CC BY
216
doi 10.24411/2409-5419-2018-10037
МЕТОДИКА ДЕКОДИРОВАНИЯ СООБЩЕНИЙ ADS-B КАК ЧАСТЬ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА БОРТОВЫХ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО СУДНА В СОСТАВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ, ПОСТРОЕННЫХ В СРЕДЕ ГРАФИЧЕСКОГО ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ LABVIEW
СИМОНОВ Павел Игоревич1
КУБАНКОВ
Юрий Александрович2
Сведения об авторах:
1к.т.н., ведущий инженер Государственного научно-исследовательского института авиационных систем, г. Москва, Россия, [email protected]
2к.э.н., доцент Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Рассмотрен способ построения SDR-систем для приема, демодуляции и декодирования сообщений автоматического зависимого наблюдения в режиме радиовещания (ADS-B), принимаемых от воздушного судна, в контексте унификации комплекса программного обеспечения для автоматизированных измерительных стендов, построенных с использованием технологии виртуальных приборов, и выполняющих задачи комплексной имитации бортовых систем с учетом моделирования реальных факторов полета, включая имитацию радиообстановки. Рассмотрена суть концепции программируемого радио, которая заключается в том, что базовые параметры аппаратных компонентов приемопередающего устройства определяются именно программным обеспечением, а не аппаратной конфигурацией, в отличие от аналоговых приемопередающих систем. Раскрыта суть технологии виртуальных приборов и виртуальных измерительных систем, построенных на их основе, отмечены их достоинства применительно к построению автоматизированных измерительных стендов. Дано определение автоматизированного измерительного стенда как совокупности программных средств и средств вычислительной техники, обеспечивающей воспроизведение, моделирование и измерение параметров высокочастотных сигналов с помощью виртуального прибора, под которым понимается средство измерения, реализованное на основе компьютерной программы, написанной на LabVIEW.
Подробно рассмотрена методика проверки: раскрыта суть технологии ADS-B, позволяющая лётчикам и авиадиспетчерам получать аэронавигационную информацию от ВС с большей точностью. Также рассмотрен метод получения и переноса демодулирован-ного сообщения в программную часть SDR-системы для последующего декодирования. Рассмотрена структура, типы и виды широковещательных сообщений, а также основные регистры GICB, передаваемые в сообщениях ADS-B. Рассмотрен процесс извлечения информации на примере сообщений о местоположении воздушного судна в воздухе, закодированных методом Compact Position Report.
Полученные результаты позволили сделать заключение о том, что унификация программного обеспечения совместно с программной обработкой демодулированной информации позволяет существенно расширить спектр принимаемых от воздушного судна сообщений, например, сообщений от вторичного обзорного радиолокатора или системы предупреждения столкновений в воздухе без необходимости модернизации и доработки аппаратной части автоматизированных измерительных стендов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ADS-B; LabVIEW; измерения; автоматизированный измерительный стенд; виртуальная измерительная система; качество.
Для цитирования: Симонов П. И., Кубанков Ю.А. Методика декодирования сообщений ДРБ-В как часть проверки качества бортовых систем воздушного судна в составе автоматизированных измерительных стендов, построенных в среде графического языка программирования [^ЬУЕШ // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2018. Т. 10. № 2. С. 12-21. с^ 10.24411/2409-5419-2018-10037
Задача унификации программного обеспечения (ПО) в составе автоматизированных измерительных стендов для проверки качества бортовых систем воздушных судов (ВС) гражданской авиации, а также в задачах прототипирова-ния при их разработке, тестировании и проверке качества является достаточно актуальной, так как это позволяет минимизировать расходы на разработку, модернизацию этих стендов, тем самым снижая общую финансовую нагрузку на решение прикладных задач. Вместе с тем происходит, как правило, усложнение как самих расчетных задач, так и различных моделируемых систем и т.п., что объективно указывает на необходимость адаптации функциональных возможностей автоматизированных измерительных стендов под новые требования и задачи.
Одним из наиболее прогрессивных подходов к решению указанной выше задачи является совместное использование технологий программируемого радио (software-defined radio, SDR) [1] и технологии виртуальных приборов (ВП), функционирующих в составе виртуальной измерительной системы (ВИС) [2] на основе ма-гистрально-модульной архитектуры PXI/PXIe. При этом ПО для указанных стендов предполагается разрабатывать в среде LabVIEW по следующему ряду причин, суть которых будет рассмотрена ниже.
Концепция SDR [3-4] заключается в том, что базовые параметры аппаратных компонентов приемопередающего устройства определяются именно программным обеспечением, а не аппаратной конфигурацией, как это устроено в аналоговых приемопередающих системах.
Такой подход позволяет получить ряд преимуществ:
— возможность синтеза практически любого автоматизированного измерительного (проверочного) стенда для любого бортового блока;
— автоматизация процесса выполнения и обработки результатов измерений.
С другой стороны, наличие ПЛИС в составе SDR-устройств предоставляет пользователю возможность более гибко конфигурировать автоматизированный измерительный стенд в зависимости от проверяемого бортового блока, при этом программирование ПЛИС выполняется в той же среде LabVIEW, что и остальные программные части стенда [5-6]. Таким образом, рассматривая ВИС на основе стандарта PXI/PXIe, у инженеров-разработчиков появляется возможность пользоваться привычными средствами разработки без необходимости привлечения дополнительного штата программистов ПЛИС, что особенно актуально при разработки стендов для проверки бортовых систем, в частности, для проверки бортовых систем наблюдения. При этом одним из множества видов проверок систем наблюдения является проверка системы автоматического зависимого наблюдения в режиме радиовещания (англ. Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)
с использованием методов и средств программно-аппаратного моделирования.
Дадим определение автоматизированного измерительного стенда в контексте решаемых задач. Автоматизированный измерительный стенд — это совокупность программных средств и средств вычислительной техники, обеспечивающая воспроизведение, моделирование и измерение параметров ВЧ сигналов с помощью ВП, при этом под ВП понимается средство измерения, реализованное на основе компьютерной программы, написанной на LabVIEW.
Рассмотрим более подробно предмет проверки — технологию ADS-B. Это технология, позволяющая лётчикам и авиадиспетчерам на наземном пункте наблюдать движение воздушных судов с большей точностью и получать аэронавигационную информацию. Суть технологии заключается в следующем. ВС, оборудованное приемо-ответчиком (транспондером), посылает на частоте 1090 МГц широковещательные сообщения своих собственных текущих координат месторасположения на протяжении всего полёта. Кроме того, в данных широковещательных сообщениях передаются курс, высота, горизонтальная и вертикальная скорость. Приёмники ADS-B, встроенные в авиадиспетчерские пункты и системы управления воздушным движением, а также установленные на борту ВС, обеспечивают точное отображение на их экране вторичных радиолокационных систем (вторичных радиолокаторов, ВОРЛ). При этом ВС, посылающие сигналы ADS-B, могут находиться как в небе, так и на земле.
Таким образом, Таким образом, ADS-B — это система, предназначенная для взаимодействия между ВС [4], находящимися в воздухе или на земле, или иными наземными транспортными средствами в пределах зоны контроля за движением на аэродроме, которая периодически передает данные о векторе состояния (горизонтальное и вертикальное положение, горизонтальная и вертикальная составляющие скорости), а также иную информацию. Система ADS-В функционирует в автоматическом режиме, т.к. для нее не требуются внешние управляющие воздействия; она является зависимой в том смысле, что получает данные от инерциальных систем, баро- и радиовысотомеров, навигационных источников и прочих других бортовых систем, передающих данные наблюдений другим пользователям. Для воздушных судов или транспортных средств не имеет значения, какие пользователи получают передаваемые ими данные; при этом пользователь, как воздушное судно, так и наземное транспортное средство, находящиеся в радиусе действия вещания, могут получать и обрабатывать данные наблюдения системы ADS-В. Система ADS-В позволяет оптимально использовать воздушное пространство, снижает ограничения по высоте / видимости, обеспечивает улучшенный контроль за состоянием наземных объектов, а также по-
вышает безопасность работы, например, путем разрешения конфликтных ситуаций.
Кроме того, имеется возможность получать информацию о погодных условиях и аэронавигации в зоне пролета для самолетных систем в графическом виде посредством технологии Flight Information Service — Broadcast (FIS-B). В конечном счете это позволяет пилоту ВС наглядно представлять динамично меняющуюся информацию об условиях полета [7].
Таким образом, технология ADS-B — это востребованный, эффективный инструмент, повышающий эффективность работы систем наблюдения, а кроме того, имеющий широкий спектр потенциального применения как в малой авиации, так и при использовании малых БПЛА [8-9].
Суть проверки ADS-B заключается в следующем. Комплексу бортового оборудования (КБО), функционирующему в составе имитационного стенда в реальном времени «подыгрывается» актуальная летная информация и соответствующая ей радиообстановка, которая задается в соответствии с моделью полета: данные маяков ILS, VOR, DME, координаты GNSS, воздушная скорость, барометрическая высота, направление движения, широта, долгота и т. д.
Блок ADS-B, в свою очередь, принимает от КБО эту информацию, и через приемоответчик режима S, который отвечает за передачу по линии «воздух-земля», передает ее по ВЧ-тракту на приемную часть имитационного стенда (рис. 1).
Информация, передаваемая по линии «воздух-земля», представляет собой передаваемый на частоте 1090 МГц PPM-модулированный сигнал — т.е. сигнал, информация которого закодирована положением импульсов.
В данном случае это сигнал, состоящий из четырех импульсов преамбулы (представляющей вхождение в синхронизм) и 56 или 112 одно микросекундных отрезков, где импульс 0,5 мкс присутствует либо в его первой, либо во второй половине одно микросекундного интервала [10-11]. Импульс, содержащийся в первой части одно микросекундного отрезка будет считаться двоичной ЕДИНИЦЕЙ, а если импульс содержится во второй части одно микросекундного отрезка, то двоичным НУЛЕМ. Нумерация бит происходит в порядке их передачи, то есть начинается с первого бита. Если не предусмотрен иной вариант, цифровые значения групп (полей) битов, кодируются с помощью положительной двоичной системы, где первым передаваемым в сообщении битом является самый старший (most significant bit, МSВ). Информация кодируется в полях, каждое из которых состоит по крайней мере из одного бита. Необходимо отметить, что сообщения ADS-B, а также любые другие сообщения, используемые описанный выше способ передачи информации, получили общее название как ответы режима S. Структура ответов режима S приведена на рис. 2.
Как нетрудно предположить из рис. 2 ответы режима S в целях однозначного декодирования представляет собой детерминированный набор полей, содержащий определенный тип информации о ВС. Структура и содержание полей блока данных, используемых в сообщениях ADS-B, приведена на рис. 3.
Как видно из рис. 3, сообщение ADS-B содержит 5 наборов полей:
— DF — закодированный в первых пяти битах формат сообщения ADS-B (форматы сообщений ADS-B кодируются как двоичные 17 (10001) или 18 (10010));
Рис. 1. Общая схема проверки АЗН-В
Рис. 2. Структура ответов режима S
DF:5 CA:3 AA:24 ME:56 PI:24
Рис. 3. Формат сообщений ADS-B
— CA — закодированные в 3-х битах возможности приемоответчика режима S;
— AA — закодированный в 24 битах адрес ВС;
— ME — закодированные в 56 битах сообщения;
— PI — закодированная в 24 битах проверка четности «четность-идентификатор запросчика»;
Ключевым полем, содержащим информацию о собственном ВС и передаваемом в виде всенаправленных сообщений, является поле ME. Данное поле имеет вид определенных регистров GICB (Ground-initiated Comm-B) [12,
13], значения которых для сообщений ADS-B приведены в табл. 1.
В качестве примера рассмотрим структуру поля ME, содержащую информацию о координатах ВС в воздухе (GICB0516), которая приведена в табл. 2.
Как видно из табл. 2, координаты ВС содержатся в битах 22-38 и 39-55 поля ME и закодированы методом Compact Position Report (CPR). Суть алгоритма CPR [14] заключается в следующем: для эффективного кодирования данных о широте/долготе в сообщениях ряд старших
Таблица 1
Информация, содержащаяся в регистрах GICB, передаваемых в сообщениях ADS-B
Код регистра GICB (HEX) Описание регистра
05 информация о местоположении в воздухе
06 информация о местоположении на земле
07 информация о статусе
08 информация об опознавательном индексе
09 информация о скорости при нахождении в воздухе
Таблица 2 Структура поля МЕ, содержащая информацию о местоположении ВС в воздухе
Порядок следования бит Описание полей
0-4 Код типа формата (Type Code)
5-6 Статус наблюдения (Surveillance Status)
7 Признак одной антенны (NIC supplement-B)
8-19 Высота (Altutude)
20 Время (Time UTC)
21 Формат (CPR odd/even frame flag)
22-38 Кодированная широта в формате CPR (Latitude in CPR format)
39-55 Кодированная долгота в формате CPR (Longitude in CPR format)
битов, которые, как правило, не меняются в течение длительного периода времени, не будут передаваться в каждом сообщении. Например, в прямом двоичном представлении данных о широте 1 бит указывает на то, находится ли воздушное судно в северном или южном полушарии. Этот бит и будет оставаться неизменным в течение достаточно длительного периода времени, возможно, даже на протяжении всего срока службы ВС. Повторяющаяся передача этого бита в каждом сообщении о местоположении по своей сути неинформативна [12].
