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GPS + APRS + D-STAR = D-PRS

N.B. Le présent article fait la jonction entre quelques écrits que je présentais sur ce site il y a peu de temps. La section traitant spécifiquement de D-PRS est le résultat d’une recherche Internet dont les sites consultés, principalement celui signé Peter Loveall AE5PL, apparaissent à la fin de l’article.

 

 

Mise en situation

 

D-STAR intègre un protocole numérique de communication par ondes hertziennes développé par Japan Amateur Radio League, Inc. (JARL), lequel a recourt à Ethernet 128 kbps en mode DD et à la voix numérique 4800 bps en mode DV, dont 3600 bps sont consacrés à la voix et 1200 bps à la synchronisation et autres usages connexes.

APRS est un protocole conçu par Robert Bruninga WB4APR pour communiquer des informations telles les positions au sol, la météo, etc. en utilisant le protocole de transfert X25. Il a été adapté pour utiliser n'importe quel protocole tel que Telnet.

L’écrit qui suit explore les méthodes utilisées pour établir un lien entre les radios D-STAR utilisant le GPS équipé de l’APRS-IS (APRS et Service Internet) et d'autres utilisateurs d’APRS. Nous explorons aussi l'utilisation des deux protocoles D-STAR (DD et DV) propres à la transmission de l’information APRS.

Introduction

 

Icom fabrique un certain nombre de radios capables de fonctionnement selon le protocole D-STAR. Tous ces radios acceptent la voix numérique selon le protocole DV.  Le radio ID-1 (1.2 GHz), quant à lui,  le fait aussi pour les données numériques mais selon le protocole DD.  D-STAR a été développé pour convenir aux modes de communication complètement numérique dans les bandes VHF, UHF et autres bandes radioamateurs plus hautes. Le protocole est ouvert à quiconque utilise, pour la voix, le Codec AMBE.

APRS a été développé pour répondre à un besoin de standardisation pour l’envoi de renseignements touchant la position d’un objet, la météo et autres informations relevant de la télémétrie. Le protocole est basé sur les caractéristiques d’AX 25 lequel a été adapté pour de multiples envoies numériques par paquets grâce au format TNC-2.

Icom a intégré un dispositif GPS à tous ses radios D-STAR VHF et UHF (sans que ce soit le cas toutefois pour son radio ID-1 de 1 GHz), faisant ainsi en sorte que l’utilisation de la portion basse vitesse (DV) pour l’échange des données est généralisée. Cette fonctionnalité en DV a été ajoutée à celle de la voix numérique sans que l’un interfère sur l’autre, c’est-à-dire sans que le contenu « données » ne nuise au contenu « voix ».

Fondamentalement, le mode GPS de base est conçu de telle manière qu’il peut, grâce à l’indentification de la station, passer outre aux exigences du GPS NMEA et être décodé au moment de la réception.

Le texte ci-dessous décrit comment la haute vitesse (128 kbps) s’adapte au fonctionnement de  l’APRS-IS,  tout autant qu’il assure le passage des informations GPS venant des radios D-STAR vers l’APRS-IS. De plus, ce mode d’acheminement de l’information convient aux paquets APRS (via D-STAR DV basse vitesse), en format TNC-2.

 

Le GPS en quelques mots

 

Le GPS (Global Positioning System) est un système planétaire de radionavigation dont le fonctionnement repose sur la présence de  24 satellites et de leurs stations terrestres. Le GPS utilise les satellites comme points de référence précis, à quelques mètres près. En fait, dans sa forme la plus élaborée (advanced forms of GPS),  la précision à quelques centimètres est possible. Dans un sens, c’est comme donner à chaque mètre carré du sol sur la planète son adresse propre.

L’agencement des satellites dans l’espace est organisé de telle manière qu’un minimum de cinq satellites est en tout temps « visible » de n’importe quel point du globe.

Comment fonctionne un GPS ?

  1. La base du fonctionnement du GPS est la triangulation satellitaire.
  2. Pour réaliser la triangulation,  le récepteur GPS doit mesurer la distance qui le sépare du satellite en calculant le temps que prend le signal radio pour arriver jusqu’au satellite.
  3. Pour mesurer le temps du parcours, qui doit être extrêmement précis, le GPS utilise un procédé complexe et ingénieux. Il a recours à une horloge atomique.
  4. En plus de la distance, il faut savoir exactement où se trouve le satellite dans l’espace.
  5. Finalement il faut appliquer une correction au temps presque toujours modifié en traversant l’atmosphère.
  6. Pour plus de précision, il faut avoir recours au GPS différentiel. Un quatrième satellite est alors mis à contribution.

Aussi surprenant que cela puisse paraître, c’est la référence aux satellites dans l’espace qui permettra la localisation précise d’un objet sur terre. Il est tout à fait juste de dire que c’est par la connaissance de la distance précise qui nous sépare d’au moins trois satellites, nécessaire à la triangulation, que nous pouvons identifier un point précis sur la terre.

