مسیر فرودگاه را با استفاده از RTL-SDR و رادیو GNU تعیین کنید

هی هابر!

در حال حاضر استانداردهای ارتباطی زیادی وجود ندارد که از یک طرف کنجکاو و جالب باشد، از طرف دیگر توضیحات آنها 500 صفحه در قالب PDF را اشغال نمی کند. یکی از اینها که رمزگشایی آن آسان است، سیگنال VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR) است که در ناوبری هوایی استفاده می شود.

VOR Beacon (c) wikimedia.org

برای شروع، یک سوال برای خوانندگان - چگونه یک سیگنال تشکیل دهیم تا با کمک یک آنتن گیرنده همه جهته بتوان جهت را تعیین کرد؟ جواب زیر برش است.

اطلاعات عمومی

سیستم محدوده فرکانس همه جانبه بسیار بالا (VOR) از دهه 50 قرن گذشته برای ناوبری هوایی استفاده شده است و از چراغ های رادیویی با برد نسبتاً کوتاه (100-200 کیلومتر) تشکیل شده است که در محدوده فرکانس VHF 108-117 مگاهرتز کار می کنند. اکنون در عصر گیگاهرتز، نام فرکانس بسیار بالا در رابطه با چنین فرکانس هایی خنده دار به نظر می رسد و خود گویای این موضوع است. سن از این استاندارد است، اما به هر حال، چراغ ها هنوز هم کار می کنند NDBدر محدوده موج متوسط ​​400-900 کیلوهرتز کار می کند.

قرار دادن یک آنتن جهت دار روی هواپیما از نظر ساختاری ناخوشایند است، بنابراین مشکل نحوه رمزگذاری اطلاعات در مورد جهت چراغ در خود سیگنال به وجود آمد. اصل عملکرد "روی انگشتان" را می توان به شرح زیر توضیح داد. بیایید تصور کنیم که یک فانوس دریایی معمولی داریم که یک پرتو باریک از نور سبز را می فرستد که لامپ آن 1 بار در دقیقه می چرخد. بدیهی است که یک بار در دقیقه شاهد فلاش نور خواهیم بود، اما یکی از این فلاش ها اطلاعات زیادی را حمل نمی کند. بیایید دومی را به فانوس دریایی اضافه کنیم غیر جهت دار یک لامپ قرمز در لحظه ای که پرتو فانوس دریایی جهت را به سمت شمال "گذر می کند" چشمک می زند. زیرا مختصات دوره فلاش و بیکن مشخص است، با محاسبه تاخیر بین فلاش های قرمز و سبز می توانید آزیموت شمال را پیدا کنید. همه چیز ساده است. باقی مانده است که همین کار را انجام دهیم، اما با کمک رادیو. این با تغییر فازها حل شد. دو سیگنال برای انتقال استفاده می شود: فاز اول ثابت است (مرجع)، فاز دوم (متغیر) بسته به جهت تابش به روشی پیچیده تغییر می کند - هر زاویه تغییر فاز خود را دارد. بنابراین، هر گیرنده سیگنالی با تغییر فاز "خود" متناسب با آزیموت به بیکن دریافت خواهد کرد. فن آوری "مدولاسیون فضایی" با استفاده از یک آنتن خاص (حلقه آلفورد، نگاه کنید به KDPV) و یک مدولاسیون ویژه و نسبتاً مشکل انجام می شود. که در واقع موضوع این مقاله است.

بیایید تصور کنیم که یک فانوس دریایی معمولی داریم که از دهه 50 کار می کند و سیگنال ها را در مدولاسیون معمول AM در کد مورس ارسال می کند. احتمالاً روزی روزگاری ناوبر واقعاً به این سیگنال ها در هدفون گوش می داد و مسیرها را با خط کش و قطب نما روی نقشه مشخص می کرد. ما می‌خواهیم ویژگی‌های جدیدی را به سیگنال اضافه کنیم، اما به‌گونه‌ای که سازگاری با ویژگی‌های قدیمی را خراب نکند. موضوع آشناست، چیز جدیدی نیست ... به شرح زیر انجام شد - یک تون فرکانس پایین 30 هرتز به سیگنال AM اضافه شد که به عنوان سیگنال فاز مرجع عمل می کند و یک جزء فرکانس بالا با مدولاسیون فرکانس در فرکانس 9.96 کیلوهرتز، انتقال سیگنال فاز متغیر. با انتخاب دو سیگنال و مقایسه فازها به زاویه مورد نظر از 0 تا 360 درجه می رسیم که همان آزیموت مورد نظر است. در عین حال، همه اینها با گوش دادن به بیکن "به روش معمول" تداخلی ایجاد نمی کند و با گیرنده های قدیمی AM سازگار است.

