1. © 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 positionnement global (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
Envelope Detector by Squaring the signal and LPF
Data
Noise
Delay
ADS-B
detector
Message
Detector
From
work space
ADS-B
Modulator
1090Mhz
ADS-B
message
ADS-B
message
generator
|u|
2
sqrt
Digital
Filter
AND
XOR
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
logicielles deviendront la technologie 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