Sistema de comunicações de emergência via ionosfera para ligação ANPC-Pedrógão Grande

Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande Rafael Dias Grou Dissertação para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Prof. Doutor António Luís Campos da Silva Topa Júri Presidente: Prof. Doutor José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino Orientador: Prof. Doutor António Luís Campos da Silva Topa Vogal: Prof. Doutor Paulo Sérgio de Brito André Junho de 2018 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 2 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 3 Declaração Declaro que o presente documento é um trabalho original da minha autoria e que cumpre todos os requisitos do Código de Conduta e Boas Práticas da Universidade de Lisboa. Declaration I declare that this document is an original work of my own authorship and that it fulfills all the requirements of the Code of Conduct and Good Practices of the Universidade de Lisboa. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 4 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 5 Agradecimentos Está a terminar mais uma etapa da minha vida académica, e é com grande orgulho e satisfação que agradeço a todos aqueles que contribuíram, de uma forma ou de outra, para que esta fase fosse concluída com sucesso. Antes de mais, gostaria de agradecer à Academia da Força Aérea, instituição que fez de mim a pessoa e o militar que sou hoje, que foi a minha casa durante boa parte da minha vida, e onde tive a oportunidade de receber uma educação e um ensino de excelência. Gostaria também de agradecer ao Instituto Superior Técnico pela sua contribuição no meu percurso académico, e em especial ao Professor Doutor António Topa, pelo acompanhamento incansável e pela disponibilidade que teve, bem como pela preciosa ajuda que me deu nesta etapa final do meu percurso académico. Queria deixar também um agradecimento especial à minha família, que sempre me apoiou, nos bons e nos maus momentos, e dedicar este trabalho aos meus pais, João Carlos Pinto Grou e Idalina Maria Pereira Dias, e à minha irmã, Inês Dias Grou, dos quais espero ser um motivo de orgulho, bem como aos meus amigos, que estiveram e estarão sempre lá para mim quando eu preciso, qualquer que seja o momento. Finalmente, gostaria de agradecer à minha namorada, Rita Féteira, pelo apoio e compreensão demonstrados nesta fase final do meu percurso académico. A todos, do fundo do coração, o meu mais sincero Obrigado. O trabalho realizado nesta dissertação teve como instituição de acolhimento o IT – Instituto de Telecomunicações. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 6 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 7 Resumo Este trabalho teve como inspiração a tragédia que assolou o país em 2017, em que, resultado de falhas no sistema de comunicações existente para situações de emergência, milhares de pessoas acabaram por ser vítimas de um incêndio de proporções gigantescas. Como tal, surgiu a ideia de criar um sistema de comunicações alternativo, para que possa ser acautelada a comunicação entre entidades responsáveis em Portugal, caso o sistema em vigor volte a falhar. Esta dissertação tem como objetivo o estudo de um sistema de comunicações que permita que seja feita uma comunicação viável e de qualidade entre vários pontos do país, quer em situações de catástrofe natural, quer em possíveis cenários de conflito. Então, verificar-se-á se é possível fazer uma ligação entre a sede da ANPC, na Amadora, e a sede dos BV de Pedrógão Grande, através de uma comunicação NVIS. Neste estudo usou-se um dipolo de meia-onda para fazer a transmissão do sinal, e uma antena AS-2259/GR para fazer a receção do sinal. Foram calculados os dados referentes à ligação pretendida e, após os cálculos do ângulo de elevação e da atenuação referente à ligação em estudo, chegou-se à conclusão que, para uma potência de alimentação de 20 W, será possível fazer a ligação entre a ANPC e Pedrógão Grande com grande viabilidade, uma vez que a sensibilidade calculada na receção acaba por ser relativamente superior à sensibilidade necessária para que seja feita uma comunicação com qualidade. Palavras-chave: NVIS, Comunicações de Emergência, Ionosfera, Proteção Civil, Atenuação, Radiopropagação Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 8 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 9 Abstract This work was inspired by the tragedy that devastated the country in 2017, when, as a result of failures in the existing communications system for emergency situations, thousands of people ended up being victims of a fire of gigantic proportions. As such, the idea arose of creating an alternative communications system, so that communication between responsible entities in Portugal could be safeguarded if the current system fails again. This dissertation aims at the study of a communications system that allows a viable and quality communication between various parts of the country, both in natural disasters and in possible conflict scenarios. It will then be verified whether it is possible to make a connection between the ANPC headquarters in Amadora and the BV headquarters in Pedrógão Grande through a NVIS communication. In this study we used a half-wave dipole to transmit the signal, and an AS-2259 / GR antenna to receive the signal. The data concerning the desired connection were calculated and, after calculations of the elevation angle and attenuation for the connection under study, it was concluded that, for a power supply of 20 W, it will be possible to connect the ANPC and Pedrógão Grande with great viability, since the sensitivity calculated in the reception turns out to be relatively superior to the sensitivity necessary for communication to be made with quality. Keywords: NVIS, Emergency Communications, Ionosphere, Civil Protection, Attenuation, Radiopropagation Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 16 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 17 Lista de abreviaturas AFA Academia da Força Aérea ANPC Autoridade Nacional de Proteção Civil BV Bombeiros Voluntários FAP Força Aérea Portuguesa HF High Frequency IST Instituto Superior Técnico MUF Maximum Usable Frequency NVIS Near Vertical Incidence Skywave PCA Polar Cap Absorption SIRESP Sistema Integrado de Redes de Emergência e Segurança de Portugal SNR Signal-to-noise-ratio SWF Short Wave Fade-out UV Ultra Violeta VLF Very Low Frequency Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 18 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 19 Cap. 1 – Introdução 1.1. Motivação Com o crescendo de situações de catástrofe, sejam estas de origem natural ou causadas pelo Homem, cresce também a necessidade de ser feita uma comunicação eficaz nestas mesmas situações. É necessário que seja feita uma comunicação viável, sem interrupções, quer em casos de conflitos, tais como em cenários de guerra, quer também em catástrofes naturais, para que o número de casualidades seja o mais baixo possível, ou de preferência nulo. Em relação às catástrofes naturais, no caso do nosso país, o estudo deste tema poderá ser aplicável mais concretamente aos casos dos incêndios florestais, que tantas vezes assolam Portugal, e também às cheias, que vitimizam milhares de pessoas todos os anos, seja através de danos morais, físicos ou colaterais, mas também a um hipotético cenário de conflito que possa vir a tomar conta do país. Este trabalho foi inspirado na tragédia que assolou o país em Outubro de 2017, mais especificamente a região centro, em que, resultado de falhas no sistema de comunicações existente para situações de emergência, o SIRESP, milhares de pessoas acabaram por ser vítimas de um incêndio de proporções nunca antes vistas em Portugal. Como tal, surgiu a ideia de criar um sistema de comunicação alternativo ao existente, para ser utilizado em situações de emergência, para que possa ser acautelada a comunicação entre as entidades responsáveis em Portugal, caso o sistema em vigor volte a falhar, através de uma comunicação NVIS. A comunicação NVIS é bastante utilizada, especialmente em cenários de guerra, uma vez que permite a comunicação HF a curtas e médias distâncias, permitindo mesmo a ligação aquando da presença de obstáculos, não sendo necessários muitos meios materiais para que seja feita a montagem do sistema 1.2. Objetivos Esta tese de mestrado tem como objetivo o estudo de um Sistema de Comunicação de Emergência alternativo, caso haja uma falha no SIRESP, que permita que seja feita uma comunicação viável entre vários pontos do país, quer em situações de catástrofe natural, quer em possíveis cenários de conflito. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 20 Vai ser feito um estudo da camada da atmosfera através da qual é possível fazerse a comunicação NVIS, a ionosfera, bem como das particularidades da sua estratificação, a influência exercida na densidade de eletrões por vários fatores externos à mesma, e vão ser apresentados alguns modelos teóricos. Será também estudada a atenuação em dois tipos de ligações via ionosfera, com diferentes caraterísticas, para ser determinada a gama de frequências mais benéfica para uma comunicação NVIS. Posteriormente, serão estudados os diferentes tipos de antenas compatíveis com uma comunicação NVIS, com recurso ao software MMANA-GAL, e será escolhido o tipo de antena mais adequado à ligação que se pretende fazer, de acordo com as caraterísticas necessárias para tal. Por fim, será feito o estudo para verificar se é possível fazer uma ligação entre a sede da ANPC, na Amadora, e a sede dos BV de Pedrógão Grande, por forma a aferir a possibilidade de ser feita uma rede de comunicações NVIS em Portugal. 1.3. Estado da Arte NVIS retrata o modo de propagação rádio que usa antenas com um ângulo de radiação muito alto, aproximando-se dos 90 graus na vertical, combinado com a utilização de uma frequência abaixo da frequência crítica, por forma a estabelecer comunicações fiáveis num raio de aproximadamente 320 quilómetros. Este modo de propagação é utilizado normalmente para fazer contactos próximos. Há dois tipos de propagação HF, conhecidas como groundwave e skywave. A propagação groundwave ocorre quando a estação de receção está suficientemente perto da estação de transmissão, e é capaz de receber a percentagem do sinal de transmissão que se propaga junto à superfície terrestre. O alcance da propagação groundwave varia com o tipo de antena presente na estação de transmissão, com as características do chão entre a estação de transmissão e a estação de receção, entre outros fatores. Este alcance pode ter qualquer valor entre alguns quilómetros e algumas dezenas de quilómetros. As distâncias que vão para além do alcance do sinal groundwave são cobertas pelas skywaves. Estas são as ondas que radiam na direção da atmosfera, num ângulo que as Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 21 permite serem refletidas pela atmosfera e regressarem à superfície da Terra, num ponto um pouco mais à frente. A ideia do NVIS é então, como foi referido anteriormente, radiar um sinal a uma frequência que é mais baixa que a frequência crítica, a um ângulo quase vertical, e ter esse sinal refletido pela ionosfera a um ângulo muito alto de incidência, voltando para terra a uma distância relativamente próxima de onde o sinal fora radiado. Uma vez que é impossível que uma antena radie o seu sinal a um ângulo exato, o que se obtém é um conjunto de ângulos, que variam entre quase verticais até perfeitamente verticais. A parte do sinal que é radiada a ângulos verticais ou quase verticais, reflete de volta para terra a um raio que é determinado pelo ângulo mais baixo a partir do qual a antena radia mais sinal. Tendo em conta a camada D da ionosfera, a absorção da mesma, entre outros fatores, determina-se uma frequência mínima abaixo da qual o sinal não será passível de ser utilizado, bem como uma distância em que para lá da mesma o sinal também não se irá propagar. Para áreas que estão dentro do alcance de groundwave da estação de transmissão, a presença da mesma pode interferir com a reflexão de skywave. Contudo, também pode servir como uma ajuda, dependendo se elas chegam em fase, fora de fase, ou um desfasamento entre as duas, dependendo também das potências relativas dos sinais. Uma vez que a altura a que o sinal reflete na ionosfera varia, o alinhamento de fase pode derivar entre estar em fase ou fora de fase, resultando no fading do sinal. Por esta razão, é necessário que se minimize a radiação por groundwave aquando do uso de técnicas NVIS, para que seja menos provável que se interfira com a skywave. No que diz respeito à receção de sinais, existe uma vantagem, para além das vantagens de transmissão de sinais já referidas, que é o facto de, se a antena favorecer ângulos de transmissão altos, também irá favorecer ângulos de receção altos. Para além disso, uma antena otimizada para radiar a ângulos altos usada para NVIS, também será otimizada para receber skywaves que chegarão provenientes da ionosfera a um ângulo alto. Além disso, uma antena que não radia muitos sinais groundwave também não receberá, muito provavelmente, muitos sinais groundwave. Quando ambas as estações usam antenas que estão otimizadas para NVIS, este modo é favorecido tanto em transmissão como em receção, o que aumenta a probabilidade de haver uma comunicação mais fiável. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 22 Existe ainda uma vantagem inerente ao uso de antenas do tipo NVIS que se aplica unicamente à receção. A gama de frequências (entre 2 e 10 MHz) que é vantajosa para NVIS, é também a mesma gama de frequências que se encontra mais suscetível a ruído atmosférico, em que uma das maiores fontes do mesmo são as tempestades distantes. Obviamente que as tempestades mais próximas são piores, como é natural, mas nas tempestades distantes, o ruído de todas as possíveis fontes junta-se. A não ser que haja uma tempestade próxima, a maior parte do ruído será o somatório do ruído de fontes distantes que será todo propagado para a antena recetora. Uma vez que as antenas otimizadas para NVIS captam a maior parte dos sinais propagados de áreas relativamente próximas, e não favorece a receção de sinais, falhas estáticas e outras fontes de ruído ou interferência de fontes mais distantes, não captará tanto ruído como uma antena otimizada para operar em DX. Isto acaba por resultar então num melhor SNR. Habitualmente, são realizadas medidas que otimizam as capacidades das estações NVIS e que baixam substancialmente o nível de ruído das mesmas. Outras vezes, o abaixamento do ruído pode ser maximizado à custa de alguma força do sinal e resultar num circuito de comunicação que tem níveis baixos de sinal, mas níveis ainda mais baixos de ruído, para um SNR ainda melhor que pode ser alcançado focando-se apenas na maximização dos níveis do sinal. Então, é essencial ser selecionada uma frequência abaixo da frequência crítica, mas não muito abaixo da mesma, selecionando uma antena que radie skywaves a um ângulo alto e minimizando as groundwaves e a receção de ruído, para estabelecer uma comunicação fiável num raio de 320 quilómetros, que acaba por ser um desafio para uma operação em gamas altas de frequências. Vantagens do NVIS:  Cobre a área que se encontra habitualmente na skip zone, ou seja, a área que se encontra normalmente muito distante para que possa receber sinais groundwave, mas que ainda não está longe o suficiente para receber skywaves refletidas pela ionosfera;  Não requer qualquer estrutura como repetidores ou satélites, uma