Análisis de señales de RADAR secundario de vigilancia aeronáutica empleando dispositivo RTL-SDR

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis de señales de RADAR secundario de vigilancia aeronáutica empleando dispositivo RTL-SDR Autor: María Clavijo García Tutor: Joaquín Granado Romero Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis de señales de RADAR secundario de vigilancia aeronáutica empleando dispositivo RTL-SDR Autor: María Clavijo García Tutor: Joaquín Granado Romero Profesor Titular Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado: Análisis de señales de RADAR secundario de vigilancia aeronáutica empleando dispositivo RTL-SDR Autor: María Clavijo García Tutor: Joaquín Granado Romero El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos En primer lugar, quisiera agradecer a mi tutor Joaquín Granado Romero por haberme guiado durante los meses de elaboración de este proyecto. Gracias también a todos los profesores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería cuya labor me ha habilitado para llegar hasta aquí. El más sincero agradecimiento a mis padres por siempre creer que soy capaz, darme aliento cuando me ha faltado y apoyarme en cada decisión que he tomado. Por último, gracias a los amigos que me ha dado el Grado en Ingeniería Aeroespacial y que han compartido conmigo cada paso en el camino. María Clavijo García Sevilla, 2021 I Resumen La comunicación por radio es la forma más popular de interacción en Navegación Aérea; desde la transmisión de voz hasta la de datos. En el campo de la vigilancia y en concreto en el sistema RADAR secundario de vigilancia aeronáutica, que es el que protagoniza este proyecto, este tipo de comunicación juega un papel fundamental. En primer lugar, es imprescindible conocer toda la teoría acerca de las señales de RADAR secundario así como de otras que operen en la misma frecuencia y puedan ser objeto de interferencia con las anteriores. Es por eso que al inicio del presente documento se muestra el sistema RADAR completo, tanto primario como secundario, además del sistema ACAS como posible comunicación a interferir con la del RADAR. La bibliografía que se puede encontrar sobre dichos sistemas, de la que se ha decidido emplear gran parte como apoyo en este proyecto, no expone con detalle cuál es el aspecto real de las mencionadas señales ni describe implementaciones para poder analizarlo. La solución que se propone es la de capturar señales reales a la frecuencia de 1030 MHz y analizarlas para así obtener resultados experimentales y buscar en ellos patrones de comunicación por RADAR secundario. Se capturan señales empleando un receptor de radiofrecuencias, se someten a tratamiento mediante el software MATLAB ® y se comparan los resultados obtenidos experimentalmente con los que presenta la teoría. Aunque resultado general es el hallazgo de similitudes entre ambos, también quedan en este análisis exploradas las limitaciones de los sistemas empleados para el estudio completo. Estas limitaciones son, en ocasiones, la razón de que los resultados experimentales difieran en cierta medida de los teóricos. III 2Capítulo 1. Introducción Diferenciar entre servicios críticos y servicios no críticos constituye una clasificación básica dentro de las comunicaciones aeronáuticas. En el primer grupo se incluye todo aquel intercambio de información que permita el desarrollo seguro y eficiente de la actividad aeronáutica. Como se describe en la Tabla 1.1, se distinguen cuatro grupos: comunicaciones, navegación, vigilancia y tráfico aéreo. La mayoría de estos sistemas mencionados se basan en la comunicación por radio, teniendo cada uno asignada una frecuencia de operación dentro del espectro. Tabla 1.1 Grupos que componen los servicios críticos de comunicaciones aeronáuticas. SERVICIOS CRÍTICOS CATEGORÍA SISTEMAS Comunicaciones Enlace de datos, voz Navegación VOR, DME, ADF, NDB,ILS, MLS, GNSS Vigilancia RADAR, ADS, ACAS, TCAS Tráfico Aéreo ATC, FIS, AFIS Es en el campo de la vigilancia donde se centra este trabajo. Los servicios que se ocupan de ella se encargan de obtener información sobre identificación, posición y altitud de las aeronaves. Concretamente el sistema RADAR proporciona constante actualización de identificación y altitud de aeronaves. Los sistemas no críticos engloban aquellos que, aún siendo parte de la rutina de comunicación aeronáutica, no tienen relación directa con la garantía de seguridad en la actividad. Es decir, mejoran la calidad del sistema pero no son cruciales para que este ejercicio se desarrolle. Entraría en este grupo la Comunicación Administrativa Aeronaútica, la cual se encarga de la transmisión de mensajes relativos a la operación y mantenimiento de instalaciones proporcionadas para la seguridad de operación de la aeronave [3]. 1.2 Objetivos de la investigación A lo largo del documento se detallará en qué consiste la comunicación mediante RADAR secundario, qué tipo de información puede viajar en ella y de qué manera se identifica. Más concretamente se estudiará la señal recibida a 1030 MHz, es decir, la correspondiente a la interrogación desde el equipo de tierra hasta la/s aeronave/s. Como existe otro sistema que emplea la misma frecuencia de transmisión (ACAS), es posible la interferencia entre ambos en la captura de señal. Esta es la razón por la que también se presenta en el siguiente capítulo. El estudio está basado en el análisis realizado sobre muestras de señal que se han capturado usando un dispositivo de radio definida por software (RTL-SDR), del que también se tratará de dar una visión general en cuanto a su funcionamiento, aplicabilidad y limitaciones. Las capturas se han realizado en diferentes localizaciones: Sevilla, Cádiz y Málaga. Para el desarrollo por software se ha empleado la herramienta MATLAB ® ; en ella se implementa la totalidad del tratamiento de señal necesario para la caracterización que se busca. 