Szüllő Ádám Seller Rudolf VALÓS IDEJŰ MULILAERÁCIÓ WAMLA PILORENDSZER 3 A ikkbe bemutatott passzív radarredszer a multilateráiós tehika segítségével képes mide olya légi jármű valós idejű detekiójára és yomo követésére amely redelkezik fedélzeti traszpoderrel. A radarredszer a szekuder radarok által haszált válaszjelekből állapítja meg a repülőgép pozíióját aélkül hogy megzavará aak redeltetésszerű működését. A kialakított multilateráiós radarredszer agy területek lefedését élozza meg (WAMLA Wide Area Multilateratio). A multilateráiós mérési elv időmérése alapul az egyes vevőállomások szikroizmusát GPS alapú agy potosságú órákkal sikerül biztosítai. A valós idejű feldolgozás segítségével élőbe lehet követi a repülőgépeket a kialakított weboldalo. A feldolgozó redszer a jövőbeli bővíthetőséget figyelembe véve készült el tervezéséél fotos szempot volt a agyfokú rugalmasság és skálázhatóság. REAL-IME MULILAERAION - WAMLA DEMO he preseted passive radar system is apable of detetig ad trakig every airraft i real time whih has oboard traspoder usig multilateratio tehique. he radar system use the sigalig of the seodary surveillae radar to determies the positio of the airraft without disturbig its ormal operatio. he radar system is desiged to over large areas (WAMLA Wide Area Multilateratio). he multilateratio priiple is based o aurate time measuremet the syhroizatio is provided by a subsystem based o GPS reeivig with suess. Real-time proessig allows live data to be show o webpage. he mai desig osideratios were flexibility ad salability. MULILAERÁCIÓ [4] A multilateráiós tehika haszálata feltételezi a több vevőállomás általi vételt azaz a jelforrást egyszerre legalább (egy későbbiekbe meghatározott) miimális számú vevő érzékeli (multisztatikus vétel. ábra) valamit eze jelforrás és a mérőredszer közötti függetleséget. Ez utóbbi feltétel aak a következméye hogy a multilateráió alapuló pozíió mérési eljárás eseté em ismert a méredő jelforrás jelidítási ideje. Eze ismeretle paraméter következtébe em haszálható a hagyomáyos radarredszerek esté mért OA 4 érték(ek). Az egyes állomások által vett jelek beérkezési idejéek (a redszer egészére voatkoztatott abszolút idő alapjá) preíz mérése lehetővé teszi az egyes állomások közötti DOA 5 értékek meghatározását amely adathalmaz a megfelelő algoritmus segítségével átalakítható a jelforrás téyleges pozíióját jól közelítő eredméyé. BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságta aszék Mikrohullámú ávérzékelés Laboratóriuma; szullo@mht.bme.hu BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságta aszék Mikrohullámú ávérzékelés Laboratóriuma; seller@mht.bme.hu 3 Lektorálta: 4 OA - ime of Arrival - A jel idítása és vétele között eltelt idő. 5 DOA - ime Differee of Arrival - Az egyes vételi helyeke mért a jelekhez hozzáredelt abszolút idők külöbsége
. ábra Multisztatikus vétel A vett jelek beékezési ideje a redszer abszolút idejéhez viszoyította kerül meghatározásra az egyes időkülöbségek számítása az egyik tetszőlegese kiválasztott állomáshoz viszoyította törtéik. 0... N t r t r t r t r 0 N t r 0 t r 0 t r... 0 t r A DOA értékek és a keresett pozíió közti kapsolatot egy emlieáris egyeletredszer () adja meg ahol az r helyvektorok az egyes vételi állomások térbeli pozíióját míg t helyvektor a jelforrás pozíióját adják meg. Geometriailag az egyeletredszer az egyes időkülöbségek és hozzá tartozó helyvektor párok által meghatározott forgás-hiperboloidok metszéspotjára vezet. Lieáris egyeletredszerre vezető megoldás [][] A multilateráiós elvből származó emlieáris összefüggések elleére megadható egy lieáris egyeletredszer alapú leírás () mely a hagyomáyos matematikai eszköztár segítségével megoldható. A emlieáris összefüggések ebbe az esetbe az egyeletredszer egyes paramétereibe jeleek meg. 0 xa yb zc D Az () egyelet N darab vevőt feltételezve N- fokú egyeletredszert ad meg (3). 0 () ()
