RTL-SDR: Учебник по дешёвому AIS отслеживанию судов

Большие суда и пассажирские корабли обязаны передавать идентификационный сигнал, содержащий положение, курс, скорость, назначения и размеры судна, чтобы помочь предотвратить столкновения на море. Эта система известна как «Automatic Identification System» или AIS. Существуют специализированные AIS-приемники, предназначенные для использования на судах или любителями, но они могут быть дорогими. Радиоприёмник-сканер, или дешевый RTL-SDR software defined radio (или более продвинутый SDR, такой как Airspy) можно использовать для приёма этих сигналов, и с помощью программ декодирования позиции судов можно наносить на карту.

Этот учебник покажет, как настроить AIS-приёмник с RTL-SDR. Большая часть материала этого руководства применима и к другим программно-определяемым радиоприёмникам, например, Funcube dongle, Airspy и HackRF, или даже обычным аппаратным сканерам, если используется дискриминаторная точка, но RTL-SDR является самым дешевым вариантом.

Предупреждение о безопасности: Это, вероятно, не следует использовать в качестве навигационного средства на судне, поскольку надёжность полей RTL-SDR или других SDR не доказана. Это руководство предназначено для радиолюбителей-сканеров на суше.

Примечание: отслеживание кораблей с AIS очень похоже на отслеживание самолётов с ADS-B, что является другим проектом, который может заинтересовать вас.

Примеры AIS, принятых с RTL-SDR

Пример AIS‑радиолокационного сигнала показан пользователем YouTube Винисиусом Ленси, который использует RTL-SDR, SDRSharp и ShipPlotter. Это видео также демонстрирует, как звучит сильный AIS‑сигнал.

Другой пример AIS‑сигнала, отображаемого на Google Maps с использованием RTL-SDR, SDRSharp и ShipPlotter, показан пользователем YouTube Superphish.

Требования и настройка

Чтобы настроить AIS‑радар на системе Windows, вам понадобится четыре вещи.

У RTL-SDR dongle, работающего с SDRSharp. (Или другие более продвинутые SDR, такие как Airspy)
Метод передачи аудио.
Вертикально поляризованная антенна, настроенная на 162 МГц.
Программное обеспечение для декодирования сигнала AIS.

Будем считать, что RTL-SDR dongle уже установлен и работает. Если у вас ещё нет dongle, смотрите страницу Купить RTL-SDR для информации, и ознакомьтесь с Кратким руководством для лёгкой настройки с SDRSharp. Вам также понадобится установить и настроить метод передачи аудио. Передача аудио позволит аудио из SDRSharp передаваться в декодер. Вы можете использовать либо стереомикшер Windows 7, VB-cable (бесплатно) или виртуальный аудиокабель (платно с пробной версией).

AIS Антенны

Сигналы AIS транслируются на частотах 161.975 МГц и 162.025 МГц и имеют максимальный диапазон примерно 75 километров. Так что если ваша радиостанция находится дальше 75 км от любых судов, вы, скорее всего, не сможете принимать AIS‑сигналы. AIS также считается сигналом линейного обзора, то есть если на пути к антенне и судам стоят крупные здания или горы, AIS‑сигналы могут быть заблокированы. По этой причине важно устанавливать антенну как можно выше.

Существуют антенны, предназначенные для морского применения, которые работают. Однако иногда самодельные антенны работают ещё лучше и, конечно, дешевле. Ниже приведены некоторые самодельные AIS‑антенны.

Квадрат волны заземляющая плоскость / диполь

Антенны типа ¼-волновой заземляющей плоскости и диполь — это стандартные базовые антенны, полезные для большинства наземных сигналов.

Простая антенна типа ¼-волновой заземляющей плоскости будет достаточной, особенно если её поднять выше и снаружи. Антенна состоит из одного вертикального элемента длиной ¼ волны, подключенного к центру коаксиального кабеля, и четырех или более заземляющих элементов, направленных к Земле под углом 45 градусов и соединённых с экраном коаксиала. Хороший способ вычислить точные длины элементов для 162 МГц — воспользоваться калькулятором, доступным здесь.

