CC BY
94
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №1
УДК 621.396.96.001
ДЕКОДЕР ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО НАБЛЮДЕНИЯ-ВЕЩАНИЯ
В.Ф. Тележкин, А.О. Лысун, А.С. Кирвович, С.Г. Подкорытов
A DECODER FOR AUTOMATIC DEPENDENT SURVEILLANCE BROADCAST-ADS-B
V.F. Telezhkin, A.O. Lysun, A.S. Kirvovich, S.G. Podkorytov
Аннотация. В условиях современной авиации перед службой организации воздушного движения встает задача повышения эксплуатационной гибкости воздушных судов, а также обеспечения безопасности. В связи с этим появляется необходимость внедрения новых систем наблюдения, таких как АЗН-В, способных качественно дополнить, а в будущем и заменить, используемые в настоящий момент вторичные радиолокаторы. В данной статье исследуется устройство декодирования сигналов системы АЗН-В, спроектированного на основе методов цифровой обработки сигналов с применением ПЛИС, МК и ПК. Главными достоинствами новой системы являются возможность применения бортового наблюдения, компактность и низкая себестоимость относительно вторичных радиолокаторов.
Ключевые слова: АЗН-В; ПЛИС; безопасность; радиолокация; организация воздушного движения; декодер.
Abstract. In present stage of aviation the Air traffic management's main problem is increase of operational flexibility of aircrafts and also safety-of-life function. In this regard there is a need for introduction of new systems as ADS-B, which in the future can add and replace secondary radar which used now. Decoder ADS-B is designed by means of methods digital processing of signal with use of FPGA, microcontroller and PC and it is researched in this article. The main advantages of new system are application of onboard supervision, compactness, and low cost concerning the secondary radar.
Key words: ADS-B; FPGA; safety; radar; air traffic management; decoder.
Система АЗН-В (автоматическое зависимое наблюдение - вещание) представляет собой радиовещательную передачу с борта воздушного судна данных о его местоположении (широте и долготе), абсолютной высоте, скорости, опознавательном индексе и другой информации, полученной от бортовых систем. Поскольку сообщения АЗН-В передаются в радиовещательном режиме, их может получать и обрабатывать любой подходящий приемник. Поэтому функция АЗН-В поддерживает как наземные, так и бортовые виды применения наблюдения, предоставляющие возможность обмена сообщениями не только с наземными станциями, но и с другими ЛА [1]. Более того, теперь вся информация, которую борт принимает от других ЛА со сведениями о положении, скорости и курсе, отображается на дисплее, находящемся в кабине пилота. Таким образом, для пилота картина движения становится ясной, что позволяет поддерживать на заданном уровне безопасность воздушного движения. На рисунке 1 приведена блок-схема системы АЗН-В.
http://vestnik-nauki.ru/
GhfSS
Воздушное судно использует датчики GNSS
Ц|'или инерциальные навигационные системы дпя определения своего местоположения
Система индикации УВД
НАЗЕМНАЯ СТАНЦИЯ ADS-B
Устройство обработал данных наблюдения
Донесении
с борта ВС -►
О—
ч> XYZ 456 ЭП 300
ABC 123 ЭП 280
Рисунок 1 - Блок-схема системы АЗН-В
Чтобы эффективно функционировать участники информационного обмена (воздушное судно, наземный транспорт в аэропорту и наземная станция) должны быть снабжены соответствующими средствами. В данной статье исследуется устройство декодирования сигналов системы АЗН-В, разработанное с использованием методов цифровой обработки сигналов и применением ПЛИС, МК и ПК. При этом в соответствии с техническим заданием были разработаны и стандартизированы три линии передачи данных АЗН-В. Все внимание в статье уделяется декодеру линии 1090 ES (extended squitter), представляющей собой расширенный сквиттер или расширенный самогенерируемый сигнал. Длительность каждого сообщения ES составляет 120 мкс (8 мкс преамбулы и 112 мкс данных). Сигналы передаются на частоте 1090 МГц при скорости передачи данных 1 Мбит/с. Информация с системы АЗН-В передается в виде отдельных сообщений, каждое из которых содержит соответствующий набор данных. Таким образом, аппаратуру приемной стороны можно разделить на три основные части: приемное устройство и декодер (рис.2).