1.3 Estructura de la investigación Para abordar el objetivo de este proyecto es necesario, en primer lugar, describir de forma teórica el tipo de comunicación que se va buscando; es imprescindible indagar primero en la forma que debe 1.3 Estructura de la investigación 3 presentar la señal para la correcta identificación durante su captura. En segundo lugar, se presentan las características de las herramientas a usar durante la experimentación, tanto hardware como software. A continuación, se detallan los parámetros para la captación de señal y se presenta alguno de los resultados obtenidos de esta obtención de muestras. Se va a explicar más adelante pero es muy importante tener en cuenta que el dispositivo empleado para la captura de señales cuenta con una limitación en frecuencia de muestreo que impide obtener con detalle el contenido en los mensajes de la señal, sí permitiendo obtener ciertas características de la misma. El fundamento de este proyecto se encuentra en la sección de análisis de las muestras tomadas. Aquí se clasifican los modos de señal y se trata de comparar la teoría sobre RADAR secundario con los resultados reales obtenidos de este estudio. 2 RADAR Secundario de Vigilancia Entre los sistemas que facilitan la vigilancia aeronáutica, el más común y empleado es el sistema RADAR. Aunque existe por un lado el RADAR primario de vigilancia y por otro el RADAR secundario de vigilancia, generalmente se emplean ambos como parte de un mismo sistema RADAR en aeropuertos y aeródromos. Esta unión entre ambos obliga a describir en el presente capítulo los principios de funcionamiento de cada uno, facilitando así la comprensión del análisis que se realiza posteriormente. A modo de introducción cabe destacar que, mientras en el sistema de RADAR secundario el blanco (aeronave) participa en la detección emitiendo una señal respuesta; en el sistema de RADAR primario esto no ocurre. Es lo que se conoce como seguimiento cooperativo y no cooperativo respectivamente. Tabla 2.1 Tipo de detección de cada sistema. DETECCIÓN SISTEMA No cooperativa RADAR primario de vigilancia (PSR) Cooperativa RADAR secundario de vigilancia (SSR) 2.1 RADAR primario de vigilancia El sistema de RADAR primario de vigilancia (Primary Surveillance RADAR, PSR) consta de una antena rotatoria que emite un pulso de radiofrecuencia, siendo parte de la energía de este pulso reflejada de vuelta al transmisor si se alcanza a una aeronave. Midiendo el tiempo que transcurre desde que se emite la señal hasta que se recibe la misma reflejada, se determina la distancia a la que se encuentra la aeronave. La ecuación de potencia RADAR (2.1) da una estimación de la potencia que llega de vuelta al sistema RADAR en tierra en esta señal reflejada. Pr=P tGtσAer (4πR2)2=P t(Gt)2σλ2 (4π)3R4(2.1) Siendo: •Prla potencia recibida a la vuelta •P tla potencia transmitida •Gtla ganancia de la antena transmisora hacia el blanco 5 6Capítulo 2. RADAR Secundario de Vigilancia •σla sección eficaz del radar RCS •Aer el área efectiva de la antena receptora •λla longitud de onda •Rla distancia entre la antena emisora y el blanco Aunque esta ecuación 1 constituye una aproximación poco precisa, ya que no tiene en cuenta ruidos o pérdidas en el sistema ni propagación de la señal, es muy sencillo ver en ella que la potencia recibida con el sistema de RADAR primario es pequeña (debido al factor 1/R4 ). De esta forma, es necesaria una enorme potencia de transmisión incluso para los casos en los que el blanco tiene una sección eficaz grande [4]. Una de las ventajas de este tipo de RADAR es que no es necesario ningún dispositivo en la aeronave más que cuente con una superficie que permita la reflexión de la señal. Sin embargo, el RADAR primario puede recibir reflexiones de la lluvia o incluso de pájaros, y aunque se han desarrollado técnicas que permiten solventar este problema, la imposibilidad de distinguir entre aeronaves similares y la posible inexactitud en la medida de la altura lo hacen un sistema mejorable. Figura 2.1 Esquema radar primario [5]. 1Todas sus variables medidas en unidades del Sistema Internacional 2.2 RADAR secundario de vigilancia 7 2.2 RADAR secundario de vigilancia El radar de vigilancia secundario (Second Surveillance RADAR, SSR) vence la ambigüedad en la señal recibida del RADAR primario. El inconveniente es que este sistema sí requiere de un dispositivo en la aeronave, lo que se conoce como transponder. Al igual que ocurría con el RADAR primario, una antena rotatoria emite pulsos de radiofrecuencia pero en este caso a una potencia menor 2.2. El transponder a bordo de la aeronave recibe dicha señal y emite una respuesta pero a una frecuencia diferente, con lo que se consigue eliminar posibles reflexiones procedentes de la lluvia, los pájaros, tierra o cualquier otro posible obstáculo que no sea aeronave. La señal emitida desde tierra se conoce como interrogación y se transmite a una frecuencia de 1030 MHz; la de respuesta lo hace a 1090 MHz. Pr=PsAer 4πR2=PsGtσλ2 (4π)3R2(2.2) Siendo: •Psla potencia transmitida en respuesta desde la aeronave (W) Como se observa rápidamente, ha cambiado el factor 1/R4 del RADAR primario por 1/R2 . Este cambio está directamente relacionado con el viaje de ida y vuelta que tiene que hacer el RADAR primario, y que no existe en el secundario. En este último hay un viaje de ida desde el equipo en tierra hasta la aeronave y otro también de ida desde el transponder en la aeronave hasta el equipo receptor en tierra. De esta manera la potencia necesaria de emisión en el equipo de tierra del RADAR secundario es mucho menor que la que precisa el RADAR primario. 