RTL-SDR 및 GNU Radio를 사용하여 공항 방향 결정

헤이 하브르!

현재 호기심이 많고 흥미로운 통신 표준은 많지 않지만 설명은 PDF 형식으로 500페이지를 차지하지 않습니다. 디코딩하기 쉬운 신호 중 하나는 항공 항법에 사용되는 VHF 전방향 무선 신호(VOR) 신호입니다.

VOR 비콘(c) wikimedia.org

첫째, 독자들을 위한 질문입니다. 전방향 수신 안테나를 사용하여 방향을 확인할 수 있도록 신호를 생성하는 방법은 무엇입니까? 답은 컷 아래에 있습니다.

일반 정보

체계 매우 높은 주파수 전방향 범위 (VOR)은 지난 세기 50년대부터 항공 항법에 사용되었으며 VHF 주파수 범위 100-200MHz에서 작동하는 비교적 단거리 무선 비콘(108-117km)으로 구성됩니다. 이제 기가헤르츠 시대에 이러한 주파수와 관련하여 매우 높은 주파수라는 이름은 웃기게 들리며 그 자체로 나이 이 표준이지만 그런데 비콘은 여전히 ​​​​작동합니다 NDB, 중파 범위 400-900kHz에서 작동합니다.

비행기에 지향성 안테나를 배치하는 것은 구조적으로 불편하기 때문에 신호 자체에 비콘 방향에 대한 정보를 어떻게 인코딩할지에 대한 문제가 발생했습니다. "손가락으로"작동하는 원리는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 녹색 빛의 좁은 광선을 내보내고 램프가 분당 1회 회전하는 일반적인 신호등이 있다고 상상해 봅시다. 분명히, 우리는 XNUMX분에 한 번씩 빛의 섬광을 보게 될 것입니다. 그러나 그러한 섬광 하나는 많은 정보를 전달하지 않습니다. 비콘에 두 번째 것을 추가해 보겠습니다. 무방향성 등대 광선이 북쪽 방향을 "통과"하는 순간 깜박이는 빨간색 램프. 왜냐하면 깜박이는 기간과 비컨의 좌표를 알 수 있으며 빨간색과 녹색 깜박임 사이의 지연을 계산하면 북쪽의 방위각을 알 수 있습니다. 간단 해. 똑같은 일을하는 것이 남아 있지만 라디오를 사용합니다. 이는 단계를 변경하여 해결되었습니다. 전송에는 두 가지 신호가 사용됩니다. 첫 번째 위상은 일정하고(기준) 두 번째 위상(가변)은 복사 방향에 따라 복잡한 방식으로 변경됩니다. 각 각도에는 자체 위상 변화가 있습니다. 따라서 각 수신기는 비컨에 대한 방위각에 비례하는 "자체" 위상 변이가 있는 신호를 수신합니다. "공간 변조" 기술은 특수 안테나(Alford Loop, KDPV 참조)와 다소 까다로운 특수 변조를 사용하여 수행됩니다. 이것이 실제로 이 기사의 주제입니다.

50년대부터 작동하고 모스 부호의 일반 AM 변조로 신호를 전송하는 일반적인 레거시 비콘이 있다고 가정해 보겠습니다. 아마도 옛날 옛적에 내비게이터는 실제로 헤드폰으로 이러한 신호를 듣고 지도에 눈금자와 나침반으로 방향을 표시했을 것입니다. 우리는 신호에 새로운 기능을 추가하고 싶지만 이전 기능과의 호환성을 "깨뜨리지" 않는 방식으로 수행합니다. 주제는 친숙하고 새로운 것은 없습니다... 다음과 같이 수행되었습니다. AM 신호에 저주파 30Hz 톤이 추가되어 기준 위상 신호의 기능을 수행하고 고주파 구성 요소가 주파수로 인코딩되었습니다. 9.96KHz의 주파수에서 변조하여 가변 위상 신호를 전송합니다. 두 개의 신호를 선택하고 위상을 비교함으로써 원하는 방위각인 0도에서 360도까지 원하는 각도를 얻습니다. 동시에, 이 모든 것은 "일반적인 방식으로" 비콘 청취를 방해하지 않으며 구형 AM 수신기와도 계속 호환됩니다.

이론에서 실습으로 넘어가겠습니다. SDR 수신기를 실행하고 AM 변조 및 12KHz 대역폭을 선택해 보겠습니다. VOR 비콘 주파수는 온라인에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 스펙트럼에서 신호는 다음과 같습니다.

이 경우 비콘 신호는 113.950MHz의 주파수로 전송됩니다. 중앙에는 쉽게 알아볼 수 있는 진폭 변조선과 모스 부호 신호(.- - ...AMS, 암스테르담, 스키폴 공항을 의미)가 있습니다. 반송파로부터 약 9.6KHz 거리에 두 개의 피크가 표시되어 두 번째 신호를 전송합니다.

신호를 WAV(MP3가 아님 - 손실 압축으로 인해 신호의 전체 구조가 "죽음")로 녹음하고 GNU Radio에서 열어 보겠습니다.

디코딩

1 단계. 녹음된 신호가 있는 파일을 열고 여기에 저역 통과 필터를 적용하여 첫 번째 참조 신호를 얻습니다. GNU Radio 그래프가 그림에 나와 있습니다.

결과: 30Hz의 저주파 신호.

2 단계: 가변 위상 신호를 디코딩합니다. 위에서 언급했듯이 9.96KHz의 주파수에 위치하므로 이를 제로 주파수로 이동하여 FM 복조기에 공급해야 합니다.

GNU 라디오 그래프:

그게 다야, 문제가 해결되었습니다. 우리는 두 개의 신호를 볼 수 있는데, 그 위상차는 수신기에서 VOR 비컨까지의 각도를 나타냅니다.

신호에 잡음이 꽤 많고 최종적으로 위상차를 계산하려면 추가 필터링이 필요할 수도 있지만 원리가 명확했으면 좋겠습니다. 위상차가 어떻게 결정되는지 잊어버린 사람들을 위해 Aviation.stackexchange.com:

다행히도 이 모든 작업을 수동으로 수행할 필요는 없습니다. 완성된 프로젝트 Python에서는 WAV 파일의 VOR 신호를 디코딩합니다. 사실, 그의 연구는 나에게 이 주제를 연구하도록 영감을 주었습니다.

관심 있는 사람은 콘솔에서 프로그램을 실행하고 이미 기록된 파일에서 완성된 각도를 각도 단위로 얻을 수 있습니다.

항공 팬은 RTL-SDR과 Raspberry Pi를 사용하여 자신만의 휴대용 수신기를 만들 수도 있습니다. 그런데 "실제" 평면에서 이 표시는 다음과 같습니다.

이미지 © www.aopa.org

결론

이러한 "지난 세기의" 신호는 확실히 분석에 흥미롭습니다. 첫째, 매우 단순하고 현대적인 DRM, 특히 GSM이므로 더 이상 "손가락으로" 디코딩하는 것이 불가능합니다. 이는 승인 가능하며 키나 암호화가 없습니다. 둘째, 아마도 미래에는 역사가 되어 위성 내비게이션과 보다 현대적인 디지털 시스템으로 대체될 것입니다. 셋째, 이러한 표준을 연구하면 지난 세기의 다른 회로 및 요소 기반을 사용하여 문제가 어떻게 해결되었는지에 대한 흥미로운 기술 및 역사적 세부 사항을 배울 수 있습니다. 따라서 수신기 소유자는 작동 중인 동안 그러한 신호를 수신하도록 조언받을 수 있습니다.

언제나처럼 모두들 즐거운 실험 되세요.

출처 : habr.com