z y x C B A C B A C B A C B A D D D D N N N N 4 4 4 3 3 3 4 3............ (3) A (tetszőlegese megválasztott) =0 és = idexű vevő refereiakét szolgál az (3) egyeletredszer paramétereiek (4) (5) (6)(7) valamit eze paraméterek segédparamétereiek (8)(9) megadásába. x x A (4) y y B (5) z z C (6) z y x z y x D (7) R 0 R (8) r t R (9) A multilateráió alapuló pozíió meghatározás a közel síkbeli vevő elredezés következtébe em alkalmas magassági érték meghatározására. Kétdimeziós pozíió meghatározás eseté az egyeletredszer (3) alapjá belátható hogy legalább 4 vevő szükséges a pozíió meghatározásához. ovábbi megfigyelési potokat felhaszálva javul a multilateráió potossága. WAMLA RENDSZER [5] A kiépítésre került WAMLA redszer multilateráiós tehika segítségével polgári légi eszközök pozíióiak meghatározását tűzte ki élul. Az egyes járművek fedélzeté megtalálható SSR 6 traszpoderek által sugárzott jelsomagok vétele által lehetséges az egyes járművek térbeli és időbeli szeparáiója. A traszpoder a hagyomáyos ú. Mode-A és Mode-C válaszokat alkalmazza az SSR redszerbe idetifikáió és magassági adatok megadására. Külső szemlélő számára eze két válasz megkülöböztetése em lehetséges sak az SSR radar kérdező jele ismeretébe lehetséges elkülöítésük. A multilateráiós redszer szempotjából ez em okoz hátráyt hisze supá az egyes vételi állomásoko szükséges az egyes válaszjelek kvázi szimultá vétele és egymástól törtéő elhatárolhatósága valamit egyértelmű detekiója. Az SSR 6 SSR Seodary Surveillae Radar szekuder radar
redszer továbbfejlesztésekét jelet meg a traszpoderek Mode-S üzemmódja mely egy jóval fejlettebb struktúrájú egyedi azoosítást lehetővé tevő adatsomagokat haszál fel a repülőgép felderítésére. A Mode-S üzemmód legagyobb előye multilateráiós szempotból az ú. Aquisitio Squitter mely a traszpoder agyjából másodperekéti automatikus jelzését jeleti. A viszoylagosa magas ismétlési gyakoriság haszos a multilateráiós radarredszerbe törtéő alkalmazása sorá. [3] A pilot redszer egyes vételi állomásai az SSR válaszjelek frekveiájára hagolt ateákkal és detektorokkal érzékelik a beérkező jeleket. Digitalizálás utá a lokális feldolgozó egység szeparálja és azoosítja az egyes válaszokat ezekhez egyedi azoosítót valamit a helyi GPSDO segítségével időbélyeget redel. Az ily módo jeletőse redukált adatmeyiséget egy Etheret satoló segítségével az Iterete keresztül (titkosított módo) juttatja el a közpoti feldolgozó egységhez. Eze közpoti egység végzi el a beérkező adatok összevetése alapjá a multilateráiós pozíiószámítást mely eredméyt a redeltetési helyére juttatja (3. ábra).[4] SSR vevő 3. ábra Redszer blokkvázlat A traszpoderek által kibosátott jelek vétele egy speiális erre a élra kifejlesztett mikrohullámú eszközzel törtéik. Az 090 MHz-es jelekből többfokozatú szűrés-lekeverés sorá a logaritmikus erősítő által előáll a jel kvázi burkolója melyet a zajszithez képest adaptíva komparál így előáll egy biáris adatfolyam.
