ADS_B

ADS-B por PY4ZBZ

19-04-2013

rev. 15-05-2013

Recepção com o RTL-SDR e ADSB# Distancia máxima possível Antena colinear 1090 MHz RTL1090

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 :

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 que 100 transmissões diferentes por segundo ! 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:

Distancia máxima possível A figura seguinte mostra a maior distancia captada na nossa estação, de um avião a 358 km de Sete Lagoas ! A maior distância possível teoricamente, com horizonte a zero graus de elevação, é dada por : Dmax=113.(h)1/2 (D e h em km). Esta distancia corresponde ao horizonte visual. Para ondas de radio UHF, onde k=4/3, ela vale Dmax=130.(h)1/2, devido a refração na atmosfera. Por exemplo, para um avião a 37000 pés de altura (ou 11277 metros, nosso caso), a distancia máxima visual vale 378 km, ou 436 km para ondas radioelétricas ! Devido ao fenômeno de difração, é possível alguns km a mais, em condições favoráveis...

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). 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:

Em 13-05-2013 quebrei o meu próprio recorde de distancia, com 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.

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:

Links: Vejam aqui quais os principais aviões tem / não tem ADS-B RTL-SDR

73 de Roland.