Похоже на дипольную антенну, которая просто состоит из двух элементов ¼ волны, направленных друг к другу, с коаксиальным кабелем, подключенным в центре. Один элемент подключён к центральному контакту, другой — к экрану коаксиала.

Коаксиальная коллинеарная антенна

Хорошей антенной для AIS является коаксиальная коллинеарная антенна. Коллинеарная антенна обеспечивает очень высокий всенаправленный коэффициент усиления, направленный к горизонту. Это означает, что она будет принимать сигналы лучше всего от источников, находящихся на горизонте, где находятся суда.

Коллинеарная коаксиальная антенна по сути представляет собой длину нескольких коротких коаксиальных кабелей, где внешний экран коаксиала подключается к внутреннему проводу попеременно. Так как она почти полностью состоит из коаксиального кабеля, её очень просто собрать.

На этой странице есть отличные инструкции по изготовлению нескольких версий AIS‑антенн коллинеарного типа с высоким коэффициентом усиления.

Yagi-Uda (Yagi)

Если большинство судов в вашем регионе направлены в одну сторону, выбор высокой усилительной Yagi может быть хорошим. Yagi — это очень направленная антенна, что означает, что она будет принимать сигналы только в направлении, в котором она нацелена. Преимущество в направленности состоит в том, что мы можем получить очень большой коэффициент усиления сигнала, что позволяет принимать дальнейшие и слабые сигналы.

Изготовление Yagi, безусловно, сложнее, чем сборка коаксиальной коллинеарной антенны, но она намного компактнее и может иметь аналогичный усиление по сравнению с коаксиальной. Одна страница о самодельной AIS‑Yagi найдена здесь, а другая здесь.

Коммерческая AIS‑Yagi может быть куплена здесь, а обзор этой антенны можно найти здесь.

Slim-Jim

Слим‑джим — ещё одна антенна с высоким коэффициентом усиления, которая, как сообщают, хорошо работает с AIS. Слим‑джим‑антенна легко собирается на бюджетном уровне, используя обычный кабель 300 Ом двойной жилы. Страница, показывающая Slim‑Jim с двойной жилой, находится здесь, но эта версия рассчитана на 145 МГц. Чтобы вычислить правильные размеры для AIS, можно использовать этот калькулятор, введя 162 МГц в поле частоты. Изображение, показывающее slim‑jim с размерными параметрами AIS, здесь.

Программные руководства

Сначала используйте SDR# для настройки на AIS‑сигнал и подтверждения приема. Откройте SDRSharp, задайте метод передачи аудио в выпадающем списке Audio output и настройте AIS‑частоту (161.975 МГц или 162.025 МГц). В SDR# сигналы могут не отображаться точно на частотах AIS, потому что RTL-SDR не точен по частоте (если только у вас RTL-SDR с TCXO). Просто настраивайте вручную, пока сигналы не будут правильно выровнены, или правильно настройте смещение PPM.

Поиграйте с усилением RF в кнопке настройки SDR# до хорошего приема AIS‑сигналов. Нужно настроить усиление RF так, чтобы сигнал был сильным, но уровень шума ниже. Запомните оптимальное значение усиления для последующего использования.

Установите режим приема на NFM, полосу пропускания 12,5 кГц, Фильтр аудио — ВЫКЛ, подавление шума — ВЫКЛ. Убедитесь, что фильтр аудио действительно OFF, иначе будут проблемы с декодированием.

Сигналы AIS выглядят как небольшие горизонтальные линии на «водопаде», как показано на изображении ниже. Если вы слушаете AIS через динамики, они будут звучать как короткие всплески шума. Ниже приведён пример аудиодоказательства активного AIS‑сигнала. (Внимание: может звучать громко.)

Две частоты AIS передают одну и ту же информацию (но в разное время) и используются в коммерческих приёмниках AIS для резервирования и предотвращения столкновений при передаче. Некоторые декодеры AIS, написанные для RTL-SDR, например AISdeco2, могут мониторить оба канала одновременно, но большинство других — нет.

Как только настройка AIS‑приёма завершена, можно использовать программу для декодирования. Мы рекомендуем три декодера. Самый рекомендуемый — бесплатный AISdeco2. Он основан на командной строке, но может напрямую подключаться к RTL-SDR и может одновременно мониторить оба канала AIS. AISMon — ещё одна бесплатная альтернатива, но она немного менее удобна в использовании, хотя имеет GUI, так как нужно передавать аудио из программы вроде SDR#. Оба AISdeco2 и AISMon требуют использования третей программы, такой как OpenCPN, чтобы визуализировать данные судов на карте. ShipPlotter — ещё одна опция, которая включает декодер и отображение, но это коммерческое ПО с 21‑дневной пробной версией.

AISDeco2

В настоящее время мы рекомендуем программное обеспечение AISdeco2, доступное для Windows, Linux и Raspberry Pi. Оно доступно для скачивания на xdeco.org. AISdeco2 напрямую подключается к RTL-SDR (без передачи аудио) и может слушать оба канала AIS одновременно. Чтобы использовать AISdeco2 на Windows, следуйте этим инструкциям.

Сначала убедитесь, что вы точно определили смещение PPM вашего dongle, используя SDR# или другую программу (если вы не используете TCXO‑dongle). Также используйте SDR# для определения оптимального значения усиления для максимального SNR. Как только смещение PPM и оптимальное усиление зафиксированы, закройте SDR#.

Скачайте правильную версию AISdeco2 для вашей ОС с xdeco.org и распакуйте ZIP‑файл в папку на вашем ПК.

В распакованной папке откройте aisdeco2.bat в Блокноте.

В этом файле укажите значение после флага –freq-correction для вашего PPMoffset RTL-SDR‑донгла. Также установите значение –gain на оптимальное усиление, которое вы нашли при приёме AIS‑сигналов в SDR# или аналогичном ПО. Сохраните изменения и закройте Notepad.

Теперь дважды щёлкните aisdeco2.bat, чтобы запустить программное обеспечение командной строки. Раскодирование начнётся автоматически.

Чтобы отобразить данные на карте, прокрутите вниз до раздела «Display AISDeco2 or AISMon data on a map», где будет объяснено, как отображать данные на OpenCPN.

AISMon Tutorial

AISMon — бесплатная AIS‑декодирующая программа, которая может использоваться для декодирования одного канала AIS. Это альтернативa использованию AISdeco2, которая является рекомендуемым ПО. AISMon можно скачать в разделе файлов группы AISMon на groups.io. Возможно, вам придётся сначала присоединиться к этой группе, чтобы получить доступ к файлам. Группа Yahoo также содержит образец AIS .wav файла, который, при использовании с stereo mix, можно использовать для тестирования AISMon и ShipPlotter. AISMon не подключается напрямую к RTL-SDR и поэтому требует передачи аудио из вашего радиоприёмника ПО вроде SDR#.

Open AISMon, set the audio piping device to the one you have chosen, and set the sampling rate to 48000. Press start monitoring.

Настройте AIS‑сигнал и настройте громкость в SDRSharp или в настройках громкости Windows, пока уровень в AISMon не достигнет примерно середины. Если всё работает, вы должны увидеть числа в разделе Demodulator Counts AISMon.

Чтобы вывести данные в программу отображения (описано ниже), поставьте галочку UDP Output и введите 127.0.0.1:10110 в поле IP:Port. (Если мониторинг всё ещё идёт, сначала остановите его).

Отображение данных AISDeco2 или AISMon на карте

Сам AISDeco2 и AISMon сами по себе не отображают информацию о суднах на карте. Чтобы увидеть данные судов, вам понадобится другое бесплатное ПО с открытым исходным кодом под названием OpenCPN, которое представляет собой программу для построения диаграмм и навигации. OpenCPN может считывать информацию формата «NMEA», выводимую AISdeco2/AISMon, и отображать позиции судов на карте.

Скачайте и установите OpenCPN отсюда.

Нажмите кнопку Options (выглядит как гаечный ключ) в OpenCPN и перейдите на вкладку Connections.

В Data Connections нажмите Add Connection, добавьте сетевое UDP‑соединение с адресом 127.0.0.1, и порт 4159 будет использовать AISDeco2 или 10110 — если вы используете AISMon. Нажмите Apply и OK.

