estudo das perturbaÇÕes dos geradores eÓlicos na

ESTUDO DAS PERTURBAÇÕES DOS GERADORES

EÓLICOS NA RADIAÇÃO DAS ESTAÇÕES DE

SUPORTE À NAVEGAÇÃO AÉREA

Humberto Nélson Ribeiro da Costa

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: Professor Doutor José Bioucas Dias

Orientador: Professora Doutora Maria João Marques Martins

Acompanhante: Engenheiro Carlos Almeida e Silva

Vogal: Professora Doutora Maria Hermínia Caeiro Costa Marçal

Outubro 2011

iii

Agradecimentos

Agradeço à minha família por me ter apoiado em todos os momentos da minha vida,

quer pessoal quer profissional.

Agradeço à Academia Militar por toda a formação, instrução e educação que me

proporcionou, a todos os formadores e instrutores que estiveram envolvidos nesse processo,

bem como a todos os camaradas e amigos que partilharam comigo todos os marcos da minha

vida.

Agradeço à Sr.ª Professora Doutora Maria João Marques Martins pela orientação nesta

dissertação que foi fundamental para o seu término e ao Sr. Engenheiro Carlos Almeida e Silva

por toda a orientação técnica.

v

Resumo

A presente dissertação aborda a problemática das interferências causadas pelos geradores

eólicos na radiação das estações de suporte à navegação aérea do tipo VOR e RADAR. Para

tal, foram identificados os geradores eólicos mais comuns e os efeitos por eles introduzidos,

nomeadamente, efeito de campo próximo, difracção, espalhamento ou scattering e efeito

sombra. Foi feito um estudo comparativo entre as potências de raio directo e de raio reflectido

em função da distância e segundo três modelos de reflexão propostos, de modo a estudar o

nível das interferências causadas pela proximidade dos geradores eólicos.

Com base nos cálculos efectuados, propõem-se margens de segurança mínimas quanto às

distâncias a que podem ser implementadas estações eólicas nas proximidades destas

estações de rádio-ajuda à navegação aérea, de modo a que as interferências causadas pelos

geradores não inviabilizem a ligação.

Palavras-chave: VOR, DME, radar, PSR; SSR, estações eólicas, gerador eólico

vii

Abstract

The present work addresses the problem of interference caused by wind generators in the

radiation of air navigation radio-aid stations like VOR and RADAR. For this end, were identified

the most common wind turbine and the different effects introduced by them, in particular, near-

field effect, diffraction, scattering and shadow effect. Based on three proposed reflection models

was made a comparative study between the direct power and the reflected power as a function

of distance, in order to study the interference level caused by the wind generator proximity.

This work want to establish ways to avoid these harmful effects by establishing

recommendations about the distances that wind farms can be installed near air radio aids'

stations.

Key words: VOR; DME; radar; PSR; SSR, wind farms, wind generator

ix

Índice

Agradecimentos............................................................................................................................. iii

Resumo ......................................................................................................................................... v

Abstract ........................................................................................................................................ vii

Índice ............................................................................................................................................. ix

Índice de Figuras ......................................................................................................................... xiii

Índice de Tabelas ....................................................................................................................... xvii

Lista de Acrónimos ...................................................................................................................... xix

Lista de Símbolos ........................................................................................................................ xxi

1 Introdução .............................................................................................................................. 1

1.1 Resenha histórica .......................................................................................................... 3

1.2 Problemática da navegação aérea ................................................................................ 4

2 Caracterização das fontes dos sinais envolvidos .................................................................. 5

2.1 Sistema VOR ................................................................................................................. 5

2.1.1 Definição ................................................................................................................... 5

2.1.2 Características .......................................................................................................... 5

2.1.3 Modo de Funcionamento .......................................................................................... 8

2.1.4 Tipos de VOR ........................................................................................................... 9

2.1.5 DME ........................................................................................................................ 10

2.2 Sistemas de RADAR .................................................................................................... 11

2.2.1 Definição ................................................................................................................. 11