2.3 Interrogación RADAR secundario La antena directiva en tierra tiene dos haces principales: el de interrogación y el de control. En el haz de interrogación se observa un lóbulo principal estrecho y de alta ganancia . El haz de control se caracteriza por una ganancia mucho menor pero con más extensión que el anterior. Sólo cuando el transponder recibe señal correspondiente al haz de interrogación dará respuesta; en el caso de estar recibiendo señal que no pertenezca a ese haz, el transponder continuará sus funciones sin emitir ningún tipo de respuesta. Se conoce como interrogación a la señal que envía la estación de tierra con el fin de establecer comunicación con una aeronave. Por lo general, tres pulsos P1, P2 y P3 son transmitidos por la antena directiva, todos de 0.8µs de duración. La distancia entre los pulsos P1 y P3 determinará el tipo de información que se desea conocer de las aeronaves, mientras que el pulso P2 se conoce como pulso para la supresión de lóbulos laterales (interrogation sidelobe suppression, ISLS). La amplitud del pulso P2 es mayor que la de P1 y P3 en la zona del haz de control, es decir, en todas direcciones excepto en la del lóbulo principal, que corresponde al haz de interrogación. De esta forma, el transponder puede distinguir si es necesaria o no una respuesta. Con la representación de la Figura 2.2 se visualizan estos conceptos. Como se observa en la Tabla 2.2, los dos únicos modos usados son A y C. Ambos funcionan para aquellas aeronaves que tengan incorporado transponder de tipo A/C, es decir, que sea capaz de interpretar correctamente las interrogaciones codificadas en estos modos. Pero existe otro tipo de transponder, adecuado para un último modo llamado modo S y que no ha sido incluido hasta ahora por corresponderse con una forma de interrogación con diferentes características y que no puede 8Capítulo 2. RADAR Secundario de Vigilancia clasificarse por su distancia entre P1 y P3. Este modo sí está en uso y tiene un carácter selectivo; se dirige a una aeronave en concreto, incluyendo en su señal la identificación de la misma. Un único haz interrogación puede contener una combinación de interrogaciones en modo A, C y S. Figura 2.2 Haces de la señal de la antena en tierra [6]. Tabla 2.2 Modos de interrogación. MODO DISTANCIA P1-P3 ESTADO PROPÓSITO 13µsen desuso - 25µsen desuso - 3/A 8µsen uso Identificación B17 µsen desuso - C21 µsen uso Altitud D25 µsen desuso - A continuación se van a mostrar las formas de interrogación de los modos que se encuentran en uso. 2.3.1 Interrogación modos A y C Como ya adelantaba la Tabla 2.2, si la distancia entre los pulsos P1 y P3 es de 8µs , se trata del modo A; este pretende obtener información acerca de la identificación de la aeronave. En el caso de ser 21 µs de distancia, es en modo C en el que se está interrogando y, por tanto, es la altitud el dato que se desea conocer. Los tres pulsos tienen un ancho de 0.8µs. 2.3 Interrogación RADAR secundario 9 Figura 2.3 Interrogación modos A y C [7]. 2.3.2 Interrogación all-call Esta forma de interrogar puede ir dirigida a transponders tipo A/C y/o a transponders tipo S. La estructura del mensaje es la que se presenta en la Figura 2.4. Se basa en un patrón de 4 pulsos P1, P2, P3, P4, cumpliendo los tres primeros el mismo criterio que se presentaba anteriormente para los modo A y C. La diferencia la establece el pulso P4 con su ancho [8]. •P4 de ancho 0.8µs: dirigida a transponders modo A/C. •P4 de ancho 8µs: dirigida a transponders modo A/C y S. Figura 2.4 Interrogación all-call [7]. Este tipo de interrogación no se usa prácticamente en la actualidad ya que puede dar lugar a respuestas innecesarias o poco precisas. El objetivo del modo S es el de evitar respuestas no deseadas dirigiéndose a aeronaves concretas. Sin embargo, cuando la interrogación all-call se dirige a transponders modo S también lo hace a los transponders modo A/C, de forma que no cumple la misión del modo S. 10 Capítulo 2. RADAR Secundario de Vigilancia 2.3.3 Interrogación Modo S En este caso la interrogación va dirigida a una aeronave en concreto, para lo que ha de contener el identificador de la misma codificado en el mensaje. Como se observa en la Figura 2.5, la señal consta de 3 pulsos (P1, P2, P6) más otro de supresión de lóbulos laterales (P5) como se ha visto en casos anteriores. La función de este último pulso y su visibilidad cumple las mismas características que para los modos A y C. En el pulso P6, que puede constar de 56 o 112 bits en total, va incluido el Aircraft ID, compuesto por 24 bits de 250 ns de ancho cada uno. Figura 2.5 Interrogación modo S [7]. Nótese que para una correcta visualización de los bits incluidos en el pulso P6 se necesita una tasa de muestreo superior a 4×106muestras por segundo, lo que va a suponer un punto crítico en este trabajo. 