MLAT Time-of-Arrival do potwierdzania pozycji statkow powietrznych w sieci Open Glider Network

MLAT Time-of-Arrival do potwierdzania pozycji statków powietrznych w sieci Open Glider Network

Cel

Sieci śledzenia statków powietrznych, takie jak OGN, odbierają raporty pozycji z wielu systemów radiowych, między innymi OGN, FLARM, ADS-L, PilotAware i FANET. Takie raporty zwykle zawierają pozycję wyznaczoną i nadaną przez urządzenie znajdujące się na pokładzie statku powietrznego. W normalnej pracy jest to właśnie pożądane: statek powietrzny zna swoją pozycję GNSS i rozgłasza ją radiowo, a odbiorniki naziemne przekazują pakiet do sieci.

Słabym punktem jest to, że sieć zwykle musi zaufać pozycji podanej w transmisji. Uszkodzony, źle skonfigurowany albo celowo podszywający się nadajnik może podawać pozycję inną niż miejsce, z którego fizycznie pochodzi sygnał radiowy. Time-of-Arrival, czyli ToA, daje sieci niezależny test fizyczny. Jeżeli kilka odbiorników słyszy ten sam pakiet i dokładnie mierzy czas jego odbioru, względne czasy nadejścia muszą być zgodne z zadeklarowaną pozycją statku powietrznego oraz znanymi pozycjami odbiorników.

Celem tych prac nad MLAT nie jest na początku zastąpienie pozycji nadanej przez statek powietrzny w pełni niezależnym rozwiązaniem multilateracyjnym. Pierwszy praktyczny cel jest prostszy i bardzo użyteczny: sprawdzić, czy nadana pozycja jest fizycznie zgodna ze zmierzonymi czasami odbioru sygnału radiowego, oraz oznaczać transmisje, które wyraźnie do tego nie pasują.

Podstawowa idea

Fale radiowe rozchodzą się z prędkością światła. Jeżeli jeden pakiet z samolotu zostanie odebrany przez dwie stacje naziemne, zwykle dotrze do nich w nieco różnych momentach. Różnica zależy od pozycji statku powietrznego oraz od pozycji obu odbiorników.

Dla pary odbiorników:

oczekiwana_roznica_czasu =
(odleglosc_do_odbiornika_2 - odleglosc_do_odbiornika_1) / predkosc_swiatla

Odbiorniki mierzą:
zmierzona_roznica_czasu =
znacznik_czasu_odbiornika_2 - znacznik_czasu_odbiornika_1

Po odjęciu oczekiwanej różnicy wynikającej z propagacji pozostała wartość powinna odpowiadać względnemu przesunięciu zegarów między odbiornikami. Jeżeli para odbiorników jest stabilna, wiele statków powietrznych powinno dawać taką samą skorygowaną różnicę czasu, z dokładnością ograniczoną szumem pomiarówym i niewielkim dryftem zegarów.

Dla danego statku powietrznego i danej pary odbiorników podstawowa diagnostyka jest więc:

residuum =
zmierzona_roznica_czasu
- oczekiwana_roznica_czasu_propagacji
- dopasowana_roznica_zegarow_pary_odbiornikow

Jeżeli residuum jest małe, pozycja statku powietrznego jest zgodna ze zmierzonym ToA. Jeżeli residuum jest duże, zadeklarowana pozycja jest podejrzana dla tej pary odbiorników.

Dlaczego względny ToA jest praktyczny

Bezwzględny czas odbiorników nie musi być idealny na poziomie nanosekund. System wyznacza względną synchronizację między odbiornikami z samego odbieranego ruchu. Każda para odbiorników może oszacować:

• aktualne względne przesunięcie czasu między odbiornikami,
• względne nachylenie lub dryft zegara,
• RMS residuów dopasowania,
• które statki powietrzne zgadzają się ze wspólnym wzorcem czasowym,
• które statki powietrzne od tego wzorca odstają.