14NF4HHWU
(птито-дшт
ттЧ* 'ТЖ'Г^
Рисунок 2 - Структурная схема разрабатываемой аппаратуры АЗН-В
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
Задачами декодера являются обработка сообщений и формирование пакетов данных, передаваемых через интерфейс USB на персональный компьютер (ПК). На ПК установлено специальное программное обеспечение (ПО), отображающее всю необходимую информацию. Приемное устройство (рис.2) спроектировано по супергетеродинному типу и преобразует входную частоту 1090 МГц в промежуточную - 176 МГц. Особенностью является то, что сигнал демодулируется и усиливается посредством логарифмического усилителя с динамическим диапазоном 90 дБ, что существенно упрощает дальнейший процесс декодирования. Декодер состоит из трех функциональных блоков (рис.3): 1) блок оцифровки входного сигнала; 2) блок декодирования сообщения и составления массива данных; 3)блок передачи сформированной кодовой посылки на ПК.
Рисунок 3 - Структурная схема декодера
Блок оцифровки входного сигнала состоит из 12-разрядного быстродействующего АЦП с частотой дискретизации 40 МГц и дифференциального драйвера, который преобразует входной сигнал в дифференциальный вид. Последний имеет большие преимущества перед несимметричным входом, так как, благодаря сбалансированной передаче сигнала, он позволяет: 1)подавить синфазный шум и помехи; 2)увеличить в 2 раза динамический диапазон; 3)улучшить общую эффективность.
После того, как была произведена оцифровка сигнала, полученные данные должны быть декодированы и преобразованы специальным образом. При этом основными требованиями к блоку декодирования являются скорость преобразования сигнала и постоянная готовность к приему сообщения. В этом смысле основная задача микроконтроллера будет состоять в том, чтобы пропускать входные сигналы во время выполнения подпрограммы прерывания. Поэтому основным элементом данного блока является ПЛИС, которая в устройстве декодирования и обработки сигналов АЗН-В выполняет основную роль, поскольку помимо процесса декодирования на неё возлагается также задача обнаружения входного сообщения. Программа ПЛИС будет состоять из нескольких модулей (блоков), каждый из которых выполняет определенную функцию. На рисунке 4 изображена блок-схема конфигурации ПЛИС, состоящая из шести модулей. Так в блоке управления декодером реализуется возможность выставления ручного порога и введения собственных значений временных интервалов, использующихся для обнаружения преамбулы и декодирования манчестерского кода. Также в данном модуле реализуется возможность сброса программы ПЛИС при её неправильной работе. Одним из важнейших блоков является блок определения порога. В этом блоке в динамике рассчитывается порог и средний уровень мощности. В процессе работы на блок поступают выборки с АЦП с частотой 40 МГц. Он состоит из двух параллельных процессов, которые запускаются по переднему фронту тактового сигнала. В первом процессе каждую микросекунду определяется порог по уровню 0,5 (ЬЕУЕЬ_ОИТ), а за 16 мкс определяется средняя мощность сигнала (ЬЕУЕЬ_МАХ). Во втором процессе производится задержка выборок с АЦП на 1 мкс. На рисунке 5 показаны характеристики сигналов и принцип работы блока определения порога.
http://vestnik-nauki.ru/
Вход
___
Модуль определения порога.
Модуль составления массива.
Модуль составления логических уровней.
Модуль обнаружения декодирования.
Модуль сбора информации.
