RaspberryPi VDL2

VHF Data Link - Mode 2（VDL2あるいはVDL-M2　）は次世代のACARSと位置づけられるもので、従来のACARSに比べ10倍の伝送速度で、航空機と地上の間のデータ伝送する方式です。
ACARSを用いて、高層気象データを収集していると、ボーイング７８７など新形式の航空機からの情報が無いことに気がつきました。在来、詳細な気象情報を提供してくれていたボーイング777などが退役していくと、いずれどういうことになるか、心配していました。
所属する、電子情報通信学会の通信ソサイエティマガジン2017年秋号に、「航空機用無線通信システム」の記事があり、そのなかでVDL2の紹介がありました。最新の技術を使っており、とくに輻輳するヨーロッパでは、ACARSからVDL2に移行が進行しているようです。早速当研究所でもソフトウェアラジオによりVDL２の受信機を作成することにしました。

　ACARSは、航空機のさまざまな運用情報を伝送していますが、VDL２の目的はまったくおなじで次のように変調方式・プロトコルが異なります。

	VDL2 VHF Data Link - Mode 2	ACARS Aircraft Communications Addressing and Reporting System
用途	便名、出発・到着時刻、現在位置、高度、搭載燃料、航空機の状態などのほか最新の気象情報を通報	左に同じ
使用周波数	VHFエアバンド　136.975 MHzの周波数が、共通チャンネル	VHFエアバンド　131.250 MHz、131.450 MHzなど
チャンネル間隔	25 kHz	25 kHz
変調方式	8相PSK　31.5 kbit/s	音声帯域MSKモデム　2.4 kbit/s
プロトコル	ICAO(nternational Civil Aviation Organization )による標準化	かなり自由な形式

VDL2はACARSとおなじ、VHFエアバンドをもちいていますが、つぎのような新しい技術で構成されています。
１．　8相PSK変調方式により、従来方式の10倍以上の伝送速度
２．　136.975 MHzの周波数が、共通チャンネルで、ここが混雑しているときは、自動的に他のチャンネルに移行する
３．　WiFi等で使われている CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方式により、送信する前にチャンネルが空いているかを調べ、データの衝突を防止する
４．　伝送フレームフォーマットは、エラー訂正可能なHDLCとX25方式パケットを用いている。

現役時代に標準化にかかわった、HDLCとX25がここでも使われていることに、感動です。

VDL2の受信

　ソウトウェアラジオでVDL2の受信のため、このプロトコルをソフトで実現しなければなりません。自作するのは、なかなか手強いですが、ありがたいことに先駆者がdumpvdl2を開発、公開しておられます。簡単にインストールできますが国内ではまだ紹介例が少ないので、ここに概要を述べることとします。ACARSの場合と同様、RTL2832U＋R820TドングルとRaspberryPiを用います。ここではPi3モデルB、OSはjessieを前提にします。

　ADS-BあるいはACARSの場合と同様に、RaspberryPiでソフトウエアラジオを動かすために必要なソフトを準備します。

１．　必要なパッケージをインストール
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install git
$ sudo apt-get install cmake
$ sudo apt-get install libusb-1.0-0.dev
$ sudo apt-get install build-essential
$ sudo apt-get install pkg-config

２．　 rtl-sdrのソースの取得
つぎに最も重要なソウトウェアラジオ用パッケージであるrtl-sdrを本家からインストールします。
$ git clone git://git.osmocom.org/rtl-sdr.git

３．　rtl-sdrをビルド
$ cd rtl-sdr
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ..
$ make
$ sudo make install
$ sudo ldconfig
$ cd ..
$ sudo cp rtl-sdr.rules /etc/udev/rules.d/

４．　/etc/modprobe.d/ディレクトリにrtlsdr.confというファイルを下記の内容で作成
$ sudo nano /etc/modprobe.d/rtlsdr.conf

blacklist dvb_usb_rtl28xxu
blacklist rtl2830
blacklist rtl2832
blacklist dvb_usb_v2
blacklist dvb_core

一度念のためリブートしておきます。

５．　ドングルをRaspberryPiのUSBにさし、つぎの確認を行います。
$ lsusb

Bus 001 Device 004: ID 0bda:2838 Realtek Semiconductor Corp. RTL2838 DVB-T

$ rtl_test

Found 1 device(s):

  0:  Realtek, RTL2838UHIDIR, SN: 00000001


Using device 0: Generic RTL2832U OEM
Found Rafael Micro R820T tuner

            ・・・・

６．　つぎにVDL2のソフトウェアのインストールです。 Tomasz Lemiech 氏が開発した、dumpvdl2がこちらにあります。
ダウンロードは
$ git clone https://github.com/szpajder/dumpvdl2.git

７．　次にコンパイル
$ cd dumpvdl2
$ make

dumpvdl2ディレクトリのなかに、プログラムができています。これでインストール完了です。

８．　ためしにホームディレクトリから
$ dumpvdl2/dumpvdl2 --help
でコマンドの使い方が表示されます。

dumpVDL2 v1.1.0
Usage:

RTL-SDR receiver:
　　　　　dumpvdl2 [output_options] --rtlsdr <device_id> [rtlsdr_options] [<freq_1> [freq_2 [...]]]

