Расшифровать небо

Что такое ADS-B на одной странице

Служба управления воздушным движением должна непрерывно знать, где каждый самолёт, чтобы разводить их: авиалайнер на крейсерском режиме проходит 250 м каждую секунду, а правила эшелонирования требуют 300 м по вертикали или 9 км по горизонтали между самолётами под радиолокационным контролем. Семьдесят лет способом это знать был радар: наземная станция посылает импульс и замеряет время эха или, в усовершенствованном вторичном варианте, запрашивает транспондер на самолёте, который отвечает на 1090 МГц кодом и высотой. У радара есть пределы: ему нужна огромная мощность, он видит каждый самолёт лишь раз за оборот антенны и не может покрыть океаны и горы.

ADS-B, Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (автоматическое зависимое наблюдение - радиовещательное), переворачивает задачу. Каждый современный самолёт несёт приёмник спутниковой навигации и потому знает своё положение с точностью до нескольких метров. ADS-B просто заставляет транспондер самолёта объявлять это положение вместе с его идентификатором, высотой и скоростью, примерно дважды в секунду, на 1090 МГц, никому конкретно. Автоматическое, потому что ничто его не запускает; зависимое, потому что информация целиком берётся из собственных приборов самолёта; наблюдение, потому что его цель - знать, где самолёты; радиовещание, потому что оно передаётся открыто всем, кто слушает. С 2020 года оно обязательно для большинства самолётов в европейском и американском воздушном пространстве. Диспетчеры используют его вместе с радаром, другие самолёты видят с его помощью друг друга, а USB-приёмник за 25 евро на крыше школы слышит в точности те же сообщения.

Чтобы понять систему, нужно понять пять вещей, и каждая - отдельный урок: электромагнитная волна, которая несёт сообщение; измерение времени, которое даёт самолёту положение и позволяет сети найти самолёт, который не говорит, где он; цифровое сообщение и то, как в нём ловятся ошибки; геометрия и энергия, ограничивающие дальность приёма; и антенна с приёмником, которые превращают его обратно в данные. Полное изложение - в базовом курсе; прочитай его главы 3 и 5 перед уроком 3 и главы с 6 по 8 перед уроками 4 и 5.

Урок 1

Волна: радио как невидимый свет

Сообщение покидает самолёт в виде электромагнитной волны: колеблющиеся электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве без всякой среды со скоростью света c = 3,00 x 10^8 м/с. Видимый свет - то же явление на более высокой частоте; твои глаза отзываются примерно на 4-8 x 10^14 Гц, тогда как ADS-B передаётся на 1,09 x 10^9 Гц, в полмиллиона раз ниже. Между сообщением самолёта и светом этого экрана нет различия по природе - только по частоте.

Поскольку волна движется с постоянной скоростью, её частота определяет длину волны. За одну секунду волна продвигается на c метров и совершает f циклов, так что каждый цикл занимает c / f метров: c = f x lambda. Для ADS-B lambda = 3,00 x 10^8 / 1,09 x 10^9 = 0,275 м. У волны, проходящей между самолётом и твоей антенной, гребни расположены через 27,5 см - на спектре между сигналом мобильного телефона (17 см) и FM-радиостанцией (3 м). Нарисуй этот спектр сам, на логарифмической оси от 10^6 Гц до 10^18 Гц, и помести на него FM-радио, ADS-B, мобильные телефоны, Wi-Fi, инфракрасное излучение, видимый свет и рентгеновские лучи. Волна самолёта сидит среди вещей из твоего кармана.

Чем радиоволна не является, так это звуком. Звук - волна давления в среде, движущаяся со скоростью 343 м/с в воздухе, 1 500 м/с в воде и никак - в вакууме. Радио - это свет: ему не нужна среда, и именно поэтому оно пересекает вакуум от спутника до самолёта, и оно быстрее в 3,00 x 10^8 / 343, то есть примерно в 875 000 раз. Если самолёт в 30 км издаёт звук и посылает сообщение в один и тот же миг, сообщение приходит через 100 микросекунд; звук приходит через 87 секунд, к этому времени самолёт пролетел 22 км. У волны на верёвке со светом общие те свойства, которые важны, - длина волны, частота и постоянная скорость, так что более быстрая тряска означает более короткие волны, а не более быстрые; отличается она тем, что ей нужна верёвка.