Выход
Блок управления декодером
Рисунок 4 - Блок-схема конфигурации ПЛИС
Обработка коМоИ мыт (демодулиробанного Ыео сигнала) 0 ПЖ
ПретИум 8 тс
Бт дата Ш тс/№ Им
Рисунок 5 - Обработка кодовой посылки в ПЛИС
http://vestnik-nauki.ru/
В процессе прохождения по радиотракту в силу различных причин форма импульсов расширенного сквиттера АЗН-В деградирует, что в свою очередь вызывает изменение их длительностей при разных амплитудах. Так, при статическом пороге погрешность длительности фронтов должна была бы выходить за значения, определенные в техническом задании, что сильно усложняло бы процесс декодирования. Однако, в приемном устройстве сигнал проходит через нелинейный элемент - логарифмический усилитель и изменяется, соответственно, по логарифмическому закону. Исходя из этого, если отнять от сигнала значение 3 дБ, которое будет равным около 200 мВ, полученное значение по уровню 0,5 вне зависимости от уровня сигнала будет соответствовать одной и той же длительности, что упрощает процесс декодирования. Таким образом, в блоке определения порога в течение 1 мкс ищется максимальное значение сигнала, из которого вычитается постоянное значение, равное сумме 200 мВ и шумовому порогу (250 мВ). Далее, этот сигнал сравнивается с уровнем шумов (по техническому заданию около 250 мВ) и если он выше, найденный порог передаётся в следующий блок вместе с задержанным на эту же микросекунду сигналом. Следующий модуль (рис.4) - это модуль составления массива. На данный модуль с блока определения порога поступают выборки АЦП, задержанные на 1 мкс, а также само значение порога. Когда сигнал разрешения чтения меняет свое значение с логического нуля
на логическую единицу, начинается сравнение выборок АЦП с принятым порогом. При изменении неравенства АОС_Ш >= ЬЕУЕЬ_ОИТ в старший 9-ый разряд 10-разрядного массива ОИТ_ЯАМ записывается предыдущее значение логического уровня, а в младшие 8 разрядов заносится число тактов, соответствующее интервалу времени, при котором логический уровень был неизменен. Далее сформировавшийся массив передается в следующий блок - модуль составления логических уровней (ОИТ_ЯАМ), в котором полученная информация сравнивается со следующими временными интервалами: Т1=0,4 мкс, Т2=0,6 мкс, Т3=0,8 мкс, Т4=1,2 мкс, Т5=1,8 мкс, Т6=2,2 мкс, Т7=2,8 мкс, Т8=3,2 мкс. То есть, если временной интервал, содержащийся в 9 младших разрядах массива Ш_КАМ больше Ть но меньше Тг, делается вывод, о длительности импульса/паузы т = О,.1» угкг. Окрестность между интервалами Т3 и Т4 составляет 1 мкс, Т5 и Т6 - 2 мкс, Т7 и Т8 - 3 мкс. Последние два интервала необходимы для обнаружения преамбулы (рис. 6) и используются только для массива, в старшем бите которого записан «0» (пауза).
Рисунок 6 - структура кодовой посылки АЗН-В
Каждой длительности соответствует определенное количество нулей или единиц (рис. 7), которые формируются на выходе модуля и отправляются последовательно по одноразрядной шине (сигнал ЬОСТС_ЬЕУЕЬ). Например, для импульса длительностью 0,5 мкс будет передана одна единица, а для паузы длительностью 3 мкс будет передано 6 нулей подряд.
http://vestnik-nauki.ru/
Рисунок 7 - Возможные варианты импульсов и пауз в кодовой посылке
На вход модуля обнаружения декодирования (рис.4) приходит последовательность нулей и единиц полностью определяющих уровень и длительность сигнала. Соответственно, данный поток сравнивается с преамбулой, которая будет соответствовать следующей последовательности в двоичной форме: P = 1010000101000000. При совпадении с заданным двоичным числом принимается решение о начале сообщения и на выходе формируется сигнал START_M, который поступает на модуль определения порога и активирует в нем измерение средней мощности сигнала входящего сообщения, а также используется для синхронизации со следующим блоком. Далее значения LOGIC_LEVEL берутся попарно для декодирования манчестерского кода. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль — обратным перепадом. Таким образом, при поступлении значения «01» будет принято решение, что это бит «0». Последовательность «10», соответственно, декодируется, как бит «1». После передачи 112-го бита, модуль формирует синхронизирующий сигнал START_M. Последний модуль это модуль сбора информации (рис.4), который принимает всю необходимую информацию и передает её на микроконтроллер. Как только на входе START_M устанавливается лог «1», в модуле начинается прием 112 битов, образующих массив. Параллельно с этим, когда с блока определения порога поступает синхросигнал EN_RW_SCREEN, в 112-битный массив попеременно добавляется информация о пороге по шумам и средняя мощность сигнала. Полностью сформированный массив данных величиной 128 бит разбивается на 8 пакетов по 16 бит и передается по частям по 16-разрядной шине на микроконтроллер. Для синхронизации на выходе формируется сигнал START_STOP_TR, который запускает на МК подпрограмму прерывания для сбора сообщения.