Jest to ważne, ponieważ zwykle błędy NTP są zdecydowanie za duże do bezpośredniej multilateracji na poziomie nanosekund. Jeżeli jednak odbiorniki konsekwentnie znakują pakiety czasem, a para odbiorników może zostać dopasowana na podstawie ruchu, względna zgodność czasowa nadal może służyć do weryfikacji pozycji statków powietrznych.

Synchronizacja par odbiorników

Każda para odbiorników przechowuje krótką historię pakietów odebranych przez oba odbiorniki.

Dla każdego dopasowanego pakietu system sprawdza, czy:

• oba odbiorniki odebrały ten sam pakiet,
• pakiet należy do tego samego statku powietrznego,
• zgadza się protokół radiowy i kanał,
• zgadza się identyfikator pakietu lub hash danych,
• czasy odbioru są wystarczająco bliskie, aby dopasowanie było realistyczne.

Dla każdego dopasowanego pakietu serwer zapisuje wpis pary sygnałów zawierający skorygowaną różnicę ToA, identyfikator statku powietrznego, czas pakietu, system radiowy, kanał i siłę sygnału.

Następnie para odbiorników dopasowuje względny model czasowy na podstawie niedawnej historii par sygnałów. Para jest uznawana za dobrze zsynchronizowaną tylko wtedy, gdy dopasowanie ma wystarczająco dużo danych, wystarczający przedział czasu, dobrą ufność i odpowiednio niski RMS residuów ToA. Pary z za małą ilością danych, niestabilnym czasem, złymi residuami lub prawie wspólną pozycją odbiorników nie są używane do potwierdzania pozycji statków powietrznych.

Problem podszywania się

Naiwny test ToA mógłby zostać oszukany, gdyby para odbiorników zsynchronizowała się głównie na tym samym podszytym statku powietrznym, który później jest sprawdzany. W takim przypadku para mogłaby nauczyć się odniesienia czasowego obciążonego fałszywym statkiem powietrznym, a potem błędnie go potwierdzić.

Aby zmniejszyć to ryzyko, potwierdzenie jest traktowane osobno dla każdego statku powietrznego i każdej pary odbiorników. Para odbiorników nie potwierdza statku powietrznego tylko dlatego, że ten statek pasuje do pary. Potwierdza go tylko wtedy, gdy inne statki powietrzne, a w przyszłości także zaufane nadajniki, wspierają ten sam wzorzec czasowy pary odbiorników.

Daje to każdemu statkowi powietrznemu metrykę wsparcia od każdej pary odbiorników:

• metryka dodatnia: statek powietrzny zgadza się z parą odbiorników, która jest również wspierana przez inne zgodne statki powietrzne,
• metryka zerowa: para ma za mało niezależnego wsparcia albo brak jednoznacznego wniosku,
• metryka ujemna: statek powietrzny jest odrzutem względem pary odbiorników wspieranej przez inne statki powietrzne.

Statek powietrzny, który jest sam w danej parze odbiorników, nie może potwierdzić sam siebie.

Potwierdzanie per statek powietrzny

Obecna koncepcja opiera się na dwóch powiązanych widokach tych samych danych.

Widok pary odbiorników:

• każda para odbiorników przechowuje listę statków powietrznych widzianych przez oba odbiorniki,
• dla każdego statku powietrznego zapisuje średnie residuum, RMS residuów, liczby dobrych i złych próbek oraz metrykę wsparcia,
• para liczy, ile statków powietrznych jest zgodnych z jej rozwiązaniem czasowym,
• para oznacza statki powietrzne, które odstają od wspólnego wzorca czasowego.

Widok statku powietrznego:

• każdy statek powietrzny przechowuje listę par odbiorników, które go śledziły,
• każdy wpis pary odbiorników zawiera metrykę tej pary dla statku powietrznego,
• statek powietrzny agreguje dodatnie i ujemne dowody z użytecznych par odbiorników,
• końcowy status jest raportowany tylko wtedy, gdy dowody są wystarczająco mocne.

Taka struktura zapobiega sytuacji, w której pojedynczy izolowany statek powietrzny sam tworzy swoje potwierdzenie. Pozwala też wyjaśnić, dlaczego statek powietrzny został oznaczony jako dobry lub zły: status można prześledzić do konkretnych par odbiorników i ich residuów.

Stany statusu

Wyjście operacyjne może używać trzech prostych stanów:

Statki powietrzne ze słabymi dowodami zwykle nie powinny generować żadnego komunikatu
statusowego. Zapobiega to traktowaniu braku dowodów jako potwierdzenia.

Czego system potrzebuje

System potrzebuje sieci odbiorników zdolnych do precyzyjnego znakowania pakietów czasem.

Odbiorniki muszą raportować:

• identyfikator odbiornika,
• pozycję odbiornika,
• znacznik czasu pakietu,
• identyfikator odebranego statku powietrznego,
• protokół radiowy i kanał,
• identyfikator pakietu lub hash danych,
• siłę sygnału albo inny wskaźnik jakości pomiaru.

Pozycje odbiorników muszą być znane wystarczająco dobrze, aby korekcja czasu propagacji miała sens. Para odbiorników o prawie zerowej bazie daje bardzo mało niezależnej geometrii ToA, więc takie pary są ignorowane przy potwierdzaniu statków powietrznych, nawet jeżeli ich zegary wyglądają na zsynchronizowane.

System potrzebuje też wystarczającego ruchu. Naturalny ruch lotniczy może być używany jako populacja odniesienia, ale działa to najlepiej wtedy, gdy kilka statków powietrznych jest widocznych jednocześnie przez wiele odbiorników. Rzadki ruch daje słabsze wnioski i zwykle powinien prowadzić do UNK albo braku raportu.

Ruch referencyjny i zaufane nadajniki

W normalnej pracy inne statki powietrzne mogą działać jako wzajemne odniesienia. Jeżeli kilka statków powietrznych zgadza się z tym samym rozwiązaniem czasowym pary odbiorników, każdy z nich może pomóc potwierdzić pozostałe.

Dedykowane zaufane nadajniki mogą znacznie to poprawić. Zaufanym nadajnikiem może być stały naziemny beacon albo nadajnik w znanej pozycji. Ponieważ jego pozycja jest znana niezależnie, może on pomagać stabilizować synchronizację par odbiorników nawet przy małym ruchu lotniczym.

Zaufane nadajniki są przydatne do:

• kalibracji synchronizacji par odbiorników,
• wykrywania usterek zegara lub znakowania czasu w odbiorniku,
• zapewnienia wsparcia w obszarach o małym ruchu,
• zmniejszenia ryzyka, że grupa złych raportów pozycji obciąży rozwiązanie czasowe.

Powinny być traktowane specjalnie w obliczaniu metryki. Zaufany nadajnik może dostarczać wsparcia innym statkom powietrznym, ale zwykły statek powietrzny nie powinien móc sprawić, że zaufany nadajnik będzie wyglądał na poprawny.

Jak wykrywane są transmisje podszyte

Podszyta transmisja może zawierać wiarygodny identyfikator statku powietrznego i wiarygodnie wyglądającą pozycję GNSS, ale sygnał radiowy nadal pochodzi z jednej fizycznej lokalizacji nadajnika. Jeżeli nadawana pozycja jest daleko od tej rzeczywistej lokalizacji, różnice czasów odbioru w parach odbiorników nie będą zgodne z zadeklarowaną geometrią.

System wykrywa to jako błąd residuum. Na przykład, jeżeli para odbiorników ma stabilne dopasowanie czasowe wspierane przez kilka innych statków powietrznych, podszyty statek powietrzny może pokazywać:

• duże średnie residuum,
• duży RMS residuów,
• wiele złych próbek residuum,
• powtarzające się odrzucenie przez kilka niezależnych par odbiorników.

