ADS-B Aerei

Ricezione trasponder aeromobili in ADS-B con TV-DVB dongle.

NB: Questo genere di ascolti non è espressamente permesso dall'interpretazione sistematica della legislazione italiana in materia. Queste righe hanno scopo didattico.

New York non è una città, è una metafora". Era questo l'incipit del film "Manhattan", di Woody Allen. Questo deve aver pensato anche quel manipolo di terroristi che lì vi portarno, con intenti distruttivi, due aerei di linea a 15 km al secondo. L' 11 Settembre 2001 è una di quelle date che l'umanità non dimenticherà.
La mattina di quel fatidico giorno, un attacco coordinato condotto da alcuni terminali della rete del terrore di al Qaeda, portò quattro aeroplani a schiantarsi contro una nazione, distruggendo forse per sempre quella speranza di risoluzione pacifica delle controversie ideologiche e religiose trans-nazionali. Quella mattina, quel manipolo di kamikaze dirottò quattro liner, scagliandoli sulle torri del World Trade Center a New York, elevate a strumento dell' odio. IL terzo aereo colpì invece una larga porzione dell' edificio del Pentagono a Washington; il quarto , forse diretto contro la Casa Bianca, divenne oggetto di un eroico ed estremo gesto collettivo dei passeggeri, che boicottati gli intenti dei terroristi, lo fecero precipitare nei pressi di Pyttsburgh, in Pennsylvania.
Questa la triste scaletta degi eventi di quella nera giornata :

Alle 08.45 il volo 11 di American Aerlines, ( Boeing 767 ), si schianta contro la torre nord del WTC a New York.
Alle 09.03 il volo 175 di United Airlines, ( Boeing 767 ), si schianta contro la torre sud del WTC.
Alle 09.43 il volo 77 di American Airlines ( Boeing 757 ), si schianta contro la base di una faccia dle Pentagono a Washington.
Alle 10.10 il volo 93 di United Airlines ( Boeing 757 ), in seguito ad ammutinamento dei passeggeri, si schianta in una radura nella Pennsylvania del sud.

Quello che stupì l'opinione pubblica mondiale, fu la sostenuta incapacità di un' aviazione civilie e militare evoluta, come quella degli USA, di attendere al compito più semplice: monitorare per mezzo radar, il traffico aereo nazionale. In realtà, almeno da questo punto di vista, non vi furono negligenze da parte degli organi di monitoraggio dello spazio aereo. Ecco perché.

E' a tutti nota la capacità dei pipistelli di orientarsi la notte e in luoghi totalmente oscurati, districandosi da ogni sorta di ostacolo si prospetti dinnanzi a loro. Se questi volatili vengono imbavagliati e viene loro occluso il padiglione auricolare, essi perdono completamente quella strardinaria capacità. Si è quindi scoperto che i pipistrelli emettono grida nel dominio degli ultrasuoni e quindi non udibili dall' uomo, che rimbalzate dagli ostacoli, ritornano alle loro orecchie, modificate in modo tale da permettere loro, letteralmente, di udire gli ostacoli e la loro prossimità. Durante la seconda guerra mondiale fu messo efficacemente a punto quello che è comunemente noto come RADAR ( Radio Detection And Ranging ), che proprio sul principio di orientamento dei pipistrelli, fonda il proprio funzionamento. Qui agli ultrasuoni vengono però sostituite le microonde, irradiate da un' antenna rotante e direzionale, capace di compiere tra i 6 ed i 15 giri al minuto. L'energia riflessa dagli oggetti incontrati dal percorso propagativo del fascio, viene riflessa nuovamente verso l' emittente. Con una misura del tempo di percorrenza, applicando la legge oraria, si ricava la distanza dell'ostacolo. 737 SAS