Программное обеспечение для микроконтроллера состоит из основной программы (main), в которой происходит сбор массива данных и его помещение в функцию передачи через интерфейс USB, и подпрограммы прерывания, которая запускается по переднему положительному фронту сигнала START_STOP_TR. Алгоритм программы main представлен на рис. 8.
http://vestnik-nauki.ru/
Начало
Инициализация тактирования
ЯЛПП ГУАШГПГШПНТППЛЛРЮП
Инициализация интерфейса
Инициализация портов ввод а/ вы вод а
Инициализация прерываний по переднему и заднему
Сбор данных в массив
Подпрограмма передачи данных по U SB
Конец
Рисунок 8 - Алгоритм основной программы микроконтроллера
На начальном этапе алгоритма производится инициализация основных узлов и параметров микроконтроллера. Первая и самая важная операция - инициализация тактирования ядра микроконтроллера и периферии. Частота ядра составляет 96 МГц, USB тактируется частотой 48 МГц, таймер TIM1 тактируется частотой ядра 96 МГц. Далее происходит инициализация последовательного интерфейса передачи данных USB. Программа main работает в бесконечном цикле (while 1), в котором происходит постоянная
http://vestnik-nauki.ru/
проверка условия, равен ли флаг окончания передачи сообщения с ПЛИС (end_tr_message) нулю. Этот флаг задаётся подпрограммой прерывания, которая устанавливает его в ноль, когда принята вся кодовая посылка с ПЛИС. Если условие end_tr_message = 0 выполнено, данные передаются из подпрограммы прерывания в массив до того момента, пока счетчики count_message_byte и count_message_8byte_16bit не станут равными шестнадцати и восьми соответственно. После этого массив с полным декодированным сообщением передается в стандартную функцию передачи данных по USB. Затем следует передача 8 пакетов по 16 бит на ПК, как и было задано в техническом задании. После передачи флаг end_tr_message устанавливается в единицу и весь цикл повторяется заново. После того как сообщение передано на ПК, необходимо извлечь из него всю необходимую информацию и отобразить её в удобной форме. Эту задачу выполняет программное обеспечение отображения АЗН-В, которое имеет следующие возможности: 1)наблюдение за входным сигналом (ВС) в реальном времени; 2)изменение масштаба наблюдения; 3)индикация важных параметров; 4)запись летной информации в файлы записей объемом 10 МБ; 5)воспроизведение летной информации из файлов записей в реальном и ускоренном режиме с возможностью построения треков; 6)выполнение расчетов статистических и вероятностных характеристик из файлов записей; 7)построение треков для ВС из файлов записей с возможностью детализации, т.е. выбора любой точки трека и просмотра летной информации о ВС в этой точке (время приема сообщения, координаты, скорость и т.д.).