Если всё настроено правильно, суда появятся на карте OpenCPN.

Если вам нужны более точные карты или чарты, вам нужно следовать инструкциям на сайте OpenCPN по загрузке карт.

Ещё один возможный метод отображения AISMon‑данных — передать ваши UDP‑данные на сайт marinetraffic.com и просматривать суда на их общей карте. Вы можете сделать это, просто используя IP‑адрес marinetraffic.com для отправки UDP‑трафика. Инструкции здесь. Обратите внимание: не отправляйте задержанные AIS‑данные на marinetraffic.com, например, образец AIS‑файла из группы AISMon в Yahoo.

ShipPlotter Tutorial

ShipPlotter — ещё одна альтернатива AISdeco2 и AISMon. Это программный инструмент, который может декодировать и также отображать данные местоположения, хранящиеся в AIS‑сигналах. ShipPlotter — коммерческое ПО и стоит 25 евро для личного использования, но имеет 21‑дневную пробную версию. ShipPlotter не подключается напрямую к RTL-SDR и поэтому требует передачи аудио из вашего радиоприёмника ПО вроде SDR#. Инструкции по использованию ShipPlotter приведены ниже.

Скачайте и установите ShipPlotter с их сайта здесь.

Откройте ShipPlotter. Перейдите в Options -> Audio -> SoundCard и выберите ваш метод передачи аудио.

В Options -> I/O Settings убедитесь, что включена обработка аудио входа.

Убедитесь, что параметры демодулятора в Options -> Demodulator установлены по умолчанию, а оба параметра «Require Preamble» и «Require HDLC FCS correct» включены.

Настройте AIS‑сигнал и нажмите зелёную кнопку «Start», затем кликните по значку «Raw», который выглядит как горизонтальная линия с волной, проходящей через неё. Это покажет форму сигнала входного аудио. Убедитесь, что уровни аудио достаточны и не клиппят, подстроив уровень громкости в SDRSharp или в настройках громкости Windows, чтобы пиковые значения были примерно посередине графика.

Теперь вы сможете нажимать на значки «Ships» и «Messages», чтобы увидеть расшифрованную AIS‑информацию. Чтобы увидеть суда визуально, необходимо следовать инструкциям ShipPlotter по загрузке карт.

Более простой способ, чем загрузка карт, — отображать суда в Google Earth. Чтобы ShipPlotter работал с Google Earth, сначала включите сервер Google Earth в Options->I/O Settings. Порт HTTP можно оставить по умолчанию.

Затем перейдите в папку, в которую был установлен ShipPlotter (скорее всего, в ‘Program Files (x86)/COAA/ShipPlotter’), и откройте файл google_ships.kml в Google Earth, чтобы увидеть суда. Обратите внимание: необходимо сначала открыть ShipPlotter и начать расшифровку AIS‑сигналов кнопкой «Start», прежде чем открывать google_ships.kml; иначе суда не отобразятся.

Linux‑Программное обеспечение

AISdeco2 в настоящее время является рекомендуемым программным обеспечением для использования в Linux, и руководство аналогично приведённому выше для Windows.

Некоторые советы

Возможно, придётся поиграть с настройкой ширины канала, если используете SDR# для передачи AIS‑аудио и сигналы слабые, чтобы получить корректное декодирование. Просто убедитесь, что ширина канала охватывает ширину сигнала.
Усилитель с низким уровнем шума (LNA), например этот может помочь лучше принимать слабые AIS‑сигналы.
Убедитесь, что используете хорошую антенну, настроенную на частоту AIS около 162 МГц для оптимального приема.
Высота антенны важна: чем выше и чем менее преграждена линия видимости, тем лучше.
Сигналы AIS легко могут блокироваться зданиями и объектами, такими как деревья.
Вы можете проверить декодирование AIS без антенны, используя пример AIS .wav файла в разделе файлов AISMon группы Yahoo. Просто используйте стерео‑микс в качестве метода передачи аудио и воспроизведите аудио в любом аудиоплеере на вашем компьютере.

Если вам понравилось это руководство, возможно, вам понравится наша книга, доступная на Amazon. Доступна в форматах электронной книги и печатной версии.

Источник: