Caracterización de dispositivos RTL-SDR para medida de señales aeronáuticas

Abstract

El sistema de comunicaciones aeronáuticas ACARS está muy extendido en la navegación aérea actual, estando equipado en más de 10.000 aviones [1]. En sus inicios se utilizaba para automatizar ciertas comunicaciones de los pilotos con su compañía aérea. Con el tiempo se han incorporando nuevas aplicaciones, desde manejar información de mantenimiento hasta mantener conversaciones con el control de tráfico aéreo. El objetivo de este proyecto es la realización de una aplicación capaz de detectar la transmisión de mensajes del sistema de comunicaciones aeronáuticas ACARS. Para ello, se ha utilizado un dispositivo receptor de radiofrecuencias programable mediante software para grabar señales sobre las que probar el detector. Es un RTL-SDR, y en este trabajo se analiza su funcionamiento, hardware y software. También se exploran las posibilidades que ofrecen este tipo de dispositivos y varios programas que permiten su uso. El dispositivo se conecta al ordenador a través de un cable USB y, para controlarlo, se han utilizado MATLAB y Python. Dado que se quieren detectar transmisiones ACARS, en el documento se analiza este sistema de comunicaciones. Empezando por qué información se comunica, se explica la estructura de los mensajes transmitidos. Se continua examinando las redes actuales del sistema. Y por último, se trata la modulación utilizada. Siendo Python un lenguaje de programación muy popular, a lo largo del trabajo se explican sus peculiaridades. Se analizan los intérpretes y librerías que facilitan su uso y aportan nuevas funciones. Además, se presentan varios códigos realizados por el autor del trabajo que simplifican el control del RTL-SDR. La parte central del proyecto trata sobre la aplicación para detectar la presencia de mensajes del sistema ACARS. Se explican los distintos filtros y elementos que se han utilizado en el procesamiento de la señal capturada. Tras filtrarla se utiliza un generador de señales que se sincroniza con la portadora de los mensajes ACARS. Después se aplica un filtrado que permite detectar fácilmente cuándo se ha transmitido un mensaje a través del sistema ACARS. Se hace el modelo de la aplicación mediante MATLAB y se prueba sobre unas capturas reales en las que hay presencia de mensajes ACARS. Además, se implementa el detector en Python y se comprueba si funciona igual que en MATLAB. Por último, se analiza el rendimiento de la aplicación en los dos programas. Finalmente se exponen las conclusiones y se presentan posibles líneas de trabajo futuras.

The ACARS aeronautical communications system is widespread in today’s air navigation, being equipped on more than 10,000 different aircrafts [1]. At first it was used to automate communications between pilots and their airlines. Over time, new apllications have been incorporated, from handling maintenance information to holding conversations with air traffic control. The objective of this project is to create an application capable of detecting the transmission of messages from the ACARS aeronautical communications system. For this, a software programmable radio frequency receiver device has been used to record signals on which to test the detector. It is an RTL-SDR, and its hardware and software are analyzed in this work. The possibilities offered by these types of devices and various programs that allow their use are also explored. The device connects to the computer through a USB cable and MATLAB and Python have been used to control it. Since ACARS transmissions are to be detected, this communication system is analyzed in the document. Beginning with what information is communicated, the structure of the transmitted messages is explained. Then, the current networks of the system are examined. And finally, the modulation used is described. As Python is a very popular programming language, its peculiarities are explained throughout the work. Interpreters and libraries that facilitate its use and provide new functions are analyzed. In addition, several codes made by the author of this work, which simplify the control of the RTL-SDR, are introduced. The central part of the project deals with the application to detect the presence of messages from the ACARS system. The different filters and elements that have been used in the processing of the captured signal are explained. After filtering it, a signal generator that synchronizes with the carrier of the ACARS messages is used. Filtering is then applied to easily detect when a message has been transmitted through the ACARS system. The application is modeled using MATLAB and tested on real captures in which there are ACARS messages. Also, the detector is implemented in Python and it is checked if it works the same as in MATLAB. Lastly, the performance of the application in the two programs is analyzed. Finally, the conclusions and possible future lines of work are presented.