2.2.2 Características ........................................................................................................ 11

2.2.3 Modo de Funcionamento ........................................................................................ 12

3 Fontes de interferência e seus efeitos................................................................................. 15

3.1 Efeitos de campo próximo ........................................................................................... 17

3.2 Difracção ...................................................................................................................... 17

3.3 Reflexão e/ou espalhamento (scattering) .................................................................... 18

3.4 Efeito sombra ............................................................................................................... 19

4 Cálculo dos factores de reflexão ......................................................................................... 21

x

4.1 Cálculo das equações de dispersão dos meios .......................................................... 21

4.2 Cálculo do índice de refracção relativo ........................................................................ 23

4.3 Cálculo do factor de reflexão ....................................................................................... 25

4.3.1 VOR ........................................................................................................................ 27

4.3.2 PSR ......................................................................................................................... 29

4.3.3 SSR ......................................................................................................................... 29

4.4 Factores de reflexão no terreno circundante ............................................................... 30

4.4.1 Reflexão em terreno agrícola ................................................................................. 31

4.4.2 Reflexão em terreno urbano ................................................................................... 32

4.4.3 Reflexão em terreno húmido .................................................................................. 33

4.4.4 Reflexão em terreno rochoso ................................................................................. 34

4.4.5 Reflexão em mar ..................................................................................................... 35

5 Relações de potência .......................................................................................................... 41

5.1.1 VOR ........................................................................................................................ 43

5.1.2 PSR ......................................................................................................................... 52

5.1.3 SSR ......................................................................................................................... 53

6 Cálculo das zonas de exclusão ........................................................................................... 57

6.1 Cálculo da zona de interferência de Fresnel ............................................................... 59

6.1.1 VOR ........................................................................................................................ 60

6.1.2 PSR ......................................................................................................................... 61

6.1.3 SSR ......................................................................................................................... 62

6.2 Cálculo da zona de reflexão ........................................................................................ 63

6.2.1 VOR ........................................................................................................................ 64

6.2.2 PSR ......................................................................................................................... 64

6.2.3 SSR ......................................................................................................................... 64

6.3 Cálculo da zona de exclusão do campo próximo ........................................................ 65

6.3.1 VOR ........................................................................................................................ 65

6.3.2 PSR ......................................................................................................................... 65

6.3.3 SSR ......................................................................................................................... 65

7 Conclusões .......................................................................................................................... 67

xi

7.1 VOR ............................................................................................................................. 67

7.2 PSR .............................................................................................................................. 68

7.3 SSR .............................................................................................................................. 69

Referências ................................................................................................................................. 70

Bibliografia ................................................................................................................................... 71

xiii

Índice de Figuras

Figura 1.1 - a) Aeroplano criado pelo Irmãos Wright (Flyer); b) Aeroplano criado por Santos

Dumont (24-bis) ............................................................................................................................. 3

Figura 2.1 - Estação de solo VOR................................................................................................. 5

Figura 2.2 - a) Antena de estação de solo VOR, tipo espira; b) Antena de recepção VOR para

aviões mais lentos, do tipo dipolo em V; c) Antena de recepção VOR para aviões mais rápidos,

do tipo planar ................................................................................................................................. 6

Figura 2.3 - Esquema dos radiais de uma estação de solo tipo VOR .......................................... 8

Figura 2.4 - Esquema da diferença de fases entre os sinais emitidos por uma estação de solo

tipo VOR ........................................................................................................................................ 8

Figura 2.5 - Sinal de uma estação tipo VOR a) de referência, b) variável.................................... 9

Figura 2.6 - Espectro de frequência de CVOR ............................................................................. 9

Figura 2.7 - Espectro de frequência de DVOR ........................................................................... 10

Figura 2.8 - Esquema da ligação do sistema DME ..................................................................... 10

Figura 2.9 - (a) Antenas de radar tipo PSR e SSR no mesmo suporte físico; (b) antena de radar

tipo SSR ...................................................................................................................................... 11

