קביעת הכיוון לשדה התעופה באמצעות RTL-SDR ורדיו GNU

היי הבר!

נכון להיום, אין הרבה תקני תקשורת שמצד אחד סקרנים ומעניינים, מצד שני התיאור שלהם לא לוקח 500 עמודים בפורמט PDF. אות אחד כזה שקל לפענח הוא אות VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR) המשמש בניווט אווירי.

VOR Beacon (ג) wikimedia.org

ראשית, שאלה לקוראים: כיצד ליצור אות כך שניתן יהיה לקבוע את הכיוון באמצעות אנטנת קליטה כל-כיוונית? התשובה היא תחת חתך.

מידע כללי

מערכת טווח Omni-directional בתדר גבוה מאוד (VOR) שימש לניווט אווירי מאז שנות ה-50 של המאה הקודמת, והוא מורכב ממשואות רדיו קצרות יחסית (100-200 ק"מ), הפועלות בטווח התדרים VHF 108-117 מגה-הרץ. עכשיו, בעידן הג'יגה-הרץ, השם תדר מאוד גבוה ביחס לתדרים כאלה נשמע מצחיק ובעצמו מדבר על גיל התקן הזה, אבל אגב, המשואות עדיין עובדות NDB, הפועל בטווח הגלים הבינוניים 400-900 קילו-הרץ.

הצבת אנטנה כיוונית על מטוס אינה נוחה מבחינה מבנית, ולכן נוצרה הבעיה כיצד לקודד מידע על הכיוון למשואה באות עצמו. ניתן להסביר את עקרון הפעולה "על האצבעות" כדלקמן. בואו נדמיין שיש לנו משואה רגילה השולחת אלומת אור ירוקה צרה, שהמנורה שלה מסתובבת פעם אחת בדקה. ברור שפעם בדקה נראה הבזק אור, אבל הבזק אחד כזה לא נושא הרבה מידע. בואו נוסיף אחד שני למשואה לא כיוונית מנורה אדומה המהבהבת ברגע שבו אלומת המגדלור "חולפת" את הכיוון צפונה. כי תקופת ההבזקים והקואורדינטות של המשואה ידועות; על ידי חישוב ההשהיה בין ההבהוב האדום לירוק, ניתן לגלות את האזימוט צפונה. זה פשוט. נשאר לעשות את אותו הדבר, אבל באמצעות הרדיו. זה נפתר על ידי שינוי השלבים. שני אותות משמשים לשידור: הפאזה של הראשון קבועה (התייחסות), הפאזה של השני (המשתנה) משתנה בצורה מורכבת בהתאם לכיוון הקרינה - לכל זווית יש שינוי פאזה משלה. לפיכך, כל מקלט יקבל אות עם הסטת פאזה "שלו", פרופורציונלית לאזימוט למשואה. טכנולוגיית "אפנון מרחבי" מתבצעת באמצעות אנטנה מיוחדת (Alford Loop, ראה KDPV) ואפנון מיוחד, מסובך למדי. וזה בעצם הנושא של מאמר זה.

בואו נדמיין שיש לנו משואה רגילה, הפועלת מאז שנות ה-50, ומשדרת אותות באפונון AM רגיל בקוד מורס. כנראה, פעם, הנווט ממש הקשיב לאותות הללו באוזניות וסימן את ההוראות בסרגל ומצפן על המפה. אנחנו רוצים להוסיף פונקציות חדשות לאות, אבל בצורה כזו שלא "לשבור" את התאימות עם הישנים. הנושא מוכר, שום דבר חדש... זה נעשה באופן הבא - לאות AM התווסף צליל בתדר נמוך של 30 הרץ, המבצע את הפונקציה של אות פאזה ייחוס, ורכיב בתדר גבוה, מקודד לפי תדר אפנון בתדר של 9.96 KHz, משדר אות פאזה משתנה. על ידי בחירת שני אותות והשוואת הפאזות, נקבל את הזווית הרצויה מ-0 עד 360 מעלות, שהיא האזימוט הרצוי. יחד עם זאת, כל זה לא יפריע להאזנה למשואה "בדרך הרגילה" ונשאר תואם למקלטי AM ישנים יותר.

בואו נעבור מתאוריה לפרקטיקה. בואו נשיק את מקלט ה-SDR, בחר אפנון AM ורוחב פס של 12 KHz. ניתן למצוא בקלות באינטרנט את תדרי המשואות של VOR. על הספקטרום, האות נראה כך:

במקרה זה, אות המשואה מועבר בתדר של 113.950 מגה-הרץ. במרכז ניתן לראות את קו אפנון המשרעת הניתן לזיהוי בקלות ואת אותות קוד מורס (.- - ... שפירושו AMS, אמסטרדם, נמל התעופה סכיפהול). בסביבות במרחק של 9.6 KHz מהספק, שני פסגות נראים, המשדרים את האות השני.

בואו נרשום את האות ב-WAV (לא MP3 - דחיסה מאבדת "תהרוג" את כל המבנה של האות) ונפתח אותו ברדיו GNU.

פִּעַנוּחַ

שלב 1. בואו נפתח את הקובץ עם האות המוקלט ונחיל עליו מסנן נמוך כדי לקבל את אות ההתייחסות הראשון. גרף הרדיו של GNU מוצג באיור.

תוצאה: אות בתדר נמוך ב-30 הרץ.

שלב 2: פענוח אות הפאזה המשתנה. כפי שצוין לעיל, הוא ממוקם בתדר של 9.96 KHz, אנחנו צריכים להעביר אותו לתדר אפס ולהזין אותו ל-FM demodulator.

גרף רדיו של גנו:

זהו, הבעיה נפתרה. אנו רואים שני אותות, שהפרש הפאזות שלהם מציין את הזווית מהמקלט למשואה VOR:

האות די רועש, וייתכן שיידרש סינון נוסף כדי לחשב סוף סוף את הפרש הפאזה, אבל אני מקווה שהעיקרון ברור. למי ששכח כיצד נקבע הפרש הפאזות, תמונה מתוך aviation.stackexchange.com:

למרבה המזל, אתה לא צריך לעשות את כל זה באופן ידני: יש כבר פרויקט סיים ב- Python, פענוח אותות VOR מקובצי WAV. למעשה, המחקר שלו נתן לי השראה ללמוד את הנושא הזה.

המעוניינים יכולים להפעיל את התוכנית בקונסולה ולקבל את הזווית המוגמרת במעלות מהקובץ שכבר הוקלט:

מעריצי תעופה יכולים אפילו ליצור מקלט נייד משלהם באמצעות RTL-SDR ו-Raspberry Pi. אגב, במטוס "אמיתי" המחוון הזה נראה בערך כך:

תמונה © www.aopa.org

מסקנה

אותות כאלה "מהמאה הקודמת" בהחלט מעניינים לניתוח. ראשית, הם די פשוטים, DRM מודרניים או, במיוחד, GSM, זה כבר לא אפשרי לפענח "על האצבעות שלך". הם פתוחים לקבלה ואין להם מפתחות או הצפנה. שנית, אולי בעתיד הם יהפכו להיסטוריה ויוחלפו בניווט לווייני ומערכות דיגיטליות מודרניות יותר. שלישית, לימוד תקנים כאלה מאפשר לך ללמוד פרטים טכניים והיסטוריים מעניינים כיצד נפתרו בעיות באמצעות מעגלים אחרים ובסיס אלמנטים של המאה הקודמת. אז ניתן לייעץ לבעלי מקלטים לקבל אותות כאלה בזמן שהם עדיין עובדים.

כרגיל, ניסויים שמחים לכולם.

מקור: www.habr.com