ADS-B

 

por PY4ZBZ    19-04-2013        rev.  13-11-2013

 

Recepção com o RTL-SDR e ADSB#

Distancia máxima possível

Antena colinear 3/2 onda 1090 MHz

Antena colinear de 2 elementos de 1/2 onda 1090 MHz

RTL1090

Comparação do RTL com o RadarBox

 

 

Vou relatar aqui algumas experiências com a recepção de dados do sistema ADS-B Out, pelo qual aeronaves informam, entre muitos outros dados, a sua velocidade, altura, direção, posição, com precisão de GPS. 

 

 A transmissão é feita em PPM (modulação de posição de pulsos) em 1090 MHz, com velocidade de 1 Mb/s. É usado o código Manchester onde um bit ZERO é codificado 01 e o bit UM é codificado 10 :

As formas de onda seguintes mostram o sinal ADS-B recebido após um detector de envoltória AM. Podem ser vistos respectivamente um "frame" inteiro de 0,12 ms, o detalhe dos pulsos iniciais e do código Manchester, e o detalhe dos 4 pulsos de 0,5 microssegundos do preâmbulo (agradecimentos ao meu amigo Julio Vaka pelo empréstimo do DSO1052B, com o qual levantei as formas de onda, na saída do conversor logarítmico do RadarBox) :

A transmissão ADS-B é feita automaticamente pelo avião em até duas vezes por segundo. Como cada transmissão de 112 bits dura apenas 0,12 milisegundos, podemos receber muito mais de 100 transmissões diferentes por segundo ! A potencia transmitida pelo avião é de até 500 W ! Click na figura para mais detalhes :

Veja mais detalhes sobre ADS-B aqui.

O espectro ocupado pelo sinal é o seguinte:

 

Recepção com o RTL-SDR dongle

 

Como o sinal ADS-B tem pulsos que duram apenas 0,5 micro segundos, só é possível amostrá-los com uma taxa mínima de 2 Mam/s, o que é possível com os RTL dongles. Basta usar um software que sintoniza o RTL-SDR dongle em 1090 MHz e demodula os dados, como o ADSB#, visto na figura seguinte, ou o RTL1090 mostrado mais adiante:

 

E para mostrar esses dados numa tela parecida com um radar, basta usar um software como o ADSBscope :

Na figura acima, a listagem mostra além dos dados ADS-B (linhas que contém a posição do avião e que é plotado no mapa), as respostas de transponder em modo S à interrogação do radar SSR (linhas que não tem a posição do avião e portanto não é plotado). Isso porque tanto ADS-B como as respostas de transponder em modo S (e modo A/C também) usam a mesma frequência de 1090 MHz e codificação.

 

Os dados assim recebidos podem ser transferidos online para o site do Flightradar24, com um software apropriado:

 

Por exemplo, as nossas transmissões para o Flightradar24 são identificadas por T-SBCF5, devido ao fato do aeroporto mais próximo do meu QTH de Sete Lagoas ser o de Confins SBCF. A figura seguinte mostra os dados recebidos simultaneamente na tela do ADSBscope (a direita) e vistos no Flightradar24 (a esquerda) com a identificação do nosso radar T-SBCF5:

Em 13-05-2013 captei um avião a 386 km, registrado com a função "maximum Range" do adsbSCOPE. Também registrei nele, assim como nos Flightradar24 normal e premium, onde os aviões captados pelo meu radar estão em vermelho, um numero de voo inusitado : " CABOCL0" !!! :

A função "maximum Range" vista na figura acima e a direita, também permite ter uma noção da área de captação dos sinais ADS-B da nossa estação. Corresponde a uma lógica AND do diagrama de irradiação no plano horizontal da antena E o perfil do horizonte visto por ela E as rotas dos aviões ! Aviões acima de 29999 pés estão dentro do traçado azul. Em verde, entre 20000 e 29999 pés e em marrom abaixo de 20000 pés.