vez que duas estações que utilizem técnicas NVIS conseguem estabelecer comunicações fiáveis sem precisarem do auxílio de uma terceira parte;  A propagação NVIS pura é praticamente livre de atenuação; Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 23  Normalmente, as antenas otimizadas para NVIS são baixas (dipolos simples funcionam perfeitamente). Uma boa antena NVIS pode ser elevada facilmente, num curto período de tempo, por uma pequena equipa ou apenas por uma única pessoa;  Áreas baixas ou vales não se revelam um problema para a propagação NVIS;  O percurso de ida e volta da ionosfera é curto e direto, acabando por ter poucas perdas;  As técnicas NVIS podem ainda reduzir fortemente o ruído e a interferência, o que leva a um aumento do SNR;  Uma vez que tem um alto SNR e baixas perdas, o NVIS acaba por operar bem a baixa potência. Desvantagens do NVIS:  Para que sejam obtidos melhores resultados, ambas as estações (transmissão e receção) deverão estar otimizadas para operar em NVIS. Se uma antena da estação der prioridade à propagação groundwave, dando a antena da estação oposta prioridade a propagação NVIS, pode levar a resultados pobres. Algumas estações têm antenas que são aptas para o uso de NVIS, mas outras estações não funcionam dessa forma;  Não funciona em todas as altas frequências, portanto deve ter-se o cuidado de se escolher a frequência apropriada, que será uma gama em que o ruído será um problema, o comprimento das antenas é longo, e as larguras de banda são relativamente pequenas para transmissão digital;  Devido a diferenças de propagação entre dia e noite, deverá ser usado um mínimo de duas frequências diferentes para assegurar comunicações fiáveis 24 horas por dia. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 24 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 25 Cap. 2 – Propagação Via Ionosfera 2.1. A Ionosfera A ionosfera é definida como a camada da atmosfera que está ionizada por radiação cósmica e solar. Está situada entre os 50 e os 1000 km acima da crosta Terrestre. Esta camada da atmosfera inclui a termosfera, bem como algumas partes da mesosfera e da exosfera. É uma camada em que, devido à alta energia do Sol e dos raios cósmicos, os átomos perdem um ou mais eletrões, e ficam carregados positivamente, ou seja, ficam ionizados. Estes iões comportam-se como partículas livres. Durante a noite, sem a interferência do Sol, os raios cósmicos ionizam a ionosfera, embora não tão fortemente como os raios UV. Estes raios cósmicos são provenientes de diversas fontes, estando elas presentes na nossa Galáxia ou no resto do Universo – tais como supernovas, quasares ou buracos negros. É devido ao facto de a ionosfera estar muito menos carregada durante a noite que alguns fenómenos que se passam nela são mais fáceis de observar. A ionosfera tem uma grande importância porque, entre outras coisas, influencia a propagação rádio para sítios distantes na Terra, e a propagação entre satélites e a Terra. Para ondas de frequência muito baixas, a ionosfera e a superfície terrestre produzem um guia de ondas pelo qual os sinais rádio podem ressaltar e traçar o seu caminho à volta da Terra, como representado na figura 1. Figura 1 – Reflexão de ondas VLF na ionosfera (adaptado de [16]) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 32 Figura 6 – Variação da frequência máxima com o número de manchas solares (adaptado de [11]) Isto acontece porque existe uma maior radiação a ser emitida pelo sol no seu pico solar, produzindo mais eletrões na ionosfera, o que permite o uso de altas frequências. Mas existem outras consequências deste ciclo solar. Durante este pico existe uma maior probabilidade de ocorrerem clarões solares. Este fenómeno trata-se de enormes explosões do sol que emitem radiação que ioniza a camada D, causando um aumento na absorção de ondas HF. Uma vez que esta camada apenas está presente durante o dia, apenas os trajetos que passem pela luz do dia são afetados. A absorção de ondas HF que viajam pela ionosfera depois de um clarão solar é chamada de fade-out. Os fade-outs ocorrem instantaneamente e afetam maioritariamente as frequências baixas. Se se suspeita que tenha ocorrido um fade-out, então é aconselhável que se usem altas frequências. A duração deste fenómeno pode variar entre 10 minutos e algumas horas, estando dependente da duração e da intensidade do clarão solar. 2.3.4. Variações sazonais As variações sazonais são o resultado da translação da Terra em torno do Sol. As frequências na camada E são maiores no verão do que no inverno. Contudo, a variação das frequências na camada F é mais complicada. Em ambos os hemisférios, as frequências na camada F geralmente têm o seu pico por volta dos equinócios (Março e Setembro). Por volta do mínimo solar no verão, as frequências são, como esperado, geralmente maiores que as apresentadas no inverno, mas por volta do pico máximo solar, as Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 33 frequências no inverno tendem a ser maiores que no verão. Para além disso, as frequências por volta dos equinócios são maiores que as do verão e inverno para o pico e para o mínimo solar. A observação das frequências de inverno serem habitualmente maiores que as do verão é denominada anomalia sazonal. 2.3.5. Variações com a latitude A figura 7 mostra as variações nas camadas E e F das frequências máximas ao meio-dia (Hemisfério-Dia) e à meia-noite (Hemisfério-Noite) desde o pólo até ao equador. Durante o dia, com o aumento da latitude, a radiação solar atinge a atmosfera mais obliquamente, então a intensidade da radiação e a produção diária de eletrões livres diminui. Na camada F, esta variação de latitude continua durante a noite devido à ação de correntes de ar atmosféricas. Os desvios da latitude de baixas para altas latitudes são também notórios. O pico das frequências na camada F não são no equador geomagnético, mas sim 15 a 20 graus a norte ou a sul do mesmo. Isto é chamado de anomalia equatorial. Para além disso, à noite, as frequências atingem um mínimo por volta dos 60 graus a norte ou a sul do equador geomagnético. Esta é a chamada latitude de depressão. Os comunicadores que requerem comunicações perto do equador durante o dia e uma latitude de 60 graus durante a noite, devem ter em atenção estas caraterísticas. Por exemplo, na figura 7 pode ver-se o quão rápido as frequências podem mudar perto da latitude de depressão e da anomalia equatorial, portanto uma variação no ponto de reflexão perto destas, pode levar a uma variação grande na frequência suportada. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 34 Figura 7 – Variação da frequência máxima com a latitude geomagnética (adaptado de [11]) 2.4. Efeitos das Perturbações Solares Para além de todos os fatores já apresentados, existem ainda alguns eventos que influenciam a densidade de eletrões presentes na ionosfera. São estes os fade-outs de ondas curtas, a absorção nas calotas polares, e as tempestades ionosféricas. 