Czy da się zbudować nowoczesny system lotniczej widzialności elektronicznej (Electronic Conspicuity) pracującej na paśmie ogólnodostępnym? Nie wiadomo. Wiadomo, jednak, że EASA z ADS-L stawia na sprytne wykorzystanie powszechnie dostępnego pasma 868 MHz i tych modulacji które wykorzystywane są przez popularne urządzenia, takie jak FLARM czy OGN. Kluczowe znaczenie ma tu podział na pasma "M" i "O", które różnią się dopuszczoną przez standaryzację mocą nadawania, a więc i realnym zasięgiem systemu.

Równolegle rozwijane są nowe modulacje, takie jak HDR, pozwalające przesyłać więcej danych i lepiej wykorzystać ograniczone zasoby radiowe. W efekcie powstaje rozwiązanie, które nie tylko działa tu i teraz, ale ma ambicję stać się powszechnym standardem poprawiającym bezpieczeństwo w lotnictwie ogólnym.

Zapraszamy do niełatwego, ale szalenie interesującego artykułu dr Pawła Jałochy, o pasmach i modulacjach w Electronic Conspicuity.

Pierwsze kroki, czyli jak powstawał standard ADS-L?

Celem sformułowania standardu ADS-L było sprowadzenie istniejących rozwiązań do wspólnego mianownika. W pierwszym etapie wzięto się za FLARMa, który używa układu radiowego nRF905 i modulacji GFSK. Zdefiniowano system oparty na tej modulacji, aby układ ten mógł bez trudności nadawać i odbierać pakiety ADS-L.

Określono podstawowy typ pakietu reprezentującego pozycję oraz wektory prędkości statku powietrznego. Pakiet ma w sumie 24 bajty, z tego nagłówek zajmuje 6 bajtów, sama pozycja to 15 bajtów i suma kontrolna 3 bajty.

Jeśli kogoś interesują szczegóły techniczne modulacji, to jest to GFSK o dewiacji +/-50kHz, 50kbit/s kodowana Manchesterem na dwóch częstotliwościach: 868.2 oraz 868.4 MHz czyli w paśmie “M”. Jeszcze raz podkreślę, że wybór modulacji był podyktowany przede wszystkim kompatybilnością tak, aby urządzenia FLARM mogły nadawać i odbierać nowy protokół. Tej samej modulacji używa także OGN-Tracker, zatem warunek kompatybilności był zapewniony.

Dla porównania pakiety FLARMa mają długość 26 bajtów, w tym 2 bajty CRC, a OGN-Tracker także 26 bajtów, ale w tym 6 bajtów to kod korekcji błędów metodą LDPC (Low Density Parity Check).

Drugi krok

Popularnym (głównie w UK) systemem jest Pilot-Aware (PAW), dla którego postanowiono sformułować kompatybilny wariant ADS-L. Tak się złożyło, że choć system ten również używa pakietów o długości 24 bajtów, to niestety, modulacja i częstotliwość są inne i zupełnie niekompatybilne z tym, co potrafi nRF905. Tak czy inaczej, zdefiniowano wariant ADS-L pasujący formatem przesyłanych danych (o pozycji) do standardu Pilot-Aware.

Pilot-Aware używa modulacji, którą nazwano LDR (Low Data Rate): dewiacja +/-12.5kHz z prędkością 38.4kbit/s, na częstotliwości 869.525MHz czyli w paśmie “O”.

Ktoś może zapytać: a dlaczego Plot-Aware ustawił się w innym paśmie niż FLARM i z inną modulacją ? Powodów jest kilka:

FLARM jest systemem zamkniętym i objętym ochroną patentową
W paśmie “O” można użyć znacznie większej mocy: 500 mW zamiast 25 mW w paśmie “M”
Pasmo “O” jest wąskie: 250kHz zamiast 600 kHz dla “M”, zatem modulacja musiała być węższa.

I tu, ponownie można zadać pytanie: dlaczego FLARM nie wystartował z pasma “O”? Powodem były możliwości jedynego wtedy dostępnego układu radiowego dla pasma ISM, który mógł pracować wyłącznie z mocą 10 mW i jedynie na wielokrotności 200kHz. Podsumowując, nie dało się tego sygnału zmieścić w paśmie “O”.

