Laatokan ympyrälentäjien dopplerjälkiä
Maanpuolustusnetin kuunteluaseman etäruudulta tutut, TV-kanavan OIRT 1 kuvakantoaallon taajuudella 49750 kHz lentokoneheijastukset näkyvät yksinkertaisessa kaksipaikkatutkakokeessa (bistatic radar) varsin vaatimattomillakin harrastajavastaanottimilla, ja sää- ja maastokelpoisena 6 m aallonpituus tavoittaa varsin mataliinkin antenneihin. Naapurimaassa on useita TV-lähettimiä (Tx), joista kirjoittajaa lähimmät ovat Pietarissa, ja Nadvoitsyssa lähellä Vienan Karjalan Sekeen kaupunkia.
Vastaanottimilta tällaiset kiinteätaajuuksisella Tx-kantoaallolla tehdyt
FDOA-kokeilut
(Frequency Difference of Arrival) eivät vaadi mitään erityistä, eikä kahden antennin kaksikanavaista vastaanottoa koherentteine vastareineen tarvita. Näissä kokeissa olen käyttänyt tavallisia 'hamssirigejä' tietsikan äänikorttiin liitettyinä, tavallisten taajuusanalyysisoftien kanssa, sekä halpoja
RTL820 -tikkuradioita mm.
HDSDR-softan kanssa.
Kaukoitään lentävät reittikoneet jättävät
Spectrum Lab -taajuusanalyysisoftan vesiputousnauhalle kukin sijaintiinsa nähden luonteenomaisen jälkensä. Siinä näkyy esimerkiksi rajanylitysten suunnankorjausten kohdalla pieni kulma. Näistä oheiskuvissa tarkemmin.
Kyseisen TV-jakson 49750 kHz kantama muutaman metrin korkeudella oleviin 4-elementtisiin yagiantenneihin on likimain sama kuin teoreettinen radiohorisontti. Kone on yleensä havaittavissa, kun se lentää
Tx eli lähettimen ja
Rx eli vastaanottoseman yhteisen radiohorisontin sisällä. Koska varsin pitkä 6 m aalto taipuu mukavasti, korkealla olevilla antenneilla voidaan TV-lähettimen jaksolla nähdä koneen heijastuksia nimellistä radiohorisonttia hieman kauempaakin.
Pelkästä dopplerkäyrän muodostakin voidaan jo sanoa jotain koneen sijainnista. Läheltä ohittavat koneet piirtävät jyrkän S-mutkan dopplerjälkeensä, kun taas kauempana lentävien dopplerjälki oikenee etäisyyden mukana. Esimerkiksi täältä Joensuun läheltä seuraten Jyväskylän etäisyydellä lentävien koneiden dopplerit piirtyvät lähes suorina.
Koneen radan suunta suhteessa Rx ja Tx välisen 'peruslinjan' (baseline) suuntaan vaikuttaa myös dopplerkäyrän muotoon. Poikittain Rx-Tx-peruslinjaan nähden lentävät koneet piirtävät tyypillisiä, lähes symmetrisiä S-käyriään. Rx-Tx-peruslinjaa pitkin tai sen tuntumassa lentävien koneiden dopplerjäljet yhtyvät (join) lähelle kantoaaltoa niiden sivuuttaessa Tx tai Rx, ja jälleen eroavat (extract) kantoaallosta niiden erkaantuessa peruslinjasta Rx tai Tx luona.
Itse lentsikkaheijastuksen dopplersiirtymän suunta ja suuruus määräytyy siten, että lähestyvän koneen tapauksessa heijastuvan aallon kulkeva matka lyhenee, kun kone lähestyy Rx-Tx-peruslinjaa, jolloin dopplersiirtymä on taajuudessa ylöspäin. Heijastuvan aallon kulkeman matkan kasvaessa doppler siirtyy alapäin, eli kone etääntyy peruslinjasta. Ohilennon dopplerkäyrä on siis taajuudestaan laskeva.
Ohitushetkellä doppleri nollille
Lähestyvän ja etääntyvän dopplerheijastuksen välissä on hetki, jolloin koneesta heijastuvan aallon dopplertaajuus käy nollassa eli se ylittää TX-kantoaallon (carrier crossing). Jos kone lentää Rx ja Tx välistä, niin kantoaallon ja dopplerin leikkaus on samalla hetki, jossa kone ylittää Rx-Tx-peruslinjan. Näin osataan sanoa jotain myös koneen sijainnista jo yhdenkin Rx-aseman kokeessa. Kun Rx-asemia on kaksi, saadaan kummankin dopplerkäyriä vertaamalla laskettua koneen 2D-sijainti, ja kolmella hyvällä Rx-asemalla onnistuisi jo lentokorkeudenkin mittaus, siis 3-D FDOA.
Mutkittelevan tai paikoillaan pyörivän koneen jälki tietenkin leikkaa kantoaallon usein. Tällaisia pienehköjen koneiden mutkittelevia dopplerjälkiä näkyy spektrinauhalla täällä Itä-Suomessa esimerkiksi lentoharjoitusten aikaan.