Mocniejszy przypadek występuje wtedy, gdy więcej niż jedna para odbiorników odrzuca ten sam statek powietrzny, szczególnie gdy pary mają użyteczne bazy i różne geometrie.

Ocena geometrii

To samo residuum czasowe znaczy coś innego w zależności od geometrii. Para odbiorników jest czuła głównie w jednym kierunku. Jeżeli statek powietrzny widziany jest niemal w tym samym kierunku z obu odbiorników, różnica czasów odbioru zmienia się tylko słabo przy przesunięciu pozycji statku. Jeżeli statek powietrzny znajduje się tak, że oba odbiorniki widzą go z wyraźnie różnych kierunków, to samo residuum czasowe daje znacznie silniejsze ograniczenie pozycji.

Dla każdej użytecznej pary odbiorników system oblicza lokalny wektor geometrii w zadeklarowanej pozycji statku powietrznego. W uproszczeniu:

g = wektor_jednostkowy(odbiornik_2_do_statku)
- wektor_jednostkowy(odbiornik_1_do_statku)

Ten wektor jest rzutowany na lokalne współrzędne wschód i północ. Residuum pary jest przeliczane z czasu na metry:

residuum_drogi = predkosc_swiatla * residuum_czasu

Dla małego błędu poziomej pozycji para mierzy w przybliżeniu:

residuum_drogi = g_wschod * blad_wschod + g_polnoc * blad_polnoc

Jedna para odbiorników daje więc jedno ograniczenie kierunkowe. Sama nie może wyznaczyć dwuwymiarowego błędu pozycji. Kilka par odbiorników o różnych kierunkach geometrii można połączyć.

Łączenie par odbiorników

Obecna ocena geometrii łączy pary odbiorników metodą ważonych najmniejszych kwadratów. Każda użyteczna para odbiorników wnosi jedno równanie liniowe. Waga opiera się na RMS residuów pary i liczbie zaakceptowanych próbek residuum, z minimalnym progiem niepewności, aby zbyt optymistyczne dopasowania czasowe nie zdominowały wyniku.

Wynikiem jest oszacowana poprawka pozioma względem zadeklarowanej pozycji statku powietrznego:

• poprawka na wschód,
• poprawka na północ,
• całkowita odległość poprawki poziomej,
• elipsa niepewności,
• znormalizowany chi-kwadrat.

Odległość poprawki jest raportowana jako PosErr w zwięzłych komunikatach APRS, gdy rozwiązanie geometrii jest ważne. W interfejsie HTTP pełniejszy wynik może wyglądać tak:

D:420m E:+180 N:-380 Ell:90/450m A:+35deg Chi2:1.2

Znaczenie pól:

Należy to interpretować ostrożnie. PosErr jest najlepiej dopasowana poprawka pozioma wynikająca z wybranych residuów ToA. Nie jest automatycznie twardą dolną granicą błędu pozycji. Elipsa niepewności i chi-kwadrat pokazują, czy geometria jest wystarczająco silna, aby oszacowanie miało znaczenie.

Wyjścia

Serwer może udostępniać status na dwa sposoby.

Interfejs HTTP służy do monitorowania i diagnostyki. Powinien pokazywać:

• stan synchronizacji par odbiorników,
• odległość między odbiornikami w parze,
• różnice czasu NTP dla pary odbiorników,
• residua dopasowania i ufność,
• statki powietrzne wspierające parę oraz odrzuty,
• zagregowany status ToA i wynik wsparcia dla statku powietrznego.

