DETECCIÓN, DEMODULACIÓN Y CAPTURA DE SEÑALES ADS-B PARA IDENTIFICACIÓN DE TRÁFICO AÉREO USANDO RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE, SDR

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1 DETECCIÓN, DEMODULACIÓN Y CAPTURA DE SEÑALES ADS-B PARA IDENTIFICACIÓN DE TRÁFICO AÉREO USANDO RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE, SDR Manuel Munguía Macario, Miguel Alejandro Villarreal Flores, Jorge Aguilar Torrentera Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, FIME, Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL. manuel.munguiamc@uanl.edu.mx, miguelvillarrealf44@hotmail.com, Jorge.aguilart@uanl.mx RESUMEN En este proyecto se integró hardware y software de uso libre en conjunto con radio definido por software, SDR, para la detección y demodulación de señales ADS-B, (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) de las cuales se obtuvo la señal de información que se transmite constantemente a las bases terrestres, y esta información se alimenta a una aplicación con acceso a Google maps, donde por medio de la información de datos GPS de la aeronave, se puede localizar su posición y recorrido en el mapa del lugar donde se está recibiendo la señal. Este proyecto se propone para uso con fines educativos, pero también se puede usar como una opción para casos de catástrofe donde las comunicaciones con la torre de control no se puedan establecer y por medio de este arreglo de hardware y software se pueda hacer un seguimiento de las aeronaves mientras se restablece la comunicación con la estación terrestre o torre de control de tráfico aéreo. Palabras Clave: ADS-B, SDR, GPS, Google maps, gnuradio, SDR ABSTRACT In this Project, an integration of open source hardware and software defined radio, SDR, was performed so it was possible to detect and demodulate ADS-B (Automatic Dependant Surveillance Broadcast) signal, such a way the data could be sent to a google maps application where it can be represented the position and trajectory of the airplane in the map of the region where the signals are being received, This project was proposed to be used for educational purpose but it has been shown to be very helpful in case of catastrophic events causing the communication with the air traffic control tower in the airport has been disrupted, and this project can be used to provide external information or to obtain information about airplanes position in an specific area, meanwhile communications with the air traffic controller in the airport are reestablished. Keywords: ADS-B, SDR, GPS, Google maps, gnuradio, communication control manager.

2 1 INTRODUCCIÓN El presente proyecto se enfoca en la detección de señales ADS-B por medio de un receptor de Radiofrecuencia de bajo costo SDR, y uso de aplicaciones de uso libre, analizando la señal recibida dentro de un área poblada cercana a un aeropuerto, con el fin de captar las señales de los aviones aproximándose [1]. En la actualidad los métodos de monitoreo aéreo usan una tecnología para el control del uso del aire, al cual se le conoce como transmisión de señal o señales de Vigilancia Dependiente Automática o ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast en inglés), que permite a los pilotos de los aviones y a las torres de control tener información acerca del tránsito aéreo. En este proyecto se hace el análisis de señales ADS-B por medio de hardware de bajo costo NooElec (R820T2 SDR & DVB-T NESDR Mini 2) que es un dispositivo USB comúnmente usado en tecnologías de recepción de señales de TV, y posee las capacidades de programación mediante software gnuradio lo que nos permite analizar diversas frecuencias (desde 25MHz hasta 1750MHz) [2]. En este proyecto se utiliza el dispositivo USB NooElec para recibir una frecuencia fija de 1090MHz la cual es usada por las aeronaves para transmitir los datos de posicionamiento a otras aeronaves, como también a un sistema de control de tráfico que comúnmente supervisa el estado climático para asegurar una ruta segura y practica para cada vuelo. Haciendo uso de software de uso libre como RTL 1090 basado en gnuradio, para la captura de los paquetes y la aplicación Virtual Radar, el cual interpreta estos datos de manera gráfica en un mapa de la localidad lo que permite la programación del dispositivo USB para monitorear los datos de la señal ADS-B de las aeronaves que pasan dentro del área de cobertura de la antena que se está usando, y esta señal contienen los datos como la altura, posición y velocidad estimada de la aeronave. En las siguientes secciones del proyecto se describe como se unieron los diferentes elementos, software y hardware, las configuraciones realizadas y las pruebas que se realizaron para comprobar que el proyecto puede proveer servicios de monitoreo del espacio aéreo, junto con el uso de programas que contienen sistemas de mapas digitalizados que nos permitirán establecer la posición de aeronaves en tránsito dentro de una región de cobertura dependiendo de la antena o conjunto de antenas que se esté utilizando. Este proyecto se realizó gracias al apoyo de PROMEP CA, proyecto DSA/103.5/14/11326.