A sua volta la posizione d' antenna rispetto al nord al momento di ricezione, permette l'individuazione della posizione dello stesso, rispetto alla stazione radar, e la sua visualizzazione su di un apposito schermo a tubo catodico, il PPI o Plan Position Indicator. La semplicità, funzionalità e al contempo relativa economicità, decretarono il successo di questo apparato anche al di fuori delle operazioni militari; ed infatti ancora durante il secondo conflitto mondiale, nell' alveo dell' aviazione civile, sorsero le varianti radar destinate all' ATC ( Air Traffic Control ), sia per monitorare spazi aeroportuali e limitrofi ( ASR o Airport Surveillance Radar ), sia per monitoraggi di aerovia ( ARSR o Air Route Surveillance Radar ). Il sistema di tracciamento con onde radio fin qui descritto, prende complessivamente il nome di PSR ( Primary Surveillance Radar ). Esso, costituendo un adattamento militare, andava però in contro a problematiche di non poco momento: a causa delle dispersioni, per rendere le tracce distinguibili sul monitor, la quantità di energia da emettere è enormente maggiore di quella poi ricevuta di ritorno, quindi occorrerebbero complessivamente potenze tali da rendere impensabile una copertura capillare della rete del traffico aereo civile. Si tenga poi conto che i segnali ricevuti, non permettono di identificare singolarmente gli aeroplani, ne di conoscerne la quota. Le tracce infine, possono appartenere anche ad oggetti diversi dagli aeromobili, come uccelli od ostacoli orografici, e spesso l'operatore non è in grado di distinguere gli uni dagli altri. Tutti questi inconvenienti portarono gli ingegneri militari ad apportare modifiche al sistema originale; nacque così l' IFF ( Identification Friend or Foe), un' apparato che permetteva di discernere gli aerei nemici. Trasferito in ambito civile, divenne SSR ( Secondary Surveillance Radar). Il radar secondario funziona attraverso l'invio di una richiesta da terra rivolta all'aereoplano, sul quale è installato uno speciale ricevitore/trasmettitore, il Transponder. Radar

La risposta di questo strumento lascia una traccia univoca sullo schermo. Precisamente, ad ogni rotazione dell' antenna, l'apparato richiedente a terra effettua un numero di interrogazioni basate su di una coppia di impusi a 1030 Mhz, con spaziatura alternata di 8 millisecondi ( Modo A, surrogato della domanda: qual' è la tua identità ? ) e 21 millisecondi, ( Modo B: qual' è il tuo livello di volo ? ). Il Transponder, ricevuta la richiesta ed identificato il modo ( dalla spaziatura temporale ), risponde a 1090 Mhz. Per assolvere alle richieste in modo A, ad ogni aereo viene chiesto di inserire nel transponder un codice a quattro cifre ( si hanno 2^8 possibili combinazioni, cioé 4096 identificativi diversi). In questo modo la gestione dell' ATC diviene ordinata, perchè il controllore a terra può chiedere solo ad alcuni velivoli di inserire un codice, mentre ad altri no: le tracce a schermo soddisfano quindi, in maniera pulita, le esigenze di traffico del momento. Inoltre per il suo funzionamento, una stazione radar secondaria a terra è molto più economica di un radar vero e proprio, permentendo una copertura capillare dello spazio aereo. Il transponder del SSR risponde automaticamente alle richieste, similmente a quanto fa il pappagallo. Non stupisce allora che in aviazione il termine squawk ( che nella lingua anglosassone indica il verso del pappagallo ), sta ad indicare l'invito ad accendere e ed inserire un dato identificativo nel transponder. L' SSB pur essendo sostanzialmente un sistema passivo, richiede una minima collaborazione di piloti o primi ufficiali di bordo, i quali devono accendere e sintonizzare l'apparato inserendo i codici indicati dai controllori di terra. Codici speciali sono 7700, 7600 o 7500, identificativi di SOS, avaria radio o atti di piratera a bordo; selezionati, la traccia del velivolo comincia a lampeggiare sul monitor dell' operatore a terra. ADS-B

