© Laboratoire Spécialisé en Systèmes Embarqués, Navigation et Avionique (LASSENA), 2013

Département de génie électrique LASSENA (Laboratoire Spécialisé en Systèmes Embarqués, Navigation et Avionique )

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Joe Zambrano Joe.Zambrano@lassena.etsmtl.ca

Omar Yeste Omar.Yeste@lassena.etsmtl.ca

René Jr. Landry ReneJr.Landry@etsmtl.ca

*

PROBLEMATIQUE

Dans un effort visant à accroître la sécurité, l’efficacité et la capacité des opérations du transport aérien, la FAA (Federal Aviation Administration) propose une réforme complète de la surveillance par radar (NextGen). Pour cela, la FAA et les pays membres du « NextGen Working Group » déploient une technologie relativement nouvelle appelée surveillance dépendante automatique en mode diffusion ou ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast ). Cette technologie permet aux avions, équipés d’un système de posi t ionnement g lobal (GPS), d ’envoyer périodiquement leur position et d’autres informations aux stations sol et aux autres appareils équipés de l’ADS-B présents dans la zone. Bien que la FAA prévoit conserver le radar primaire aux fins de défense, beaucoup de radars secondaires de surveillance d’aujourd’hui ne seront pas utilisés à l’avenir [1].

OBJECTIF

L'objectif de ce projet est de concevoir un modèle ADS-B (IN/OUT) transmetteur-récepteur sur Matlab/Simulink et de l'intégrer dans une radio logicielle de type GNU pour son fonctionnement en temps réel en se basant sur le document DO-206B de la RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics) [2]. Initialement, le modèle Matlab/Simulink sera utilisé pour analyser le traitement des signaux ADS-B dès sa codification jusqu'à sa décodification, en prenant compte le délai de transmission et le bruit du canal de communication. Dans un deuxième temps l'utilisation des radios logicielle de type GNU (USRP's), GRC (GNU Radio Companion) et Python sera nécessaire pour effectuer la génération des messages, la transmission et la réception des données ADS-B en temps réel. Finalement, l'utilisation d'un testeur de type IFR 6000 pourrai être utilisé pour valider les données du prototype.

ADS-B

CONTROL!8 BITS! ICAO

ADDRESS!24 BITS!

ADS-B MESSAGE!

56 BITS! PARITY!24 BITS!

L’ADS-B offre des coûts inférieurs d’implantation et augmente la qualité, la vitesse et la précision de la localisation des aéronefs par rapport aux radars classiques (Voir Tableau 1). L’ADS-B est maintenant utilisé dans des zones où il n’existe pas de couverture radar, comme en Alaska et à la Baie d’Hudson au Canada (Voir Figure 2).

Interrogation 1030 MHz

ADS-B 1090MHz!

ADS-B (IN/OUT) 1090 MHz!

ADS-B 1090MHz!

**

Global Navigation Satellite System!

Traffic Collision!Avoidance!

System (TCAS)!

** **** !

Radar!MODE S!ADS-B!

Receiver! Air Traffic!Management!

Cockpit Display of Traffic Information

(CDTI)!

MODE S!EXTENDED SQUITTER (112 BITS)!

ADS-B IN: est la réception du message ADS-B affiché sur le CDTI (Cockpit Display of Traffic Information). Dans ce cas, l’aéronef peut également être équipé d’un CDTI pour recevoir et afficher les messages ADS-B OUT d’autres avions et des informations envoyées des stations au sol [3].

ADS-B OUT: est l’envoi du message à partir d’un émetteur ADS-B. Le signal ADS-B est diffusé à partir de l’aéronef environ deux fois par seconde, dans le cas où l’aéronef se trouve dans le rayon de couverture d’une station ADS-B au sol, les données peuvent être transmises aux installations de l’ATM (Air Traffic Management) [3].