I/Q input from file:
　　　　　dumpvdl2 [output_options] --iq-file <input_file> [file_options] [<freq_1> [freq_2 [...]]]

common options:
　　　　　<freq_1> [freq_2 [...]] 　　　　　　　　VDL2 channel frequences, in Hz (max 8 simultaneous channels supported).
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　If omitted, will use VDL2 Common Signalling Channel (136975000 Hz)

output_options:
　　　　　--output-file <output_file> 　　　　Output decoded frames to <output_file> (default: stdout)
　　　　　--hourly　　　　　　　　　　　　　　　　 Rotate output file hourly
　　　　　--daily　　　　　　　　　　　　　　　　　 Rotate output file daily
　　　　　--utc 　　　　　　　　　　　　　　　　　Use UTC timestamps in output and file names
　　　　　--raw-frames 　　　　　　　　　　　　Output AVLC payload as raw bytes
　　　　　--msg-filter <filter_spec> 　　　　　Message types to display (default: all) ("--msg-filter help" for details)
　　　　　--output-acars-pp <host:port> 　Send ACARS messages to Planeplotter over UDP/IP

rtlsdr_options:
　　　　　--rtlsdr <device_id> 　　　　　　　　　Use RTL device with specified ID or serial number (default: ID=0)
　　　　　--gain <gain> 　　　　　　　　　　　　　Set gain (decibels)
　　　　　--correction <correction> 　　　　　Set freq correction (ppm)
　　　　　--centerfreq <center_frequency> 　Set center frequency in Hz (default: auto)

file_options:
　　　　　--iq-file <input_file> 　　　　　　　　　Read I/Q samples from file
　　　　　--centerfreq <center_frequency> 　Center frequency of the input data, in Hz (default: 0)
　　　　　--oversample <oversample_rate> 　Oversampling rate for recorded data (default: 10)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(sampling rate will be set to 105000 * oversample_rate)
　　　　　--sample-format <sample_format> Input sample format. Supported formats:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　U8 8-bit unsigned (eg. recorded with rtl_sdr) (default)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　S16_LE 16-bit signed, little-endian (eg. recorded with miri_sdr)

ハードの構成

　全体の構成はACARSの場合と同様で、
アンテナ→RTL2832U＋R820Tドングル→RaspberryPi→ホストPC
です。
rtlsdrドングルとしてあらたにソフトウェアラジオ用として開発された、RTL-SDR.COM V3を購入しました。たいへん優秀で、ソフトによる補正は不要、筐体にふれてもほのかな温度です。

RTL-SDR.COM V3
1 PPM の温度補正発信器（TCXO）
SMA コネクタにより50Ωのアンテナが接続可能
アルミニウム筐体による空冷

アンテナはACARSのためのAL-120F-MRと共用するため、第一電波工業のSS500で、2つのrtlsdrドングルに分岐します。
RaspberryPi3は４つのUSBが制御できますので、下の図のように構成します。
RaspberryPiとホストPCとはWiFi接続です。

	軒下に設置した分配器とrtlsdrドングル。新しくRTL-SDR.COMを購入 SS500分配器とドングルはMP-SMAP変換コネクターで接続左のグレーの同軸は、アンテナケーブルシャシーのなかに、いままでのACARS用のrtlsdrドングルが入っている

dumpvdl2の起動

RaspberryPiにrtlsdrドングルをさし、アンテナをつなぎ、つぎのように起動します。
$ dumpvdl2/dumpvdl2 --rtlsdr 1 136975000 --gain 49.6 --output-file vdl2log/vdl2.log --msg-filter downlink,avlc_i,acars --output-acars-pp 192.168.xx.4:9742

起動メッセージはつぎのようです。

dumpVDL2 v1.1.0
Sampling rate set to 1050000 sps
Found 2 device(s):
0: Realtek, RTL2838UHIDIR, SN: 00000001
1: Realtek, RTL2838UHIDIR, SN: 00000001

Using device 0: Generic RTL2832U OEM
Found Rafael Micro R820T tuner
Exact sample rate is: 1050000.026077 Hz
[R82XX] PLL not locked!
Center frequency set to 136975000 Hz
Device #1: gain set to 49.60 dB
Device 1 started

パラメータを説明します。
--rtlsdr 1 136975000 　rtlsdrドングルの番号を指定　acarsdecとかち合わないように注意　共通チャンネル136.975MHzを指定（デフォルト）
--gain 49.6 　ゲインを49.6ｄB
--output-file vdl2log/vdl2.log　　RaspberryPiのホームディレクトリ下のvdl2logディレクトリのなかに、vdl2.logファイルを作ります。これを周期的に、ホスト側から読みに行き、気象データを抽出します。
--msg-filter downlink,avlc_i,acars　　様々なデータのなかから必要なもの（acarsのダウンリンクのみ）だけを出力するよう、フィルタを指定。これをしていしないと、不要のデータがたくさん出る。
--output-acars-pp 192.168.xx.4:9742 　ホストのPCで、PlanePlotterというソフトが動いていれば、それにデータを送り込み地図上に航空機の位置を表示することが出来ます。