3 2 JUSTIFICACIÓN Las tecnologías de telecomunicaciones están en constante cambio, y una de las tendencias actuales tanto en la industria como en la educación es el uso de hardware y radio definido por software (SDR, software defined radio) para dar servicios de comunicaciones por radiofrecuenia, lo que permite, por ejemplo, en un espacio reducido contar con un transmisor y receptor que pueden llegr a procesar un rango muy amplio de señales por medio del uso de software y procesadores veloces, como ocurre con los teléfonos inteligentes que pueden funcionar en cualquier parte del mundo a pesar de que se usen frecuencias y modulaciones diferentes en cada región. La necesidad de contar con herramientas y aplicaciones que estimulen la creatividad del estudiante en el área de telecomunicaciones y su aplicación a problemas reales motivó al uso de hardware y SDR, para analizar las señales que se usan frecuentemente para monitorear el transporte aéreo público y privado, lo que permite conocer la ruta que están usando las aeronaves y más información relacionada a la aviación y al control del tráfico aéreo, lo que permite que el estudiante se interese y comprometa con el estudio más detallado de cómo funciona todo el sistema de comunicación y que en un momento dado pueda proponer como utilizar éste sistema para manejar situaciones de riesgo, por lo cual se consideró apropiado el realizar un estudio de cómo se podría monitorear en la actualidad el tráfico aéreo de una manera práctica y económica. 3 DESARROLLO Para el desarrollo de este proyecto se instalaron 2 aplicaciones que hacen uso de las señales que las aeronaves transmiten y que inicialmente se reciben por el medio físico a través de la antena la cual está conectada al sintonizador USB nooelec R820T2. Lo primero que es importante saber es que las aeronaves usan diversas frecuencias para transmitir señales, en el caso de los mensajes ADS-B usan una frecuencia 1090Mhz para el uso de todos los vuelos comerciales y privados para control seguro del uso del aire como medio de transporte. Estas señales se propagan por el aire y otros vuelos o estaciones de control captan la información de los vuelos que se encuentran en una proximidad relativa para captar su señal (alrededor de unas 150 millas).

4 Figura 1 hardware utilizado, antena y dispositivo USB NooElec R820T2 SDR Para ello se usa un dispositivo sintonizador (figura 1), que posee las capacidades y medios (Antena) para capturar este tipo de señales. El dispositivo funciona como un radio definido por software, SDR, el cual es un dispositivo que junto con los avances en procesadores actuales y la informática permite que la mayoría de las tecnologías de radio frecuencia, con procesamiento tradicionalmente basada en hardware, se puedan ahora implementar en software, de una manera eficiente. Un valor importante en el uso de SDR es la cantidad de muestras por segundos, S/s, que se pueden procesar. En este caso, del R820T2, se tiene que andan entre 2.8 y 3.2 Megamuestras por segundo, MS/s [3]. Figura 2 software RTL-1090

5 El software utilizado es el RTL 1090 [4], basado en gnuradio y por medio de librerías que tiene preinstaladas busca el controlador apropiado para que el dispositivo sintonizador de la señal haga la conexión correcta con el equipo del usuario y una vez que la conexión se ha establecido correctamente lanza una ventana, la cual es el software de captura de la señal (con un parecido a GNU Radio), que esta prediseñado para captar la frecuencia de 1090MHz, como se muestra en la figura 2. Figura 3 software virtual radar server Una vez capturada la señal se inicia el software de uso libre Virtual Radar Server (figura 3), para el cual lo único que se requiere hacer es configurar el puerto por el cual se están recibiendo los datos (31001), y este una vez que completa la conexión virtual con el puerto, muestra en un navegador la información para que se vea gráficamente la posición y la ruta que va tomando cada vuelo viendo gráficamente como va moviéndose este a medida que el sistema interpreta los datos capturados de las señales trasmitidas de las aeronaves en tiempo real.