Interfejs APRS jest przeznaczony dla dalszych konsumentów danych. Przykładowe komunikaty statusowe:

ICA4B303D>OGMLAT:>071703h ToA:OK S:+2 P:2:0 RMS:0.26us Err:-0.06us I:1
OGN87DA18>OGMLAT:>123308h ToA:BAD S:-4 P:0:2 RMS:8.23us Err:-8.22us
PosErr:2.4km
OGN87DA18>OGMLAT:>123430h ToA:UNK S:+0 P:0:0

Znaczenie pól:

Statusowy beacon serwera może też raportować, ile statków powietrznych ma obecnie wyznaczony stan ToA, na przykład:

OGN3MLAT>OGMLAT:>071700h Rx:15:12 Acft:8:3 UDP:19.2/s CPU:0.8%

Tutaj Acft:8:3 oznacza, że znanych jest 8 statków powietrznych, a 3 z nich mają obecnie wyznaczony status ToA.

Interpretacja residuów

Residuum jest błędem czasu po korekcji geometrii i dopasowania zegara pary odbiorników. Jedna mikrosekunda odpowiada około 300 metrom różnicy drogi radiowej. Nie oznacza to, że residuum 1 mikrosekundy jest bezpośrednio błędem pozycji 300 metrów, ponieważ przeliczenie na pozycję zależy od geometrii odbiorników. Jest to jednak użyteczna skala do zrozumienia wielkości niezgodności.

Małe residua w kilku parach odbiorników wspierają nadaną pozycję. Duże residua, szczególnie o powtarzalnym znaku albo z powtarzającym się odrzuceniem, wskazują, że nadana pozycja nie jest fizycznie zgodna ze zmierzonymi czasami odbioru.

Ograniczenia

Metoda jest testem zgodności, a nie formalnym dowodem tożsamości. Mogą na nią wpływać:

• błędne pozycje odbiorników,
• błędy znakowania czasu w odbiornikach,
• błędy dopasowania pakietów,
• bardzo krótkie bazy par odbiorników,
• mała gęstość ruchu,
• słaba geometria odbiorników,
• niska jakość sygnału,
• manewry statku powietrznego połączone ze starym znacznikiem czasu pozycji,
• skorelowane próby podszywania się lub powtórzenia transmisji.

Z tego powodu system powinien unikać nadmiernego raportowania. Powinien wysyłać OK albo BAD tylko wtedy, gdy dowody są jasne, a w przeciwnym razie milczeć albo wysłać jednorazowy UNK, gdy wcześniejszy wniosek nie może już być utrzymany.

Wyniki i wykresy do dodania

Ten dokument jest przygotowany jako szkic struktury. Po kolejnych testach z odtworzenia danych i z pracy na żywo warto dodać:

• przykładowe wykresy synchronizacji par odbiorników,
• histogramy residuów dla potwierdzonych statków powietrznych,
• wykresy residuów dla wyraźnych odrzutów,
• mapy pokazujące geometrię odbiorników,
• przykłady ignorowania par o krótkiej bazie,
• statystyki z kilku godzin pracy na żywo,
• porównanie synchronizacji z naturalnego ruchu i z zaufanych nadajników.

Przykłady konkretnych statków powietrznych

Ta sekcja jest przeznaczona na konkretne przykłady z odtworzenia danych albo pracy na żywo. Każdy przypadek powinien odróżniać dane zmierzone od interpretacji. Główne dowody powinny być widoczne na zrzutach ekranu albo wykresach, a tekst powinien wyjaśniać, na co czytelnik ma zwrócić uwagę.

SP-COTT: potwierdzony statek powietrzny z wieloma wspierającymi parami odbiorników

Poniższy przykład pokazuje statek powietrzny SP-COTT, adres OGNC1E0A9, obserwowany podczas pracy na żywo. Jest to dobry pierwszy przykład, ponieważ statek nie jest potwierdzony przez jedną parę odbiorników. Wiele par odbiorników niezależnie zgadza się, że zadeklarowana pozycja jest zgodna ze zmierzonymi czasami odbioru.