Одно свойство волны понадобится в уроке 5: её поляризация. Электрическое поле колеблется в определённом направлении, перпендикулярном направлению движения. Антенны самолётов вертикальны, поэтому волна ADS-B вертикально поляризована, и приёмная антенна, положенная на бок, почти ничего из неё не перехватывает - как волну на верёвке, которую трясут вертикально, останавливает горизонтальная щель. Предскажи уже сейчас, что случится с дальностью твоего приёмника, если антенна будет горизонтальной; в проекте ты это проверишь.

Урок 2

Время и положение: как самолёт знает, где он

Положение в каждом сообщении ADS-B берётся из спутниковой навигации, а спутниковая навигация - это измерение времени. Около тридцати спутников в каждой системе (GPS, Galileo, ГЛОНАСС, BeiDou) обращаются на высоте примерно 20 200 км, у каждого атомные часы, каждый передаёт сигнал с указанием собственного положения и точного момента передачи. Приёмник на самолёте отмечает момент прихода. Разность, умноженная на c, - расстояние до этого спутника; от спутника прямо над головой сигнал идёт 20 200 / 300 000 = 0,0673 с. Одно расстояние помещает приёмник на сферу вокруг этого спутника; две сферы пересекаются по окружности; три - в двух точках, одна из которых далеко от Земли и отбрасывается. Трёх спутников хватило бы, будь у приёмника идеальные часы. У него кварцевый кристалл, который уходит на микросекунды, а одна микросекунда - это 300 м дальности. Поэтому приёмник рассматривает ошибку собственных часов как четвёртую неизвестную и использует четвёртый спутник: четыре уравнения, четыре неизвестных (x, y, z и сдвиг часов), решаемые непрерывно. Как побочный продукт каждый спутниковый приёмник держит время с точностью до десятков наносекунд, и на этом строится вторая половина урока.

Держи в уме порядки величин: свет проходит 0,3 м за наносекунду и 300 м за микросекунду. Положение с точностью до 3 м означает время с точностью до 10 нс. Спутник, часы которого спешили бы на 1 микросекунду, сдвинул бы каждый использующий его приёмник на 300 м вдоль линии к себе, поэтому часы спутников корректируют с земли несколько раз в день.

Самолёт несёт две высоты. Спутниковое решение даёт геометрическую высоту над референц-эллипсоидом. Но высота, которую он передаёт для целей управления воздушным движением, барометрическая: давление воздуха у отверстия на фюзеляже, переведённое в высоту через Международную стандартную атмосферу, которая принимает 1013,25 гПа и 15 градусов Цельсия на уровне моря и падение на 6,5 градуса на километр. Когда реальное давление отличается от стандартного, барометрическая высота каждого самолёта ошибочна на одну и ту же величину, а это ровно то, что нужно для эшелонирования: два самолёта с показаниями эшелонов 350 и 360 разделены 1 000 футами в любую погоду. Сообщение о положении несёт барометрическую высоту с шагом 25 футов; сообщение о скорости несёт разность между барометрической и геометрической высотой. Если у тебя есть электронная таблица, обрати p = p0 (1 - 0,0065 h / 288,15)^5,255 и проверь, что на 11 000 м давление около 227 гПа, меньше четверти от уровня моря: воздух, в котором летит авиалайнер, не удержал бы тебя в сознании.

