Radio sondas

por PY4ZBZ em 19-04-2012 rev. 29-03-2013

Vejam aqui a minha primeira caça à radiossonda !

Radiossondas no aprs.fi

Mostrarei aqui resultados da recepção de sinais emitidos por radiossondas do tipo RS92-SGP levadas por balões meteorológicos, no meu QTH de Sete Lagoas MG (GH70un).

A figura acima mostra como é vista uma radiossonda no Google Earth, com dados transferidos pelo programa SondeMonitor. Esta foi lançada em Confins, e é vista no final da queda, próximo a Catas Altas.

As figuras seguintes mostram o caminho percorrido por uma sonda em 3D no Google Earth. Decolagem em Confins:

O percurso todo, sendo o ponto mais alto correspondente a explosão do balão:

O percurso visto de outro angulo pelo lado da queda:

Estou recebendo sinais de sondas lançadas na EMA SBCF no aeroporto de Confins MG, e na EMA SBVT de Vitoria ES. Vejam aqui a relação de Estações Meteorológicas de Altitude (EMA).

As sondas são lançadas duas vezes por dia as 0 e 12 horas UTC, no mundo inteiro (em alguns lugares 4 vezes ao dia, as 0, 6, 12 e 18 UTC). Para que estejam a uma certa altura (500 hPa) nestes horários, são lançadas com até 45 mn antes do horário nominal. Levam por volta de uma hora para atingir a altura máxima da ordem de 25 km, onde o balão explode. A sonda então cai com um paraquedas durante mais uma hora aproximadamente. Vejam o vídeo seguinte:

A figura seguinte é de uma radiossonda do tipo usado nos balões meteorológicos e escutados no meu QTH:

Vista interna da radiossonda. No circuito principal temos o receptor GPS e o processador central. Debaixo dele temos o transmissor UHF e o sensor de pressão:

Veja mais detalhes internos da sondas aqui.

Utilizo o FUNCube Dongle SDR como receptor, com uma Yagi LFA de 3 elementos para 403 MHz, em polarização vertical :

A sintonia e demodulação FM é feita com o SDR console como mostra a figura seguinte:

A modulação digital do sinal UHF da sonda é em FM com banda de uns 12 kHz (NFM, 4,8 kHz de desvio pico a pico) em GFSK a 2400 bits por segundo. A potencia transmitida é de 60 mW numa antena de 1/4 de onda (pedaço de fio), com polarização vertical, numa frequência na banda de 403 MHz. A figura acima mostra o espectro em RF do sinal da sonda assim como o espectro do sinal de áudio demodulado, no canto inferior esquerdo.

O áudio demodulado pode ser ouvido nessa pequena gravação aqui.

A decodificação do sinal de áudio é feita com o programa SondeMonitor. O sinal de audio demodulado pelo programa SDR é transferido para o SondeMonitor via mixer estereo da placa de som. Na figura seguinte vemos os instantes iniciais da sincronização, com a barra inferior ainda com segmentos em vermelho. Uma vez sincronizado, essa barra fica toda verde. A tela mostra a forma de onda do sinal de áudio, cujo nível deve ser ajustado pouco abaixo do ceifamento:

As figuras seguintes mostram outras telas do programa, feitas em 19-04-2012 a noite:

Na figura acima, os dados do cursor são para o ponto de maior altura, quando balão explodiu a 23271 m. A menor temperatura medida durante a subida foi de -81 graus a 17 km de altitude!

Na figura acima podemos ver os níveis de pressão (azul), temperatura (marrom) e umidade (laranja). O ponto de explosão do balão correspode a linha preta vertical.

Iniciei a recepção as 20:45 (hora local) com o balão a 1494 m de altura (lado esquerdo do gráfico) e subindo numa taxa media de 6 m/s (rate of climb). As 21:49 atingiu 23271 m de altura, quando o balão explodiu (marca do traço preto vertical), vindo a sonda a cair, controlada por um pequeno paraquedas, com taxa inicial de -15 m/s e final de -4,7 m/s, quando tocou o solo a 863 m de altura as 22:36, quando perdi o sinal (lado direito do gráfico). Interessante notar que os parâmetros da queda são praticamente os mesmos da subida, apenas num tempo menor e em sequencia inversa !

Nas figuras anteriores, eu ainda não havia acertado os parâmetros (almanac) para decodificação da telemetria GPS. Em 20-04-2012, acertei estes parâmetros, e ainda peguei o final da queda de outra radio sonda na parte da manhã, desta vez com a plotagem do seu percurso final (em verde) no mapa até a queda no solo na marca vermela:

Outras telas do SondeMonitor, onde podem ser vistas informações de direção e intensidade do vento, feitas em 21-04-2012 de manhã:

Na tela acima podemos ver toda a trajetória de subida em magenta, e da descida em azul, de uma sonda lançada em Confins. A marca verde é do ponto de lançamento, a azul o ponto onde o balão estourou, a vermelha a posição atual da sonda (no caso pendurada no paraquedas e descendo) e a marca laranja o lugar provável da queda. Os círculos são marcas de distancia espaçadas de 10 em 10 km com centro no meu QTH em Sete Lagoas.

O programa também permite abrir o Google earth, onde são mostrados o QTH (Home), o ponto de lançamento (Launch), o ponto de estouro do balão (Burst), a posição atual da sonda com diversos dados (Sonde) e o ponto provável da queda (Aim). Esse ponto é calculado baseado no vento medido na sonda:

As figuras seguintes mostram a posição do balão em 3D no Google earth e outros dados como Home e Subsonde que é o ponto na terra na vertical do balão, :

A imagem acima foi feita 2 segundos após a explosão de balão a 24250m de altura.

Na noite de 20-04-2012 fiz o primeiro DX com radiossonda, captando uma a 456,7 km do meu QTH, ao largo de Vitoria ES (marca vermelha), em 402,740 MHz. Na figura seguinte vemos o espectro RF do SDR com duas sondas recebidas no SpectraVue, praticamente na mesma direção a leste do meu QTH, a mais forte em 402,700 MHz que foi lançada em Confins e estava a 70 km, e os dados decodificados da sonda de Vitoria nas telas do SondeMonitor:

Podemos observar no espectro que o sinal da sonda de Vitoria está 16 dB abaixo da de Confins, o que corresponde exatamente a diferença de atenuação de propagação 20log(456/70) entre as distancias de 70 e 456 km !

O raio de cobertura visual de uma sonda é 113 vezes a raiz quadrada de sua altura (tudo em km). A cobertura radioelétrica em UHF é um pouco maior pelo fator K que depende do índice de refração da atmosfera e que em media vale 4/3.

A sonda de Vitoria estava a 23,45 km de altura tendo portanto um raio de cobertura de 547 km. Como estava a 456,7 km do meu QTH, estava dentro do raio.

Agora já virou rotina captar sondas ao largo de Vitoria, como mostram a imagens seguintes, mesmo que a elevação do balão visto do meu QTH seja apenas de 1 grau ! :

Calculo de propagação para o balão de Vitoria.

As figuras seguintes mostram o enlace balão-PY4ZBZ feita como Radio Mobile:

O meu horizonte visual é favorável na direção Leste. A noroeste tenho uma obstrução pela Serra Santa Helena:

Radiossonda vista em 3D, ao largo de Vitoria ES, vista no Google earth:

Configuração do SondeMonitor.

Dados fundamentais: Localização do QTH, localização do ponto de lançamento e arquivo almanac atualizado.

Como a sonda é equipada com um receptor GPS muito simples (custo), este só fornece as "pseudo distancias", e não latitude/longitude/altura, que devem ser calculados no solo pelo programa. Para isso, o programa precisa de dados atualizados diariamente sobre os satélites GPS, chamados "Almanac" ou "Ephemeris" que são obtidos na internet. O programa está com o endereço antigo para o "Almanac", e deve ser alterado para o seguinte (em "Options, Directories, Almanac URL") :

Basta seguir o "Help" e ter muito cuidado com o formato das coordenadas do seu QTH (home location), que é em "W ou E e N ou S graus minutos.decimais" que é diferente da formatação para o local do lançamento (Launch) que é em "+ ou - graus.decimais", como pode ser visto nas duas figuras seguintes:

Para que a decodificação GPS funcione, é preciso clicar em "Tools, GPS arm" para abrir a janela acima. Se o ponto de lançamento não constar da lista, basta entrar com os dados de latitude e longitude, altura e QNH, e horário UTC do lançamento (0 ou 12 h). Depois clicar em 3D, OK, e clicar no arquivivo "Current.al3" previamente obtido clicando em "Tools, GPS elements, Almanac from Internet".

Para que o local de lançamento apareça na lista da tela acima, é só editar o arquivo "launchsites.txt" que fica na pasta "logfiles" do SondeMonitor, da seguinte forma, respeitando os devidos espaços entre dados Nome : latitude longitude altura (lat e long em Graus.decimais !, altura em metros)

Obs. : No Windows 7, o programa só decodifica se estiver sendo executado como Administrador.

Comparação Almanac / Rinex (ephemeris)

Clique na figura seguinte para ver ao vivo sondas de São Paulo:

Em 21-1-2012 captei a sonda lançada no Galeão (SBGL) Rio de Janeiro, como mostram as duas figuras seguintes. (Obs. o comentário está errado):

As figuras anterior e seguinte mostram a posição e caminho percorrido pela sonda no aprs.fi, por meio de um software elaborado por Demilson PY2UEP, que transfere os dados decodificados pelo SondeMonitor para a rede APRS em tempo real : o SM2APRS, que pode ser obtido aqui. A linha em verde informa os dados seguintes: Clb=taxa de subida em m/s (se negativa=taxa de queda), P=pressão atmosférica em hecto Pascal, T=temperatura em graus Celsius, U=umidade, e eventualmente entre colchetes a frequência de transmissão da sonda.