Tornando a quella domanda posta sopra, cioé come sia possibile che quattro aerei dirottati si prendano gioco del controllo dello spazio aereo americano e della Guardia Nazionale, risulata evidente la risposta: i dirottatori hanno semplicemente spento il transponder: alle ore 08.20 locali per il volo AAL 11, alle ore 09.12 per il volo AAL77, alle ore 09.40 per il volo UAL93. Dopo di che quegli aerei furono rintracciabili solo parzialmente, dalle stazioni civii e militari, munite di radiar primario. Cosa che come tutti sappiamo, si rilevò fatalmente inefficace per attivare lo scramble degli F16 della Guardia Nazionale. A dirla tutta è però inspiegabile il ritardo con cui furono mandati in volo i caccia dalla base di Langley, che arrivarono tardivamente sulla città di New York, e non poterono abbattere i voli dirottati, seppur intercettati, a causa dell'enorme inquinamento elettromagnetico di quella sterminata metropoli, cosa che avrebbe rischiato di deviare i missili eventualmente lanciati a tal fine, con esiti prevedibili.

Questo brano voleva tributare memoria a quel tragico evento, celebrandone gli eroi che per salvare vite umane hanno sacrificato la propria ( pompieri, forze dell'ordine,civili volontari ecc..). Essendo un sito di astronomia e quindi di conoscenza e sana sperimentazione, vuole anche dar conto di come potrebbe essere educativo oltre che piacevole ricevere i tracciati radar degli aerei che volano sopra la nostra testa ed intorno a noi. E ciò al fine di stimolare la razionale e pacifica interazione con una delle più caotiche dinamiche del nostro tempo: il trasporto aereo.

Va da subito precisato che da qualche anno l'aviazione civile si è dotata di nuovi Transponder, capaci di operare in MODO S. Questo tipo di apparato trasmette più dati di quelli precedenti, e ciò anche in modalità squitter, cioè senza che il transponder venga interrogato da terra: in gergo è un ADS-B: Automatic Dependent Surveillance–Broadcast, ove l'ultimo termine rende conto del fatto appena accennato, cioè che ci troviamo di fronte ad una vera trasmissione, simile a quella delle radio commerciali, e non ad un' interazione bilaterale terra-volo, come in precedenza.

Con ciò d'altro canto non si vuole in alcun modo affermare che questi ascolti siano permessi in quanto, pur non essendo più necessarie autorizzazzioni per il radioascolto, le frequenze concesse nel nostro paese ai radioamatori sono pur sempre quelle espressamente indicate e per trasmettere essi necessitano espressamente di licenza! ( fatto salvo l'integrazione di fattiscepcie più gravi ex artt. 617ter, quater, quinquies... del Codice Penale, l'utilizzo di apparecchi ricetrasmittenti senza gli appositi permessi rientra nei casi sanzionatori previsti all'art.102 del Codice delle Comunicazioni). Ma anche dal punto di vista della sola ricezione ci sono dei paletti: a 1090 Mhz non figurano attribuzioni radioamatoriali dal parte del Band Plan e, ripeto, il Codice delle Comunicazioni all' Art.134-attività di radioamatore- comma 4 afferma:"e’ libera l’attività di solo ascolto -e trasmissione con licenza- sulla gamma di frequenze attribuita al servizio di radioamatore".

Questo detto e rilevata la contraddittorietà della legislazione italiana sotto alcuni profili ( vi sono addirittura app per smartphone che permettono di tracciare rotte aeree, caratteristiche, dati e telemetria del velivolo con servizi online), torniamo al sistema DS-B, le trasmissioni ricevute,decodificate e visualizzate sul PC attraverso un radar virtuale con tutte le informazioni di broadcast dei velivoli che sorvolano la zona, attivi in modalità squittering.
Il sistema ADS-B, come il precedente, funziona con ricevitore apposito e transponder sintonizzato in banda L a 1090 Mhz. Questo intervallo dello spettro elettromagnetico attraversa agevolmente l'atmosfera e non subisce significativi fenomeni di riflessioni ionosferiche; ciò permette una ricezione del segnale con antenne molto semplici; va però tenuto conto che si tratta di una radiazione di tipo ottico, non debbono quindi frapporsi ostacoli tra il velivolo ed il destinatario, che dovrà montare l' antenna più in alto possibile per avere campo omnidirezionale; la maggior parte dei velivoli saranno infatti bassi sull' orizzonte rispetto a quella manciata che passeranno alti sopra di noi.

Cosa occorre:

Un ricevitore ADS-B, che appunto riceve, amplifica e demodula i segnali analogici

un decoder ADS-B, che digitalizza e filtra i segnali e li invia all' elaboratore

un PC su cui giri il software necessario a gestire la rappresentazione grafica dei segnali digitali e filtrati

un' antenna

Possono essere impiegati diversi ricevitori, alcuni dei quali integrano anche la circuiteria del decoder, come il GNS 5890. Entrambi gli apparati possono essere economicamente realizzati in proprio ( a tale scopo in rete circolano molti schemi ), sia come prodotto commerciale finito, come quello appena menzionato. Quest' ultima soluzione è sicuramente più costosa, ma spesso l'unica praticabile per chi non sia avvezzo al fai da te in elettronica. Si è peraltro scoperto che a causa di una sorta di falla, alcune chiavette ( dongle) per la ricezione della TV digitale ( DVB-TV),possono essere programmate per ricevere i segnali ADS-B. E' a questa soluzione, molto valida per efficacia, economicità e praticità, che qui ci si riferisce.

una chiavetta RTL per ricezione della radio e TV digitale da PC, attraverso la porta USB.

un software client

un software di visualizzazione

un'antenna ( almeno per i primi tests, può andare benone anche la piccola antenna a stilo con base magnetica, sempre fornita assieme a chiavetta e telecomando )

DONGLE SDR

Quanto al dongle DVB-T, al di là della molteplicità di marchi ( quasi sempre cinesi ) sotto cui sono che commercializzati questi prodotti, a noi interessa che rtl

monti uno di questi due chipset : RTL2832U / R820T oppure RTL2832U / E4000. La prima cifra contraddistingue il chipset montato, la seconda il tuner, cioè il dispostitivo di sintonia. L' E4000 può essere sintonizzato tra circa 70 Mhz e 1700 Mhz, ma non nella porzione interna da 1100 Mhz a 1300 Mhz. R820T, per contro oltre a disporre di un range operativo più ampio, non presenta silenziamenti tra i due limiti. Infatti il buco operativo appena sopra il Ghz, è la causa del malfunzionamento, ( in funzione ADSB, si intende ), di alcuni esemplari delle chiavette con E4000. Cosa mai riscontrata col più recente R820T.

Dei due tuner, quindi il primo è nettamente favorito quanto a gamma di ricezione, ma anche a sensibilità e stabilità in frequenza. La sperimentazione di cui in questa pagina, si riferisce dunqe all' accoppiata RTL2832U / R820T.

Va comunque notato che i dongles DVB-T, per quanto sorprendenti quanto a fruibilità trasversale, sono pur sempre apparecchiature di massa, non orientate alla stabile ricezione di segnali radio. Per questa ragione, essi quasi sempre presentano errori di sintonia più o meno marcati. Il cristallo che opera come orologio di sincronizzazione, operante alla frequenza di 28.8 Mhz, è infatti un dispositivo non regolato. Fortunatamente l'errore in frequenza è praticamente lineare entro i limiti operativi del dispositivo; ciò permette l'uso della funzione di correzione dell'errore in p.p.m ( parti per milione ), presente in tutti i software di controllo dei dispositivi SDR ( SDRSharp, HDSDR, WINRAD, SDR RADIO PRO, SDR CONSOLE, QTHID, ecc..). Occore regolare tale parametro in modo che la frequenza selezionata corrisponda alla riga visualizzata nel waterfall del software. Queste considerazioni valgono per quanto riguarda l'impiego proficuo di queste chiavette non dedicate, nell' attività di ricezione radioamatoriale in genere, ma in ambito ADS-B non abbiamo riscontrato significative esigenze in tal senso.

Per prima cosa occorre predisporre la chiavetta per essere adoperata come tuner per frequenze diverse da quelle di ricezione della TV Digitale. Occorre cioè installare dei drivers opportuni al nostro scopo, che causa una sorta di "falla" di programmazione, la nostra chiavetta è in grado di interpretare.Se una volta collegata alla porta USB, venisse richiesta l'indicazione del percorso dei drivers ( quelli contenuti nel cd fornito a corredo), questa richiesta va ignorata. Se il Sistema Operativo ne operasse comunque l'installazione, questi verranno da noi sovrascritti. Se poi volessimo usare la RTL anche per guardare la Tv digitale, dovremmo necessariamente installare i drivers nativi, con la stessa inserita in una porta USB diversa dal quella in cui operiamo col traffico aereo.

Qui si è usato il decoder RTL 1090 ed il software di visualizzazione ADSBSCOPE, accoppiata vincente quanto a facilità di configurazione. Come detto a proposito dell' hardware che se dedicato potrà essere sicuramente più performante, anche quanto ai programmi di ricezione dei segnali dei transponder, sono presenti soluzioni, anche gratuite che offrono prestazioni e configurazioni elevate. Ma questo a costo di una predisposizione che può essere faticosa e varie problematiche possono insorgere a tal fine. RTL 1090 e ADSBSCOPE, invece lavorano bene e sono configurabili in maniera molto semplice, quasi elementare. Affinché la chiavetta possa comunicare con RTL1090, occorre il software ZADIG, cui è demandato il compito di scrivere sulla stessa le opportune librerie. Lo si può scaricare da qui.

Preleviamo la più recente versione del client RTL1090 dal sito dell' autore: http://rtl1090.jetvision.de/.
Preleviamo infine la libreria RelWithDebInfo da questo indirizzo

Nel PC, preferibilmente nella radice C: , creiamo una cartella chiamandola per esempio e ( logicità ), RTL1090. In questa cartella, una volta estratto con winZip, winrar, 7-zip, ecc.. mettiamo il contenuto del file RTL 1090 appena scaricato ( contenente l'eseguibile rtl1090.exe ). Abbiamo scaricato anche RelWithDebInfo: questa cartella contiene una sottocartella denominata rtl-sdr-release, che a sua volta contiene quanto è mostrato nell 'immagine seguente. Le due cartelle contengono files relativi a PC con architetture a 32 bit o 64 bit. A seconda di quale sia quella del vostro computer prendere il contenuto della cartella opportuna e copiarlo in quella da noi creata. In essa ora compariranno anche questi files : rtlsdr.dll, msvcr100.dll, libusb-1.0.dll , prelevati nell' ultima operazione.

rel

Estraiamo l'eseguibile di Zadig, colleghiamo la chiavetta alla porta USB e lanciamo la procedura indicata in Zadig.exe.

nel drop-down menu si seleziona Bulk-In Interface 0. (se non figura questa opzione, nel menù Options si selezioni List All Devices e si riprovi). Senza modificare altro si clicca su Replace Drivers.
Si lacincia RTL1090. Cliccare sulle opzioni di RTLAGC eTuner AGC, poi si prema START e se tutto è stao fatto correttamente, il dongle RTL1090 dovrebbe iniziare lo streaming dei dati raw in formto hex .

Antenna

Un' antenna che si è dimostrata efficace a questo scopo è la cosiddetta collineare.
Fondamentalmente essa è formata da spezzoni di cavo coassiale congiunti in modo alternato tra elemento centrale e calza esterna.

Questa antenna gode di ottima omnidirezionalità verso l'orizzonte, permettendo, se collocata in alto, di avvistare aerei che sono quindi bassi all' orizzonte: ciò si traduce in un potenziale maggiore numero di radio avvistamenti, rispetto a quanto non permetta in principio un' antenna fortemente direttiva. Va comunque considerato che la frequenza centrale di lavoro, 1090 Mhz, essendo tipica del dominio SHF, richiede un' aggancio di tipo "ottico"; la ricezione sarà quindi deteriorata da ostacoli frapposti tra noi ed il transponder emettitore del segnale. Come anticipato, la collineare richiede che il conduttore esterno del coassiale sia collegato a quello interno ( caldo ) ,in modo alternato, come suggerisce la figura sottostante,presa dal sito dello slovacco Dusan Balara, a cui mi sono ispirato e a cui rimando per i dettagli realizzativi e la predisposizione di un eventuale scaricatore di fulmini ( cliccare sull' immagine per raggiungere la pagina di Balara). Quella ritratta nella foto a sinistra, è invece la mia realizzazione, posta sopra al pannello solare e, causa ragioni contingenti, non molto elevata dagli ostacoli circostanti.Ciò nonostante, con questa installazione, si riesconono a ricevere mediamente una trentina di aerei, metre sorvolano i cieli dell'Ossola, del Verbano, del Locarnese, del Varesotto, e naturalmente del CTR

( spazio aereo controllato) di Milano Malpensa.

Il cavo utilizzato è un RG 6, comune linae per TV SAT, televisione terrestre e modems, avente impedenza di 75 Ohm. Per la lunghezza di ogni singolo elemento ci si è attenuti alla formula lambda mezzi, corretta del fattore di velocità che per tali cavi è circa 0.75.

Quindi:

La Lunghezza elettrica di ogni elemento dell' antenna coassiale sarà circa di:

Si può approssimare ad 11 cm; tale lunghezza è da intendersi come mostra la figura sottostante.

Di questi elementi se ne possono realizzare quanti se ne vogliono, per una lunghezza finale dell' antenna arbitraria. Un metro e mezzo circa, può però ritenersi una misura ragionevole. In pratica l'antenna termina con l'ultimo elemento che funge da cavo di trasmissione, anche questo di specifiche non stringenti, anche se meglio sarebbe contenere la sua lunghezza, onde scongiurare disturbi in RF. La perdita dell' RG6 è di 5.65 dB per 100 piedi a 750 Mhz.

Al fine di evitare corti, tra un elemento e l'altro si interpone uno strato di isolante; essi si assicurano poi tra loro con altro nastro adeviso. collegamentocolinear

Al di là di questi accorgimeni, molta attenzione va comunque riposta al fine di non corto-circuitare l'antenna : verificare ogni tratto del conduttore, assicurandosi che non vi siano sbavature della calza esterna, tali che contattino il centrale. A tale scopo può essere utile usare un tester impostato su resistenza.Per isolare l'antenna dagli agenti esterni, una buona soluzione è inserirla in un tubo in PVC da idraulica, tubo che naturalmente dovrà essere ben sigillato agli estremi. Una soluzione protettiva più costosa è costituita da una canna di fibra di vetro.

Tipo: Colinear dipole array

Impedenza: 75 Ohm unbalanced

Irradiazione (H-Plane): 360°

Polarizzazione: Verticale

In alternativa può essere costruito ( in rame ) ed utilizzato, il tipo di antenna, qui schematizzato. In questa soluzione, passando attraverso ogni stilo, il segnale si sfasa di 180°. La fase viene riagganciata con la realizzazione della geometria a loop di 4 cm di diametro ( 13 cm di circonferenza) , come mostra l'immagine. La base di questa antenna, va collegata al contatto caldo del cavo ( RG59, RG58, ecc). La calza va virtualizzata a terra attraverso una lamina circolare di metallo, di 26 cm di diametro o a radiali ( se ne consigliano almeno quattro), di 13 cm di lunghezza ognuno.

Per quanto rigurda il software di visualizzazione, adsbSCOPE è valido e configurabile in pochi passaggi.Basata guardare le immagini seguenti.

adsbscope rtl1090

Rtl1090 e adsbSCOPE possono essere usati anche su pc separati e comunicanti tra loro tramite lan o internet.

ADSBSCOPE lo si trova a questo indirizzo. Qui è possibile prelevare altri files relativi ad aeroporti europei, che possono essere caricati dal software.
PLANEPLOTTER, a questo indirizzo.

VirtualRadarServer FlightRadar24

Una esauriente guida in italiano al tracciamento radar con ASDB# accoppiato ad ADSBSCOPE, può essere reperita qui.
In alternativa si può utilizzare Virtual radar server http://www.virtualradarserver.co.uk/

Credito immagine del velivolo SAS: Aircraft Wallpaper Boeing 737 Scandinavian Airlines , February 23, 2010.

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