Joitakin kertoja on spektrinauhalle ilmestynyt myös Laatokalla Valamon saaren ympärillä erikoisella tavalla kiertävien isojen koneiden lähes sinikäyrän muotoisia dopplerjälkiä, jotka leikkaavat kantoaallon nollakohdan säännöllisesti. Näistä ohessa esimerkkikuvia.
Koko näkyy jäljestä
Ison ja pienen koneen jäljen erottaa varsin hyvin sen jättämän dopplerkäyrän voimakkuusvaihteluista, silloin kun koneet lentävät säännöllisen muotoisella reitillä. Pienen koneen jälkeen voimakkuusvaihteluita piirtyy harvempaan, ja ison koneen doppleriin tiheämpään. Voimakkuudeltaan helminauhamaisen tiheänä vaihteleva doppleri on siis ison koneen jälki.
Voimakkuusvaihtelun aiheuttaa sama ominaisuus, kuin antennien suuntakuviot. Mitä kookkaampi heijastava lentsikka on laskettuina puolen aallon monikertoina, sitä useampia voimakkuusvaihteluina näkyviä keiloja on sen heijastuskuviossa (= tutkapoikkipinta-ala).
Konetyypin tutkapoikkipinta-ala riippuu koneen, asennosta, muodosta ja koosta ko. taajuudella. Tutkapoikkipinta-ala on jokaiselle konetyypille luonteenomainen, ja se aiheuttaa voimakkuusvaihtelua dopplerkäyrään. Tätä 'jalanjälkeä' (radar signature) voidaan käyttää tyyppitunnistukseen. Kaksipaikkaisessa mittauksessa doppleriin ja tutkapoikkipinta-alan vaihteluun vaikuttavat oleellisimmat muuttujat ovat lentosuunnan ja Tx sekä Rx väliset kulmat suhteessa koneen lentosuuntaan.
Tyyppitunnistus ohilennon voimakkuusvaihtelusta
Normaaleilla gigahertsibandien tutkilla tutkapoikkipinta-alan vaihteluun perustuva tunnistus ei ole helposti toteutettavissa koska aallonpituus on niin lyhyt, että lentokoneen heijastussuuntakuvio särkyy myriadeiksi kapeiksi keiloiksi. Niitä on aivan liian paljon ja liian tiheässä, jotta keilojen aiheuttaman vaihtelun seuraaminen olisi mahdollista.
Pidemmillä aalloilla, kuten 6 m laineilla, lentsikan koko vastaa enimmillään vain muutamia kymmeniä puolen aallon monikertoja. Vastaavasti luuppeja heijastussuuntakuvioon syntyy
pienillä koneilla vain muutamia, ja suurilla koneilla muutamia kymmeniä. Näin vähäisen keilamäärän seuraaminen ja mittaaminen on ohilennon aikana helppoa. VHF-alueen alkupää sopii hyvinkin isojen koneiden tyyppitunnistukseen.
Reittikoneiden ohilentojen tyyppitunnistuksen toimivuus on kokeissamme jo todettu. On verrattu likimain samaa reittiä lentävien koneiden dopplerjälkien voimakkuusvaihteluita saman- ja erityyppisten koneiden kesken. Kukin konetyyppi todellakin jättää dopplerkäyräänsä luonteenomainen ja tunnistettavan
'jalanjälkensä' tai 'DNA':nsa tietyllä reitillä lentäessään. 'Jalanjäljistä' voidaan kerätä tyyppitunnistustietokanta tallentamalla useiden eri konetyyppien ohilentoja eri reiteillä. Lentävien kohteiden tekninen tunnistus onnistuu siis pelkän VHF-tutkamittauksen perusteella. Tästä aiheesta on LUT:n Radio-doppler -ryhmällämme suoritettiin koesarja prof.
Tuomo Kauranteen oppilaan
Piotr Ptak:in artikkeleita ja
väitöskirjaa varten.
Kun tyyppi on tunnistettu, voidaan arvioida ohilennon heijastussiirtymän perusteella myös joitakin lentoparametrejä, kuten lentopaino. Maalin alustava konetunnistus voidaan siis tehdä VHF-tutkalla, ja verrata omaa tunnistusta sen toisiotutkan (SSR) mahdollisesti antamiin tietoihin, joihin perustuvat lennonohjauksen sekä 'nettitutkien', kuten
Planefinder.net ja
Flightradar24.com tunnistukset. Maalattuja rekkaritunnuksia VHF-radioaalto ei kuitenkaan osaa lukea koneen kyljestä, joten töitä jää vielä tunnistuslennoillekin.
Alla esimerkkikuvasarja nettitutkille 'pimeänä' lentävästä koneesta keväällä 2014 monipaikkatutkan havaintoasemalta seurattuna. Ensimmäisessä ruutukaappauksessa näkyy TV-kantoaallon n. 49750 kHz lentokoneheijastusten dopplerkäyriä. Koejärjestely antenneineen, Tx- ja Rx- asemien sijainteineen, vastaanottimineen ja tarkkoine taajuuksineen, on selostettu kuvan oikeassa yläkulmassa. Kartan samankeskiset ympyrät ovat 50 merimailin välein, vastaanottoasema eli Rx on niiden keskiössä.