(Pour une description complète du fonctionnement du GPS, consulter « Tout sur le GPS » à http://www.aresqc.org/.

L’APRS en quelques mots

L'APRS a été créé au début des années 90 aux États-Unis. C'est un protocole de communication numérique tactique dédié à l'échange d'information en temps réel entre un grand nombre d'utilisateurs d'une même zone.

Fonctionnement

Le système a été conçu afin de permettre l'échange d'informations aussi simplement qu’il le serait sur un réseau vocal. Chaque station ayant une information à partager l'envoie. Le réseau se charge alors de la diffuser aux utilisateurs

Le récepteur muni d’une antenne capte et analyse les signaux émis par plusieurs satellites. Les systèmes les plus connus sont GPS et GLONASS. Vers 2012 le système Galileo sera opérationnel. Malgré la simplicité apparente de la technique, le traitement des signaux et le calcul de la position d'un récepteur sont complexes.

Un récepteur GPS typique incorpore un processeur de signal numérique DSP (Digital Signal Procerssing) qui fonctionne à la fréquence de 1575,42 MHz. Les signaux reçus des satellites sont filtrés et amplifiés par un préamplificateur et alimentent ensuite un convertisseur RF/IF (Radio Frequence /Intermediary Frequence). Le traitement est souvent fait au niveau de l'antenne active.

Un circuit traite la fréquence reçue et acquiert le code C/A* de plusieurs satellites simultanément. Les récepteurs actuels peuvent traiter simultanément les signaux reçus (parfois de plus de douze satellites). Le microprocesseur exploite les données et exécute les calculs de navigation. Il pilote l’ensemble des canaux au moyen de l’oscillateur à quartz du récepteur.

Un modem est utilisé pour relier le récepteur GPS au transcepteur de 2 m ou de 70 centimètres. Les renseignements numériques produits par le récepteur GPS sont convertis par le modem selon le protocole AX 25 bien connu des utilisateurs du Paquet Radio. L’interface APRS peut être intégrée à la plupart des transcepteurs sans trop de problèmes. Le modem, qui possède un microcontrôleur adapté, relie le récepteur GPS au transcepteur ou facultativement à un ordinateur.

* Selon Wikipedia le code C/A est unique pour chaque satellite parmi un ensemble de 31

(Pour une description imagée de l’APRS, voir « APRS pour les nuls » sur ce site)

 

L’APRS-IS (mode DD) en quelques mots

 

L’APRS-IS est conçu pour fonctionner en parfaite harmonie avec le système Internet (IS)

Le radio 1-ID opère à la fréquence de 1.2GHz et transporte les données numériques à la vitesse de 128 kbps grâce à l’utilisation d’un pont Ethernet.

Parce qu’il s’agit d’un pont Ethernet, et que l’on souhaite obtenir un signal aussi pur que possible, on recommande la présence d’un dispositif firewall NAT à chaque bout du lien entre deux radios 1-ID.  Ce qui n’est pas nécessaire en présence d’un répéteur/passerelle qui accomplit déjà ce travail d’épuration, principalement supprimer les paquets non nécessaires, tels ceux utilisés par NETBIOS.

 

Le radio 1-ID (actuellement le seul radio fonctionnel en mode DD) doit être connecté, de l’ordinateur au routeur, au moyen de câbles Ethernet appropriés. Le radio peut alors être raccordé à un autre radio 1-ID ou à un répéteur DD.

En mode DD, le répéteur  n’est qu’un point d’accès et ne relaie pas les paquets non nécessaires (d’où sa propriété épurative). Le mode DD s’appui sur un protocole unidirectionnel (semi duplex). L’utilisateur communique alors avec son client APRS programmé pour utiliser un serveur APRS-IS via un port filtré, adapté.

 

Qu’est-ce que le D-PRS ? (D-STAR Position Reporting System)

 

Le D-PRS a été développé par Peter Loveall AE5PL pour présenter aux utilisateurs d’APRS et d’APRS-IS l’information GPS convenant au mode numérique de Icom. D-STAR adopte un mode de 4800 bps pour la voix numérique (DV) : 3600 bps pour la voix et de 1200 bps pour les données et la synchronisation. Le mode contient les éléments nécessaires à la prévention et à la correction d'erreurs de transmission. Le codec de AMBE aussi. Les 1200 bps réservés aux données et à leur synchronisation ne comporte aucun dispositif de détection ou de correction d'erreurs. Il appartient à l’utilisateur de s’en doter.

D-PRS est une application écrite par ICOM, pour les terminaux D-STAR en mode DV essentiellement. Les informations NMEA issues d'un GPS incorporé au terminal ou en accessoire, sont transcodées pour permettre leur acheminement au travers des trames DV, simultanément à la voix. Ces informations GPS encodées pour le DPRS, sont transmises par le canal DATA de faible débit (900 bit/s). Ce canal de données ne contient pas de correction d'erreurs comme c'est le cas pour le canal voix.

