АРП Платан: радиопеленгатор с FreeBSD

Просматривая записи в архиве интернета, который кстати почему-то заблокирован, нашел старые снимки своего сайта (смотреть через прокси — напрямую ссылка работать не будет). Мои старые записи касаются разработки АРП «Платан», которая была начата в конце 90-х. Было интересно сравнить то что задумано и что появилось в результате, после чего я решил написать этот пост. Свои неоконченные записи я даю здесь без изменений, как они были сделаны в 2000 — 2006гг, под названием «Разработка драйвера реального времени FreeBSD для радиопеленгатора Платан». Под ссылкой достаточно подробные тексты про железо, которое предполагалось использовать, и исходный текст драйвера, с которого начался весь радиопеленгатор.

Копировать и использовать текст драйвера, а также приведенный здесь софт без разрешения автора, то есть меня, не допускается  😎

Запуск проекта: прелюдия

В бурные 90-е я покинул свою контору, которая окончательно перестала платить зарплату сотрудникам, и переехал в Москву. Позади была моя радиопеленгационная история, которая началась аж с 1983 года: запуск в серийное производство двухканального аналогового АРП-80 «Тополь-К», участие в разработке и испытаниях ряда цифровых унифицированных радиопеленгаторов АРП-85 «Пихта», дальше уже свои собственные разработки в ипостаси главного конструктора: судовой радиопеленгатор «Пихта-2С» и встраиваемый в мобильный радиолокационный комплекс «Комар-2» радиопеленгатор. С судовым РП была забавная история: для того чтобы продвинуть свою разработку, пришлось буквально «захватить» судно на котором шли испытания старого изделия. РП «Комар-2» был предназначен для Tesla Pardubice, Чехия, которая делала радиолокатор для наших ВВС, и это тоже была длинная интересная история, которую я как-нибудь напишу.

Поскольку в новом царстве-государстве ex-USSR инженерная подготовка никому не была нужна, я прошел полную профессиональную перезагрузку и начал работать в области телекоммуникаций и разработки ПО для этого рынка. За это время в конторе сменилось руководство, она как-то оправилась, появились деньги. Но не было самого главного — продукта, который надо было выдвинуть на рынок. Контору уже начинали душить приподнявшиеся конкуренты: челябинск выкатил новый радиопеленгатор АРП-90; сделан он был страшненько, на базе стандарной PC, но в аэродромной эксплуатации и того не было.

Чтобы было ясно, какова цена вопроса, забегая вперед, скажу: к настоящему времени в российские аэропорты поставлено более 150 РП «Платан», который был разработан в этом проекте. А это ни много ни мало 8 — 10 млн. рублей за одну позицию.

Новое руководство отыскало меня в Москве в 2000 году, когда я работал в компании «ИнкомА«. Тогда она располагалась на пятачке на Ленинградском проспекте, по иронии судьбы связанным с авиацией: бывший аэровокзал, Госкорпорация. Компенсация в Инкоме была отличная: пресловутая «штука» в месяц. Это не нынешние легковесные 1000 долларов — в те времена, «штука» в месяц означала покупку московской квартиры в перспективе полутора — двух лет. Отмечаю эти подробности для того, чтобы упомянуть Инкому добрым словом: несколько месяцев спустя после ухода из нее, когда я уже работал над новым пеленгатором, мне позвонили с Инкомы. Звонок озадачил: с работы я уволился, дела сдал, человека на свое место подготовил. Что же вы думаете? Меня приглашают подъехать и забрать бонус по результатам прошедшего года.

Честно говоря, я был обескуражен. Выплатить существенную сумму своему бывшему сотруднику когда он ни о чем не просит и не требует — для этого нужна сила высшего порядка )

Я иногда рассказываю эту историю как пример того, что не все так плохо в бизнесе по отношению к персоналу. Есть и приличные фирмы. ИнкомА, шлю тебе респект, вспоминая далекий 2000 год!

Риски проекта

На проект я согласился не сразу. Хотя предложенные условия и оплата были вменяемыми, мне надо было оценить вероятность его успешного завершения. Сроки поджимали, права на ошибку не было. Самая главная проблема была это технологический разрыв, который произошел за это время в конторе. Последние разработанные РП работали на отечественной PDP-подобной платформе 588/1806 — когда еще получалось резать импортные кристаллы и их копировать. Операционной системы не было, разработка велась на ассемблере. Несмотря на то, что возможности предыдущих технологий были ограниченными (попробуйте сейчас написать что нибудь для 64К оперативной памяти?), тем не менее это были системы жесткого реального времени. Предстояло решить вопрос с аппаратной платформой и операционной системой.