Теперь переверни всю идею. Некоторые самолёты передают на 1090 МГц без положения: старые транспондеры, отвечающие радару только кодом и высотой, или самолёты, у которых спутниковый приём заглушён. Сеть приёмников всё равно может найти их мультилатерацией. Пусть четыре приёмника с синхронизированными часами каждый фиксируют время прихода одной и той же передачи. Сообщение, дошедшее до приёмника A на одну микросекунду раньше, чем до приёмника B, было послано из точки, которая на 300 м ближе к A, чем к B, и все такие точки образуют гиперболоид с фокусами в A и B. Три независимые пары из четырёх приёмников дают три гиперболоида, которые пересекаются в самолёте. Это спутниковая задача, в которой известное и неизвестное поменялись местами: там один приёмник и четыре известных передатчика; здесь один передатчик и четыре известных приёмника. И там и там измеряется время, и 1 микросекунда - это 300 м. Приёмники синхронизируют свои часы примерно до 100 нс по тем же спутникам, которыми пользуется самолёт.

Это можно сделать со звуком. Трое с секундомерами в измеренных точках на спортивном поле; четвёртый, спрятавшись, хлопает один раз; каждый записывает задержку. Со звуком на 343 м/с разница в 0,1 с - это 34 м, и масштабный чертёж с пробными положениями или набросок гипербол находит хлопавшего. Потом спроси, какая точность потребовалась бы секундомерам, чтобы сделать то же самое с радио на 200 км, и ты поймёшь, зачем сети атомное время.

Урок 3

Сообщение: 112 бит и как ловятся ошибки

Транспондер посылает ADS-B в виде расширенного сквиттера Mode S: 8-микросекундная преамбула, затем 112 бит данных со скоростью один бит в микросекунду. Преамбула - фиксированный узор из четырёх импульсов в моменты 0, 1, 3,5 и 4,5 микросекунды, и её работа - ответить на вопрос, который ты, возможно, не додумался задать: в канале, полном шума и других самолётов, как приёмник узнаёт, что сообщение началось и когда начинается каждый бит? Декодер непрерывно следит за этим узором и, увидев его, знает и то и другое. У каждого цифрового протокола, которым ты пользуешься, от Wi-Fi до QR-кода, есть свой эквивалент.

Передатчик может быть включён или выключен; как он посылает 1 или 0? ADS-B использует позиционно-импульсную модуляцию. Каждый битовый интервал в одну микросекунду делится на половины: импульс в первой половине и тишина во второй - это 1; тишина, а потом импульс - это 0. На каждый бит всегда приходится ровно один импульс. Подумай, чем это лучше, чем «импульс - 1, нет импульса - 0». Приёмник никогда не теряет синхронизацию, даже на длинной серии нулей, которая в наивной схеме была бы неотличима от тишины. И каждый бит он определяет, спрашивая, какая половина была громче, а не превысил ли импульс некий фиксированный уровень, так что слабый сигнал с 400 км декодируется так же надёжно, как сильный из-над головы.

112 бит расположены следующим образом, и ты должен уметь воспроизвести это по памяти. Биты с 1 по 5: формат нисходящего канала, 17 для ADS-B от транспондера. Биты с 6 по 8: код возможностей. Биты с 9 по 32: 24-битный адрес ICAO, постоянный идентификатор самолёта, присваиваемый при регистрации; существует 2^24 = 16 777 216 адресов, выделяемых государствам блоками, у Бельгии это от 448000 до 44FFFF в шестнадцатеричной записи. Биты с 33 по 88: 56-битное поле сообщения, первые пять бит которого, код типа, говорят, что содержат остальные 51. Коды типов с 1 по 4 несут позывной в виде восьми 6-битных символов, по 64 знака каждый. Коды типов с 9 по 18 несут положение в воздухе: 12 бит барометрической высоты с шагом 25 футов, флаг чётности и по 17 бит закодированной широты и долготы. Код типа 19 несёт скорость в виде составляющих путевой скорости восток-запад и север-юг, вертикальной скорости и разности барометрической и геометрической высот. Биты с 89 по 112: 24-битная контрольная сумма. Проверь арифметику: 12 бит высоты с шагом 25 футов покрывают 102 400 футов; 17 бит, использованных наивно на 180 градусах широты, разрешали бы лишь 1,4 км. Положение точнее благодаря компактному представлению положения: 17 бит дают положение внутри зоны с точностью до нескольких метров, но не саму зону, а самолёт чередует две сетки зон, чётную и нечётную. Приёмник, услышавший по одному сообщению каждого вида, однозначно определяет зону и дальше следит по одиночным сообщениям. Больше точности из тех же бит, купленной временем.