2.4.1 Fade-outs de Ondas Curtas A radiação proveniente do Sol durante grandes clarões solares causa a ionização da camada D, o que resulta numa maior absorção de ondas rádio HF. Se o clarão for grande o suficiente, todo o espetro HF pode ficar inutilizável durante um período de tempo. Estes fade-outs são mais passíveis de acontecer durante os máximos solares. As caraterísticas principais dos SWF’s são:  Apenas serão afetados circuitos que transmitam durante o dia;  Os fade-outs duram normalmente entre alguns minutos e algumas horas, com um começo rápido e uma recuperação lenta. A duração do fade-out dependerá sempre da duração do clarão solar;  A intensidade do fade-out depende do tamanho do clarão solar e da posição do Sol relativamente ao ponto onde a onda rádio passa através da camada D. Quanto maior a altura do Sol em relação a esse ponto, maior será a absorção; Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 35  A absorção é maior nas gamas de frequências mais baixas, que são as primeiras a serem afetadas e as últimas a recuperar. Gamas de frequências mais altas são normalmente menos afetadas e poderão continuar a ser utilizáveis, tal como apresentado na figura 8. Figura 8 – Influência dos fade-outs na potência do sinal (adaptado de [11]) 2.4.2 Eventos de Absorção nas Calotas Polares Os PCA’s são atribuídas a protões de alta energia que escapam do Sol quando os grandes clarões solares acontecem e movem-se ao longo das linhas do campo magnético da Terra em direção às regiões polares. Aí, eles ionizam a camada D, causando uma grande absorção de ondas HF. Os PCA’s podem começar logo 10 minutos após o começo de um clarão solar e podem durar até 10 dias. Até a zona polar de inverno (uma região de escuridão permanente) pode sofrer os efeitos dos PCA’s, uma vez que a camada D ionizada é formada por protões em vez de luz solar. Os efeitos dos PCA’s podem por vezes ser ultrapassados por mensagens de retransmissão em circuitos que não requeiram pontos de reflexão polares. Os PCA’s, tal como os SWF’s, ocorrem maioritariamente durante os máximos solares, no entanto não são tão frequentes como estes. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 36 2.4.3 Tempestades Ionosféricas Devido a eventos que acontecem no Sol, por vezes o campo magnético da Terra fica afetado. O campo geomagnético e a ionosfera estão ligados de uma maneira muito complexa e um distúrbio no campo geomagnético pode muitas vezes causar distúrbios na ionosfera. Estes distúrbios, chamados Tempestades Ionosféricas, por vezes começam com um aumento da densidade de eletrões, permitindo que gamas mais altas de frequências sejam suportadas, seguidas de um decréscimo na densidade de eletrões até serem suportadas apenas gamas de baixas frequências pela ionosfera. Isto não irá normalmente preocupar um comunicador HF, mas a depressão pode levar a que frequências que habitualmente sejam utilizadas para fazer a comunicação sejam muito altas. As tempestades ionosféricas podem durar alguns dias e geralmente acontecem mais em latitudes mais altas do que em latitudes mais baixas. Ao contrário dos fade-outs, afetam maioritariamente altas frequências. Então, para reduzir os efeitos destas tempestades nas comunicações, deverão ser utilizadas frequências mais baixas, onde for possível. 2.5. Plasma Ionosférico Duas propriedades fundamentais de um plasma, a frequência de plasma (𝑓𝑝) e o índice de refração (𝑛), determinam as interações entre o plasma e a radiação eletromagnética. A figura 9 representa essas mesmas interações. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 37 Figura 9 – Interações entre o plasma e a radiação eletromagnética 2.5.1. Modelos Teóricos do Plasma Ionosférico A ionosfera é composta essencialmente por um plasma, plasma esse que apresenta uma variação na densidade de eletrões, dependendo de vários fatores, como já foi referido anteriormente. Para que se estabelecesse uma expressão analítica para a ionosfera em função da densidade de eletrões presentes na mesma, Sydney Chapman baseou-se na densidade de eletrões em função da altura e da inclinação do sol. Visto que este modelo tinha várias limitações, seguiram-se vários modelos para o cálculo de trajetórias de raios na ionosfera, tendo por aproximação o modelo de Chapman. 2.5.1.1. Modelo de Chapman Sydney Chapman assumiu algumas hipóteses para desenvolver um modelo teórico simplificado, tais como:  A atmosfera é constituída por um único gás;  A radiação proveniente do Sol é monocromática;  A densidade atmosférica diminui exponencialmente com a altura;  A radiação solar é atenuada exponencialmente;  A Terra é plana (como forma de simplificar as contas). Neste modelo, a densidade de eletrões é dada pela expressão: Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 38 𝑁𝑒=𝑁𝑒𝑀𝑒(1−𝑦−sec(𝜒)𝑒−𝑦 2) (2.1) Em que 𝑁𝑒𝑀 é a densidade máxima de eletrões, e 𝜒 é o ângulo que o Sol faz com a vertical da Terra, tal como se verifica na figura 10. Figura 10 – Geometria de Chapman O valor de 𝑦 é dado pela expressão: 𝑦=ℎ−ℎ𝑚 𝐻 (2.2) Em que ℎ é o valor da altura, e ℎ𝑚 é o valor da altura correspondente a 𝑁𝑒𝑀. O valor de 𝐻 é dado pela fórmula: 𝐻=𝑘𝑇 𝑀𝑔 (2.3) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 39 Em que 𝑘 é a constante de Boltzman, 𝑇 é a temperatura absoluta em função da altura, em Kelvin, 𝑀 é a massa molar, e 𝑔 é a aceleração gravítica. Contudo, este modelo contém várias limitações, uma vez que:  Não considera o efeito magnético;  Não considera a colisão entre partículas;  A escala de altura não é constante;  Assume um estado estável, uma vez que não considera outras fontes de ionização, e assume uma intensidade solar constante;  Dá apenas uma descrição qualitativa;  Subestima severamente a camada D durante a noite. 2.5.1.2. Modelo Linear Através da leitura da figura 11, é possível verificar que o modelo linear assume que, a partir de certa altura, a densidade de eletrões aumenta, possibilitando decompor um perfil complexo em estratos sucessivos, dado pela expressão: 𝑁𝑒−𝑁0=𝑎(ℎ−ℎ1) (2.4) Em que 𝑎 é o declive e ℎ1 é a altura em que se inicia a ionosfera, dada em km. Figura 11 – Densidade de eletrões para o modelo linear (retirado de [1]) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 40 2.5.1.3. Modelo Exponencial Outro dos modelos é o modelo exponencial, em que ℎ𝑟 é um nível de referência com 𝑁=𝑁𝑟; o sinal (-) representará o topo da ionosfera, e o sinal (+) a base da ionosfera [1]. Este modelo é dado pela expressão: 𝑁𝑒=𝑁𝑟.𝑒[∓ℎ−ℎ𝑟 2𝐻 ] (2.5) 2.5.1.4. Modelo Parabólico O modelo parabólico, apresentado na figura 12, assume que os valores de 𝑦 e de 𝜒 são muito pequenos e a expressão que dá a densidade de eletrões é: 𝑁𝑒=𝑁𝑒𝑀[2(ℎ−ℎ1) 𝑦𝑚−(ℎ−ℎ1) 𝑦𝑚2] (2.6) Em que 𝑦𝑚 é a “meia espessura” da ionosfera. É muitas vezes uma boa representação da base da ionosfera até ao pico de ionização [1]. Figura 12 – Densidade de eletrões para o modelo parabólico (retirado de [1]) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 41 2.5.2. Frequência de Plasma A frequência de plasma trata-se de uma frequência característica definida na ausência de campo magnético imposto e observa-se quando se introduz uma perturbação inicial que separe as partículas carregadas em presença. Assim separando os eletrões e os iões segundo uma direção x forma-se uma dupla camada de espessura 𝑑𝑥, e densidade de carga superficial 𝑞.𝑁𝑒.𝑑𝑥, onde a carga de um eletrão é dada por –𝑞 [1], tal como apresentado na figura 13. Figura 13 – Formação do plasma (retirado de [1]) Através desta separação é criado um campo elétrico que é dado (a partir da equação ∇.𝐷=𝜌) por 𝐸=−𝑞.𝑁𝑒.𝑥 𝜀0 (2.7) Os eletrões e os iões ficam submetidos a uma força de compensação dada por 𝑞.𝑁𝑒.