Для того чтобы снять риски я взял маленький таймаут для того, чтобы поиграться с ОС. Windows Embedded отпала сразу, по понятным причинам. Был серьезный кандидат на разработку — QNX. Изучив возможности этой системы, в частности возможности по realtime, я понял что накладные расходы будут слишком велики. Сюда входят компетенция программистов и возможности по обновлению системы. Кроме этого, меня не интересовал программисткий реалтайм: в отличие от программистов, инженеры работают в двух доменах — аппаратном и программном, и всегда можно сделать жизнь программы проще, задействуя возможности в аппаратном домене. Много времени спустя, к командировке у коллег, которые решили подсесть на QNX, поинтересовался как идут дела. Поделились печалью: купили диск емкостью в два раза больше, пытаемся подсоединить. Драйвер в QNX старый, система обновляется медленно… Портировать бы весь софт на Linux, но затраты по времени кусаются: год — полтора. Такова цена своевременно сделанных решений или отсутствия оных.

С таким подходом, мне подошла бы unix- подобная ОС. Linux тогда не был так хорошо распространен как сейчас, и выбор пал на FreeBSD. Был еще один аргумент, который в то время никто особо не принимал во внимание, но который сейчас очень дорого стоит: это тип лицензии. Во FreeBSD очень либеральная лицензия, она не обязывает раскрывать код проприетарной разработки. В Linux работает GPL, и грамотные юристы рано или поздно заставят вас вытащить все исходные тексты изделия на свет божий. А это уже — потеря продукта и технологий.

Чтобы подстраховаться, я написал разработчикам FreeBSD и рассказал про свой проект и спросил каковы риски раскрытия кода. Ответ был: делай что хочешь, хоть закрывай, хоть открывай, условий лицензии BSD это не нарушает )

Что и говорить, с драйвером пришлось повозиться. Загружаемые модули тогда были не в моде; драйвер жестко компилился в ядро, и не счесть многочисленных часов, потраченных на перезагрузки после очередного kernel panic. Одновременно пришлось хорошо продрать ядро, вплоть до функций инициализации контроллера прерываний. Но в результате фря не подвела. Первый опытный образец АРП «Платан», который был поставлен в Пулково в 2001г., как работал так и работает до сих пор. Не знаю, какой там сейчас uptime, но сообщений и претензий по сбоям не было. Так что будете пролетать над Питером и заприметите внизу, рядом с ВПП радиопеленгатор с характерной кольцевой решеткой — знайте, что там крутится FreeBSD 4.3.

С аппаратной платформой все было проще. Появились одноплатные встраиваемые компьютеры (Single Board Computers — SBC) на основе малопотребляющего процессора Geode с тактовой частотой порядка 200 МГц. По той же ссылке есть обзор аппаратных платформ, который я делал для того чтобы определить какую платформу использовать в пеленгационном проекте. SBC который был применен в изделии обладал всеми характерными признаками встраиваемых систем: отсутствие движущихся частей, таких как вентилятор охлаждения и жесткий диск, присутствие flash памяти на борту: микросхемы Disk-On-Chip емкостью целых 256 МБ (непозволительная роскошь, не правда ли?), шина совместимая с периферией, сторожевой таймер, который обнаруживает потенциальное «зависание» SBC и перезагружает его.

Все было замечательно, осталось решить последний принципиальный вопрос: где будет граница между программной и аппаратной частью в тракте обработки сигнала и как следствие каким будет драйвер этой аппаратной части. Очевидно, что это должно быть результатом компромисса: чем проще железо тем жестче требования к realtime драйвера, и наоборот: ставя FreeBSD в комфортные условия, мы увеличиваем объем предварительной обработки которая связана с аппаратными затратами.

Тракт обработки АРП «Платан»: программно-аппаратная реализация

В отечественной фазовой радиопеленгации с использованием квазидоплеровского эффекта сложилась следующая схема построения антенно-приемного тракта. Она идет от «бедности», а точнее от того, что для того чтобы принять сигнал как с коммутируемого кольцевого, так и с центрального вибратора одновременно — нужно два одновременных работающих радиоприемника. Поскольку в то время разработка такого приемника — это отдельная сложная ОКР, использовались покупные. Покупные приемники были как правило бортовыми: это приемники «Полет» в АРП-80 «Тополь-К», Р-872 в гражданском варианте АРП-85 «Пихта» и радиостанция Р-863 в военном варианте АРП-85, наконец «Юрок» который и использовался в Платане. Раз бортовые — значит дорогие. Поэтому, для снижения объема аппаратуры и стоимости зачинателями отечественной радиопеленгации был придуман способ, как запихнуть оба сигнала в один приемный тракт.