このほかの指定方法は、こちら。またフィルタについてはこちらに詳しい。

同一のRaspberryPiで旧来のACARSを受信するためacarsdecも動かします。そのためにscreenをインストールしておきます。
$ sudo apt-get install screen
そして、screenごとに、acarsdec、dumpvdl2を起動することとします。

気象データの抽出

dumpvdl2から出力される気象データを含むメッセージは次のようです（新型の航空機を例示）。旧来のACARSのacarsdecが出力するメッセージとほぼおなじです。

例１　日本航空　JA348J　Boeing 737-846　羽田からの離陸直後

[2017-11-09 06:47:45 JST] [136.975] [-15.0/-38.9 dBFS] [23.9 dB]
851CCA (Aircraft, Airborne) -> F00648 (Ground station): Command
AVLC type: I sseq: 0 rseq: 1 poll: 0
ACARS:
Reg: .JA348J Flight: JL0501
Mode: 2 Label: H1 Blk id: 7 Ack: ! Msg no.: D02A
Message:
#DFBWDCAF9000D20A 6
08214018
100N35333E1394752140 16345 20
200N35334E1394752140 16339 21
300N35335E1394742140 16341 27
400N35335E1394742140 16342 26
500N35336E1394742140 16340 35
700N35336E13

高度100フィートから700フィートまで、位置と気象データを1つのメッセージで送っている。たとえば
高度：　100フィート
現在位置：　北緯35度33.3分　東経139度47.5分
外気温：　16℃
風向：　345°
風速：　20ノット
なぜ700フィートの気象データが欠落しているのか不明。

例２　全日空 JA818A　Boeing 787-8 Dreamliner

[2017-11-09 06:50:07 JST] [136.975] [-11.1/-39.2 dBFS] [28.1 dB]
86D2EE (Aircraft, Airborne) -> F00648 (Ground station): Command
AVLC type: I sseq: 7 rseq: 4 poll: 0
ACARS:
Reg: .JA818A Flight: NH0985
Mode: 2 Label: H1 Blk id: 5 Ack: ! Msg no.: D13A
Message:
#DFBPO8JA818A985 RJTTRJOO081117215001
1513 7 210ACMF1017
WN35034E13845121500327978-33270117 21900

従来のACARSに現れなかった、787-8 Dreamlinerからのメッセージ例。
WN35034E13845121500327978-33270117 21900
から
現在位置：　北緯35度03.4分　東経138度45.1分
高度：　27978フィート
外気温：　-33℃
風向：　270°
風速：　117ノット

　気象データの抽出手順は、次の通りです。10分に1回、全自動で行います。

（１）　RaspberryPiではacarsdecとdumpvdl2が動いており、acarsdec.logとvdl2.logの2本のログファイルが出来ています。周期的にPCからそれらを読み出します。

（２）　ホストPC上で、それぞれのファイルから、時刻、現在位置（緯度latitude, 経度longitude）、高度（altitude）、外気温（temperature）、風速（windspeed）、風向（winddirection）をとりだし、必要な単位変換を行います。acarsdec_weatherdata.csv とvdl2_weatherdata.cavの２つのCSVファイルが得られます。

（３）　２つのCSVファイルを1本に併合（マージ）します。

（４）　そして、GNUPLOTによるグラフ描画し、FTPによりホームページに掲載します。

いくつかのコメント

比較的簡単に最新の航空機からのACARSを受信することができ、高層の気象情報を得る強い味方が増えました。
すでにかなりの数の航空機がVDL2を利用し、移行が進んでいるようです。従来のACARSのメッセージ量を１とすると、これに加えVDL2により０．５～０．８、すなわち2倍近くの気象情報が得られます。航空機の世代交代によりこれがさらに進むと考えられます。

注意点としては
１．1台のRaspberryPiに2個のドングルを使用する場合、上に述べた/etc/modprobe.d/rtlsdr.conf がないと動きませんでした。また、rtlsdrドングルの番号はどちらが０番、１番になったか、dumpvdl2から見えません。１台ずつUSBに接続し、ソフトを追加起動するようにします。

２．2個のドングルで消費電力も増えるので、電源は２．５A のアダプタでないと不安定でした。

３．旧来のACARS受信のため、同居するacarsdecは、最新のVer３．４にする必要がありました。そのためこちらのACARSのページを更新してあります。

４．VDL2の周波数は136.975MHzのみを指定していますが、ヨーロッパの混雑エリアでは136.725, 136.775, 136.875MHzも使われているようです。日本では未確認です。dumpvdl2は８周波数までデコードできるそうです。

５．旧来のACARSに比べ、高度化しているため伝送距離が短いかと思っていましたが、ほぼ同じで、北は福島、西は静岡まで受信できてます。（気象情報の場合は、遠隔地のデータはむしろノイズですから、フィルタしていますが）

６．電波法59条「傍受してその存在若しくは内容を漏らし、又はこれを窃用してはならない」という、秘密の保護規定にふれる可能性があることには変りありません。