𝐸, e considerando por agora só os eletrões pode-se escrever para estes a igualdade da força de inércia à força de atração elétrica [1]: Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 48 ℎ𝑎=3×108×∆𝑡 2 (2.28) 2.7. Frequência Máxima Utilizável A Frequência Máxima Utilizável é a maior frequência que pode ser utilizada em transmissão entre dois pontos, através de reflexão na ionosfera, em determinado instante de tempo, independentemente da potência de transmissão. Esta frequência é dada pela expressão 𝑀𝑈𝐹= 𝑓𝑐 cos𝜃 (2.29) Em que 𝑓𝑐 é a frequência crítica e 𝜃 é o ângulo de incidência da onda curta estabelecido entre o raio da mesma e o zénite, como representado na figura 15. A frequência crítica trata-se da frequência máxima a partir da qual a ionosfera deixa de refletir um sinal, para uma incidência perpendicular à superfície terrestre. Se o sinal emitido tiver uma frequência superior a esta, acaba por não ser refletido, atravessando a ionosfera, e é dada pela expressão 𝑓𝑐=√80,55𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥 (2.30) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 49 Figura 15 – Representação da MUF Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 50 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 51 Cap. 3 – Atenuação numa Comunicação Via Ionosfera A comunicação via ionosfera continua a ser uma opção bastante viável e é importante em situações, por exemplo, de catástrofes naturais, em que possa não existir qualquer outro tipo de meio de comunicação, devido a possíveis falhas dos mesmos. É também um tipo de comunicação muito utilizado em cenários de guerra e conflitos. Como já foi referido anteriormente, a ionosfera funciona como uma camada refletora para as ondas rádio nalgumas gamas de frequência, ainda que só para frequências não muito elevadas (no máximo frequências na ordem de grandeza entre os 3 e os 30 MHz). Como tal, para que seja feita uma ligação, é necessário que o sinal seja transmitido pela antena transmissora, e atinja a ionosfera, com um ângulo, denominado ângulo de fogo, oblíquo. Para frequências acima de 30 MHz, o sinal, mesmo que seja transmitido num ângulo oblíquo, acaba por atravessar a ionosfera, perdendo-se no Espaço. Quando o sinal é refletido pela ionosfera, volta para a superfície terrestre, permitindo que seja feita a comunicação. Este fenómeno é denominado por salto, e está representado na figura 16. Figura 16 – Representação de ligações com um e dois saltos Após ser refletido na ionosfera, e voltar para a superfície terrestre, o sinal poderá ser novamente refletido no chão e voltar para a ionosfera, obtendo-se assim mais do que um salto, como representado na figura. Assim poderão haver várias reflexões, que poderão corresponder a n saltos, que permitem ao sinal propagar-se em longas distâncias. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 52 Essas reflexões várias que o sinal pode sofrer acabam por causar uma atenuação no mesmo, nomeadamente devido ao facto de atravessar as várias camadas da ionosfera, e devido às superfícies rugosas que poderá encontrar ao refletir na Terra. Como tal, e visto que pode haver mais do que um salto na comunicação via ionosfera, será feito um estudo para dois casos – o primeiro, para o caso de haver apenas um salto, e o segundo, para o caso de haverem dois saltos. A distância que vai ser considerada será de 200 km entre antena emissora e antena recetora no primeiro caso, e de 400 km no segundo. O estudo de ambos os casos tem como objetivo calcular a atenuação total sofrida pelo sinal na comunicação via ionosfera entre dois pontos da superfície terrestre. Para o primeiro caso, em que apenas ocorre um salto, temos a representação do mesmo na figura 17. Figura 17 – Ligação com um salto Visto que estamos a falar de comunicações NVIS, a gama de frequências a ser utilizada situa-se entre 3 e aproximadamente 10 MHz, por isso as frequências consideradas para os cálculos serão de 3 MHz, 5 MHz, 8 MHz e 10 MHz. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 53 3.1. Ângulo de Fogo Para definir com precisão o trajeto percorrido pelo sinal enviado pela antena emissora, é necessário calcular a relação entre a distância de salto d, a altura virtual h’ e o ângulo de fogo ψ. Para tal, será utilizada a aproximação da Terra plana para calcular o ângulo de fogo a uma determinada frequência f. A geometria da trajetória da onda, que reflete na ionosfera, está representada na figura 18. Figura 18 – Representação do ângulo de fogo A expressão que permite calcular o valor do ângulo de fogo ψ é dada, então, por 𝜓 =tan−12ℎ′ 𝑑 (3.1) 3.1.1. Simulação de ψ Na figura 19, é apresentado um gráfico que faz o estudo do ângulo de fogo ψ de acordo com as alturas virtuais h’=80 km, 100 km, 250 km e 350 km, sendo que é possível notar que ψ é inversamente proporcional à distância entre antenas, ou seja, quanto maior a distância entre antenas, menor é o ângulo de fogo, sendo que este tem uma variação maior para distâncias mais pequenas, e quando atinge distâncias mais altas, tende para uma assimptota horizontal. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 54 Figura 19 – Ângulos de fogo em função da altura virtual 3.2. Atenuação em Espaço Livre A atenuação em espaço livre é a perda da força do sinal que ocorre quando uma onda eletromagnética se propaga em espaço livre. Neste caso em específico, não existem obstáculos que possam causar a reflexão ou refração do sinal, ou que possam causar atenuação adicional. O cálculo da atenuação em espaço livre (𝐴0) refere-se às perdas durante o trajeto do sinal em si e não se relaciona com a potência de transmissão, com os ganhos das antenas, ou com a sensibilidade da antena recetora. De resto, a fórmula através da qual é calculada a atenuação em espaço livre, que é uma adaptação da fórmula de Friis, assume que o ganho das antenas é unitário para a antena transmissora e para a antena recetora. As antenas são, portanto, isotrópicas (𝐺𝑒=𝐺𝑟=0), e a atenuação em espaço livre é então expressa em dB e dada pela fórmula 𝐴0=32,44+20log(𝑑[𝑘𝑚])+20log(𝑓[𝑀𝐻𝑧]) [𝑑𝐵] (3.2) Tendo em conta o alcance considerado de 200 km, e aplicando o Teorema de Pitágoras para calcular a distância percorrida pelo sinal, que toma um valor de 𝑑= 0 20 40 60 80 100 50 100 150 200 250 300 320 ψ Distância entre antenas [km] Ângulo de fogo para h'=80km (ψ) [graus] Ângulo de fogo para h'=100km (ψ) [graus] Ângulo de fogo para h'=250km (ψ) [graus] Ângulo de fogo para h'=350km (ψ) [graus] Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 55 728,01 𝑘𝑚, e varrendo as frequências definidas previamente, os valores obtidos para a atenuação 𝐴0 são apresentados na tabela 1. Frequência [MHz] 𝑨𝟎 [dB] 3 99,3 5 103,7 8 107,8 10 109,7 Tabela 1 – Valores da atenuação em espaço livre Através da leitura da tabela, e como era expectável, é possível verificar que a atenuação em espaço livre aumenta com a frequência, para uma distância de 200 km, apesar de esse aumento ser cada vez menor à medida que se varre a gama de frequências. 3.3. Atenuação na Ionosfera Para além da atenuação em espaço livre, há também que ter em conta a atenuação sofrida pelo sinal nas diversas camadas da ionosfera. Tendo em consideração que a estratificação das camadas da ionosfera é considerada plana, a atenuação em cada camada da mesma é dada por 𝐴𝑖=𝑒−2∝𝜘 (3.3) Na qual ∝ corresponde à constante de atenuação, e 𝜘 corresponde à distância percorrida pelo sinal dentro da ionosfera. O cálculo da constante de atenuação foi obtido anteriormente através da expressão (2.27) Uma vez que as caraterísticas das camadas da ionosfera são diferentes, a cada uma delas irá corresponder uma constante de atenuação diferente. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 56 A distância percorrida pela onda dentro da ionosfera é obtida para cada camada adaptando o segundo teorema de Martyn sobre a absorção. Este teorema indica que, assumindo que a estratificação da ionosfera é plana, a absorção de uma onda incidente, com um ângulo ∅0, complementar ao ângulo de fogo, correlaciona-se com a absorção da onda vertical equivalente, com uma frequência 𝑓cos∅0. Assumindo que se passa o que está representado na figura 18, e adaptando-se o teorema para o ângulo de fogo ψ em que se substitui a altura virtual pela espessura da camada em questão (𝑒𝑠𝑝), a expressão que permite obter a distância percorrida pela onda dentro da ionosfera é dada por 𝜘 = esp sin𝜓 (3.4) Aplicando esta expressão, e recorrendo à figura 19 para obter o valor dos ângulos de fogo das camadas D, E, F1 e F2 para um alcance de 200 km, serão obtidos os valores de 𝜘 apresentados na tabela 2. 