Поскольку старшие биты передаваться не будут, то из этого следует, что многочисленные точки на земле возможно, будут выдавать аналогичную кодированную информацию о местоположении. То есть, если будет получено лишь одно сообщение о местоположении, декодирование будет являться неоднозначным с точки зрения определения правильности местоположения ВС, то есть, какое из множества решений будет являться правильным.
Метод CPR позволяет в принятых от ВС сообщениях однозначно определить его местоположение. Это достигается посредством совмещения при кодировании двух методов кодирования, которые между собой несильно отличаются. Каждый из двух фрагментов сообщений, называемых четным форматом и нечетным форматом, передается в течение примерно 50% времени. После получения обоих фрагментов в течение короткого периода (около 10 с) приемная система (или приемоответчик ВС) может однозначно определить местоположение ВС.
Алгоритм декодирования местоположения в воздухе заключается в следующем. Так как алгоритм CPR использует одно закодированное в четном формате сообщение о местоположении в воздухе, обозначенное как Х20, 720 в совокупности с одним закодированным в нечетном формате, обозначенном как Х21, 721, для восстановления значений широты Яш и долготы Яы глобального географического местоположения потребуется, как было сказано выше, некоторый период времени между, необходимый для сбора и анализа, не превышающее, однако 10 с.
Ограничение промежутка времени между донесениями о местоположении в четном и нечетном формате 10 с выбрано из следующих соображений. Максимальное допустимое разделение в 3 морские мили (5,56 км) и скорость ВС находятся в прямой зависимости: ВС, способное развивать скорость1852 км/ч(1000 уз), пролетит за 10 с примерно 5,1 км (2,8 м. мили). Поэтому алгоритм CPR сможет однозначно декодировать его местоположение в течение 10-секундной задержки между донесениями о местоположении.
Рассмотрим процесс декодирования координат Как было указано выше, в поле МЕ биты, отвечающие за кодирование широты имеют позицию 22-38, а за кодирование долготы — 39-55, то есть, на кодирование координат
отводится по 17 бит. Тогда при получении 17-битного донесения о местоположении в воздухе, закодированного в четном формате (XZ0, YZ0), и другого сообщения, закодированного в нечетном формате (XZ1, YZ1), с интервалом не более чем 10 с (примерно 3 м. мили), алгоритм CPR восстанавливает географическое местоположение на основе закодированных донесений о местоположении в следующей последовательности:
Как видно из табл. 2, координаты ВС содержатся в битах 22-38 и 39-55 поля ME и закодированы методом Compact Position Report (CPR). Суть алгоритма CPR [14] заключается в следующем: для эффективного кодирования данных о широте/долготе в сообщениях ряд старших битов, которые, как правило, не меняются в течение длительного периода времени, не будут передаваться в каждом сообщении. Например, в прямом двоичном представлении данных о широте 1 бит указывает на то, находится ли воздушное судно в северном или южном полушарии. Этот бит и будет оставаться неизменным в течение достаточно длительного периода времени, возможно, даже на протяжении всего срока службы ВС. Повторяющаяся передача этого бита в каждом сообщении о местоположении по своей сути неинформативна [12].
Поскольку старшие биты передаваться не будут, то из этого следует, что многочисленные точки на земле возможно, будут выдавать аналогичную кодированную информацию о местоположении. То есть, если будет получено лишь одно сообщение о местоположении, декодирование будет являться неоднозначным с точки зрения определения правильности местоположения ВС, то есть, какое из множества решений будет являться правильным.
Метод CPR позволяет в принятых от ВС сообщениях однозначно определить его местоположение. Это достигается посредством совмещения при кодировании двух методов кодирования, которые между собой несильно отличаются. Каждый из двух фрагментов сообщений, называемых четным форматом и нечетным форматом, передается в течение примерно 50% времени. После получения обоих фрагментов в течение короткого периода (около 10 с) приемная система (или приемоответчик ВС) может однозначно определить местоположение ВС.
Алгоритм декодирования местоположения в воздухе заключается в следующем. Так как алгоритм CPR использует одно закодированное в четном формате сообщение о местоположении в воздухе, обозначенное как XZ0, YZ0 в совокупности с одним закодированным в нечетном формате, обозначенном как XZ1, YZ1, для восстановления значений широты Rlat и долготы R0on глобального географического местоположения потребуется, как было сказано выше, некоторый период времени между, необходимый для сбора и анализа, не превышающее, однако 10 с.
Ограничение промежутка времени между донесениями о местоположении в четном и нечетном формате 10 с выбрано из следующих соображений. Максимальное допустимое разделение в 3 морские мили (5,56 км) и скорость ВС находятся в прямой зависимости: ВС, способное развивать скорость1852 км/ч(1000 уз), пролетит за 10 с примерно 5,1 км (2,8 м. мили). Поэтому алгоритм CPR сможет однозначно декодировать его местоположение в течение 10-секундной задержки между донесениями о местоположении.
Рассмотрим процесс декодирования координат Как было указано выше, в поле МЕ биты, отвечающие за кодирование широты имеют позицию 22-38, а за кодирование долготы — 39-55, то есть, на кодирование координат отводится по 17 бит. Тогда при получении 17-битного донесения о местоположении в воздухе, закодированного в четном формате (Х20, К20), и другого сообщения, закодированного в нечетном формате (Х21, К21), с интервалом не более чем 10 с (примерно 3 м. мили), алгоритм CPR восстанавливает географическое местоположение на основе закодированных донесений о местоположении в следующей последовательности:
1. Расчет размера широтной зоны в направлении север- юг для четных (/ = 0) и нечетных (/ = 1) пар (Б 1аЮ и Б ш) по формуле:
360°
4 • NZ - i
(1)
где N2 — число географических широтных зон между экватором и полюсом устанавливается равным 15. 2. Расчет индекса широты] по формуле:
j = floor
59 • YZ0 - 60 • YZl 2"
(2)
3. Расчет значений для четных сообщений (i = 0) Rfaffl и нечетных (i = 1) сообщений RM по формуле:
Ra,= MOD (,60 - i) + Цг} (3)
Значения R ht. в южном полушарии будут лежать в диапазоне 270о-360о. Посредством вычитания из этих значений 360о устанавливается значение R bt. в диапазоне от -90о до +90о.
4. Проверка на удвоение переходной широты NL(R ы). NL(x) обозначает функцию «число долготных зон»,
представляющую широтный угол x. Значение, определяемое функцией NL(x), ограничивается диапазоном 1-59. Значение NL(x) определяется для большинства широт следующим уравнением:
NL (x ) = floor
Лк-
arccos
1 - cos
1 —
2 - NZ
180
•|lai|
-Л
(4)
где Ш—широтный аргумент, представленный в градусах.
В случае, когда (4) для расчетов в реальном времени непригодно, рекомендуется предварительно рассчитать таблицу переходных широт, используя следующую формулу [7]:
180°
lat ---arccos
1 - cos ( п ^
-1
V 2 • NZ
1 - cos ( 2п \
-I
V 2 • NL J
(5)
где ЫЬ принимает значения 2 ... 4 ЫЬ - 1.
Таким образом, если ЫЬ (ЯШЛ) ф ЫЬ (Яш), то два местоположения удваивают переходную широту и, следовательно, невозможно определить глобальную долготу. В этом случае необходимо дождаться новых сообщений ADS-B с координатами местоположения и провести расчеты по формулам 1-5 заново.
5. Расчет размера долготной зоны в направлении «восток- запад» для четных (I = 0) и нечетных (I = 1) пар
(Бп0 и Б ют) по формуле:
D =
360°
(6)
где п.—максимальное значение из [Ж(ЯШй) -1, 1], где расчет Я производится рассчитанное согласно (5). 6. Расчет индекса долготы по формуле:
. „ (хг0 • (ж -1) - хг. • ж 1Л
1 = Аоог —27-1—+2)' (7)
где Ж = ыь(Яш)
7. расчет глобальной долготы Я для четного (I =0) и нечетного (/ =1) сообщения по формуле:
R,= Dloni-\MOD(m,ni) + Xt |;
(8)
Таким образом, пары для четных и нечетных сообщений, рассчитанные по (3) и (8) и есть принятые и декодированные координаты.
Рассмотрим процесс декодирования сообщений ADS-B. Для обеспечения высокой скорости обработки, модулированные сообщения ADS-B принимаются автоматизированным измерительным стендом на приемник ПЛИС, где происходит его демодуляция в соответствии с положениями, указанными на рис. 2 и рис. 3. Для приня-
п
п
тия решения о целостности принятого сообщения проводится проверка на четность в соответствии с правилами, изложенными в [10, 15]. Если результат проверки четности положительный, то демодулированное сообщение подлежит декодированию, в противном случае необходимо дождаться нового сообщения. Результат демодуляции представляет собой массив из 112 булевских элементов, который передается в систему реального времени посредством буфера DMA FIFO target-to-host для потокового декодирования.
В общем случае система реального времени проводит расчет параметров радиообстановки для КБО, а задача декодирования сообщений ADS-B является лишь одной из частных задач. В целях экономии вычислительных ресурсов система реального времени передает принятый из ПЛИС двоичный массив на декодирование на ЭВМ оператора (HOST PC). Для решения задачи декодирования сообщений ADS-B был разработан набор пользовательских библиотек в LabVIEW. Данный набор библиотек позволяет декодировать все регистры GICB сообщений ADS-B, приведенные в таб. 1, а также выполнять необходимые расчеты, позволяющие проводить однозначное в глобальном масштабе декодирование местоположения в воздухе.
Схема виртуальной измерительной системы, представляющей прототип автоматизированного измерительного стенда, и выполняющей функции SDR-приемника приведена на рис 4.
Следует отметить, что наличие системы реального времени позволяет выполнять в том числе потоковое декодирование принятых сообщений за время, кратное 1 мкс, а имеющихся ресурсов системы достаточно не только для декодирования ADS-B, но и других сообщений, например, ответов ВС на запросы вторичного обзорного радиолока-
тора (ВОРЛ) или бортовой системы предупреждения столкновений (БСПС).
Таким образом, полученный подход позволяет рассматривать процесс декодирования сообщений как одну из подпрограмм, которая будет вызваться при распознавании соответствующего типа сообщения.
Так как сообщения ADS-B — лишь часть общего протокола взаимодействия «воздух-земля» и «воздух-воздух», основанный на тех же принципах модуляции, то в дальнейшем в планируется на основе унифицированного подхода при написании ПО как для FPGA так и для HOST-PC расширить функциональность измерительного стенда за счет декодирования однозначного в местном масштабе местоположения в воздухе (на земле), ответов от приемо-ответчиков режима A/C (данные о барометрической высоте ВС), ответов на запросы ВОРЛ и БСПС.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что унификация ПО автоматизированных измерительных стендов вкупе с программной обработкой позволяет существенно расширить спектр принимаемых от ВС сообщений без необходимости модернизации и доработки аппаратной части автоматизированных измерительных стендов.
Литература
1. Симонов П. И., Кубанков Ю. А. Компьютерные методы измерений параметров телекоммуникационных средств: стандарты и подходы. М.: Горячая линия - Телеком, 2018. 106 с.
2. Рубичев Н. А. Измерительные информационные системы. М.: Дрофа. 2010. 334 c.
3. Симонов П. И., КубанковЮ. А. Повышение качества проверки высокочастотных радиотехнических
Рис. 4. Схема ВИС, выполняющей функции SDR-приемника
средств радиоизмерительным оборудованием на основе стандартов PXI/PXIe // Специальная техника. 2016. № 5. C. 16-21.
4. 1090-WP30-18. Minimum operational performance standards for 1090 MHz extended squatter Automatic Dependent Surveillance — Broadcast (ADS-B) and Traffic Information Services — Broadcast (TIS-B)/ Washington, DC. SC-186. RTCA Inc. 2009.
5. Симонов П. И. Предложения по увеличению числа доступных приборов в виртуальных измерительных системах с ограниченным числом измерительных трактов // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2012. № 1, 2. C. 65-66.
6. Силин А. Технология Software Defined Radio. Теория, принципы и примеры аппаратных платформ// Беспроводные технологии. 2007. № 2. URL: http: www.wireless-e. ru/articles/technologies/200 (дата обращения 22.01.2018).
7. National Instruments: Software Defined Radio: Past, Present, and Future. 2017. URL: http://www.ni.com/white-pa-per/53706/en/ (дата обращения: 19.01.2018)
8. Смирнов В. С., Знаменская К. С. Метод АЗН-В (автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания) // Актуальные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук. Специальный выпуск. 2016. Т. 10s-1. C. 129-131.
9. Minimum Operational Performance Standards for Universal Access Transceiver (UAT) Automatic, Depend-
ent Surveillance — Broadcast (ADS-B). Washington, DC: SC-186, RTCA Inc. 2009.
10. Guterres R.M., Jones S. R., Dr. Massimini S. V, Strain R. C. ADS-B Surveillance in High Density SUAS Applications at Low Altitudes // International Symposium on Enhanced Solutions for Aircraft and Vehicle Surveillance Applications. Berlin, 07-08 April 2016.
11. Приложение 10. Авиационная электросвязь. Том IV: Системы наблюдения и предупреждения столкновений. 5-е издание. Монреаль: ИКАО, 2014. 232 с.
12. Guterres R. M., Jones S. R., Orrell G. L., Strain R. C. ADS-B Surveillance System Performance with Small UAS at Low Altitudes // AIAA Information Systems-AIAA Infotech @ Aerospace, AIAA SciTech Forum, (AIAA 2017-1154). 2017. 15 p. doi.org/10.2514/6.2017-1154
13. Doc 9871. Технические положения, касающиеся услуг режима S и расширенного сквиттера. 2-е издание. 2012. Монреаль: ИКАО, 352 с
14. 1090-WP-14-09R1. Appendix A. Extended Squitter and TIS-B Formats And Coding Definitions/Washington, DC. SC-186. RTCA Inc. 2002.
15. Gertz J. L. Fundamentals of Mode S Parity Coding. Project Report ATC-117. Lexington, Lincoln Laboratory. Massachusetts Institute Of Technology. 1984. 36 p.
16. Minimum Operational Performance Standards for Traffic Alert and Collision Avoidance System II (TCAS II)/ Washington, DC. RTCA Inc. 2008.
METHOD OF DECODING ADS-B MESSAGES ON AUTOMATED MEASUREMENT STANDS BUILT ON LABVIEW FRAMEWORK, AS PART OF THE AIRCRAFT BOARD SYSTEMS QUALITY CONTROL
PAVEL I. SIMONOV KEYWORDS: ADS-B, LabVIEW, measurements, automated measur-
Moscow, Russia, [email protected] ing stand, virtual measuring system, quality.
YURY A. KUBANKOV
Moscow, Russia, [email protected]
ABSTRACT
The article reviews a method for constructing SDR-systems for receiving, demodulating and decoding automatic dependent surveillance (ADS-B) broadcast messages received from an aircraft in the context of unifying a software package for automated measuring stands built using virtual instrument technology and imitating board systems and real flight factors, including the radio environment. The essence of the concept of a programmable radio is considered, which means that the basic parameters of the hardware components of the transceiver are determined not by hardware, but by the software indeed, opposite to the analog transceiver systems. The essence of the technology of virtual instruments and virtual measuring systems, built on their basis, is revealed, their advantages are noted in relation to the construction of automated measuring stands. The definition of an automated measuring stand as a combination of software and computer facilities providing reproduction, modeling and measurement of high-frequency signals by means of a virtual device, is provided. This means a measurement tool implemented on the LabVIEW framework.
The article narrowly reviewes verification procedure and the essence of the technology of ADS-B, which allows the pilots and air traffic controllers at the ground station to obtain aeronautical information with greater accuracy.
The method of obtaining and transferring a demodulated message to the program part of the SDR-system for subsequent decoding is reviewed. The structure, types and kinds of broadcast messages, as well as the main GICB registers transmitted in ADS-B messages, are considered. The process of extracting information using a sample of position messages in the air coded by the Compact Position Report method is shown.
The obtained results allowed to conclude that unification of software together with software processing of demodulated information allows to significantly expand the range of messages received from the aircraft, for example, messages from a secondary surveillance radar or an airborne collision avoidance system without the need to upgrade and refine the hardware of automated measuring stands.
REFERENCES
1. Simonov P. I., Kubankov Y. A. Komp'yuternye metody izmereniy parametrov telekommunikatsionnykh sredstv: standarty i podkhody [Computer methods for measuring the parameters of telecommunications: standards and approaches]. Moscow: Goryachaya Linia -Telecom, 2018. 106 p.
2. Rubichev N.A. Izmeritel'nye informatsionnye sistemy [Measuring information systems: a manual]. Moscow: Drofa, 2010. 334 p.
3. Simonov P. I., Kubankov Y. A. Povyshenie kachestva proverki vy-sokochastotnykh radiotekhnicheskikh sredstv radioizmeritel'nym oborudovaniem na osnove standartov PXI/PXIe [Improving the quality of testing high-frequency radio equipment using radio equipment based on PXI / PXIe standards]. Spetsialnaya Technika [Special equipment]. 2016. No. 5. Pp.16-21.
4. 1090-WP30-18. Minimum operating performance standards for 1090 MHz extended squatter Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B) and Traffic Information Services - Broadcast (TIS-B) / Washington, DC. SC-186. RTCA Inc. 2009.
5. Simonov P. I. Proposals for increasing the number of available instruments in virtual measuring systems with a limited number of measuring paths. Sistemy i sredstva svyazi, televideniya i radiovesh-chaniya [Systems and means of communication, television and radio broadcasting]. 2012. No. 1, 2. Pp. 65-66.
6. Silin A. Tekhnologiya Software Defined Radio. Teoriya, printsipy i primery apparatnykh platform[Software Defined Radio technology. Theory, principles and examples of hardware platforms]. Wireless Technologies. 2007. No. 2. URL: http://www.wireless-e.ru/articles/ technologies/200 (date of access 22.01.2018)
7. National Instruments: Software Defined Radio: Past, Present, and Future. 2017. URL: http://www.ni.com/white-paper/53706/en/ (date of access 01.19.2018)
8. Smirnov V.S., Znamenskaya K. S. Method ADS-B (automatic dependent surveillance broadcast mode). AktuaT'nye problemy gu-manitarnykh i sotsial"no-ekonomicheskikh nauk. Spetsial'nyy vypusk. [Actual problems of humanitarian and socio-economic sciences. Special issue]. 2016. Vol. 10s-1. Pp. 129-131.
9. Minimum Operational Performance Standards for Universal Access Transceiver (UAT) Automatic, Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B). Washington, DC: SC-186, RTCA Inc. 2009.
10. Guterres R. M., Jones S. R., Dr. Massimini S. V., Strain R. C. ADS-B Surveillance in High Density SUAS Applications at Low Altitudes. International Symposium on Enhanced Solutions for Aircraft and Vehicle Surveillance Applications. Berlin, 07-08 April 2016.
11. Annex 10. Aeronautical Telecommunications. Vol. 4. Observation and collision avoidance systems. 5th edition. International Civil Aviation Organization. Montreal: ICAO, 2014. 232 p.
12. Guterres R. M., Jones S. R., Orrell G. L., Strain R. C. ADS-B Surveillance System Performance with Small UAS at Low Altitudes. AIAA Information Systems-AIAA Infotech @ Aerospace, AIAA SciTech Forum, (AIAA 2017-1154). 2017. 15 p. doi.org/10.2514/6.2017-1154
13. Doc 9871. Technical provisions for Mode S services and ex-
tended squitter. International Civil Aviation Organization. Second edition 2012. 352 p.
14. 1090-WP-14-09R1. Appendix A. Extended Squitter and TIS-B Formats And Coding Definitions. Washington, DC. SC-186. RTCA Inc. 2002.
15. Gertz J. L. Fundamentals of Mode S Parity Coding. Project Report ATC-117. Lexington, Lincoln Laboratory. Massachusetts Institute Of Technology. 1984. 36 p.
16. Minimum Operational Performance Standards for Traffic Alert and Collision Avoidance System II (TCAS II). Washington, DC. RTCA Inc. 2008.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Simonov P. I., PhD, Lead Engineer of State Research Institute of Aviation Systems (GosNIIAS);
Kubankov Yu. A., PhD, Docent of Moscow Technical University of Communication and Informatics.
FOR CITATION: Simonov P. I., Kubankov Yu. A. Method of decoding ADS-B messages on automated measurement stands built on LabVIEW framework, as part of the aircraft board systems quality control. H&ES Research. 2018. Vol. 10. No. 2. Pp. 12-21. doi 10.24411/2409-54192018-10037 (In Russian)
