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zoom RSS ADS-B R820Tドングルで受信距離を考察する。450kmの可能性!

<<   作成日時 : 2014/10/01 19:08   >>

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R820T+RTL2832Uのドングルで1090MHzのADS-Bを受信する場合に、どこまで努力すれば最大の受信距離が達成できるのか、計算してみました。

ここで、便利なサイトを紹介します。 受信場所からの見通し範囲を、地図で確認できます。
www.heywhatsthat.com/ 相手の高度を指定すると、おおよその範囲を推定できます。
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青い線が4万フィート、オレンジが3.2万フィートです。

最初に、アンテナの地上高(無視出来る)と航空機の飛行高度について
地球の見通し距離を計算してみました。
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計算では、地上高7mのアンテナから、高度4万フィートの航空機が見えるのは、大気の影響無しで418km、大気による回折を期待すると465km位です。皆様から指摘して頂いた、最大450km程度が計算されました。

見通し距離は、地球の平均半径と高低差から概算しました。大気の影響は、フレネルの回折原理を使って概算しています。(近似値です)大気圧等で影響を受けます。

次に自由空間における損失を計算してみます。(雲や降雨による損失は考慮していません。)
LOS(dB)=20*log(4*π*r/λ) λ=波長、r=距離 として計算してみます。
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1GHzの信号の減衰は結構大きいようです。

次に、受信機の性能を定義します。
最初に、熱雑音から計算します。絶対温度300k(インピーダンスは50Ω)、帯域幅200MHz(アンテナが共振していると仮定して適当に)
-174+10*LOG(200MHz)= -91dBm  帯域6MHzでは-106dBm

受信機(ドングル)から考えて、熱雑音と感度の限界はほぼ等しいレベルにあると言えます。ところで、RTL1090の下部には、メーセージのデコードレートと共に、受信レベルの下限が表示されます。現在の環境では、R820TのLNA利得を最大にして、-83dBと表示されています。熱雑音との差は、8dBです。NF3.5dBとすると、4.5dBのS/Nと計算できます。(実用のS/Nは、6dBと思われます。)時々、350km程度の位置で、プロットされる事がありますが、連続して受信できません。タイムアウトで消えてしまいます。

そこで、熱雑音より6dB大きな信号を受信可能な信号レベルとすると、R820TのNF=3.5dB、アンテナのゲインを6dBiと期待して受信可能な距離を予想してみると(送信出力を100Wとしています)
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どうでしょう、受信結果が最大300km程度であることから、計算された値とほぼ一致します。
さらに、アンテナのゲインが、4dBi(2段コリニア)の場合は、250kmとなり、この計算が現実と一致していることがわかります。地球の大きさから来る、最大距離の420km以上を受信する為には、アンテナの利得とNFの改善を合わせて、3dBの改善が必要です。

現在のアンテナより、+3dBの9dBiを目指すと、無指向性の場合は、9段以上のスタックアンテナが必要になります。16段のスタックは見事に失敗してしまいました。修行が足りないようです。現在のアンテナを2組使って、上下にスタックする方法で、2dB程度の改善ができそうですが、スタックケーブルの調整ができるかどうか・・・

受信機のNF(3.5dB)を改善する為には
例えば、NF1.5dBゲイン10dBのプリアンプを追加すると、NF1.9dB位になりますので、1.6dBの改善になります。
NFが2dB以下のプリアンプを自作するのは難しい。専用のICでは、NF0.5dBと言われる物も存在するので、検討してみたいと思います。20dBの利得があれば、NF0.6dBとかなりの改善ができそうです。
この場合は、アンテナの30度以上のビームゲインをさらに落とすことで、混変調や抑圧を低減する必要があります。

計算上は、350km以上、400km以下が実現できそうですが、今までの実験では、効果が観測できていません。
ケーブルのロスや、プリアンプのノイズマッチングが設計通りにならないようです。このレベルになると、簡単な工作レベルでは無理があるのでしょうか。

以上の結果から、アンテナの改善、NFを改善するプリアンプ、熱雑音を低減する為のフィルターを組み合わせてやると、450kmの受信の可能性が見えてきました。もう少し検討してみます。

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