Таким образом, программное обеспечение станции позволяет осуществлять полноценное наблюдение, запись и воспроизведение летной информации, а также производить детальный анализ статистических и вероятностных характеристик записанной информации (см. рис.9 и рис.10)._
ИНДИКАЦИЯ
ПРМ. АЗН-В ПОЛЕТ НАБЛЮДЕНИЕ СКВИТТЕРЫ ИСТОЧНИК: ФАЙЛ ЗАПИСИ
ЦЕЛИ: 8
ПРИНЯТО СКВИТТЕРОВ: 260
ОШИБКИ CRC: 56
Скорость потока, Сообщ./сек: 40
Порог обнаружения по шумам, мВ: 1996
ВРЕМЯ ЗАПИСИ: 15.09.2015 12:40:08
ВРЕМЯ ТЕРМИНАЛА: 23.09.2015 15:49:16
опознавательный индекс ВС
высота полета
Г » ЗС70С1.Г 9745
НЕЕ
[TSZi
вертикальная скорость "воздушная" скорость
з^в:
мУминр
у широта / долгота
направление полета и
\ Ч. С Л 022,93 KMf4|. скорость полета по ГНСС
, .....дайУч | ^^ направление полета в градусах
J -79(651 MB) L УР°8ень угнана
4 *■ 237,04 км -L 157,91
\ азимут и дальность
Рисунок 9 - Программа отображения АЗН-В
http://vestnik-nauki.ru/
АЗН-В ПОЛЁТ
Вероятность обнаружения за 2 секунды 15.09.201512:40 - 16.09.201512:40 (2&00)
Расположение антенны: 55,261195; 61,315938 Высота подвеса антенны 10 м
полёта ВС Л - азимут
Я - дальность обнаружении
Рисунок 10 - Вероятность обнаружения за 2 секунды АЗН-В за 24 ч
В заключение данной работы следует отметить, что проведенные исследования и разработка устройства декодирования сигналов системы АЗН-В позволят более эффективно решать задачи повышения эксплуатационной гибкости воздушных судов, а также обеспечения их безопасности. Кроме того, достоинством разработанного устройства являются возможность применения бортового наблюдения, компактность и низкая себестоимость относительно вторичных радиолокаторов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Doc 9924 AN/474 ИКАО. Руководство по авиационному наблюдению. Международная организация гражданской авиации, 2012. 320 с.
AN10-4 ИКАО. Системы наблюдения и предупреждения столкновений. Международная организация гражданской авиации, 2007. 315 с.
2. Doc 9684 AN/951 ИКАО. Руководство по вторичным обзорным радиолокационным (ВОРЛ) системам. Международная организация гражданской авиации, 2004. 256 с.
3. Doc 9871 AN/464 ИКАО. Технические положения, касающиеся услуг режима S и расширенного сквиттера. Международная организация гражданской авиации, 2008. 246 с.
4. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. М.: «Вильямс», 2004. 992 с.
5. Среда разработки AVR STUDIO 6 [Электронный ресурс]. URL: http://www.atmel.com/ru/ru/tools/atmelstudio.aspx (дата обращения 01.11.2015).
6. Среда разработки QUARTUS [Электронный ресурс]. URL: https://www.altera.com/ content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/manual/archives/intro_to _quartus2.pdf (дата обращения 15.10.2015).
7. Радиоэлектронные компоненты фирмы Analog devices [Электронный ресурс] URL: https://www.analog.com/ru/index.html (дата обращения 16.10.2015).
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
--2015, Т. 1, №1
8. Радиоэлектронные компоненты фирмы Altera [Электронный ресурс] URL: https://www.altera.com/products.html (дата обращения 13.10.2015).
9. Радиоэлектронные компоненты фирмы Atmel [Электронный ресурс] URL: http://www.atmel.com/ru/ru/products/microcontrollers/default.aspx (дата обращения 12.10.2015).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тележкин Владимир Федорович ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры инфокоммуникационные технологии E-mail: [email protected].
Telezhkin Vladimir Fedorovich FSEI HPE «South Ural State University, Chelyabinsk», Russia, doctor of technical sciences, Professor, Department of information and communication technology E-mail: [email protected].
Кирвович Артем Сергеевич АО ЧРЗ «Полет», г. Челябинск, Россия, инженер-конструктор 1 категории, КБ-22 E-mail: [email protected]
Kirvovich Artem Sergeevich Firm «Polet», Chelyabinsk, Russia, engineer-constructor, category 1 KB-22 E-mail: [email protected]
Лысун Андрей Олегович ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск, Россия, аспирант кафедры инфокоммуникационные технологии E-mail: [email protected]
Lysun Andrey Olegovich FSEI HPE «South Ural State University», Chelyabinsk, Russia, post-graduate student, Department of information and communication technology E-mail: [email protected]
Подкорытов Сергей Геннадьевич АО ЧРЗ «Полет», г. Челябинск, Россия, начальник КБ-22 E-mail: [email protected]
Podkorytov Sergey Gennadevich Firm «Polet», Chelyabinsk, Russia, head of KB-22 E-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для связи с авторами: 454080, Челябинск, пр. Ленина,76, кафедра ИКТ, Тележкин В.Ф.,
83519002580