Суть этого трюка заключается в следующем. В антенной системе сигнал кольцевого вибратора сносится по спектру на частоту скажем 5550 Гц с помощью однополосного модулятора. После этого он суммируется с сигналом кольцевого вибратора и дальше идет на вход приемника. В приемном тракте возникают биения частоты модуляции 5550 Гц, которые выделяются амплитудным детектором. В детектированном сигнале сохраняются все фазовые соотношения между кольцевыми и центральным вибратором, что является принципиальным для фазовой угломерной системы.

Как видно, частота несущей не так велика: сейчас никого не удивишь на скорости обработки 500 млн. выборок в секунду. Однако использование подобного рода компонентов в то время было избыточным. Оказалось достаточным определить амплитудно — фазовые соотношения детектированного сигнала для каждого вибратора, и темп поступления данных с частотой коммутации вибраторов оказался подъемным для разрабатываемого драйвера.

Так и сложился тракт обработки: антенна с коммутатором и однополосным модулятором, стандартный приемник, плата демодулятора и SBC на котором крутится FreeBSD и драйвер. Временная диаграмма показала, что в среднем каждую половину электронного оборота антенны система проводит в драйвере, и только вторая половина отдается в userspace. Однако этого оказалось достаточным для работы приложений.

Тестирование системы с драйвером привело к отказу от первоначальной идеи запуска потока частотного канала в момент появления сигнала: выяснилось, что накладные расходы на создание процесса настолько велики, что драйверу в этот момент не хватает времени на обработку сигнала. Поэтому была принята схема загрузки приложений каналов в момент старта системы по количеству частотных каналов.

Люди и технологии

Если с концептуальными подходами к архитектуре нового радиопеленгатора стало более-менее понятно, следующей проблемой были люди. На период проекта, чтобы средние и не очень начальники не сильно мешали разработке, меня сделали главным конструктором предприятия и дали отдельный кабинет. Это было забавно, но так и есть: для многих отношения в первую очередь определяются твоим кабинетом и должностью, а не тем что ты знаешь и умеешь )

В конторе появилось нормальное измерительное оборудование, новая молодежь, даже стали платить командировочные за выезд на полигон и вовремя предоставлять транспорт: это вообще меня удивило, вспоминая как в стародавние времена можно было часами ждать на жаре на оградой предприятия, когда водитель соизволит подать свой ПАЗик. Но не было главного: носителей опыта, знаний; специалистов в предметной области, или инженеров старой школы. Не осталось ни одного человека, которые хорошо ориентировались в предметной области радиопеленгации: продвинутые спецы в 90-х разъехались кто по другим городам и странам, а те кто остались, стали начальниками. Поэтому я главным образом работал с молодой порослью. Первым делом надо было привить то, что я называю unix- культурой, которая напрочь отсутствовала. Это подход и стиль мышления основанный на восприятии компьютера как лаборатории с многочисленным инструментарием разработчика, а не как машины конечного пользователя. И само собой, использование FreeBSD как среды разработки. Молодежь с удовольствием открыла для себя новую поляну, в которой вся FreeBSD со своими исходными текстами как на ладони: готовый конструктор, настольный toolbox инженера.

Следующее нововведение в конторе было сделать сложнее, поскольку оно затрагивало ее организационную структуру. В НИИ и КБ советских времен сложилась устойчивая ассоциация отдела/сектора разработки с блоком. Смотришь на опытный образец и сразу видишь что блоки разрабатывали разные подразделения: светодиоды разные, кнопки тоже, гравировка отличается. Блоки были напичканы железом под завязку: так, в АРП-85 «Пихта» блоки были выполнены в УБНК, блок обработки содержал 7 плат, аппаратура передачи информации по 10 км линии на КДП, фактически — модем, состояла из двух блоков, один из которых состоял из 15 плат, генератор опорных и управляющих напряжений — тоже блок, в котором было около 10 плат. И соответственно секторы, отделы, комнаты: отдел электропитания, отдел передачи данных и еще много-много отделов.