Препарируй настоящее сообщение с начала этой страницы. 8D4840D6202CC371C32CE0576098 - это 28 шестнадцатеричных цифр, 112 бит. Первые две цифры, 8D, - это 1000 1101 в двоичной записи; первые пять бит, 10001, - это 17, значит, это ADS-B от транспондера, а следующие три, 101, дают возможности 5. Следующие шесть цифр, 4840D6, - адрес ICAO, который таблицы распределения относят к Нидерландам. Следующая пара цифр, 20, начинается с 00100, код типа 4, сообщение опознавания, и декодирование последующих 6-битных символов даёт позывной KLM1023. Последние шесть цифр, 576098, - контрольная сумма. С электронной таблицей или несколькими строками кода ты можешь выполнить всё декодирование, и умение взглянуть на строку шестнадцатеричных цифр и сказать «самолёт KLM объявляет рейс 1023» - цель этого урока.

Контрольная сумма заслуживает больше всего размышлений. Над оживлённым аэропортом передачи разных самолётов постоянно накладываются друг на друга в приёмнике, а отдельные импульсы теряются из-за шума; декодер неизбежно будет иногда собирать неверные биты. Последние 24 бита - циклический избыточный код: 88 бит сообщения рассматриваются как одно длинное двоичное число и делятся, в арифметике, где вычитание - это исключающее ИЛИ, на фиксированный 25-битный порождающий многочлен; остаток и есть CRC. Приёмник повторяет деление над декодированными битами. Любой один перевёрнутый бит, любые два и любой пакет ошибок длиной до 24 бит меняют остаток, и сообщение отбрасывается. Попробуй 4-битный CRC над 8-битным сообщением вручную, чтобы увидеть механизм, а потом, если программируешь, реализуй настоящий CRC-24 и убедись, что сообщение из примера проходит проверку, а переворот любого одного бита делает её неверной. Это обнаружение ошибок так, как его делает каждая современная система, в контексте, где пропущенная ошибка могла бы поставить призрачный самолёт на экран диспетчера.

Урок 4

Дальность: кривизна Земли и закон обратных квадратов

Как далеко приёмник может услышать самолёт? Действуют два разных предела, и их стоит держать порознь. Первый - геометрический. На 1090 МГц радиоволна не огибает Землю; она движется по прямой, поэтому приёмник слышит только самолёты выше своего горизонта - те, от которых прямая к антенне не задевает землю. Выведи расстояние до горизонта. Антенна на высоте h над сферой радиуса R видит горизонт там, где её линия визирования касается сферы; касательная и два радиуса образуют прямой угол в точке касания, так что d^2 + R^2 = (R + h)^2, откуда d^2 = 2Rh + h^2, а поскольку h пренебрежимо мало по сравнению с R, d = sqrt(2Rh). При R = 6 371 км и h в метрах d (км) = 3,57 sqrt(h). Атмосфера слегка отклоняет радиоволны вниз, потому что её показатель преломления падает с высотой; стандартная поправка рассматривает Землю так, как если бы её радиус был на треть больше истинного, заменяя 3,57 на 4,12. Полная линия прямой видимости от антенны на высоте h1 до самолёта на высоте h2 - сумма двух расстояний до горизонта:

Построй график d от h2 для высоты своей антенны. Кривая сначала крутая, потом выполаживается, и она объясняет форму покрытия любого приёмника: 400 км и больше для крейсерского трафика, несколько десятков километров для самолётов на заходе, ничего на земле, кроме аэропорта по соседству. Она объясняет, почему высота - самое важное свойство приёмника и почему холм, здание или собственное крыло самолёта, когда он кренится от тебя, могут мгновенно оборвать трек.