6 Figura 4 Captura del servidor web del sistema Virtual Radar mostrando en pantalla una aeronave y su actual trayectoria registrada con una línea negra en el mapa local. 4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS El sistema completo se implementó como se muestra en la figura 5, por medio de la antena se captan las señales ADS-B que una aeronave cercana este transmitiendo y se alimentan al dispositivo USB R820T2, el cual por medio del software RTL-1090 demodula la señal ADS-B y pasa la información de GPS, ID de la aeronave, destino, etc, usando el puerto al software virtual server, el cual contiene un enlace a google maps mostrando la posición actual de la aeronave, además de los datos como altitud, velocidad, ID de la aeronave, la ruta entre otra información [4]. Figura 5 Funcionamiento del entorno de recepción e interpretación de las señales ADS-B

7 La captura de las señales ADS-B que se realizó mediante el uso del hardware y software de uso libre que se obtuvieron, da como resultado diferentes muestras que el funcionamiento del sintonizador es adecuado para captar las señales de aviones que pasan dentro del espacio aéreo del área metropolitana de monterrey, al realizar varias pruebas, en lugares cercanos al aeropuerto mariano Escobedo, se pudo comprobar que en efecto se recibieron las señales que proporcionan información sobre los vuelos y rutas que siguen en la región, captando las señales de aquellas aeronaves que se encontraban dentro del rango de alcance del sistema implementado. El sistema, una vez que recibe la información, muestra los datos sin ningún problema tal y como se muestra en la figura 6, y se puede dar seguimiento a una aeronave en cuanto altitud, velocidad, identificación, ruta etc., que son datos críticos para el funcionamiento del tráfico aéreo, razón por lo cual, en un determinado momento, se propone que puede funcionar como un medio alterno para captar este tipo de información crítica de la aeronave como respaldo. Figura 6 Captura de una aeronave y toda su trayectoria de movimiento desde que se captó su señal hasta su perdida 5 CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos, se concluyó que el hardware del sintonizador funciona adecuadamente para captar las señales de tráfico aéreo ADS-B, así como el software virtual radar, traza la ruta que está llevando una aeronave en vuelo en tiempo real, con información de la propia aeronave, aparte de su posicionamiento y su velocidad relativa, tales como el ID de la aeronave, el destino y de donde proviene, tal y como se

8 muestra en la figura 6, donde se hizo un seguimiento de una aeronave que paso por el espacio aéreo del área metropolitana de monterrey. Por ello se considera que este sintonizador cumple con diversas funciones y aplicaciones muy diferentes de las que fue diseñado como lo es la recepción de tv digital, y se puede programar para recibir otro tipo de señales y usarse como un medio enfocado al análisis y recepción de señales dentro del rango de 25 MHz a 1750 MHz. 6 PROYECTOS FUTUROS En lo que señales ADS-B concierne, podrían realizarse diversos estudios con dos o más equipos funcionando al mismo tiempo en distintos puntos de una localidad, y así encontrar diversos patrones en las rutas aéreas como también expandir el área de cobertura en la que se podrían encontrar los aviones. Otros usos de este dispositivo R820T2 [2], podrían ser el análisis de las señales de TV, análisis de señales de radio convencional (AM y FM), análisis de radios de onda corta y de particulares (taxis), entre muchas otras, usando software como GNU radio, Matlab o Labview, y por medio de software identificar las características de estas señales y mostrarlas a los estudiantes como parte de los cursos en el área de comunicaciones. Finalmente, otros proyectos a realizar son el diseño de las antenas adecuadas para trabajar a 1090 MHz, y el diseño de filtros que dejen pasar solo la frecuencia que se requiere al R820T2, los cuales los estudiantes pueden realizar los cálculos para diseñarlos a partir de la teoría vista, en los cursos dentro del área de Telecomunicaciones.

9 Referencias [1] I. M. A. V. Flores, «Identificación de tráfico aéreo por medio de an{alisis de señales ADS-B,» FIME, San nicolas de los garza NL, [2] C. Laufer, The guide to the RTL-SDR software Defined Radio, RTL-SDR.com, [3] «RDS, Radio Definido Por Software,» Ecured. (Junio de 2017)., junio [En línea]. Available: [Último acceso: enero 2018]. [4] RTL-SDR, «RTL-SDR.com,» [En línea]. Available: