وتتغير طور المرحلة الثانية (المتغيرة) بطريقة معقدة اعتمادًا على اتجاه الإشعاع - لكل زاوية تحول طور خاص بها. وهكذا ، سيستقبل كل مستقبِل إشارة ذات انزياح طور "خاص به" يتناسب مع سمت المنارة. يتم تنفيذ تقنية "التشكيل المكاني" باستخدام هوائي خاص (Alford Loop ، انظر KDPV) وتشكيل خاص صعب نوعًا ما. وهو في الواقع موضوع هذا المقال.

لنتخيل أن لدينا منارة تراثية عادية تعمل منذ الخمسينيات وتنقل الإشارات في تعديل AM المعتاد في شفرة مورس. ربما ، في يوم من الأيام ، استمع الملاح حقًا إلى هذه الإشارات في سماعات الرأس وحدد الاتجاهات بمسطرة وبوصلة على الخريطة. نريد إضافة ميزات جديدة للإشارة ، ولكن بطريقة لا "تكسر" التوافق مع الميزات القديمة. الموضوع مألوف ، لا شيء جديد ... تم القيام به على النحو التالي - تمت إضافة نغمة بتردد منخفض 50 هرتز إلى إشارة AM ، والتي تعمل كإشارة مرحلة مرجعية ، ومكون عالي التردد مشفر بواسطة تعديل التردد عند تردد 30 كيلو هرتز ، يرسل إشارة طور متغير. من خلال اختيار إشارتين ومقارنة المراحل ، نحصل على الزاوية المرغوبة من 9.96 إلى 0 درجة ، وهي السمت المطلوب. في الوقت نفسه ، كل هذا لا يتعارض مع الاستماع إلى المنارة "بالطريقة المعتادة" ويظل متوافقًا مع أجهزة استقبال AM القديمة.

دعنا ننتقل من النظرية إلى التطبيق. لنبدأ جهاز استقبال SDR ، وحدد تعديل AM وعرض النطاق الترددي البالغ 12 كيلو هرتز. يمكن العثور بسهولة على ترددات إشارات VOR على الويب. على الطيف ، تبدو الإشارة كما يلي:

في هذه الحالة ، يتم إرسال إشارة المنارة بتردد 113.950 ميغاهرتز. يظهر خط تعديل السعة الذي يسهل التعرف عليه وإشارات شفرة مورس (.- - ... مما يعني AMS ، أمستردام ، مطار شيفول) في المركز. على مسافة 9.6 كيلو هرتز من الموجة الحاملة ، تظهر قمتان ، تنقل الإشارة الثانية.

دعنا نسجل الإشارة في WAV (ليس MP3 - الضغط مع فقد البيانات سوف "يقتل" بنية الإشارة بالكامل) ونفتحها في راديو جنو.

فك

الخطوة 1. لنفتح الملف بالإشارة المسجلة ونطبق مرشح تمرير منخفض عليه للحصول على أول إشارة مرجعية. يظهر الرسم البياني لراديو جنو في الشكل.

النتيجة: إشارة منخفضة التردد بتردد 30 هرتز.

الخطوة 2: فك شفرة إشارة الطور المتغير. كما ذكرنا سابقًا ، فهو يقع على تردد 9.96 كيلو هرتز ، ونحن بحاجة إلى نقله إلى تردد صفري وتزويده بمزيل التشكيل FM.

الرسم البياني لراديو جنو:

كل شيء ، تم حل المهمة. نرى إشارتين ، يشير اختلاف الطور منهما إلى الزاوية من جهاز الاستقبال إلى منارة VOR:

الإشارة صاخبة تمامًا ، وقد تكون هناك حاجة إلى ترشيح إضافي للحساب النهائي لفرق الطور ، ولكن نأمل أن يكون المبدأ واضحًا. بالنسبة لأولئك الذين نسوا كيفية تحديد فرق المرحلة ، فإن الصورة من Aviation.stackexchange.com:

لحسن الحظ ، لا يمكن القيام بكل هذا يدويًا: يوجد بالفعل مشروع منتهي في Python تقوم بفك تشفير إشارات VOR من ملفات WAV. في الواقع ، ألهمتني دراسته لدراسة هذا الموضوع.

يمكن لأولئك الذين يرغبون في تشغيل البرنامج في وحدة التحكم والحصول على الزاوية النهائية بالدرجات من الملف المسجل بالفعل:

يمكن لعشاق الطيران صنع جهاز الاستقبال المحمول الخاص بهم باستخدام RTL-SDR و Raspberry Pi. بالمناسبة ، على متن طائرة "حقيقية" ، يبدو هذا المؤشر كالتالي:

صورة © www.aopa.org

اختتام

مثل هذه الإشارات "من القرن الماضي" مثيرة للاهتمام بالتأكيد للتحليل. أولاً ، إنها إدارة DRM بسيطة جدًا وحديثة أو حتى GSM ، لذلك من المستحيل فك تشفير "على الأصابع" بهذه الطريقة. إنها مفتوحة للاستقبال ، وليس لديهم مفاتيح وتشفير. ثانيًا ، ربما سيصبحون في المستقبل تاريخًا وسيحل محلهم نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية وأنظمة رقمية أكثر حداثة. ثالثًا ، تسمح لك دراسة هذه المعايير باكتشاف تفاصيل فنية وتاريخية مثيرة للاهتمام حول كيفية حل المشكلات في الدوائر الأخرى وقاعدة العناصر في القرن الماضي. لذلك يمكن نصح مالكي أجهزة الاستقبال باستقبال مثل هذه الإشارات أثناء استمرار عملهم.

كالعادة ، نتمنى لك التوفيق في تجاربك.

المصدر: www.habr.com