𝒆𝒔𝒑 [km] 𝝍 [graus] 𝝒 [km] Camada D 40 38,65981 64,03124237 Camada E 50 45 70,71067812 Camada F1 70 68,19859 75,3923073 Camada F2 190 74,05460 197,6029827 Tabela 2 – Distância percorrida pelo sinal em cada uma das camadas da ionosfera Verifica-se, através da leitura da tabela, que a distância percorrida pela onda aumenta da camada D para a camada F2, aumentando significativamente na camada F2, uma vez que esta camada tem uma espessura consideravelmente maior que todas as outras. No que diz respeito ao cálculo da constante de atenuação 𝛼, tomam-se como referência, para cada camada da ionosfera, para o número de colisões 𝜗 e para a densidade de eletrões 𝑁𝑒, os valores apresentados em [1]. Esses valores estão explícitos, para as camadas da ionosfera em estudo, na tabela 3. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 57 𝑵𝒆 𝝑 Camada D 1010 106 Camada E 1011 104 Camada F1 1012 103 Camada F2 1012 102 Tabela 3 – Valores de 𝑵𝒆 e de 𝝑 para as diferentes camadas da ionosfera Através destes valores é possível então fazer-se o cálculo da constante de atenuação em cada uma das camadas da ionosfera, para cada uma das frequências em estudo. Pela leitura da tabela 4, é possível verificar-se que a camada D é aquela que provoca uma atenuação maior no sinal emitido, sendo a camada F2 aquela que apresenta um valor menor para a constante de atenuação. É também passível de se verificar que existe uma diminuição notória e gradual da constante de atenuação de 3 MHz para 10 MHz. 𝜶 f = 3 MHz f = 5 MHz f = 8 MHz f = 10 MHz Camada D 0,000146858 5,2964E-05 2,07018E-05 1,32511E-05 Camada E 1,47271E-05 5,30176E-06 2,071E-06 1,32544E-06 Camada F1 1,47271E-05 5,30176E-06 2,071E-06 1,32544E-06 Camada F2 1,47271E-06 5,30176E-07 2,071E-07 1,32544E-07 Tabela 4 – Constante de atenuação para as diferentes camadas da ionosfera Calculado o valor da constante de atenuação e da distância percorrida pela onda na ionosfera, é possível então proceder-se ao cálculo da atenuação na ionosfera. Para isso, utiliza-se a expressão (2.27). Os valores da atenuação obtidos estão apresentados na tabela 5. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 64 alocar a antena. Se não for possível fazer a montagem no sítio escolhido, deve escolherse outro local. Geralmente, num ambiente militar, a situação tática determina a posição das antenas. O local ideal seria uma área livre e plana, isto é, sem árvores, edifícios, linhas de alta tensão ou montanhas. Infelizmente, um local desses raramente está disponível. Deve escolher-se então uma área o mais livre e plana possível. Se não houver um local destes, deve tentar manter-se a distância horizontal apresentada na tabela 11, assumindo-se uma antena instalada a uma altura de aproximadamente 10 metros e árvores com uma altura aproximada de 23 metros. Ângulo de fogo [graus] Distância horizontal a que a antena deve estar das árvores [metros] 0 18000 10 966 20 483 30 298 40 201 50 145 60 105 70 64 80 32 90 0 Tabela 11 – Distância horizontal mediante o ângulo de fogo Após a seleção da antena, deve estudar-se a forma como a mesma será alimentada. A maior parte das antenas táticas são alimentadas através de um cabo coaxial. 4.2. Ganho da Antena Para determinar o ganho de uma antena a um ângulo de fogo específico, a figura 22 apresenta um diagrama de radiação vertical da antena que permite o cálculo do mesmo. Os números ao longo do anel representam o ângulo de fogo em relação à Terra, sendo que os 90 graus dizem respeito a um ângulo na vertical, e os 0 graus representam um ângulo paralelo à superfície terrestre. Na zona inferior do diagrama estão representados Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 65 números de -10 (ao centro) até +15 (nos extremos). Estes valores representam o ganho da antena em dBi. Para encontrar o ganho da antena numa certa frequência e ângulo de fogo, deve achar-se o ângulo de fogo desejado no gráfico. De seguida, segue-se essa linha em direção ao centro do gráfico, até encontrar o diagrama da frequência desejada. Figura 22 – Exemplo de um diagrama de radiação A título de exemplo, se se desejar um ângulo de fogo de 40 graus, para uma frequência de 9 MHz, o ganho da antena é de 0 dBi. 4.3. Tipos de Antenas Após todas as características da antena serem determinadas, deve escolher-se a antena necessária para a ligação. Na tabela 12 estão apresentados os vários tipos de antenas de possível utilização em ligações NVIS, bem como as suas características. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 66 Diretividade Polarização Largura de Banda Antena Omnidirecional Bidirecional Horizontal Vertical Larga Estreita AS-2259/GR X X X X Dipolo de meia-onda X X X V invertido X X X X L invertido X X X X Tabela 12 – Antenas compatíveis com as caraterísticas de uma ligação NVIS 4.3.1. Antena AS-2259/GR A antena AS-2259/GR é a antena mais utilizada por militares, e proporciona propagação NVIS para ligações de curtas distâncias. A sua montagem consiste em dois dipolos inclinados e cruzados, posicionados num certo ângulo, e é suportada, ao centro, por um mastro de aproximadamente 4 metros. Aquando do seu uso, os componentes do dipolo fornecem suporte de orientação para o mastro. Uma montagem desta antena está representada na figura 23. Figura 23 – Exemplo de montagem de uma antena AS-2259/GR (retirado de [4]) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 67 A sua gama de frequências varia entre os 2 e os 30 MHZ, tem uma polarização simultaneamente horizontal e vertical, uma capacidade de potência de 1000 watts e uma diretividade omnidirecional. O seu diagrama de radiação vem apresentado na figura 24. Figura 24 - Diagrama de radiação da antena AS-2259/GR (Harris RF1936) 4.3.2. Dipolo de meia-onda O dipolo horizontal de meia-onda é usado em curtas e médias distâncias. Uma vez que é relativamente fácil de construir, esta é a antena mais comumente utilizada. É uma antena bastante versátil, e ajustando a altura da mesma em relação ao chão, o seu ganho máximo varia entre ângulos de fogo médios (para médias distâncias) e ângulos de fogo altos (para curtas distâncias). Quando esta antena é construída para uma altura de metade do comprimento de onda, acaba por ser uma antena bidirecional. A figura 25 apresenta o diagrama de radiação da antena nesse caso (bidirecional), onde A representa o diagrama para a zona central da antena, e B representa o diagrama de radiação para os extremos da antena. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 68 Figura 25 – Exemplo do diagrama de radiação de um dipolo de meia-onda montado à altura 𝝀 𝟐 (retirado de [4]) Comparando estes dois diagramas de radiação, é facilmente visto que, para um ganho máximo, um dipolo de meia-onda deve ser construído para que os lados da antena apontem na direção da estação com que querem comunicar. Para o caso em que a antena seja montada a uma altura de 14 ⁄ do comprimento de onda, o resultado do seu diagrama de radiação está apresentado na figura 26, no gráfico C. Esta antena de altura mais baixa produz um ganho máximo para ângulos de fogo altos. O gráfico D, que mostra o diagrama de radiação para os extremos do dipolo, também tem um ganho máximo para ângulos de fogo altos. Isto significa que, para ligações de curtas distâncias, que requerem ângulos de fogo elevados, um dipolo montado a uma altura de 14 ⁄ do seu comprimento de onda produz uma cobertura quase omnidirecional. Figura 26 - Exemplo do diagrama de radiação de um dipolo de meia-onda montado à altura 𝝀 𝟒 (retirado de [4]) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 69 O dipolo de meia-onda é uma antena de ressonância equilibrada, e um exemplo da sua montagem está apresentado na figura 27. Esta antena consiste em dois condutores de 14 ⁄ do comprimento de onda, colocados de ponta a ponta, obtendo um tamanho total de metade com comprimento de onda. Figura 27 – Exemplo de montagem de um dipolo de meia-onda (adaptado de [4]) Esta antena produz um ganho máximo para uma gama de frequências muito estreita, normalmente 2% acima ou abaixo da sua frequência de operação. Uma vez que as frequências atribuídas estão separadas por alguns MHz, é necessário que se construa um dipolo separado para cada frequência atribuída. Como tal, nas figuras 28, 29 e 30 estão apresentados os diagramas de radiação para dipolos de 8, 10 e 12 metros, respetivamente obtidos através do software MMANA-GAL. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 70 Figura 28 – Comparação dos diagramas de radiação de um dipolo montado a 8 metros de altitude Figura 29 - Comparação dos diagramas de radiação de um dipolo montado a 10 metros de altitude Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 71 Figura 30 - Comparação dos diagramas de radiação de um dipolo montado a 12 metros de altitude Se não houver espaço ou recursos disponíveis para construir dipolos separados, podem combinar-se três ou quatro para ocuparem o espaço normalmente necessário para construir um. Na figura 27 pode observar-se que os dipolos estão ligados ao mesmo isolador central, e são alimentados por um único cabo coaxial. Quando a antena é alimentada por uma designada frequência, o dipolo correspondente a essa frequência é que irá radiar a potência. Desta maneira, podem ser combinados até 4 dipolos. Na construção da antena, deve ser examinada a frequência individual designada para determinar se uma frequência é três vezes maior que a outra. Se esta relação se verificar entre duas frequências, um dipolo cortado em comprimento para a menor das duas frequências irá funcionar bem para ambas as frequências. O comprimento de um dipolo de meia-onda é calculado através da expressão 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑝𝑜𝑙𝑜=𝜆 2=3𝑥108 𝑓2 ⁄ (4.1) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 72 Já a altura do dipolo de meia-onda, para um tamanho do dipolo de 14 ⁄ do comprimento de onda, é dada por 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑝𝑜𝑙𝑜=3𝑥108 𝑓4 ⁄ (4.2) E para um tamanho de 12 ⁄ do comprimento de onda, é dada por 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑝𝑜𝑙𝑜=3𝑥108 𝑓2 ⁄ (4.3) 4.3.3. V invertido A antena de V invertido é semelhante ao dipolo, mas utiliza apenas um único suporte ao centro, tal como apresentado na figura 31. Figura 31 – Exemplo de montagem de uma antena em V invertido (adaptado de [4]) Tal como o dipolo, esta antena é desenhada para uma frequência específica e tem uma largura de banda de cerca de 2% acima ou abaixo da frequência de design. Devido aos seus lados inclinados, esta antena produz uma combinação de radiação horizontal e Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 73 vertical – horizontal junto aos bordos da antena e vertical nos extremos. Todos os fatores de construção do dipolo também se aplicam à antena em V invertido. Apesar do V invertido ter um ganho menor quando comparado com o dipolo, ao usar apenas um suporte, faz com que esta antena seja a preferida para algumas situações táticas. Tem uma capacidade de potência de 1000 watts, a sua radiação é basicamente omnidirecional, com uma polarização combinada, e o seu diagrama de radiação está apresentado na figura 32, obtido através do software MMANA-GAL. Figura 32 - Comparação dos diagramas de radiação de um V invertido 4.3.4. L invertido A antena em L invertido é uma combinação entre uma secção horizontal e uma secção vertical, tal como apresentado na figura 33. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 80 Figura 39 – Diagrama de um dipolo de meia-onda para zona distante Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 81 5. Ligação NVIS ANPC-Pedrógão Grande Como já foi referido anteriormente, a propagação NVIS é simplesmente propagação skywave que usa ângulos de fogo bastante elevados e opera a baixas frequências. Tal como a seleção adequada de antenas pode aumentar a fiabilidade de ligações de longas distâncias, também as ligações de curtas distâncias requerem uma seleção de antenas apropriada. As antenas usadas na propagação NVIS devem ter ângulos de fogo bastante elevados (entre 60º e 90º) para radiar o sinal quase verticalmente. O sinal é depois disso refletido da ionosfera e volta à Terra. Devido ao seu ângulo de radiação quase vertical, não há zona de salto. As comunicações são contínuas em centenas de quilómetros, e o ângulo quase vertical significa também que deverão ser utilizadas gamas de frequências baixas, normalmente, até um máximo de aproximadamente 10 MHz. Para garantir resultados mais fiáveis, o estudo da ligação feito neste capítulo varrerá uma gama de frequências entre 3 e 8 MHz. As subidas e descidas íngremes na propagação do sinal dão ao operador a habilidade de comunicar através de montanhas ou vegetação densa. Por exemplo, em situações de combate, um vale pode dar ao operador proteção de interceção hostil e proteger a ligação de interferência de ondas groundwave e skywave de longas distâncias. As antenas NVIS precisam de um ângulo de radiação alto com muito pouca radiação groundwave. A figura 38 apresenta um exemplo de comunicações NVIS. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 82 Figura 40 – Demonstração de uma comunicação NVIS (adaptado de [4]) 5.1. Cálculo da Sensibilidade na Ligação Na figura 39 é apresentada a ligação entre a Autoridade Nacional de Proteção Civil, na Amadora, e o quartel dos Bombeiros Voluntários de Pedrógão Grande, e na figura 40 é apresentado o perfil dessa mesma ligação, obtido através do software Google Earth. A altura, em relação ao nível do mar, do ponto escolhido na ANPC, é de 99 metros, e do ponto escolhido nos Bombeiros Voluntários de Pedrógão Grande, é de 376 metros de altura. A distância entre os dois pontos da ligação é de 163 quilómetros, e a altura máxima de um obstáculo em todo o trajeto é de 451 metros, altura que não apresentará dificuldades a uma comunicação NVIS. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 83 Figura 41 – Ligação APNC – BV Pedrógão Grande obtida através do Google Earth Figura 42 – Perfil da ligação APNC – BV Pedrógão Grande obtido através do Google Earth Na tabela 14 são apresentados os dados detalhados da ligação. ANPC (Amadora) BV Pedrógão Grande Latitude 38º43'13.49"N Latitude 39º12'46,85"N Longitude 9º14'07.24"O Longitude 8º46'09,77"O Altura da antena [m] - Altura da antena [m] 4 Altura em relação ao nível do mar [m] 99 Altura em relação ao nível do mar [m] 369 Distância entre pontos [m] 163000 Tabela 14 – Caraterísticas da ligação ANPC – BV Pedrógão Grande Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 84 Para estabelecer a ligação entre estes dois pontos através de propagação NVIS, será utilizada a antena mais comumente utilizada, o dipolo de meia-onda, para a gama de frequências definida anteriormente ([3; 8] MHz). Primeiramente, terá de ser calculado o ângulo de fogo com que será enviado o sinal. A figura 41 ilustra o gráfico que permite fazer o cálculo do mesmo. Figura 43 – Ângulo de fogo da ligação ANPC–Pedrógão Grande Em que 𝑑=𝑑1+𝑑2=163000 𝑚, ℎ1=99 𝑚, ℎ2=373 𝑚 e ℎ=350000 𝑚, que é a altura virtual da camada F2, altura a que o sinal emitido deverá ser refletido pela ionosfera. A partir daqui serão calculados os valores de 𝑑1, 𝑑2 e 𝜓. Para tal, através da análise da figura, chega-se à expressão ℎ−ℎ2 𝑑2=ℎ−ℎ1 𝑑1=tan𝜓 (5.1) Da qual resulta ℎ−ℎ2 𝑑−𝑑1=ℎ−ℎ1 𝑑1 (5.2) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 85 Chegando-se ao valor 𝑑1=81531,46 𝑚 e 𝑑2=81468,54 𝑚. Daqui, retira-se que o valor do ângulo de fogo é 𝜓=76,2232 graus, ângulo com um valor bastante aceitável para uma comunicação NVIS. A distância percorrida pelo sinal nesta ligação é de 𝑑=718,727 𝑘𝑚. Seguidamente, serão calculadas as atenuações em espaço livre e pela ionosfera sofridas pelo sinal. A atenuação em espaço livre sofrida pelo sinal nesta