Определете посоката към летището с помощта на RTL-SDR и GNU Radio

Хей Хабр!

В момента няма толкова много комуникационни стандарти, които от една страна да са любопитни и интересни, от друга страна описанието им не заема 500 страници в PDF формат. Един от тях, лесен за декодиране, е сигналът VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR), използван във въздушната навигация.

VOR Beacon (c) wikimedia.org

Първо, въпрос към читателите - как да формирате сигнал, така че с помощта на всепосочна приемна антена да е възможно да се определи посоката? Отговорът е под разфасовката.

Обща информация

Система Много високочестотен всепосочен обхват (VOR) се използва за въздушна навигация от 50-те години на миналия век и се състои от радиомаяци с относително малък обхват (100-200 km), работещи в VHF честотния диапазон от 108-117 MHz. Сега, в ерата на гигахерците, наименованието много висока честота по отношение на такива честоти звучи смешно и само по себе си говори за възраст на този стандарт, но между другото маяците все още работят NDBработещи в средния вълнов диапазон от 400-900 kHz.

Поставянето на насочена антена на самолет е структурно неудобно, така че възникна проблемът как да се кодира информация за посоката към маяка в самия сигнал. Принципът на работа "на пръстите" може да се обясни по следния начин. Да си представим, че имаме обикновен фар, който излъчва тесен сноп зелена светлина, чиято лампа се върти 1 път в минута. Очевидно веднъж в минута ще виждаме проблясък на светлина, но един такъв проблясък не носи много информация. Нека добавим втори към фара ненасочен червена лампа, мигаща в момента, когато лъчът на маяка "премине" посоката на север. защото периодът на проблясък и координатите на маяка са известни, като се изчисли закъснението между червените и зелените проблясъци, можете да намерите азимута на север. Всичко е просто. Остава да направите същото, но с помощта на радиото. Това беше решено чрез смяна на фазите. За предаване се използват два сигнала: фазата на първия е постоянна (референтна), фазата на втория (променлива) се променя по сложен начин в зависимост от посоката на излъчване - всеки ъгъл има собствено фазово изместване. Така всеки приемник ще получи сигнал със "свое" фазово изместване, пропорционално на азимута спрямо маяка. Технологията на "пространствената модулация" се осъществява с помощта на специална антена (Alford Loop, вижте KDPV) и специална, доста сложна модулация. Което всъщност е и темата на тази статия.

Нека си представим, че имаме обикновен наследен маяк, който работи от 50-те години и предава сигнали в обичайната AM модулация в морзов код. Вероятно някога навигаторът наистина е слушал тези сигнали в слушалки и е маркирал посоките с линийка и компас на картата. Искаме да добавим нови функции към сигнала, но по начин, който не „нарушава“ съвместимостта със старите. Темата е позната, нищо ново ... Направено е по следния начин - към АМ сигнала е добавен нискочестотен 30 Hz тон, който действа като референтен фазов сигнал, и високочестотен компонент, кодиран чрез честотна модулация при честота 9.96 kHz, предаващ сигнал с променлива фаза. Избирайки два сигнала и сравнявайки фазите, получаваме желания ъгъл от 0 до 360 градуса, което е желаният азимут. В същото време всичко това не пречи на слушането на маяка "по обичайния начин" и остава съвместимо със старите AM приемници.

Да преминем от теория към практика. Нека стартираме SDR приемника, изберете АМ модулация и честотна лента от 12 kHz. Честотите на VOR маяци могат лесно да бъдат намерени в мрежата. В спектъра сигналът изглежда така:

В този случай сигналът на маяка се предава на честота 113.950 MHz. Лесно разпознаваемата линия на амплитудна модулация и сигнали с морзов код (.- - ... което означава AMS, Амстердам, летище Шипхол) се виждат в центъра. Приблизително на разстояние 9.6 kHz от носителя се виждат два пика, предаващи втория сигнал.

Нека запишем сигнала във WAV (не MP3 - компресията със загуби ще "убие" цялата структура на сигнала) и го отворим в GNU Radio.

Декодиране

Стъпка 1. Нека отворим файла със записания сигнал и да приложим нискочестотен филтър към него, за да получим първия референтен сигнал. Графиката на GNU Radio е показана на фигурата.

Резултат: нискочестотен сигнал с честота 30 Hz.

Стъпка 2: декодира сигнала с променлива фаза. Както бе споменато по-горе, той се намира на честота 9.96 kHz, трябва да го прехвърлим на нулева честота и да го подадем към FM демодулатора.

GNU Radio графика:

Всичко, задачата е решена. Виждаме два сигнала, чиято фазова разлика показва ъгъла от приемника към VOR маяка:

Сигналът е доста шумен и може да се наложи допълнително филтриране за окончателното изчисляване на фазовата разлика, но принципът, надяваме се, е ясен. За забравилите как се определя фазовата разлика снимката е от aviation.stackexchange.com:

За щастие, всичко това ръчно не може да се направи: вече има готов проект в Python, който декодира VOR сигнали от WAV файлове. Всъщност неговото проучване ме вдъхнови да проуча тази тема.

Желаещите могат да пуснат програмата в конзолата и да получат готовия ъгъл в градуси от вече записания файл:

Феновете на авиацията могат дори да направят свой собствен преносим приемник с помощта на RTL-SDR и Raspberry Pi. Между другото, на „истински“ самолет този индикатор изглежда така:

Изображение © www.aopa.org

Заключение

Подобни сигнали "от миналия век" определено са интересни за анализ. Първо, те са доста прости, модерни DRM или още повече GSM, така че е невъзможно да се декодира „на пръсти“ така. Отворени са за прием, нямат ключове и криптография. Второ, може би в бъдеще те ще останат история и ще бъдат заменени от сателитна навигация и по-модерни цифрови системи. Трето, изучаването на такива стандарти ви позволява да откриете интересни технически и исторически подробности за това как проблемите са били решени на други схеми и елементна база от миналия век. Така че собствениците на приемници могат да бъдат посъветвани да приемат такива сигнали, докато те все още работят.

Както обикновено, успех в експериментите.

Източник: www.habr.com