GPSDO 7 Az előzőek alapjá ismert hogy a multilateráiós mérés feltételezi az egyes vevőállomások szikroizáióját. Az egyes állomások közötti távolság miatt egy szikroizáiós összeköttetés kiépítése gazdaságilag em kifizetődő. A költségvozat és potosság alapjá a leghatékoyabb megoldás a GPS redszer által sugárzott rádiójelek vételé alapuló megoldás. Ismert hogy a GPS atomóra potosságot követel meg az egyes műholdak fedélzeté ez a helymeghatározás potosságáak biztosítása végett szükséges. E téy lehetővé teszi hogy egy GPS vevő agy potossággal meghatározhassa a világ-időt. Egy GPS vevő a agy potosságot az úgyevezett PPS 8 jelkimeet segítségével biztosítja; ez egy másodperekéti impulzus mely átlagosa agy potosságú a koordiált világidőhöz (UC) képest. SSR feldolgozó Az SSR vevő által szolgáltatott komparált értékeket a vevőbe elhelyezett digitális redszer dolgozza fel. A vevő komparált kimeetéek agysebességű mitavételezése által előáll egy folytoos bites soros adatfolyam. A mitavételezés 00 MHz feletti sebességgel törtéik (a mitavételező órajel szikroba va a GPSDO által biztosított órajellel) ez biztosítja a 0 s alatti időmérési felbotást. Az egyes SSR üzeettípusok a megfelelő szűrők segítségével kerülek detektálásra az adatfolyamból. Egy-egy szűrő végzi a Mode-A és Mode-C valamit a Mode-S üzeetek detektálását. A vett üzeetek azoosítója és a vétel ideje egy bufferbe kerülek ie az Etheret illesztő segítségével jutak el a közpoti feldolgozóba. 4. ábra Vevőállomás (BME E épület) 7 GPS Disiplied Osillator 8 Pulse Per Seod másodperekéti impulzus
EHERNE ILLESZŐ A redszer rugalmasságáak övelése érdekébe az egyes állomások Etheret illesztői jeletős változáso estek át. A korábbi gyakorlattal elletétbe em a közpoti feldolgozó satlakozik az egyes vevőkhöz haem azok satlakozak a közpoti feldolgozóhoz. Az új megoldásak köszöhetőe em kell tudi az egyes állomások IP ímeit mely a korábbi megoldás eseté problémákat okozott tekitve hogy a legtöbb iteret szolgáltatás diamikus IP ím kiosztást alkalmaz így az IP ímek időről időre megváltozak. A korábbi megoldás másik hátráya is megszűt azaz mivel általába egy lokális hálózato keresztül valósul meg a kapsolat a feldolgozóból kiiduló kapsolódási kísérletek egedélyezéséhez úgyevezett port-yitást kellett létrehozi a lokális hálózat határrétegé (általába ez egy router). Az új megoldás segítségével szite kofiguráió metese a hálózatra lehet köti a vevőállomásokat. Elmodható hogy ahol va megfelelő sebességű iteret kapsolat ott az eszköz gyorsa telepíthető gyakorlatilag elegedő az UP kábelt a routerhez/swithhez satlakoztati és bekapsoli az állomást. Az Etheretes illesztést jeleleg egy bakkártya méretű mikroszámítógép valósítja meg. Eze eszköz végzi el a lokális hálózathoz való satlakozáshoz szükséges protokollok végrehajtását valamit a közpoti feldolgozóhoz való satlakozást. Ameyibe is kiépült kapsolat az állomás periodikusa próbálkozik satlakozi a közpothoz. Amikor létrejött a kétiráyú kapsolat em sak a mérési adatok feltöltésére va lehetőség haem a közpotból törtéő vezérlésre paraméterállításra vagy akár szoftverfrissítésre is. A mikroszámítógépe agy megbízhatóságú operáiós redszer fut eze felül több védelmi elem is beépítésre került a megbízhatóság övelésére. A mikroszámítógép eze felül felügyeli és moitorozza a vevőállomás többi részegységét méri a tápellátás állapotát valamit a hőmérsékletet is. KÖZPONI FELDOLGOZÓ ÉS WEBSZERVER Ahogy már említve volt a fő tervezési szempotok a agyfokú rugalmasság és a jövőbeli bővíthetőséget figyelembe vevő skálázhatóság. Emiatt a feldolgozó szoftver több - részfeladatok szerit szétosztva - program modulból áll. Szoftver kompoesek: Vevőmodulok Előfeldolgozó modul Fő feldolgozó modul Felügyeleti modul Megjeleítő modul Webszerver Vevőmodul Eze szoftverkompoes végzi el egy állomás bejövő kapsolódási kérelméek feldolgozását valamit a kapsolat felépülése utá az adatok vételét dekódolását. A kiyert adatokat az előfeldolgozó modulak küldi el. a több vevőállomás lekezelése érdekébe a vevőállomások