2.4 Respuesta radar secundario Tras recibir la señal interrogación, concretamente 3µs después de recibirla, el transponder emite la respuesta. Según el modo en el que se esté respondiendo se encontrará una forma de señal que contiene la identificación de la aeronave (modo A), la altitud de la misma (modo C) o, en el caso del modo S información sobre identificación, sensores de a bordo, altitud, curso y velocidad vertical. En todos los casos la señal respuesta es transmitida a 1090 MHz. 2.4.1 Respuesta modos A y C Los pulsos F1 y F2, conocidos como ‘frame pulses’ y separados entre ellos por 20.3µs , siempre están presentes y servirán a la estación en tierra para determinar que se trata de una respuesta. También hay 12 pulsos de datos nombrados con las letras A, B, C seguidas de un número; en ellos va codificada la identificación de aeronave en formato octal. De esta forma existen 4096 permutaciones posibles. Es importante tener en cuenta que hay ciertos códigos reservados para situaciones específicas, y estos son: •7500: aeronave secuestrada 2.4 Respuesta radar secundario 11 •7600: aeronave que ha perdido la comunicación por radio •7700: emergencia •7776: blanco interno generado para prueba •7777: transpondedor fijo Figura 2.6 Respuesta modo A [7]. El pulso X que aparece justo en medio se diseñó para posible uso futuro [ 9 ] pero en la actualidad aún no se ha empleado. No aparece en la imagen pero puede existir un pulso final SPI (identificador de posición especial), que sólo es emitido si la estación de tierra lo ha requerido para una identificación más precisa. La respuesta en modo C emplea la misma estructura que el modo A pero siendo el pulso D1 omitido, dando lugar de este modo a 2048 permutaciones posibles. La altitud se indica en incrementos de 100 pies [10]. 2.4.2 Respuesta modo S La forma de respuesta del transponder modo S es la representada en la Figura 2.7. Consta de un preámbulo de 4 pulsos y un bloque de datos de 56 o 112 µs de duración que comienza 8µs después de que lo haya hecho el preámbulo. Figura 2.7 Respuesta modo S [7]. 18 Capítulo 3. Adquisición de muestras 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Número de muestras 107 0 10 20 30 40 50 60 Amplitud Captura de señal a fc=1030 MHz Figura 3.4 Captura corta señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz. 012345678 Número de muestras 107 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Amplitud Captura de señal a fc=1030 MHz Figura 3.5 Captura larga señal Fc=1030MHz yFs=1.2×106Hz. En ciertos puntos de este estudio es necesario el análisis de capturas de mayor duración (1-2 3.3 Captura de señales 19 minutos) para una correcta caracterización de ciertos parámetros. El problema que esta duración de capturas presenta es que, si tomar capturas de 10 segundos a una frecuencia de muestreo de 3198800 muestras por segundo ya genera archivos de gran tamaño y difíciles de procesar, cuando el tamaño de la captura se multiplica por diez el tamaño de los archivos generados imposibilita el uso de los mismos para el análisis. De esta forma, la solución que permite obtener muestras de larga duración que puedan ser procesadas a posteriori es la de disminuir la frecuencia de muestreo. Si bien es cierto que adoptando esta medida se pierde gran cantidad de información de la señal, como se verá más adelante en el documento, es suficiente para el tipo de características que se exploran en estas capturas. La frecuencia de muestreo elegida para estos casos es 1.2×106muestras por segundo. En la Figura 3.4, que se corresponde con una captura de duración aproximada de catorce segundos, se pueden intuir dos zonas con una mayor cantidad de energía, además de observarse otros pulsos de gran amplitud que parecen tener una cierta periodicidad. La Figura 3.5 muestra una captura de mayor duración (poco más de un minuto) en la que también se intuye cierta periodicidad en las muestras de mayor amplitud. 4 Procesado de muestras En este capítulo se llevará a cabo el estudio y análisis de las señales ya capturadas. Se tratará de clasificar la información capturada en los diferentes modos de interrogación existentes, así como comprobar otro tipo de parámetros tales como la velocidad de la antena. Para la clasificación en modos se analizarán capturas de pequeño tamaño, ya que se pretende observar qué información hay dentro del haz de interrogación. Sin embargo, para la velocidad de antena se necesita un mayor número de muestras para así poder tener un resultado significativo de los citados parámetros. 4.1 Herramientas para el análisis Para este estudio se han empleado tanto capturas de corta duración (12 segundos aproximadamente) como otras que se extienden hasta casi los 2 minutos. Las primeras, como es el caso de la captura mostrada en la Figura 3.4, permitirán estudiar las zonas donde se concentra mayor cantidad de energía, así como observar y analizar la información contenida en el haz interrogación. Por otro lado, las capturas de mayor duración permitirán caracterizar la señal de una forma más general, no para analizar la información contenida pero sí para determinar dónde se encuentra la misma y concluir así con la velocidad que sigue la antena que la transmite. La primera necesidad que surge en este estudio es la de poder separar los máximos de la señal para su análisis de forma aislada. Para ello se crea una función bajo el nombre de pulse_proc.m, basada en el potente comando findpeaks de MATLAB ® . Este comando es capaz de encontrar los máximos relativos de una función bajo ciertas condiciones que son establecidas por el usuario. 21 22 Capítulo 4. Procesado de muestras INICIO -Señal capturada (x) -MinPeakHeight - MinPeakProminence findpeaks Preparación de memoria: •Pulse •pWidth •pMaxLoc •pEnergy •pPower •pMax Desde pulse_n = 1:length(Loc) Pulse = x(Loc(pulse_n)-Width/2:Loc(pulse_n)+Width/2) pEnergy = sum(Pulse.^2) pPower = sum(Pulse.^2)/length(Pulse) pMax = max(Pulse) pMaxLoc = Loc(pulse_n) pWidth = length(find(Pulse>pMax(pulse_n)*0.5)) •out.Pulse •out.pWidth •out.pMaxLoc •out.pEnergy •out.pPower •out.pMax Pulse_n>length(Loc) Figura 4.1 Diagrama de flujo de la función pulseproc.m. Como muestra el diagrama, la señal capturada es la entrada y el valor de los máximos, así como su localización dentro del vector de máximos, el ancho del mismo, la energía y la potencia son las salidas de esta función. 4.1 Herramientas para el análisis 23 4.1.1 Ancho de ventana En primer lugar, la función busca los máximos y posteriormente los almacena. Como aspecto crítico de este almacenamiento se encuentra un parámetro al que se denominará ancho de ventana. Esto es, para aislar un pico de la señal se debe elegir la cantidad de muestras de señal que forman parte de ese fragmento en el que se encuentra el máximo. 12345678 Número de muestras 0 2 4 6 8 10 12 Amplitud de la señal Aislamiento de máximos de la señal capturada (a) Ancho de ventana de 7 muestras. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Número de muestras 0 2 4 6 8 10 12 Amplitud de la señal Aislamiento de máximos de la señal capturada (b) Ancho de ventana de 70 muestras. Figura 4.2 Aislamiento de máximos con función pulse_proc. Como se observa en la Figura 4.2, se estaría clasificando como máximo a un sólo pico de la señal en el caso del ancho de ventana de 7, mientras que con ancho de ventana 70 entrarían varios picos dentro de la ventana y sólo el de mayor amplitud entre ellos se denominará el máximo. Esta característica es crítica cuando se trata de medir el ancho del pulso (pWidth en la Figura 4.1). En el primer caso no hay duda, el ancho lo comprenderá aquella parte del pulso que se encuentre por encima del 50% de la amplitud del mismo. Sin embargo, con un ancho de ventana como el de 4.2b, todas aquellas muestras cuya amplitud supere el 50% del máximo, entrarán a formar parte del ancho de la señal. Ambas formas de aislamiento van a tener utilidad en este análisis; se verá posteriormente en qué momento es conveniente usar cada una de ellas. 4.1.2 Filtrado La siguiente necesidad que surge es la de aplicar algún tipo de filtrado que facilite el tratamiento de la señal en el estudio de los parámetros para los que esto sea crucial. El filtro elegido en este análisis es el filtro FIR (Finte Impulsive Response), implementado con el comando de MATLAB ® fir1. Un filtro FIR de orden N está caracterizado por la función de transferencia que se presenta en (4.1). Como se puede observar cuenta con un denominador igual a 1, es decir, sólo tiene numerador, lo que lo hace un filtro estable. Multiplica a la señal (con un cierto retraso) por coeficientes "a" tantas veces como indique el orden del mismo. Si se pasa al dominio de Z la función de transferencia queda como se muestra en (4.2) [14]. F(n) = a0x(n)+a1x(n−1)+a2x(n−2)+...+aNx(n−N)(4.1) 24 Capítulo 4. Procesado de muestras F(z) = N ∑ k=1 a(k)z−k(4.2) La forma de implementar este filtro en MATLAB ® es primero indicando el orden del filtro y una frecuencia normalizada Ω para la creación de los coeficientes A=fir1(N,Ω) . Esta frecuencia normalizada se corresponde con la ecuación (4.3), y surge del paso del intervalo de frecuencia [0,Fs 2] que comprende este filtro paso bajo, al intervalo [0,1]. Ω=f−6dB Fs 2 (4.3) Para comprender mejor el efecto de este filtro se incluye a continuación una representación del uso del mismo. En primer lugar, se crea una señal ideal sinusoidal que tiene 3 componentes diferentes de frecuencia: a 100 Hz, a 1 KHz y a 20 KHz y a una tasa de muestreo de 100 ×103muestras por segundo. Se crea un filtro FIR de orden 128, es decir, en el que se realizan 128 productos y sumas, y se fija la frecuencia de corte de -6 dB en 3 KHz. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Frequency (Hz) 104 -1000 -500 0 Phase (degrees) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Frequency (Hz) 104 -150 -100 -50 0 Magnitude (dB) Figura 4.3 Efecto del filtro FIR. Se puede observar cómo sólo pasan las componentes de frecuencia 10 Hz y 1 KHz, quedando fuera del paso la componente de frecuencia 20 KHz. También se muestra en la Figura 4.3 que la fase es lineal. 4.1 Herramientas para el análisis 25 4.74 4.76 4.78 4.8 4.82 4.84 4.86 4.88 4.9 4.92 104 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Señal original Señal tras filtrado Figura 4.4 Filtrado de señal sinusoidal. 4.81 4.815 4.82 4.825 4.83 4.835 4.84 104 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Señal original Señal tras filtrado Figura 4.5 Detalle de filtrado de señal sinusoidal. En esta última Figura 4.5 se ve con claridad el retraso de la señal salida respecto a la señal entrada que provoca el filtrado. 26 Capítulo 4. Procesado de muestras 4.1.3 Presentación de resultados En el script principal se establecen las condiciones para la función anterior (amplitud mínima para findpeaks, ancho de ventana y si se activa o no el filtrado) y se ejecuta, además de representar en forma de histograma los resultados que interesen observar según el parámetro que se esté estudiando. Por último, para el caso de las capturas de larga duración, como se mencionó anteriormente, no se quiere indagar en la información contenida en las interrogaciones, sino ver a qué distancia se encuentran en el tiempo los haces de interrogación. Para ello conviene trazar la envolvente de la señal y realizarle a esta el mismo análisis que a las capturas de corta duración; identificar máximos y su localización. 4.2 Parámetros a estudiar Como ya se indicó en la introducción a este capítulo, se ha elegido estudiar una serie de parámetros que permitirán caracterizar la señal capturada. Para una visión general de lo que se está buscando con este estudio, se recapitula en la Tabla 4.1 los valores teóricos [ 4 ] [ 15 ] de estos parámetros de interés. Tabla 4.1 Parámetros característicos. PARÁMETRO CARACTERÍSTICA VALOR O RANGO DE VALORES Modo de interrogación Distancia entre pulsos P1-P3 8µs(modo A) 21 µs(modo C) Ancho del pulso 19.625 µs 33.75 µs(modo S) Velocidad de la antena Distancia entre lóbulos principales 4 - 5 s Las características y su valor para cada uno de los parámetros en estudio permiten filtrar la información recibida en la señal capturada para así poder caracterizarla. 4.2.1 Velocidad de la antena Antes de estudiar la información concreta que contiene esta señal interrogación, es imprescindible investigar dónde es más probable que se encuentre la misma. Para ello es necesario conocer la distancia entre interrogaciones. Aunque la teoría se ha expresado en tiempo en su totalidad, se va a trabajar con número de muestras; conversión para la cual el único factor necesario es la frecuencia de muestreo Fs . Como se ha visto anteriormente, lo normal es que existan entre 4 y 5 segundos de diferencia en tiempo entre los lóbulos principales que se puedan encontrar en cada una de las capturas. Esta distancia es el equivalente a la velocidad de entre 12 y 15 revoluciones por minuto que se menciona en cualquiera de las bibliografías de apoyo para este trabajo. 4.2 Parámetros a estudiar 27 Por otro lado, es muy importante considerar rangos de valores y no valores exactos para clasificar la señal (en este caso es sencillo porque ya se cuenta con un rango de valores). Se trata de tener en cuenta que los valores ofrecidos por estas bibliografías no son exactos sino aproximaciones. De esta forma, en lugar de considerar un rango que va desde los 4 hasta los 5 segundos, se considera uno que vaya desde un valor menor que 4 a otro mayor que 5. Las capturas empleadas en este apartado tienen una duración de entre 1 y 2 minutos para tener muestras suficientes de revoluciones de la antena. Tratándose de una enorme cantidad de información la que pueden contener capturas de ese tamaño, se debe proceder como se introdujo al inicio de este capítulo; usando únicamente la envolvente de la señal. Para ello, se seguirán los siguientes pasos: • Frecuencia de muestreo baja: de esta forma se capturará menos información y, aunque resultará en un archivo de peso elevado, lo será menos que si se usase la frecuencia de muestreo empleada para el resto del análisis (la máxima que el SDR soporta). La elegida en este caso es 1.2×106muestras por segundo. • Filtrado: se emplea un filtro FIR del mismo orden que se mostraba en el ejemplo de la Figura 4.3, 128, y 0.005 como frecuencia normalizada. • Diezmado de la señal: para liberarla aún más de información que no va a ser útil para el análisis de este parámetro. Se empleará mas de 1 etapa de diezmado implementada a través del comando decimate. •Interpolación de la señal resultante, de forma que se vayan siguiendo los máximos. 1.54 1.56 1.58 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 1.72 1.74 Número de muestras (con un primer diezmado) 106 0 50 100 150 Amplitud Envolvente de señal primer diezmado envolvente Figura 4.6 Fragmento de la señal (azul) y su envolvente (amarillo). Como se puede ver en la Figura 4.6, la obtención de la envolvente no se lleva a cabo con máxima precisión; esto no es necesario. Se trabaja con mucha información y el único objetivo es transformar 34 Capítulo 4. Procesado de muestras Tabla 4.2 Media de resultados. MODO DE INTERROGACIÓN Característica Media de los resultados (muestras) Media de los resultados (µs) ADistancia entre P1 y P3 25.7059 8.036 CDistancia entre P1 y P3 67.25 21.024 SAncho de la interrogación 59.7692 18.685 Figura 4.13 Histograma de las interrogaciones clasificadas como modo A. Como se puede observar en este primer histograma correspondiente a las interrogaciones en Modo A detectadas, todas ellas se encuentran entre 25 y 26 muestras de distancia, lo que equivale a estar entre los 7.8 y 8.13 µs. Figura 4.14 Histograma de las interrogaciones clasificadas como modo C. En este otro histograma de la Figura 4.14 se ve que la mayoría de interrogaciones de este modo rondan las 67 muestras de distancia entre pulsos, existiendo alguna alrededor de las 68 muestras. Esta cantidad de muestras se corresponde con una distancia en tiempo de entre 20.94 y 21.26 µs. 4.2 Parámetros a estudiar 35 Figura 4.15 Histograma de las interrogaciones clasificadas como Modo S. Los resultados en los histogramas se encuentran muy cercanos a los valores obtenidos como media en la tabla. Se observa que los modos A y C están donde se esperaba que estuviesen; 8µs para el modo A y 21 µs para el modo C. Sin embargo, el modo S se sitúa más lejano a su valor característico teórico, y la razón de ello se muestra a continuación. La forma de calcular el ancho en este análisis es la que se indica en la Figura 4.1, es decir, buscando dentro de la ventana escogida todos los puntos que superen la mitad de la amplitud del máximo. De esta manera es posible que existan puntos que no superen esa cantidad y se encuentren entre otros que si lo hagan; así no se están teniendo en cuenta para el cálculo del ancho cuando deberían hacerlo. Se puede ver de forma más gráfica en la Figura 4.16. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 Figura 4.16 Medida del ancho de la señal en Modo S. La línea discontinua amarilla divide la parte del fragmento de señal que supera el 50% de la 36 Capítulo 4. Procesado de muestras amplitud del máximo (marcado con recuadro rojo) de la que no. Todos los puntos que lo superen entran a formar parte del ancho de la señal pero, en el caso de los puntos recuadrados a color verde y que se encuentran entre fragmentos que si superan el 50% mencionado, no se están teniendo en cuenta. De esta manera el ancho medido para el Modo S siempre va a ser algo menor al real. 4.2.3 Estudio de las interferencias en las capturas Si se observa con detenimiento la Figura 3.4, además de los dos haces interrogación que se diferencian con cierta claridad se pueden diferenciar otros pulsos con amplitud considerable y que aparentan seguir cierta periodicidad. La primera y más probable opción sobre lo que puede estar ocurriendo es que se estén observando comunicaciones del sistema ACAS. Como ya se explicó en el capítulo 2 de este documento, su forma de interrogación es la misma que tiene el sistema de RADAR secundario. De esta manera, empleando un análisis similar al del apartado anterior para separar en modos, si en lugar de analizar únicamente las zonas de mayor energía en la captura de la Figura 3.4 se analiza la misma completa, debería aumentar el número de interrogaciones detectadas, en especial las de modo S. Figura 4.17 Modos de interrogación detectados en la captura completa de la Figura 3.4. Tal y como muestra la Figura 4.17, el número de interrogaciones modo S ha aumentado desde 6 que se tenían anteriormente en la zona del haz interrogación hasta 64 que se tienen en el total de la captura. Otro ejemplo del mismo suceso se puede ver en la Figura 4.18 que se corresponde con otra captura en las mismas condiciones de muestreo que la captura de la Figura 3.4. La repetitividad de este suceso y la posibilidad de que se ajuste a la comunicación ACAS obligan a analizar estos pulsos. Para poder analizar únicamente los pulsos que están fuera de la zona del haz de interrogación del RADAR secundario es conveniente volver a usar el filtro FIR. En la Figura 4.19 se puede 4.2 Parámetros a estudiar 37 ver que, tras aplicarlo, y usando 30 como mínimo en la amplitud para detectar máximos, quedan seleccionados aquellos máximos en los que se está interesado. También se observa que dentro de lo que para este análisis es un único máximo, findpeaks ha encontrado más de 1, lo que obliga de nuevo a establecer condiciones de mínimos de distancia entre máximos para que no se altere el cálculo en el fragmento completo. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Número de muestras 107 0 10 20 30 40 50 60 Amplitud Captura de señal a fc=1030 MHz Figura 4.18 Captura señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Número de muestras 107 -10 0 10 20 30 40 50 60 Amplitud Captura de señal a fc=1030 MHz Figura 4.19 Captura señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz tras aplicación del filtro FIR. 38 Capítulo 4. Procesado de muestras Una vez hecho esto, el fragmento se puede someter a tratamiento para el cálculo de las distancias. La forma de hacerlo es estableciendo límites en amplitud y distancia, como ya se ha mencionado. Para la amplitud un mínimo de 35 y la distancia que se encuentre entre las 1×106 y las 4×106 muestras. Figura 4.20 Histograma de la distancia entre máximos. En el Histograma de 4.20 se observa que todas las distancias medidas entre máximos rondan las 2×106muestras , resultando una media de 2149009 muestras. Teniendo en cuenta que la frecuencia de muestreo es de 3198800 muestras por segundo, este resultado da una distancia en tiempo de 0.6718 segundos. No se corresponde con el valor teórico de 1 segundo entre interrogaciones en el caso de vigilancia activa pero, como ya se observa en la Figura 4.19, hay al menos 1 pico que podría formar parte del análisis pero, al establecer ciertas condiciones que lo faciliten, se queda fuera. Se debe a que ese máximo concreto se ha recibido con mucha menor amplitud que el resto. No se puede olvidar que el sistema ACAS es un sistema que transmite datos entre aeronaves, y si se compara esta señal con la que se puede estar recibiendo del radar secundario en las inmediaciones de un aeropuerto, la primera puede verse debilitada si proviene de una aeronave que se encuentre verdaderamente lejana. 4.3 Resumen de resultados Para cerrar este capítulo de análisis, a modo de recopilación de resultados, en la Tabla 4.3 se muestran los datos teóricos [ 4 ] [ 15 ] frente a los resultados obtenidos en la experimentación. Cabe destacar que no se ha detectado ninguna interrogación modo S que se encuentre alrededor de los 30 µs , es por eso que se ha considerado que todas las que se han detectado eran del formato corto y por tanto el resultado es solamente comparable con la interrogación de duración de 19.65 µs. 4.3 Resumen de resultados 39 Tabla 4.3 Comparativa de resultados. PARÁMETRO CARACTERÍSTICA VALOR TEÓRICO RESULTADO EXPERIMENTAL Modo A Distancia P1-P3 8µs 8.036 µs Modo C Distancia P1-P3 21 µs 21.024 µs Modo S Ancho de interrogación 19.65 µs/ 33.75 µs 18.685 µs/ - Velocidad de antena Distancia entre lóbulos principales 4-5 s 3.9513 s Señal ACAS Distancia entre pulsos de mayor amplitud 1 s 0.6718 s 5 Conclusiones 5.1 Conclusiones La labor de estudio de las señales del sistema de RADAR secundario requiere tener en cuenta numerosos factores, muchos de los cuales no pueden ser controlados si el sistema con el que se pretende llevar a cabo el análisis tiene ciertas limitaciones. En este proyecto se ha empleado un dispositivo que, a pesar de sus limitaciones ha permitido concluir en unos resultados experimentales que confirman que las señales analizadas son las que se pretendían estudiar. Haciendo uso de un ordenador portátil y un receptor de radiofrecuencia (RTL-SDR) de bajo coste ha sido posible capturar y almacenar señales a 1030 MHz de frecuencia en las inmediaciones de diferentes aeropuertos, como han sido los de Sevilla, Jerez de la Frontera y Málaga. La cantidad de información almacenada ha hecho difícil el tratamiento en los casos en los que se pretendía tomar capturas de duraciones que superasen los 10-15 segundos. En todo momento se ha tratado de buscar el equilibrio entre mantener una frecuencia de muestreo que permitiese extraer toda la información que se buscaba y no excederse en el tamaño los archivos generados. En ocasiones, y eso ha sido la causa de resultados no precisos o con desviación respecto a la teoría, se ha debido reducir la tasa de muestreo aún sabiendo que la calidad de la muestra estaba siendo reducida también. MATLAB ® es un software que posee numerosas funciones ya elaboradas para el tratamiento de señal y que se pueden consultar en su web [ 16 ], por lo que se ha comprobado que es adecuado para análisis como el que se ha llevado a cabo en este proyecto. Ha sido posible determinar dónde se encontraban los haces interrogación de RADAR secundario dentro de una captura de duración superior a 1 minuto. La distancia entre haces obtenida experimentalmente ha sido de 3.95 segundos. En esos haces también se han podido detectar diferentes modos de interrogación y clasificarlos según criterios de distancia entre pulsos en el caso de los modos A y C o de ancho de los mismos en el caso del modo S. Los resultados obtenidos para los primeros han coincidido con los datos teóricos que se tenían, resultando distancias de 8 y 21 µs ; en el modo S el resultado experimental ha diferido en cierta medida del teórico, pero las razones están asociadas a la forma en la que se ha calculado el ancho de la interrogación. Por último, se han podido analizar otros pulsos que no pertenecían a las señales de RADAR secundario y se ha determinado que podría tratarse de señales procedentes del sistema ACAS. La distancia entre estas posibles interrogaciones del sistema ACAS ha resultado ser de 0.67 segundos, lo que también se diferencia del valor teórico con el que se contaba. Con todo esto, se ha conseguido aportar el resultado experimental que es inexistente en la poca bibliografía que se tiene sobre la implementación de señales reales de sistema de RADAR secundario. 41 42 Capítulo 5. Conclusiones 5.2 Líneas de trabajo futuras Una posible línea de continuación de este proyecto es la de, en lugar de tomar capturas para posteriormente analizarlas, realizar todo el proceso de una vez; es decir, recibiendo la señal a tiempo real y obteniendo los resultados en el mismo instante. Como mejora en la captura de señales y que luego tendrá reflejo en los resultados obtenidos sería deseable emplear otro receptor que permita una frecuencia de muestreo mayor a 3.2×106muestras por segundo. Esto hará posible no sólo mejorar el resultado de las características y parámetros analizados sino poder estudiar otros como el contenido del pulso P6 de la interrogación en modo S. También dotaría de mayor rigurosidad a los resultados obtenidos si las capturas obtenidas fuesen de una duración mayor. Esto abre el camino a la investigación de cómo obtener toda la información deseada sin que posteriormente no sea imposible de tratar vía software debido al tamaño de los archivos generados. Índice de Figuras 1.1 Clasificación de comunicaciones aeronáuticas [2] 1 2.1 Esquema radar primario [5] 6 2.2 Haces de la señal de la antena en tierra [6] 8 2.3 Interrogación modos A y C [7] 9 2.4 Interrogación all-call [7] 9 2.5 Interrogación modo S [7] 10 2.6 Respuesta modo A [7] 11 2.7 Respuesta modo S [7] 11 2.8 Transición de vigilancia pasiva a activa en ACAS [11] 13 3.1 Estructura interna del RTL-SDR [13] 16 3.2 RTL-SDR empleado en este proyecto 16 3.3 Mensaje en ventana de comandos si la conexión es correcta 17 3.4 Captura corta señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz 18 3.5 Captura larga señal Fc=1030MHz yFs=1.2×106Hz 18 4.1 Diagrama de flujo de la función pulseproc.m 22 4.2 Aislamiento de máximos con función pulse_proc 23 4.3 Efecto del filtro FIR 24 4.4 Filtrado de señal sinusoidal 25 4.5 Detalle de filtrado de señal sinusoidal 25 4.6 Fragmento de la señal (azul) y su envolvente (amarillo) 27 4.7 Fragmento más amplio de la captura de señal y su envolvente 28 4.8 Envolvente de la señal capturada completa 29 4.9 Fragmento de envolvente 29 4.10 Histograma distancia en muestras entre haces interrogación 30 4.11 Modos de interrogación detectados en la captura de la Figura 3.4 33 4.12 Modos de interrogación detectados en el conjunto de las cinco capturas 33 4.13 Histograma de las interrogaciones clasificadas como modo A 34 4.14 Histograma de las interrogaciones clasificadas como modo C 34 4.15 Histograma de las interrogaciones clasificadas como Modo S 35 4.16 Medida del ancho de la señal en Modo S 35 4.17 Modos de interrogación detectados en la captura completa de la Figura 3.4 36 4.18 Captura señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz 37 4.19 Captura señal Fc=1030MHz yFs=3198800Hz tras aplicación del filtro FIR 37 4.20 Histograma de la distancia entre máximos 38 43