Второй предел - энергия. Транспондер излучает несколько сотен ватт, примерно равномерно во всех горизонтальных направлениях. На расстоянии d эта мощность распределена по сфере площадью 4 pi d^2, поэтому мощность, перехватываемая антенной с фиксированной эффективной площадью, падает как 1 / d^2: закон обратных квадратов, который тебе стоит вывести из площади сферы, а не заучить. Вдвое дальше - четверть мощности; в десять раз - сотая часть. Инженеры выражают потери в децибелах, где 10 дБ - это множитель десять по мощности, а 3 дБ - множитель два, потому что децибелы превращают умножение через много порядков в сложение. Потери в свободном пространстве между двумя простыми антеннами таковы:

На этом числе стоит задержаться: приёмник на крыше обнаруживает сигнал в 10^14,5 раз слабее того, что покинул самолёт, - миллионную долю миллионной доли ватта. Хороший любительский приёмник декодирует примерно до -100 дБм, так что на 400 км в запасе 9 дБ. Иными словами, энергетический предел и геометрический горизонт для авиалайнера на крейсерском режиме попадают в одно и то же место, и это сделано намеренно: мощность транспондера и требования к приёмникам заданы так, чтобы самолёт был слышен до своего горизонта и не намного дальше, что не даёт каналу захлебнуться трафиком из соседней страны.

Два уточнения. Доплер: самолёт, приближающийся со скоростью 250 м/с, сдвигает принимаемую частоту на f v / c = 1,09 x 10^9 x 250 / 3 x 10^8 = 908 Гц, меньше одной миллионной, чего приёмник никогда не замечает; сравни со звуком того же самолёта, где v / c равно 250 / 343 и высота тона при пролёте падает почти на октаву. И время распространения: 400 км со скоростью c - это 1,33 мс, так что переданное положение к моменту прихода уже устарело на 1,33 мс, за которые самолёт сместился на 33 см; пренебрежимо для карты, решающе для мультилатерации, которая живёт именно на этих микросекундах.

Урок 5

Антенны и приёмники: от волны в 27 сантиметров до точки на карте

Антенна - это проводник, в котором проходящая электромагнитная волна наводит переменный ток, а то же устройство, питаемое током, запускает волну; приёмная и передающая антенны - одно и то же, работающее в обратную сторону. Наведённый ток наибольший при резонансе, когда длина проводника позволяет распределению тока вдоль него совпасть с колебаниями волны, как струна нужной длины резонирует с определённой нотой. Основной резонанс прямого проводника - на половине длины волны, 13,75 см на 1090 МГц, с наибольшим током в центре и нулевым на концах. Практическая антенна ADS-B, на самолётах и на большинстве приёмников, - четвертьволновой штырь: вертикальный элемент длиной 6,9 см на проводящем противовесе, который зеркалит его, так что элемент и его отражение вместе образуют полуволновой диполь. На самолёте противовес - фюзеляж; покупная антенна на 1090 МГц прячет ту же геометрию внутри своей трубки, повторённую несколько раз. Самодельную антенну расстраивают несколько миллиметров ошибки, и она слышит лишь малую долю неба - поэтому приёмник проекта использует антенну, настроенную на заводе.

Вертикальный штырь наиболее чувствителен в сторону горизонта и совсем не чувствителен вдоль собственной оси; его чувствительность в трёх измерениях - бублик, сквозь дырку которого проходит антенна. Поэтому твой приёмник будет прекрасно слышать самолёты в 300 км и на несколько секунд терять тот, что проходит прямо над головой, и ты можешь это увидеть. Коллинеарная антенна - несколько резонансных элементов, поставленных друг на друга, - сплющивает бублик и повышает чувствительность у горизонта ценой дыры над головой: это усиление антенны, измеряемое в дБи, и оно получается перераспределением чувствительности, а не её созданием. И, как следует из урока 1, антенна должна быть вертикальной, потому что волна вертикально поляризована.