Zdefiniowanie modulacji LDR już przyniosło spodziewany skutek: w tym sezonie Pilot-Aware wprowadził nowe oprogramowanie, które nadaje i odbiera w standardzie ADS-L tak, że kilka tysięcy statków powietrznych znalazło się po tej "otwartej" stronie.

Trzeci krok i trzecia modulacja

Komitet ADS-L zdecydował, że potrzebuje szybkiej modulacji, z dwóch powodów:

Możliwości przesyłania większej ilości informacji w kierunku ziemia-powietrze (Ground2Air)
Większej pojemność sieci wobec gwałtownie rosnącej liczby statków powietrznych, szczególnie bezzałogowych.

Wybrano najszybszą modulację GFSK, jaka mieściła się w paśmie “O”: +/-50 kHz z prędkością 200 kb/s i nazwano ją: HDR (High Data Rate). Na tej bazie zdefiniowano takie same pakiety pozycyjne, jak w pierwszych dwóch, o długości 24 bajtów, oraz pakiety dłuższe, służące do przesyłania większych ilości danych w kierunku z ziemi do statków powietrznych. Opierano się tutaj na założeniu, że większa moc dostępna na paśmie “O” pozwoli na podobne osiągi jak wolniejsza modulacja na paśmie “M”.

Stan obecny

Mamy zatem (na dzisiaj) w ramach standardu ADS-L trzy różne podsystemy, które łączy wspólny cel, otwartość oraz format pakietów ale, niestety, różni modulacja oraz częstotliwości pracy.

Sytuacja jest podobna do tej w standardzie RemoteID dla dronów, lub inaczej Open Drone ID: system ten także powstawał tak, aby istniejące urządzenia mogły nadawać sygnały pozycyjne oraz identyfikacyjne i stąd tam także mamy trzy różne modulacje: BT4, BT5 oraz WiFi, ponieważ te standardy już istniały w paśmie 2.4GHz i wiele komputerów pokładowych dronów posiada urządzenia radiowe, które potrafią się w ten sposób komunikować między sobą.

Podobieństwo sięga także, wzajemnej współpracy tych podsystemów, tzn. jej braku. Np. Pakiet MDR jest nieczytelny dla odbiornika HDR, podobnie jak pakiet BT4 jest nieczytelny dla odbiornika WiFi. Dopóki system pracuje w kierunku powietrze-ziemia to nie jest to wielkim problemem, ponieważ odbiorniki naziemne są zwykle na tyle zaawansowane, że odbierają jednocześnie wszystkie podsystemy - natomiast, gdy potrzebna jest komunikacja powietrze-powietrze to problem zaczyna się robić poważny, ponieważ wtedy chcielibyśmy, aby odbiornik w statku powietrznym był mały, lekki, prosty, pobierał mało prądu i potrafił odbierać wszystkie standardy jednocześnie.

Współpraca pomiędzy różnymi pasmami i modulacjami

I tutaj dochodzimy do tematu, który jest przedmiotem trzeciego wydania ADS-L, które jest obecnie opracowywane. Nie jest to zadanie łatwe: o tyle, o ile w standardzie RemoteID problem można rozwiązać np. poprzez nadmiarowe transmisje (czyli każdy nadaje w każdym paśmie i podsystemie) o tyle na paśmie 868MHz nie mamy, po prostu, tyle miejsca.

Takim pierwszym nasuwającym się rozwiązaniem jest sztywny podział czasowy: czyli uzgadniamy, na którym kanale, o jakim czasie nadajemy (np. parzyste sekundy MDR, a nieparzyste LDR), ale to rozwiązanie tylko z pozoru jest takie proste i oczywiste, bo postępując w ten sposób pozostawiamy niewykorzystaną połowę pasma M-band i połowę pasma O-Band czyli pojemność systemu spada o połowę.

Inne rozwiązanie to zaakceptować trudności okresu przejściowego i umówić się, że np.: za dwa lata wszyscy będą używać tylko HDR - jako systemu najbardziej pojemnego. Wtedy jednak rezygnujemy z większego zasięgu, jaki oferują wolniejsze modulacje, z dywersyfikacji w częstotliwości, która także poprawia nam pojemność i ograniczamy się do jednego pasma i to tego, które jest najbardziej atrakcyjne i coraz bardziej obciążone aplikacjami typu Meshtastic.