Эта рамка — что изделие делают отделы, которые делают блоки — прочно сидела в мозгах и выносить ее пришлось силовым способом, ломая оргструктуру конторы. Новый радиопеленгатор разрабатывался в соответствии с COTS подходом, и не было никакого смысла заниматься разработкой тех узлов, которые в массовом порядке присутствуют на рынке. Решения, которые были приняты в самом начале, определили облик радиопеленгатора и быструю разработку: опытный образец был разработан и изготовлен в течение буквально одного года. Вот какие были эти решения:

• источники электропитания НЕ разрабатываем а покупаем. Все покупаем — и те которые стоят на платах и сетевые. До этого разработкой занимался целый отдел, и сколько я себя помню в конторе — они постоянно отказывали;
• используем SBC с операционной системой для обработки, управления и контроля: есть многозадачность, IP стек для передачи данных, резко упрощается сопровождение;
• портирование FreeBSD до системы реального времени, разработка в дружественной среде на языке Си;
• вместо двух блоков передачи данных — одна плата 100% резервированного модема с покупным QPSK чипом, на четырехпроводной 10-км линии АРП — КДП поднимаем IP/PPP, никаких проблем с маршрутизацией и созданием дополнительных точек управления и контроля;
• индикаторы пеленга, которых может быть подключено множество — до 20, работают по одной линии RS-485, а не подключаются отдельными кабелями к блоку сопряжения как это было раньше;
• сами индикаторы пеленга приобрели приличный вид, появилось новое отображение уровня и точности сигнала;
• существенна упрощена аппаратная часть тракта: вместо одного блока одна плата демодулятора, вместо другого блока опорных напряжений — плата формирователя опорных сигналов;
• из-за резкого сокращения количества блоков и соединений ушли габаритные разъемы и кабели, монтаж выполняется плоскими кабелями;
• скользящий резерв радиоприемных устройств;
• создана автоматизированная система контроля, в том числе антенной системы.

На фото я собственной персоной в дутом плаще, который остался у меня с 90-х годов. В эти времена они были дешевы и очень популярны; теперь старой одежде нашлось применение. Видно что единственный шкаф пеленгатора практически пустой: в верхней части 6U секция обработки, место которое занимает дисплей отдано под радиоприемные тракты в зависимости от канальности РП. Внизу секция 4-х радиоприемников с управлением, еще ниже — усилитель — распределитель.

Единственное, что руководство конторы помешало мне сделать — это поставить в аппаратной топчан. В предыдущих изделиях он также использовался для хранения ЗИПа. Топчан очень удобен — на нем можно сидеть, лежать, его можно использовать как подручную полку. Топчану были рады все — эксплуатация всех пеленгаторов, и особенно военные, не говоря уже о нас, которые проводили в аппаратных кучу времени. И вот теперь топчана нет: красиво, эстетично, но нефункционально. Печалька.

Параллельно шла разработка программного обеспечения. Весь софт, а также функциональную проработку критичных узлов, я взял на себя. Второстепенные функции были переданы помощнице, которую я взял сразу же как занял свой кабинет. Для конторы это все было необычно: компьютеры на столах считались признаком хайтека и престижа, а не печатными машинками, за которыми самому работать совсем не обязательно. К слову, многие организационные проблемы таких контор есть следствие низкой оплаты квалифицированного персонала. Если бы зарплата инженера была от 5000 Евро, то начальники десять раз подумали бы, стоит ли тратить дорогое инженерное время на написание разных бумаг, служебных записок и отчетности.

Благодаря хорошей архитектурной проработке изделия, а также тому, что в Платане было задействовано минимальное количество собственных разрабатываемых компонентов, удалось существенно снизить риски. В опытном образце практически не было ни одной серьезной ошибки, которая потребовала доработки. Первоначально, как и планировалось, мы изготавливали один образец. Видимо, руководство так поверило в то, что результат скоро будет, что по ходу разработки заказало сразу три образца. Потом их стало пять, и к концу проекта,  с колес мы настраивали уже 10 новых Платанов, под которые были контракты. Все эти образцы пошли к заказчикам практически без доработок. В результате получилось, что критичной по срокам была не собственно разработка и даже изготовление, а приобретение комплектации. Со многими поставщиками мы начинали работать впервые, не были отработаны механизмы входной приемки, но потом все наладилось.

Предварительные испытания проводились в аэропорту Махачкалы, а опытный образец был поставлен в Пулково, куда мы выехали целой бригадой на проведение испытаний. Новый пеленгатор не подвел — все испытания завершились успешно. Моя пеленгаторная команда набралась опыта, заматерела, и можно было спокойно оставлять на нее поддержку и сопровождение Платана.

Как я уже говорил, сейчас Платанов по России поставлено более 150 комплектов. Не так давно Пулково купило второй радиопеленгатор. Как не грезили теоретики от гражданской авиации, что РП скоро сойдут на нет и им нет места в управлении воздушным движением, а пеленгатор особенно любим диспетчерами и никуда уходить не собирается. Любит диспетчер знать совершенно точно, с каким бортом говорит: а ведь метка вторичного локатора на экране может подвести. А спокойствие диспетчера дорого стоит.

