Главная | MLAT Технология - Часть 1 - Введение

MLAT Технология - Часть 1 - Введение

Тэги: 
Тэги: 
Тэги: 
Тэги: 
Тэги: 
Тэги: 
Тэги: 

Вольный перевод данного материала. (с) IC7K 2011

Источник http://multilat.jetvision.de

В статье упоминается приемник SBS-1, судя по некоторым данным - это все применимо и к приемнику microADSB.

Что мы не "видим" используя приемник ADS-B?

Много самолетов не указывают свои координаты, в основном это старые самолеты типа MD80, однако и современные, такие как CRJ, Embraer и т.п. и быстро увеличивающийся парк легких самолетов не передают сквиттер (широковещательный сигнал) с координатами, который нужен для отображения позиции ВС на карте. Не забывайте, что военные ВС сознательно скрывают свою позицию.

Точность ADS-B радара при использовании GPS может быть плюс минус несколько метров, а при использовании IRS самолета хуже чем 5NM.

В этой статье мы расскажем как "увидеть невидимые" ВС.

Используя математические преобразования данных, поступающих от 4 и более приемников, мы сможем "видеть" позицию бортов не передающих свои координаты.

Что мы должны получить в результате нашей работы:

1. Координаты бортов, не передающих свою координаты в сквиттерах.

2. Отображать Воздушное Судно (ВС) на экране с помощью PlanePlotter или Basestation

 

Вычисление позиции "безкоординатных" (no-pos) бортов.

Это непростая задача. Мы будем использовать самую лучшую из доступных технологий для этой цели, которая называется Multilateration (MLAT).

Эта технология используется в профессиональном оборудовании диспетчеров (ATC). Главная идея состоит в вычислении позиции ВС на основе временнЫх разностей, получаемых при приеме одного и того же сигнала набором нескольких приемников.

Временные разности при приеме (Time difference of arrival (TDOA))

Когда "безкоординатный" борт излучает сигнал типа Mode-S, то сигнал проделывает путь в атмосфере и поступает в приемники, распространяясь со скоростью света:

VLS=c/rair = 299,552,815 m/s = 300*106 m/s = 300 m/mks

Эта формула показывает, что пакет данных проходит 300 метров или около 1000 футов за одну микросекунду. Если мы получим результат с такой точностью, этого будет достаточно.

Если приемники будут иметь общий опорный источник времени, технология  должна выглядеть так: мы засекаем время, в которое один и тот же сигнал поступает в каждый из приемников сети MLAT. Более отдаленный приемник будет получать сигнал  с запаздыванием относительно более близких к "безкоординатному" ВС приемников. Один из приемников будет "главным" (master) (опорным). Все отметки времени со всех приемников посылаются на сервер (MLAT контроллер) (multilateration controller). Этот сервер вычисляет временную разницу (TDOA) для каждой пары сигналов между "главным" и "подчиненным" приемником. Для 4-х приемников мы получим 3 значения TDOA и этого хватит для достижения наших целей.

Общее опорное (синхронизированное у всех) время можно было бы брать например от GPS приемника, точность которого составляет от наносекунд до микросекунд. Но в приемнике SBS-1 нет интегрированного GPS приемника.

Можно было бы использовать часы компьютера, они достаточно точны, но протокол передачи данных по USB асинхронный и буферируемый, что приведет к неточностям во времени получения пакета данных. Также другие задачи в компьютере могут помешать точному определению времени приема пакета данных.

Нам нужно другое решение этой проблемы. Время приема пакета должно определяться и ставиться "внутри" приемника. Понятно, что точность вычислений позиции напрямую зависит от качества синхронизации времени всех приемников сети MLAT.

 

Счетчик потока данных SBS-1

Это важная тема, которая будет находится в центре нашего внимания.

Чтобы добиться желаемого результата мы должны знать некоторую информацию о передачи данных приемником SBS-1. Мы знаем, что этот поток в основном не закодирован и только некоторая часть его потребует расшифровки.