Между антенной и точкой на карте - четыре ступени. Полосовой фильтр пропускает 1090 МГц и отбрасывает несравненно более сильные сигналы мобильных телефонов в нескольких сотнях мегагерц, которые иначе насытили бы всё, что стоит после него. Малошумящий усилитель у антенны умножает сигнал в тысячу раз перед кабелем, который на 1090 МГц теряет около 3 дБ, половину сигнала, на каждых десяти метрах; усиль после кабеля - и усилишь заодно шум кабеля. Программно определяемое радио, USB-устройство за 20 евро, изначально продававшееся как телевизионный тюнер, переносит сигнал вниз по частоте и отбирает его значения два миллиона раз в секунду в поток чисел. Дальше - программирование: свободная программа просматривает отсчёты в поисках преамбулы, измеряет, какая половина каждого микросекундного интервала несёт больше энергии, собирает 112 бит, вычисляет CRC и, если он сходится, декодирует поля. Трекер затем объединяет чётные и нечётные кадры положения, сводит положение, скорость и идентификатор по адресу ICAO и хранит состояние каждого самолёта, пока сообщения не перестанут приходить - обычно потому, что он ушёл за горизонт.

Нарисуй эту цепочку с величиной на каждой ступени: нановольты на антенне, микровольты после усилителя, два миллиона отсчётов в секунду на выходе радио, несколько сотен кадров в секунду на выходе декодера, одна запись на самолёт на выходе трекера. Точка на карте - дальний конец цепочки, в которой каждое звено - идея из этого курса: резонанс, фильтрация, усиление, дискретизация, поиск узора, декодирование, проверка ошибок, агрегация. Проект - собрать эту цепочку и проверить курс по небу: измерь свою максимальную дальность в зависимости от высоты и сравни с формулой горизонта; сравни антенну в помещении, у окна и на крыше, вертикальную и горизонтальную; запиши день трафика и найди самый загруженный час и типичную крейсерскую высоту; декодируй сырые сообщения и проверь их CRC в собственном коде. А потом задай вопросы, которые система ставит и на которые не отвечает: сообщения не подписаны, так что мешает кому-то передать призрачный самолёт; самолёт зависит от спутников, которые можно заглушить, так что видит диспетчер, когда это случается; а данные идентифицируют самолёты, которые могут идентифицировать людей, так кто должен иметь право следить за кем.

Задачи

Сначала реши каждую на бумаге. Проверка показывает ответ и рассуждение.

1. 1. Какова длина волны сигнала 1090 МГц и какой длины четвертьволновая антенна для него?

   Проверить

2. 2. Во сколько раз сообщение быстрее звука? Самолёт в 30 км издаёт и то и другое одновременно; сколько он пролетел к моменту, когда приходит звук?

   Проверить

3. 3. Часы приёмника ошибаются на 2 микросекунды. Какую ошибку дальности это вызывает и почему спутниковому приёмнику нужны четыре спутника, а не три?

   Проверить

4. 4. Сколько самолётов могут идентифицировать 24 бита адреса? Сколько длится 112-битное сообщение при 1 бите в микросекунду и сколько - вся передача с преамбулой?

   Проверить

5. 5. В сообщении 8D4840D6... каковы формат нисходящего канала и возможности и каков адрес ICAO?

   Проверить

6. 6. Приёмная антенна на высоте 15 м. Каков радиогоризонт до самолёта на 9 000 м и до самолёта на 300 м?

   Проверить

7. 7. Почему удвоение расстояния уменьшает принятую мощность вчетверо? Каковы потери на трассе на 200 км и как они соотносятся со 145 дБ на 400 км?

   Проверить

8. 8. Предскажи, что случится с дальностью, если антенну положить горизонтально и если приёмник перенести с крыши на первый этаж.

   Проверить

Дальше

Собери его

Всё, о чём рассказано в этих уроках, можно проверить из окна. Практикум даёт тебе список покупок (около 100-150 евро или Raspberry Pi, который у тебя уже есть), какую антенну выбрать и куда её поставить, три команды, которые устанавливают фидер Dataero, и измерения, которые проверяют формулы по настоящим самолётам: радиогоризонт, закон обратных квадратов, суточный ритм. Когда твой приёмник кормит карту, каждый самолёт, который он слышит, рисуется для всех, с именем твоей станции.