Response 1090 MHz

** **

Figure 1: Système ADS-B (IN/OUT) et Système de Radar [4]

Système de radar Système ADS-B

•  Infrastructure basée seulement au sol, communication pilote-contrôleur aérien par voix.

•  Infrastructure basée dans l’avion, au sol et dans l’espace, envoi constante et précise d’informations sur la position et altitude. Réduction des communications par voix.

•  Absence de couverture dans certaines régions. •  Les stations ADS-B au sol peuvent être placées presque n’importe où.

•  Mises à jour de position toutes les 12 secondes •  Position mise à jour à chaque seconde.

•  Coûteux à installer et à entretenir. •  Significativement moins coûteux à installer et à entretenir.

•  Contrôle du trafic aérien (ATC). •  Gestion du trafic aérien (ATM)

Table 1: Comparaison entre le Système de Radar et le Système ADS-B [5]

Figure 2: Carte de couverture ADS-B et radar au Canada [6]

2009

2013

Le message ADS-B contient les 56 bits qui détermineront le type de message ADS-B et qui occuperont une place entre les 256 registres de données (BDS) dans le transpondeur. Les registres sont identifiés par un numéro à deux chiffres hexadécimaux, par exemple BDS 05h (ou BDS 0,5) est le squitter de position de l’aéronef [7]. Les registres couramment utilisés pour l’ADS-B sont présentés dans le Tableau 2.

REGISTER MESSAGE ADS-B

BDS 05h Airborne Position Message

BDS 06h Surface Position Message

BDS 08h Aircraft Identification (ID) and Category Message

BDS 09h Airborne Velocity Message

BDS 61h Emergency/Priority Status Message

BDS 62h Target State and Status Message

BDS 65h Aircraft Operational Status Message

Tableau 2: Certains registres BDS pour l’ADS-B [7]

ADS-B Message Generator* ADS-B TX*

(GRC)* USRP N-210*WBX*

**

**

Simulink Model* ADS-B Message*Data display***

ADS-B Message*Data display* GR-AIR-MODES* USRP B100*

SBX*

**** **

1090 MHz!**

ubuntu!

**

python!

Tx!

Rx!

ADS-B OUT*

ADS-B IN*

SIMULATION*

INTEGRATION

Dans la Figure 3, nous pouvons distinguer, dans les blocs supérieurs, qu’après avoir généré le message ADS-B, il est envoyé vers le bloc ADS-B TX, ensuite, il est envoyé vers le USRP (N210) pour sa transmission à 1090 MHz. Du côté réception, le message est reçu en bande base par un autre USRP (B100) dont le fichier GR-AIR-MODES [8] fera le décodage des messages ADS-B pour son affichage sur Google-earth ou tout simplement sur la fenêtre du Terminal.

Figure 3: Architecture du model ADS-B

MODÈLE SIMULINK ADS-B (IN/OUT)

La Figure 3.a présente les trois étapes proposées pour simuler le système ADS-B. Le bloc «ADS-B message generator» est liée au bloc « ADS-B message ». Ce bloc permet de construire tout type de message ADS-B en entrant manuellement les données dans un format hexadécimal (4 bits) à partir d’un interface graphique.

Modulation ChannelTx DecodificationDemodulation Acquisition

Env elope Detector by Squaring the signal and LPF

DataNoise

Delay

ADS-B detector

Message Detector

Fromwork space

ADS-B

Modulator1090Mhz

ADS-B message

ADS-B message generator

|u|2 sqrtDigitalFilter

ANDXOR

2 x[1n]

ADS-B OUT! ADS-B IN!TRANSMISSION!CHANNEL!

a.

b. c. Figure 3: a) Schéma du modèle Simulink ADS-B(IN/OUT). B) Message

ADS-B dans le bloc ADS-B OUT et dans le canal de transmission. c) Message ADS-B à l’entrée et à la sortie du décodeur .