После успешного окончания проекта, я покинул контору и вернулся в Москву. Много времени спустя я наконец осознал, чем мне был интересен этот проект: в нем я сделал пеленгатор именно таким, каким хотел его видеть. Естественно, на то время. А дальше, просто пребывать в конторе в статусной должности было уже неинтересно — и я окунулся в другой поток событий.

Небольшой апдейт — что было дальше.

Приложения

В основу программного обеспечения АРП «Платан» легли исследования, которые я обобщил в своей диссертации. Точнее будет сказать что в диссертации просто закреплен теоретический и практический материал, который я наработал занимаясь пеленгационной тематикой. Приведенный здесь софт тесно связана с математической задачей принятия решения о наличии сигнала в шуме и оценке угломестных параметров.

Первый и самый критичный компонент в цепочке обработки сигнала — это обнаружитель.

Обнаружитель определяет параметры ложной тревоги и пропуска сигнала и в конечном счете дальность действия радиопеленгатора. В предыдущих поколениях РП использовались амплитудные обнаружители. Приложение dfdetect.c работает по фазовому принципу и использует для оценки параметра обнаружения данные о фазовом раскрыве за два последовательных оборота антенной системы. Поскольку за межпериодный интервал электронного оборота корреляционные связи между фазами сигналов вибраторов, в том числе вызванные многолучевым распространением практически отсутствуют, используется метрика определяющая степень схожести двух фазовых раскрывов. Степень схожести задается как dot функция.

Весьма специфический алгоритм, характерный для радиопеленгатора — разрешение фазовой неоднозначности и восстановление доплеровской огибающей. Для современных РП характерна работа в частотных диапазонах, когда длина волны принимаемого сигнала существенно меньше базы антенной системы. Например, для АРП «Платан» для нижней точки диапазона 118 МГц λ =2.5 м, что с учетом радиуса антенны R = 1.6 м вызывает фазовую девиацию Ψ = 2π (R / λ) = 0.6 π. Если мы возьмем верхний диапазон 400 МГц, то Ψ = 2π (R / λ) = 2.1 π.

Картинка доплеровской фазовой огибающей с размахом ± 2π хороша только в книжке. Реально вы ее никогда не увидите, потому что фазовый детектор не в состоянии определить набег фазы больше 2π и выдает значения только в диапазоне 0..2π. Это значит, что огибающая будет нещадно разломана по высоте, и разглядеть в этих обломках отрезок синуса, да еще с учетом количества пространственных выборок = 16 (количество вибраторов антенной системы) будет весьма проблематично.

Есть и другая проблема — это вероятность аномального разрешения неоднозначности, т.е. построение огибающей сигнала с несуществующим азимутом, который может отличаться от истинного на любую величину. В общем, решать все эти проблемы призвано приложение dfres.c

Приложение dfres.c делает предположение об азимуте и девиации сигнала, создавая матрицу ошибок — отличия полученной огибающей от гипотетической. Для минимальной ошибки полученная огибающая восстанавливается (дополняется значениями π где это необходимо) по гипотетической огибающей. В результате выходной сигнал представляет собой восстановленную фазовую огибающую, по которой уже можно определить азимут как ее сдвиг по времени.

И наконец собственно оценка азимута.

Приложение определяет первую гармонику входной фазовой последовательности методом FFT разлагая ее на комплексные составляющие. В результате получается вектор с амплитудой, соответствующей фазовой девиации, или углу места на источник сигнала, и углом поворота который соответствует пеленгу на источник сигнала.

Когда я смотрю на этот арктангенс в конце программы все время вспоминаю, как писали софт для 1806ВМ3 на ассемблере. Ведь эта тригонометрическая функция была единственным местом, где позарез требовалась математическая библиотека с плавающей точкой — а ее не было. Приходилось добывать целочисленный арктангенс целым алгоритмом, докручивая вектор в область линейного приближения. Знания добывали самостоятельно, потому что Гугла, как и интернета вообще — не было.

Данные приложения определяют ключевые параметры РП — дальность, точность и быстродействие; кроме этого есть неявные факторы: устойчивость обработки к перемодуляции и искажениям амплитудно-фазового раскрыва, вызванным многолучевым распространением.

Есть и другие программы, которые содержат вкусные вещи: подавление «вертолетного эффекта» — паразитной частотной модуляции при работе вертолетной радиостанции, защита от амплитудной перемодуляции, адаптивная обработка и другие. Я также планирую выложить эти алгоритмы.