Каждый пакет данных содержит набор информации, в котором всегда есть значение 24-битного счетчика приемника, и он весьма подходит для наших целей.

Типичный пакет данных рассмотрим ниже:

10 02  Header STX (заголовок)
01  SBS-1 тип сообщения
00  всегда 0
1b 29 56  SBS-1 24 битный счетчик
8f 71 be 01 60 bf 00 b3 1c 5c a1 00 00 00  Mode-S DF17 сообщение
3e 49  SBS-1 CRC
10 03  Trailer ETX (трейлер)

 

 

 

 

 

 

 

Другие типы сквиттеров, помимо 01 (ADS-B squitter), также не содержащие координат ВС, это:  05 (short Mode-S no-pos message) и 07 (long Mode-S no-pos message).

Эксперименты показали, что 24-битный счетчик работает на частоте 20MHz т.е. с интервалом 0.05 мкс или 50 нс. Это составляет полцикла тактовой частоты 40MHz для чипа приемника SBS-1 (Приемник microADSB может выдавать данные с меткой времени для пакетов частотой 20MHz, хотя обычно он работает на частоте 12MHz для уменьшения нагрузки на USB порт). Нет никакой информации для чего применяется этот счетчик, нет и признаков, что он используется в Basestation каки-либо образом. Поскольку счетчик меняет свое значение очень быстро, то каждый пакет с данными гарантированно отличается от других пакетов с такой же информацией.

Мы не знаем на данном этапе, что добавляет в поток данных этот счетчик, но все приемники SBS-1 имеют одинаково "железо" и мы будем обращать внимание только на временные разности в приеме сквиттеров. Задержка в обработке данных у всех приемников SBS-1 одинакова и может быть принята за ноль в расчетах.

Разрешение (точность) счетчика применительно к скорости света составляет:

tl = 0.05 mks * 299.552815 m / mks = 15 m

Каждое изменение счетчика адекватно прохождению радиосигналом 15 метров, что является хорошей точностью для определения координат.

Однако есть одна хитрость - это 24 битный счетчик, и он имеет 16777215 состояний до переполнения и рестарта в 0. Полный период счетчика оставляет 0.83886 сек. и это не дает определять временные различия более чем 839 мс - однако это не проблема, поскольку адекватное расстояние получается более 250,000 км. Все дело же в том, что мы не можем однозначно определить, какой цикл счетчика однозначно идентифицирует принятые сквиттеры.

Введем термины и аксиомы:

- все приемники имеют разное значение счетчика в одно и то же время, обозначим это значение термином offset

- все тактовые частоты приемников различаются в одно и то же время.

- все частоты "плавают" в зависимости от времени, температуры, возраста и т.п. Назовем это значение термином drift.

Радует одно - эти изменения происходят не резко, а достаточно плавно.

Синхронизация часов с ADS-B

Прежде чам начать охоту на "безкоординатные" ВС, мы должны знать характеристики задающей частоты каждого приемника в цепи расчетов. Мы назначаем один из приемников главным (или опорным). Мы узнаем три величины, которые важны: offset, различия частот и drift между опорным и остальными приемниками в сети.

Для вычисления этих величин мы используем метод, возможно впервые озвученный здесь и неожиданно простой по сути. 

Он использует ADS-B сквиттеры, но не только те, которые несут информацию о координатах, но и те, которые не несут координаты, а  имеют соответствующее значение счетчика, как описано выше.

Поскольку мы знаем точное расположение приемников в нашей сети, мы можем вычислить расстояние, между ВС и приемником, основываясь на известной скорости распространения сигнала (скорости света), а также время, за которое сигнал "дошел" до приемника.

Это был первый этап нашего исследования MLAT технологии.

Продолжение: Использование MLAT - Часть 2 - Данные

 
 
 

Комментарии

Clicky

Яндекс.Метрика