W tym widoku HTTP statek powietrzny ma status OK i dodatni wynik. Wpisy par odbiorników pokazują nazwę pary, metrykę pary, średnie residuum, RMS residuów, liczby zaakceptowanych i odrzuconych próbek oraz przedział czasu. Zielone wpisy to pary odbiorników wspierające pozycję statku. Istotne jest nie tylko to, że pojedyncze residua są małe, lecz także to, że wiele różnych par odbiorników zgadza się w tym samym czasie.

Niektóre pary odbiorników mogą być oznaczone jako pominięte, na przykład z powodu zbyt krótkiej bazy. Takie pary nadal mogą być przydatne diagnostycznie, ale nie są liczone jako niezależny dowód potwierdzenia statku powietrznego.

Strumień statusów APRS pokazuje ten sam wniosek w zwartej formie. Przykładowe linie raportują:

OGNC1E0A9>OGMLAT:>104331h ToA:OK S:+22 P:19:0 RMS:0.39us Err:+0.00us I:1
OGNC1E0A9>OGMLAT:>105031h ToA:OK S:+28 P:27:0 RMS:0.47us Err:+0.00us I:9

Tutaj S jest zagregowanym wynikiem wsparcia, a P podaje liczbę dodatnich i ujemnych użytecznych par odbiorników. Wartości takie jak P:19:0, P:21:0 lub P:27:0 oznaczają, że wiele użytecznych par odbiorników wspiera statek powietrzny i żadna go nie odrzuca. RMS residuów pozostaje poniżej około jednej mikrosekundy, a średnie residuum pozostaje bardzo bliskie zeru. Tego oczekuje się dla prawdziwej pozycji statku powietrznego: zadeklarowana pozycja jest zgodna ze względnymi czasami odbioru zmierzonymi w sieci odbiorników.

Ten przykład pokazuje również, dlaczego metoda per statek powietrzny i per para odbiorników jest użyteczna. Pojedynczy statek powietrzny nie może potwierdzić sam siebie. SP-COTT jest potwierdzony dlatego, że pary odbiorników, które go widzą, są synchronizowane również przez inny ruch, oraz dlatego, że statek zgadza się ze wspólnym wzorcem czasowym w wielu geometriach par.

Przyszłe przykłady do dodania

Przydatny przykład powinien zawierać:

• adres statku powietrznego i system radiowy,
• okres obserwacji,
• komunikaty statusowe ToA wysłane przez serwer,
• wykorzystane pary odbiorników,
• zrzut ekranu statusu statku w HTTP,
• wykres residuów pary odbiorników,
• mapę lub wykres geometrii, jeżeli jest dostępny,
• krótką interpretację, dlaczego statek został potwierdzony albo odrzucony.

Sugerowane typy przykładów:

• jeden wyraźnie potwierdzony statek powietrzny,
• jeden statek ze słabymi dowodami, który pozostaje nieznany,
• jeden statek odrzucony przez mocną parę odbiorników,
• jeden statek odrzucony przez wiele geometrii par odbiorników,
• jeden przypadek, w którym pary odbiorników o krótkiej bazie są ignorowane.

Następne kroki rozwoju

Przydatne następne kroki:

• dodać obsługę zaufanych nadajników,
• dodać ważenie par odbiorników według geometrii,
• odróżnić „brak zaakceptowanych próbek residuum” od rzeczywistego zerowego residuum w raportach BAD,
• zapisywać historię statusu per statek powietrzny do późniejszej analizy,
• generować dzienne wykresy podsumowujące,
• przetestować progi statusu na kilku zbiorach danych replay,
• zdefiniować zachowanie dalszych konsumentów danych dla OK, BAD i UNK.

Długoterminowy kierunek to połączenie względnego potwierdzania ToA, geometrii par odbiorników i zaufanych odniesień w odporną warstwę kontroli wiarygodności pozycji raportowanych przez statki powietrzne.

Status systemu w czasie rzeczywistym można zobaczyć tutaj (LINK)