Oikealla keskellä on koneiden jälkiä ADS-B-transponderin paikannusten perusteella suoraan
RTL820-vastaanottimella kopitettuna
PlanePlotter-softan kartalle. Laatokalla ympyrää lentävän
RSD47 jälki on kartalla hajonnut 'tikuiksi', koska
PlanePlotterin grafiikka ei osaa piirtää kaarta. Alhaalla oikealla on koneiden lentotietoja. Vasemmanpuoleiset
Spectrum Lab -äänikorttisoftan spektrinauhat tulostuvat ylhäältä alas, ja näyttävät tässä kokeessa koneiden dopplerjälkiä samalta Pietarin TV:n kantoaaltotaajuudelta, kahdella eri antennilla ja vastaanottimella seurattuina.
Vasemman spektrinauhan 4-elementtinen dipolimatto on suunnattu vaimentamaan Pietarin TV:n voimakasta kantoaaltoa, kun taas oikeanpuoleisen nauhan 4-el yagiantenni on käännetty kohti Pietaria, ja samalla Laatokan päällä kiertävää konetta. Kummallakin spektrinauhalla näkyy kauempaa ohilentävien koneiden lähes suoria dopplerjuovia ja lähempää ohittaneiden kaarevia S-käyriä, ja oikealla käyrällä erottuu lisäksi katkonaisesti jaksottain toistuva siniaaltomainen käyrä, joka on erikoista ympyrärataa lentävän koneen dopplerjälki.
Katso liite: 5462
2014-04-26-171642 St Petersburg - Sinusoidal doppler signature from RSD47 Tu-214SR over Lake Ladoga (c) OH7HJ.JPG
Toinen dopplerkäyräkuva näyttää päivävuorolaisen RSD47 poistumisen Pietariin, ja tuntemattoman yövuorolaisen saapumisen sitä tuuraamaan. Tämä kone on nettitutkille 'pimeä'. Siinä siis lienee joko vanhemman mallinen SSR-transponderi, ilman
ADS-B mode-S -paikannusta, tai se ei lähetä toisiotutkatunnistettaan ollenkaan.
Saapunut kone ei näy enempää omassa 1090 Mhz toisiotutkavastaanottimessani, kuin ADS-B -nettitutkienkaan sivuilla. 6 m TV-kantoaallon spektrinauhalla sen dopplerkäyrä sen sijaan erottuu, samoin sen saapuminen edellisen koneen tilalle. Tuntemattoman koneen sinikäyrämäinen dopplerjälki kertoo sen kiertävän ympyrärataa.
Koska saapuneen koneen sinikäyrän amplitudina näkyvä taajuuspoikkeama on edellistä konetta pienempi, niin tuntematon kone on joko sitä hitaampi, tai se kiertää halkaisijaltaan pienempää ympyrää. Sen dopplerjäljen voimakkuusvaihtelu piirtää erilaista helminauhakuviota, kuin edellinen kone, mikä vahvistaa sen olevan eri tyyppiä.
Katso liite: 5463
2014-04-26-224511 St Petersburg - RSD47 Tu-214SR left and landed - Unknown aircraft doppler appeared and replaced (c) OH7HJ.JPG
Kolmannessa, iltamyöhällä tallennetussa kuvassa tuntemattoman ympyrälentäjän sinikäyrämäisen dopplerjäljen katkaisee suorempi dopplerjuova, joka esiintyi sen dopplerjäljessä ajoittain. Tämä lienee lentoradan tuulikorjaus. Myöhemmin katsottaessa lehtiartikkelin valokuvista todellakin näkyi tiivistysjuovan tuulisiirtymä.
Tuntemattoman koneen luonteenomainen dopplerkäyrän signaalinvoimakkuusvaihtelu toistuu samankaltaisena kussakin sinikäyrän jaksossa, ja kertoo sen olevan eri tyyppiä, kuin edellisen RSD47-lennon TU-214.
Nettitutkissa, kuten Flightradar24.com, tuntematon yhteyskone ei edelleenkään erottunut. Mahdollisesti sen SSR on joko tarkoituksella suljettu, tai kone on vanhempaa mallia, jossa ei ole paikantavaa 1090 Mhz toisiotutkaa.
Katso liite: 5464
2014-04-27-224717 St Petersburg - Aircraft course adjustment on ts 2155-2201 discontinuing its sinus doppler (c) OH7HJ.JPG
Tämä artikkeli on jukaistu aikaisemmin Tutkain- ja HamsteriX -lehdissä.
T: - Juha -
) mukaan laivue Su-35-koneita eli Venäjän uusimpia rintamakäytössä olevia siirrettiin 2016 lopulla Karjalaan. Aikaisemmin kaikki olivat Kauko-Idässä.