számával megegyező számba párhuzamosa fut több ilye modul. Program szite ezek megegyezek supá paraméterezésükbe térek el egymástól. Emiatt a redszer további vevőállomások általi bővítése köye kivitelezhető. Előfeldolgozó modul A vevőállomások által küldött adatokat összegyűjti a vevőmodulokból és továbbítja - immár összefogva - a fő feldolgozó modul felé. Fő feldolgozó modul A vevőállomások által vett adatokba itezív kereséssel megkeresi a feltételezhetőe egy jelsomaghoz tartozó mérési értékeket majd a vevőállomások által küldött korrekiós téyezővel javítja az időmérés potosságát. Az egyes - feltételezett - jelsomagokra elvégzi a multilateráiós algoritmust mely többszálú végrehajtás segítségével optimálisa haszálja ki a redelkezésre álló erőforrásokat. A kapott eredméyek alapjá a hibás eredméyeket kiszűri az elfogadhatóak vélt eredméyeket továbbítja a megjeleítő modul felé. Kutatási élokból az ADS-B üzeetekből kiyerhető GPS koordiáták és az eze üzeetekre elvégzett multilateráiós pozíióbeslés eredméyét külö fájlba kiírja a fő feldolgozó modul. Ezzel számszerűsítei lehet a multilateráió alapuló módszer potosságát. Felügyeleti modul Folyamatosa moitorozza az egyes szoftverkompoesek állapotát. Megjeleítő modul Eze modul végzi el a fő feldolgozó modul által szolgáltatott pozíióbeslési eredméyek megjeleítését. Jelelegi állapotba a mérési potoko felül a vevőállomások helyei valamit éháy objektum úgy mit Budapest határvoala a Dua Budapeste belüli szakasza valamit a Liszt Fere Nemzetközi Repülőtér futó- és guruló pályáiak körvoala kerül megjeleítésre. Utóbbiak vektorgrafikus módo vaak tárolva és kirajzolva. A térkép skálázása a vevőállomások pozíiói alapjá törtéik az alkalmazott vetület távolságtartó. Az alkalmazott skálázási módszer miatt egy jövőbeli redszerbővítésre a megjeleítő automatikusa fog alkalmazkodi. A kirajzolt eredméyeket másodperekét képfájlba kiírja így az felhaszálható webes megjeleítéshez is. A megjeleítő több utávilágítási idejű eredméyt geerál amelyek közül a weboldalo lehet választai. Webszerver A radarredszer által előállított mérési eredméyek valós-idejű elérését a webszerver teszi lehetővé. A legegyszerűbb esettől eltérőe az alkalmazott megoldás több fizikai számítógépet haszál a felhaszálók felől érkező terhelés megosztására. Külö számítógép felel a változó tartalom - jeleleg a külöféle utávilágítási idejű radarképek - szolgáltatásáért míg egy másik szolgáltatja a többi webes tartalmat (statikus képek html fájlok). A szerver struktúra is a agyfokú rugalmasságot figyelembe véve került kialakításra igéy eseté köye skálázható melyre a várható látogatószám övekedése eseté lehet szükség.
EREDMÉNYEK Az 5. ábrá látható a weblap (http://radarlab.mht.bme.hu/~wamlat/) kezdőoldaláak képeryőmetése (04.03.06 6:03). A desig kialakítása sorá törekedtük a letisztult átlátható kialakításra. A megjeleítésél és 5 peres utávilágítási idő választható. A radarkép alatt jelmagyarázat segíti az eligazodást. A weboldal további lapjai többek között rövid leírás érhető el a redszer működéséről. 5. ábra Weblap kezdőoldala A 6. ábrá látható két felszálló és két áthaladó repülőgép pályája. A járatok adatai a méréssel párhuzamosa a http://www.flightradar4.om/ weboldal segítségével kerültek megállapításra. A világoskék potok a Mode-A és Mode-C jelek alapjá besült pozíiókat jelölik. Megfigyelhető hogy az így előállt eredméyek között meglehetőse magas a fals beütések száma. A zöld potokkal jelölt Mode-S alapú multilateráió viszot láthatóa jó eredméyt ad.