L'encodage DPRS est un format compatible TNC2 pour l'APRS. Il est donc facile de l'acheminer vers le réseau APRS local ou APRS-IS.

D-PRS n'est donc pas un protocole, mais un ensemble de spécifications de conversion de données pour adapter les données de positionnement GPS au réseau APRS existant.

L'avantage de l'utilisation de D-PRS est directement dû au mode DV lui même : les informations GPS sont transmises simultanément à la voix. Il ne faut donc qu’un seul canal pour passer ces informations, alors que l'APRS occupe ce canal pour le seul positionnement.

Comme le D-PRS utilise le canal de données disponible de 900 bit/s et qu'il n'existe pas de correction d'erreur, D-PRS a été codé pour incorporer un format spécifique de GPS. Le format initial du mode GPS contient un codage simple XOR. ICOM a ensuite écrit un codage nommé GPS-A, qui contient un codage un peu plus robuste. Ce nouveau mode à aussi l'avantage de transmettre une seule trame pour le positionnement, alors que le mode GPS non adapté en transmet trois, et donc trois fois plus d'erreurs possibles.

Les terminaux configurés pour D-PRS, doivent transmettre leur position au moins à toutes les 5 minutes, sinon, les répéteurs D-STAR seraient utilisés essentiellement pour le positionnement. Ce ne serait alors qu'une application très onéreuse de l'APRS. (Il est recommandé de configurer son terminal pour transmettre sa position seulement lorsque le PTT est activé). La plupart des répéteurs permettent l'acheminement des trames D-PRS vers le réseau APRS-IS, pour être diffusé localement sur APRS.

Icom a défini le mécanisme de diffusion des positions normales du GPS pour une station selon le  processus de transmission vocale. Icom permet en plus à l’utilisateur de transmettre périodiquement des données positionnelles sans égard à l’utilisation du radio en mode vocal. Il est important de noter ici que tout ce que nous disons sur le D-PRS se réfère aux radios D-STAR opérant en mode voix numérique et non analogique.

Le format dans lequel sont exprimés les positions GPS est très élémentaire et est enclin à laisser passer des erreurs en présence de bruits. Le but principal du D-PRS est de simplement convertir les données positionnelles du GPS en paquets APRS, dans le format TNC-2.

Révision et conclusion

Plusieurs radios D-STAR sont déjà dotés des dispositifs voulus pour recevoir les signaux GPS, d’autres ont ce qu’il faut pour s’y brancher.  Ces radios peuvent accueillir les signaux GPS en mode basse vitesse sur un répéteur D-STAR à intervalles réguliers.

Plusieurs répéteurs D-STAR, munis de passerelles, envoient, au moyen d’un logiciel,  les paquets D-PRS vers le  APRS-IS. Une fois qu’ils sont sur le réseau APRS-IS, les paquets sont traités tel un signal APRS standard.

La différence entre un message D-PRS et APRS réside dans le fait que l’un et l’autre acceptent les signaux selon un format différent.

Chaque fois que l’on recherche un moyen de chevaucher deux protocoles différents, les limites et les caractéristiques des deux protocoles doivent être pleinement considérés. Dans le cas du D-PRS, on doit tenir compte des facteurs suivants :

• Pas de détection d’erreurs ou de corrections sur un flot de données continu basse vitesse de D-STAR.

• Un flot de données basse vitesse de D-STAR®  est toujours transporté à la manière d’un flot de données vocales.

• Le mode GPS Icom transmet les phrases NMEA telles quelles.

• Le mode GPS Icom transmet un message de 20 caractères avec l’indicatif d’appel et les lettres ID.

• Les radios Icom envoient toujours l’information GPS en même temps que la voix.

• Les radios Icom en mode GPS n’ont pas de symbole indiquant l’ APRS.

• Le mode GPS-A  de Icom utilise le formatage des lignes APRS  avec le CCITT-CRC ajouté au début de la ligne.

• Il n’y a pas d’indication directe de l’identification de la station émettrice sur le port série de Icom.

• Le réseau APRS se fie  à la double vérification pour prévenir les boucles et les retransmissions excessives.

En utilisant une méthode de développement par module, D-PRS a été conçu sans tenir compte des exigences du  APRS-IS.  L’accent au complet a été placé sur une conception  fiable, convenant à la fois au mode GPS Icom et à l’APRS.  Le D-PRS a été conçu sur le plan “software » avec javAPRSSrvr et une version spécifique de D-PRS. Sur le plan « hardware”, D-PRS™ a été implanté avec μSmartDigi.  Il est très important de garder le format de transfert ou de conversion constant afin de prévenir quelque altération que se soit dans le processus.

Sites visités:

http://www.aprs-is.net/downloads/dstar/D-PRS.pdf

http://www.aprs-is.net/DPRS.aspx

http://www.aprs-is.net/DPRSInterface.aspx

http://info.aprs.net/index.php/DPRS

http://www.aprs-is.net/DPRS.aspx

Claude Lalande VE2LCF