ligação é dada na tabela 15. Frequência [MHz] 3 4 5 6 7 8 𝑨𝟎 [dB] 99,11 101,61 103,55 105,13 106,47 107,63 Tabela 15 – Atenuação em espaço libre na ligação ANPC – BV Pedrógão Grande Já a atenuação sofrida pelo sinal na ionosfera é apresentada na tabela 16. Frequência 3 4 5 6 7 8 𝑨𝒊𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 [dB] 0,093 0,008 0,002 0,0009 0,017 0,013 Tabela 16 – Atenuação exercida pela ionosfera na ligação ANPC – BV Pedrógão Grande A soma destas duas tabelas dá-nos a atenuação total sofrida pelo sinal na ligação entre a ANPC e os BV de Pedrógão Grande, que está apresentada na tabela 17. Frequência 3 4 5 6 7 8 𝑨𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒍𝒊𝒈𝒂çã𝒐 [dB] 99,21 101,62 103,55 105,14 106,49 107,65 Tabela 17 – Atenuação total da ligação ANPC – BV Pedrógão Grande O passo seguinte passa por verificar se a potência de emissão a ser alimentada na antena transmissora, permite fazer uma comunicação viável e de boa qualidade. Esse valor pode ser calculado, através da fórmula de Friis, dada pela expressão Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 86 𝑃𝑟[𝑑𝐵𝑚]=𝑃𝑡[𝑑𝐵𝑚]−𝐴𝑡[𝑑𝐵]+𝐺𝑡[𝑑𝐵𝑖]+𝐺𝑟[𝑑𝐵𝑖] (5.3) Como tal, terão de ser calculados os valores dos ganhos das antenas, bem como da sensibilidade do recetor. Como antena de receção, admite-se a utilização de uma antena AS-2259/GR (Harris RF1936). Para esta antena, os ganhos da mesma estão apresentados no diagrama de radiação apresentado na figura 23. Na tabela 18 estão apresentados os valores do ganho da antena de receção, calculados com recurso ao seu diagrama de radiação. Frequência [MHz] 3 4 5 6 7 8 Ganho da Antena [dBi] -12 -9 -8 -7 -6 -4 Tabela 18 – Ganho da antena de receção Ao ser utilizado um dipolo de meia-onda como antena de transmissão, o comprimento do mesmo dependerá do valor da frequência do sinal emitido. A montagem do dipolo será feita a uma altura de 𝜆4 ⁄ metros de altitude, para que ofereça uma cobertura basicamente omnidirecional. A tabela 19 apresenta o comprimento dos dipolos para cada uma das frequências a serem utilizadas, bem como os ganhos da antena, para o ângulo de fogo pretendido (𝜓=76,2232 graus), e a altitude a que deverá ser montada a antena. Frequência [MHz] 3 4 5 6 7 8 Comprimento do dipolo [metros] 50 37,5 30 25 21,42857 18,75 Altura da montagem [metros] 25 18,75 15 12,5 10,71429 9,375 Ganho da antena [dBi] 6,1 6 6 5,9 5,7 5,6 Tabela 19 – Dados da antena de emissão Os ganhos da antena, para cada uma das frequências, foi calculado com recurso ao software MMANA-GAL. No Anexo 3 estão apresentados os diagramas de radiação vertical e horizontal, para o dipolo de meia-onda, através da análise dos quais foi Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 87 calculado o ganho da antena para um ângulo de 76 graus, que é aproximadamente o valor do ângulo de fogo. Para o valor da potência que deverá alimentar a antena de emissão, assumiu-se um valor típico de 20 W. A partir deste valor, será determinado o valor da sensibilidade do recetor (𝑃𝑟), e verificar-se-á se é obtido um valor aceitável para que seja feita uma comunicação viável e de boa qualidade. Para que se obtenha uma comunicação com estas características, a sensibilidade deverá ter um valor superior a -90 dBm. Recorrendo aos valores calculados anteriormente, determina-se o valor da sensibilidade do recetor para a ligação entre a ANPC e Pedrógão Grande, para a gama de frequências entre 3 e 8 MHz. Esses valores estão apresentados na tabela 20. Frequência [MHz] 3 4 5 6 7 8 Sensibilidade do recetor [dBm] -62,09 -61,61 -62,54 -63,22 -63,78 -63,04 Tabela 20 – Valores da sensibilidade do recetor para uma potência de transmissão de 20 W Pela análise da tabela é possível verificar que os valores da sensibilidade são bastante aceitáveis, uma vez que são todos superiores a -65 dBm, valor bastante acima do limite mínimo definido para que seja feita uma comunicação de qualidade, que ronda os -90 dBm, pelo que a ligação entre a Amadora e Pedrógão Grande será viável. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 88 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 89 6. Conclusão 6.1. Principais Conclusões O trabalho aqui apresentado tinha como objetivo principal encontrar um sistema de comunicação de emergência alternativo ao existente em Portugal, o SIRESP, em caso de falha do mesmo. Como tal, achou-se que um tipo de comunicação de fácil montagem e utilizando frequências HF seria uma possível solução para o problema encontrado, e visto que se pretendem fazer ligações a distâncias relativamente curtas, a comunicação NVIS era o sistema ideal para fazer a ligação entre locais chave do país. É também um tipo de comunicação bastante utilizado, com sucesso, em cenários de guerra, razões que levaram a considerá-la para aplicar neste caso específico. Como tal, primeiramente foi feito um estudo teórico da camada da atmosfera a utilizar para fazer a ligação, bem como da sua estratificação em camadas, e de todos os fatores que influenciam a densidade de eletrões presentes na ionosfera, que acabam por ter efeito na comunicação feita através da mesma, acrescentando a isso o efeito que as perturbações solares têm na mesma. Foi também referido o modelo teórico de Chapman para a densidade de eletrões que constituem o plasma, bem como os modelos que se seguiram a esse, por forma a tentar ultrapassar as limitações do mesmo. Foi obtida ainda a expressão da constante de atenuação, e apresentada também a noção de frequência de plasma, altura virtual e MUF. De seguida, passou-se ao cálculo da atenuação numa ligação de curta distância via ionosfera, tendo em conta o estudo teórico feito no capítulo anterior. Começou-se por encontrar o ângulo de fogo apropriado a uma ligação de 200 km, e calculou-se a atenuação para uma gama de frequências apropriada a uma comunicação NVIS, entre 3 e 10 MHz. De seguida, para o caso de ser necessária uma ligação maior que o esperado, calculou-se uma atenuação para uma ligação com dois saltos, que levou à conclusão que, ao refletir no chão, a atenuação nesta ligação acaba por ter um valor de aproximadamente mais 100 dB’s que numa ligação com apenas um salto. O capítulo seguinte serviu para fazer um estudo sobre as antenas existentes que permitem uma comunicação NVIS, em que foram apresentados todos os fatores que possam influenciar a escolha do local da montagem e da antena em sim, e apresentaram- Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 96 Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 97 Anexo 2 – Cálculo do ângulo de fogo Diagrama do ângulo de fogo para a ligação ANPC-Pedrógão Grande Através da análise do diagrama, é possível chegar à expressão ℎ−ℎ2 𝑑2=ℎ−ℎ1 𝑑1=tan𝜓 (2.1) E, se 𝑑=𝑑1+𝑑2, então 𝑑2=𝑑−𝑑1 (2.2) Substituindo (2.2) na expressão (2.1), obtém-se ℎ−ℎ2 𝑑−𝑑1=ℎ−ℎ1 𝑑1 (2.3) ℎ−ℎ2 ℎ−ℎ1=𝑑−𝑑1 𝑑1 (2.4) ℎ−ℎ2 ℎ−ℎ1=𝑑 𝑑1−1 (2.5) Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 98 ℎ−ℎ2 ℎ−ℎ1+1=𝑑 𝑑1 (2.6) 𝑑 ℎ−ℎ2ℎ−ℎ1 ⁄ +1=𝑑1 (2.7) Através da expressão (2.7), obtém-se 𝑑1=81531,46 𝑚 e 𝑑2=81468,54 𝑚. Substituindo os valores de 𝑑1 e de 𝑑2 em (2.1), retira-se que o valor do ângulo de fogo é 𝜓=76,2232 graus. Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 99 Anexo 3 – Diagramas de radiação do dipolo de meia-onda Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=3 MHz e h=25 m Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=4 MHz e h=18.75 m Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 100 Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=5 MHz e h=15 m Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=6 MHz e h=12.5 m Sistema de Comunicações de Emergência Via Ionosfera para Ligação ANPC-Pedrógão Grande 101 Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=7 MHz e h=10.7143 m Diagrama de radiação vertical e horizontal para f=8 MHz e h=9.375 m