 

 

Distancia máxima possível

 

 A maior distância visual possível teoricamente, com horizonte a zero graus de elevação, é dada por :

  Dmax = 113.(h)1/2                (com D e h em km, onde h é a altura do avião). 

Para ondas de radio UHF, devido a refração na atmosfera normal com k=4/3, ela vale :

  Dmax = 130.(h)1/2

 Por exemplo, para um avião a 39000 pés de altura (11890 metros), a distancia máxima visual vale 389 km, ou 448 km para ondas radioelétricas ! Devido ao fenômeno de difração, é possível alguns km a mais, em condições muito favoráveis... Esta formula é valida com a antena de recepção em uma altura de até 20 metros do solo para um terreno plano

Para alturas da antena de recepção acima de 20m em relação ao solo, a formula é a seguinte:

  Dmax = 130.((h)1/2 + (a)1/2))    onde a é a altura HAAT da antena receptora em relação a altura media do solo em volta dela, principalmente se a antena receptora se encontra em cima de um morro com perfil conhecido em calculo de propagação como "gume de faca". A altura HAAT da antena pode ser calculada aqui.

Ou ainda:  Dmax = 1,23.((h)1/2 + (a)1/2))     com D em milhas náuticas, h e a em pés.

No programa AirNav RadarBox 2009 esses dois limites (visual e radioelétrico) são mostrados na opção "Propagation Rings" ou "Mode-S Signal  Maximum Range", que são os dois círculos tracejados, com raios de 210 nm (389 km) e 242 nm (448 km), valores para avião a 39000 pés de altura:

A figura seguinte mostra a maior distancia captada na nossa estação, em 29-05-2013, de um avião a 38000 pés de altura e a 401 km de Sete Lagoas :

Na direção leste, onde estava a aeronave, o meu horizonte tem realmente ZERO graus de elevação (em 40 e 80 graus de azimute), como mostra a figura seguinte. Em compensação, a noroeste (290 graus), tenho um morro (Serra de santa Helena) que eleva o horizonte a quase 7 graus, impedindo a recepção de aviões que estão a mais de 90 km somente ! O perfil foi levantado com o software Radio Mobile de Roger Coudé com mapas de relevo SRTM feitos pelo Space Shuttle:

A figura seguinte mostra o efeito do perfil do horizonte (figura anterior) visto pela antena, sobre o seu diagrama real de irradiação, que em espaço livre é onidirecional no plano horizontal. Foi feito registrando 10 horas consecutivas de recepção. É claro que é preciso haver trafego de aviões em todas as direções. Os aviões que estão apontando para o limite (linha vermelha) estão na posição na qual foi perdido o sinal, e as pontas das linhas que também estão próximas ao limite correspondem as posições dos aviões no momento da aquisição do sinal. É muito bem visível o efeito de obstrução do morro a noroeste e a boa abertura a leste:

A cobertura teórica para aviões a 37000 pés de altura, feita com o Radio Mobile, pode ser vista na figura seguinte, onde também é bem visível a obstrução causado pela Serra de santa Helena a noroeste:

 

A antena usada não foi feita para ADS-B ! Usei o meu velho dipolo grosso para UHF a 6 metros de altura, que funcionou muito bem em 1090 MHz:

Em 1090 Mhz esse dipolo UHF apresenta um ganho de 8 dBi, omnidirecional no plano horizontal, como mostra a simulação seguinte:

 

Antena colinear para 1090 MHz

 

Em 03-05-2013, montei uma antena própria para 1090 MHz, baseada no projeto do G7RGQ, com algumas modificações (espiras defasadoras e plano de terra com elementos de 1/4 de onda e não 3/4 como no original e que não trazem vantagem nenhuma), e somente após comprovar a sua eficácia com o MMANA, como pode ser visto nas figuras seguintes. Consiste de uma colinear de 3 meias ondas, com comprimentos corrigidos para serem alimentadas em serie e pelas pontas via duas linhas defasadoras de 1/4 de onda. Foi confeccionada com varetas de solda amarela com 1,65 mm de diâmetro. Os 3 elementos retos tem 136, 205 e 183 mm de comprimento respectivamente (a partir do conector). As 4 varetas do plano de terra tem 69 mm cada. Como esta antena tem resistência de irradiação de 75 ohms, usei um cabo RGC-06 (60%) com 12 metros de comprimento até o E4000, cuja impedância de entrada também é de 75 ohms.

Detalhe de uma das duas espiras defasadoras com 1/4 de onda de perímetro (69 mm) e 22 mm de diâmetro:

Detalhe da base da antena com refletores ou plano terra de 1/4 de onda:

Diagrama de irradiação em espaço livre. A 6 metros de altura o ganho sobe para 11 dBi. O diagrama é omnidirecional no plano horizontal e favorece baixos ângulos de irradiação no plano vertical, o que é ideal para aviões longe e portanto com pouca elevação acima do horizonte :

Distribuição das correntes:

ROE (SWR) da a antena com base em 75 ohms, que é a impedância de entrada do E4000:

O arquivo para o MMANA está aqui.

Com essa antena captei um avião a 360 km com FL=380 (11580m de altura), na direção leste, onde tenho horizonte com zero graus de elevação:

 

 

Software RTL1090

No lugar do ADSB# pode ser usado o RTL1090 para sintonizar/demodular o sinal ADS-B com o RTL-SDR:

Esse software tem uma tela SISEX que é uma espécie de analisador de espectro, onde cada linha mostra 1 milisegundo no modo normal ou 125 microssegundos no modo ampliado, como na figura seguinte, onde pode ser muito bem visto um típico sinal ADS-B, com os 4 pulsos iniciais de sincronismo, de apenas 0,5 microssegundo cada :

Outra vantagem desse software rtl1090 é de poder medir o "gap" do E4000 automaticamente, com mostra a figura seguinte:

 

Antena colinear de 2 elementos de 1/2 onda 1090 MHz.

 

Resolvi projetar e testar essa antena, que é uma colinear de 2 elementos de 1/2 onda, ou ainda, um dipolo de onda completa, alimentado por um transformador de impedância feito por uma linha de 1/4 de onda, exatamente como na antena J. A diferença para a J é que em vez de apenas um elemento ativo de 1/2 onda, são dois elementos de meia onda alimentados pelas pontas próximas, em oposição de fase, o que, para um observador distante, corresponde a dois dipolos de meia onda alimentados em fase. Pode ser considera com sendo um duplo J, ou ainda, uma antena duplo Zeppelin ! A foto seguinte mostra antena em teste a 7 metros de altura:

O seu diagrama de irradiação e demais características, como o ganho de 9 dBi (a 7 m do solo), estão na figura seguinte:

O arquivo para o MMANA está aqui. Fotos da antena:

Construção: consiste de duas varetas retas de 150 mm de comprimento (elementos radiantes) e de uma linha bifilar de 69 mm, com separação de 8 mm, com conector soldado a 16 mm do final em curto. É feita de um único pedaço de fio de cobre com aproximadamente 1,8 mm de diâmetro e 446 mm de comprimento total.

Uma vantagem desta antena é que o seu sistema de alimentação funciona como filtro passa-alto. Um inconveniente é que o cabo de alimentação e fixação da antena deve ser ao lado do mastro. A figura seguinte mostra um instantâneo da recepção de 14 aeronaves simultâneas, e dentro da "cobertura" da antena registrada durante dois dias seguidos, com a função "max range" do adsbSCOPE (linha cheia azul) com Maximo em 401 km !. 

A cobertura da antena (combinada com o perfil do horizonte e as rotas) vista no RadarBox:

 

 

Links:

 

Vejam aqui quais os principais aviões tem / não tem ADS-B

RTL-SDR

 

73 de Roland.