Potrzebny byłby jakiś kompromis, aby pracować na różnych częstotliwościach, czyli być odpornym na "zapchanie"/jamming jednego pasma, mieć modulację do dalekiego i bliskiego zasięgu, móc w pełni wykorzystać pojemność pasma, bo przecież w niedalekiej przyszłości spodziewamy się dużej liczby dronów. Jak zatem rozwiązać ten problem ? Grupa robocza nie ma tutaj łatwego zadania.

Czy “stare” (legacy) systemy odejdą do lamusa?

Ciekawe pytanie i odpowiedź brzmi: prawdopodobnie nie odejdą. Weźmy po kolei.

FANET

Wszystko wskazuje na to, że FANET chce pozostać, chociaż z punktu widzenia technicznego lepiej byłoby, aby przeniósł się całkowicie na ADS-L, ponieważ hardware, którego używa (układy radio firmy Semtech) bez problemu potrafią nadawać i odbierać wszystkie modulacje zdefiniowane w ADS-L. Dlaczego zatem chce pozostać? Subiektywnie oceniam, że chodzi o tradycję i znak “firmowy” przywiązany do paralotniarstwa.

FLARM

Także nic nie wskazuje na to, aby odszedł: zamknięty system i silny monopolista nie ma interesu wtapiania się w tłum i rezygnowania ze swojej przewagi na rynku. W tej chwili FLARM oferuje nadawanie w systemie ADS-L ale cena jest zaporowa.

Pilot-Aware

Ten system przechodzi zdecydowanie na ADS-L, jak chodzi o nadawanie własnej pozycji, jednak wysyłanie informacji “w górę” tzn. ze stacji naziemnych do statków powietrznych prawdopodobnie pozostanie, aby system mógł się w jakiś sposób odróżniać od innych, bo co prawda, w ADS-L jest także zdefiniowany taki tryb, ale w innej modulacji (HDR), a sprzęt Pilot-Aware tego nie potrafi.

OGN-Tracker

Prawdopodobnie także ma powody aby zostać, z przyczyn, które, być może, opiszemy za niedługo.

Czy to źle czy dobrze?

Wydawałoby się, że to bardzo źle, bo systemów będzie jeszcze więcej niż było przed “unifikacją”, ale niektóre aspekty kompensują tę wadę: wynika to z tego, że chociaż pakiety formatów w tych “starych” systemach są inne, to z powodu identycznych modulacji możliwy jest jednoczesny odbiór starego i nowego systemu na tej samej częstotliwości. Np. możliwy jest nasłuch na 868.2MHz w taki sposób, aby wyłapywać pakiety zarówno OGN jak i ADS-L, albo FLARM i ADS-L, albo na 869.525MHz jednocześnie LDR i PilotAware: zatem nie musimy dedykować odrębnego slotu czasowego dla “starego” systemu, bo możemy go odebrać przy okazji odbioru nowego.

Niestety, FANET jest tutaj wyjątkiem: jest to modulacja LORA (niejawna, specyficzna dla układów radiowych firmy Semtech), dramatycznie inna niż GFSK i na jednym układzie radiowym nie da się jednocześnie słuchać FANET i GFSK.

Wady i zalety różnorodności (pod)systemów ADS-L

System ADS-L powstał jako próba połączenia kilku istniejących systemów w celu osiągnięcia wzajemnej kompatybilności. Wciąż jednak mamy tych różnych systemów kilka.

Podsumujmy najpierw wady takiego rozwiązania:

Różne modulacje, różne częstotliwości
Brak współpracy pomiędzy MDR, LDR i HDR, jeśli sprzęt jest mało elastyczny
Nieoczywista kooperacja, jeśli odbiorniki są oparte o układy jednokanałowe

A zalety:

Wspólny i otwarty format pakietów
Dywersyfikacja częstotliwości, większa odporność na jamming
Większa pojemność systemu

Czyli co: dobrze, czy źle? Pożyjemy, zobaczymy. A że technologia szybko idzie naprzód, to pewnie nie będziemy musieli długo czekać. Prawdopodobnie już niebawem pojawią się niewielkie odbiorniki oparte na SDR, które będą potrafiły odbierać jednocześnie wszystkie systemy i modulacje. Już takie są, tylko nieco większe i bardziej prądożerne.