بیایید از تئوری به عمل برویم. بیایید گیرنده SDR را راه اندازی کنیم، مدولاسیون AM و پهنای باند 12 کیلوهرتز را انتخاب کنیم. فرکانس های چراغ VOR را می توان به راحتی در وب پیدا کرد. در طیف، سیگنال به شکل زیر است:

در این حالت سیگنال بیکن در فرکانس 113.950 مگاهرتز ارسال می شود. خط مدولاسیون دامنه به راحتی قابل تشخیص و سیگنال های کد مورس (.- - ... که به معنی AMS، آمستردام، فرودگاه اسخیپول) در مرکز قابل مشاهده است. در حدود 9.6 کیلوهرتز از حامل، دو قله قابل مشاهده است که سیگنال دوم را ارسال می کند.

بیایید سیگنال را در WAV ضبط کنیم (نه MP3 - فشرده سازی با تلفات کل ساختار سیگنال را "کشته" می کند) و آن را در رادیو گنو باز کنیم.

رمزگشایی

مرحله 1. بیایید فایل را با سیگنال ضبط شده باز کنیم و یک فیلتر پایین گذر روی آن اعمال کنیم تا اولین سیگنال مرجع را دریافت کنیم. نمودار رادیویی گنو در شکل نشان داده شده است.

نتیجه: یک سیگنال فرکانس پایین با فرکانس 30 هرتز.

مرحله 2: رمزگشایی سیگنال فاز متغیر. همانطور که در بالا ذکر شد، در فرکانس 9.96 کیلوهرتز قرار دارد، باید آن را به فرکانس صفر انتقال دهیم و به دمدولاتور FM تغذیه کنیم.

نمودار رادیویی گنو:

همه چیز، کار حل شده است. ما دو سیگنال را می بینیم که اختلاف فاز آنها زاویه گیرنده به VOR را نشان می دهد:

سیگنال کاملاً پر سر و صدا است و ممکن است فیلتر اضافی برای محاسبه نهایی اختلاف فاز مورد نیاز باشد، اما امیدواریم که اصل روشن باشد. برای کسانی که فراموش کرده‌اند که چگونه اختلاف فاز تعیین می‌شود، تصویر مربوط به آن است aviation.stackexchange.com:

خوشبختانه، همه اینها به صورت دستی قابل انجام نیست: قبلاً وجود دارد پروژه تمام شده در پایتون که سیگنال های VOR را از فایل های WAV رمزگشایی می کند. در واقع، مطالعه او به من انگیزه داد تا این موضوع را مطالعه کنم.

کسانی که مایلند می توانند برنامه را در کنسول اجرا کنند و زاویه تمام شده را بر حسب درجه از فایل ضبط شده از قبل دریافت کنند:

طرفداران هوانوردی حتی می توانند گیرنده قابل حمل خود را با استفاده از RTL-SDR و Raspberry Pi بسازند. به هر حال، در یک هواپیمای "واقعی"، این نشانگر چیزی شبیه به این است:

تصویر © www.aopa.org

نتیجه

چنین سیگنال هایی "از قرن گذشته" قطعا برای تجزیه و تحلیل جالب هستند. اولا، آنها بسیار ساده، DRM مدرن، یا حتی بیشتر از آن GSM هستند، بنابراین رمزگشایی "بر روی انگشتان" غیرممکن است. آنها برای پذیرش باز هستند، کلید و رمزنگاری ندارند. ثانیا، شاید در آینده تبدیل به تاریخ شوند و با ناوبری ماهواره ای و سیستم های دیجیتال مدرن تر جایگزین شوند. ثالثاً، مطالعه چنین استانداردهایی به شما امکان می دهد جزئیات فنی و تاریخی جالبی را در مورد چگونگی حل مشکلات در سایر مدارها و پایه عناصر قرن گذشته پیدا کنید. بنابراین می توان به صاحبان گیرنده ها توصیه کرد که چنین سیگنال هایی را در حالی که هنوز کار می کنند دریافت کنند.

طبق معمول، در آزمایشات خود موفق باشید.

منبع: www.habr.com