RÉSULTATS

Nous mettons en œuvre notre générateur de message ADS-B pour 05h BDS, BDS 06h et 08h BDS dans Matlab. Nous utilisons Simulink pour la simulation de traitement du signal et GNU Radio Companion (GRC) pour transmettre les message à une fréquence de 1090 MHz. Voici les données à envoyer :

Figure 6: Messages ADS-B affichés sur Google-earth

Les données envoyées dans le message BDS 05 sont : •  Adresse OACI 24bits : CAB007 •  Altitude : 3125 pieds •  Latitude : 45.596944° •  Longitude : - 73.596944° Les données envoyées dans le message BDS 06 sont : •  Adresse OACI 24bits : CAB007 •  Latitude : 45° 35’ 49’’ N = 45.596944° •  Longitude : 73° 35’ 11’’ W = - 73.586389° •  Trace au sol : 146° Les données envoyées dans le message BDS 08 sont : •  Adresse OACI 24bits : CAB007 •  Identification : AVIO 505 •  Catégorie : Small

CONCLUSION

RÉFERENCES

Figure 5: Décodages des messages ADS-B

GR-AIR-MODES peut être utilisé comme module ADS-B IN. Alors, nous validerons les messages générés et émis en temps réel par notre composant ADS-OUT (générateur et transmetteur de messages ADS-B).

La flexibilité des radios logicielles et l’étude de la norme RTCA DO-260B nous ont permis de concevoir un système ADS-B(IN/OUT) incluant un générateur des signaux ADS-B en minimisant l’utilisation de matériel électronique. L’avantage des radios logicielles est la possibilité de reconfigurer par logiciel les paramètres requis (à coût réduit)pour les applications désirées. Nous pensons qu’à moyen terme, les radios log ic ie l les dev iendront la technolog ie dominante en radiocommunications, car c’est la route qui mène à la radio cognitive. Pour conclure, nous avons travaillé avec ces deux technologies (ADS-B et Radio Logicielle) qui domineront le futur en démontrant dans un premier temps, les avantages et les possibilités des services qu’offre la technologie ADS-B et dans un deuxième temps, l’intégration et la performance des radios logicielles dans le domaine aérospatial.

[1] Aircraft Owners and Pilots Association - AOPA. N.D. « Air Traffic Services Brief: Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B)». < http://www.aopa.org/whatsnew/air_traffic/ads-b. html >.

[2] RTCA DO-260B. 2009. « Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B) and Traffic Information Services – Broadcast (TIS-B) ». Washington, DC 20036: RTCA.

[3] Civil Aviation Safety Authority. 2012. « ADS-B Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ». <http://www.casa.gov.au/wcmswr/_assets/ main/pilots/download/ads-b. pdf>.

[4] Air Traffic Atlanta. 2008. Air Traffic Management and Air Traffic Control Articles. «Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). A Primer and Arguments Why the FAA Should Maintain Airport Surveillance Radar ». <http://airtrafficatlanta.com/ads-b_explained_primer .html>.

[5] McCallie, L. Donald. 2011. « Exploring Potential ADS-B Vulnerabilities in the FAA’s NextGen Air Transportation System ». Graduate Research Projet presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Cyber Warfare. Air Force institute Of technology, Wright-Patterson Air Force Base, 46. p p.

[6] NAV CANADA. 2009. « ADS-B Hudson Bay Implementation ». <http://www.navcanada.ca/ ContentDefinitionFiles/Services/ANSPrograms/ADS-B/ADS_B_Brochure_EN.pdf>.

[7] Wolff, Christian, 2012. « Les principes du Radar ». <http://www.radartutorial.eu/index. fr. html>.

[8] Foster, Nick. 2012. « GR-AIR-MODES ». <https://github.com/bistromath/gr-air-modes>.

INTÉGRATION DE MODÈLE SIMULINK ADS-B (IN/OUT) DANS RADIO LOGICIELLE (Simulation et utilisation opérationnelle de l'ADS-B)

MATLAB SIMULINK