6. ábra Felszálló és átrepülő járatok 7. ábra Mode-S üzeeteke alapuló multilateráió A 7. ábrá sak a Mode-S típusú válaszüzeeteke alapuló multilateráiós pozíióbeslés eredméye látható. A járatok adatai a már említett weboldal segítségével kerültek meghatározásra.
8. ábra Azoosítatla légi jármű Az említett http://www.flightradar4.om/ weboldalo is lehetséges az egyes járatok yomo követése. Az ott alkalmazott módszer az ADS-B típusú üzeetek dekódolásá alapul. Ez az üzeet típus a Mode-S üzeetek egy változata amely tartalmazza a repülőgépek fedélzeti GPS vevői által számolt pozíiókat is. A 8. ábrá látható egy olya felszálló repülőgép pályája amely az említett weboldalo egyáltalá em látszódott eek oka pedig az hogy em sugárzott ADS-B típusú üzeeteket míg más típusú Mode-S üzeeteket ige. Emiatt a WAMLA redszer sikerese detektálta és kirajzolta a multilateráió alapuló pozíióbeslési eredméyeket. A WAMLA redszer pozíióbeslési potosságáak meghatározása egy hosszú távú mérés segítségével lett elvégezve amely a 9. ábrá látható. A lila potok az ADS-B típusú üzeetekből dekódolt pozíiókat jeletik míg a zöld potok az eze üzeetekből multilateráióval besült pozíiókat jeletik. A pozíiómérési hiba alapja eze mérési pot-párok közötti távolság melyet a haversie formula segítségével kapuk meg. A távolságkülöbségek átlaga 330 méterre míg a mediá érték 8 méterre adódott. A két hibaszámítási módszer aráya 6:-hez. Kétdimeziós ormális eloszlást feltételezve ez az aráy 06:-hez. A hibaértékek eloszlását megvizsgálva éháy outliert találtuk. Eek valószíűsíthető oka a fedélzeti GPS által szolgáltatott adatok késleltetéssel kerülek leküldésre így azok eltérek a téyleges pozíiótól. A mediá értékből kiidulva a redszer potossága agyjából 50m.
9. ábra Hosszú távú mérés ÖSSZEFOGLALÁS Az eredméyek alapjá belátható hogy a WAMLA redszer jó korreláiót mutat a függetle forrásból (ADS-B üzeetek) származó adatokkal. A redszer alkalmas lehet a légi iráyítás számára kisegítő adatok szolgáltatásával. Egy jövőbeli redszer alasoy költségű kompoesekből építhető fel mely az egész országot képes lefedi. KÖSZÖNENYILVÁNÍÁS A szerzők köszöetüket yilváítják A Magyar Közlekedési Mérökképzésért Alapítváyak a WAMLA projekt támogatásáért. FELHASZNÁL IRODALOM [] BUCHER RALPH MISRA D. A sythesizable low power VHDL model of the exat solutio of three dimesioal hyperboli positioig system VLSI Desig 00/5() pp. 507 50. [] FANG B.. Simple solutios for hyperboli ad related positio fixes. IEEE ras. Aerosp. Elet. Systems 990/6(5) pp. 748 753. [3] POIER ERIC SG Maual o Multilateratio Surveillae ICAO Motreal 007. [4] SZÜLLŐ ÁDÁM Passzív radarredszer a légi felderítésbe WAMLA. Repüléstudomáyi Közleméyek Szolok 0/ pp. 706 77. [5] SZÜLLŐ ÁDÁM Multilateráió a gyakorlatba - WAMLA pilotredszer. Repüléstudomáyi Közleméyek Szolok 03/ pp. 700 709.