Figura 2.10 - Esquema do funcionamento do radar PSR ........................................................... 12

Figura 2.11 - Esquema do funcionamento do radar SSR ........................................................... 13

Figura 3.1 - Comparação entre as dimensões de um gerador eólico comum e uma aeronave

Boieng 747 .................................................................................................................................. 15

Figura 3.2 - Esquema da distribuição de geradores eólicos numa estação eólica e distâncias de

afastamento entre geradores [1] [7] ............................................................................................ 16

Figura 3.3 - Efeito de difracção de um sinal de radar por um gerador eólico [9] ........................ 17

Figura 3.4 - Reflexão de usa sinal de radar por um gerador eólico a) SSR uplink; b) SSR

downlink [9] .................................................................................................................................. 18

Figura 3.5 - Obstrução e criação do efeito de sombra por um gerador eólico [9] ...................... 19

Figura 4.1 - Módulo do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema VOR ............... 27

Figura 4.2 - Fase do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema VOR .................. 28

Figura 4.3 - Módulo do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema SSR ............... 29

Figura 4.4 - Fase do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema SSR ................... 30

Figura 4.5 - Factor de reflexão de um terreno agrícola para os sistemas em estudo ................ 31

Figura 4.6 - Factor de reflexão de um terreno urbano para os sistemas em estudo .................. 32

Figura 4.7 - Factor de reflexão de um terreno húmido para os sistemas em estudo ................. 33

Figura 4.8 - Factor de reflexão de um terreno rochoso para os sistemas em estudo ................ 34

Figura 4.9 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema VOR ................ 35

Figura 4.10 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar ................................................... 36

Figura 4.11 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar PSR 37

Figura 4.12 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar PSR ... 37

Figura 4.13 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar SSR 38

Figura 4.14 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar SSR ... 39

xiv

Figura 5.1 - Modelo usado para o estudo dos sistemas com reflexão somente no gerador eólico

..................................................................................................................................................... 42

Figura 5.2 - Modelo usado para o estudo dos sistemas com reflexão apenas no terreno ......... 42

Figura 5.3 - Modelos usados para o estudo dos sistemas com reflexão no gerador eólico e no

terreno ......................................................................................................................................... 42

Figura 5.4 - Variação da potência num cenário em que não existe qualquer tipo de reflexões do

sinal ............................................................................................................................................. 44

Figura 5.5 - Variação da potência quando existe reflexão num gerador eólico .......................... 44

Figura 5.6 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno agrícola ........... 45

Figura 5.7 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno urbano ............. 46

Figura 5.8 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno húmido ............ 47

Figura 5.9 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno rochoso ........... 47

Figura 5.10 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões na superfície do mar .......... 48

Figura 5.11 - Andamento da potência reflectida pelo gerador eólico somada com a potência

reflectida pelo terreno para o sistema VOR ................................................................................ 49








reflectida pela superfície do mar para o sistema VOR................................................................ 51

Figura 5.16 - Traçado da potência entregue pelo raio directo .................................................... 52

Figura 5.17 - Traçado da potência entregue pelo raio directo na ligação uplink ........................ 53

Figura 5.18 - Traçado da potência entregue pelo raio directo na ligação downlink ................... 54

Figura 5.19 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num gerador eólico ............ 54

Figura 5.20 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões no terreno .......................... 55

Figura 5.21 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões na superfície do mar .......... 56

Figura 6.1 - Representação da Zona de Fresnel ........................................................................ 57

Figura 6.2 - Esquema dos Elipsóides de Fresnel numa ligação em radiofrequência ................. 58

Figura 6.3 - Esquema da distância lateral que define a zona de interferência de Fresnel ......... 59

Figura 6.4 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema VOR ................. 60

Figura 6.5 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema de radar PSR ... 61

Figura 6.6 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema de radar SSR ne

ligação uplink ............................................................................................................................... 62

Figura 6.7 - Esquema da distância da zona de reflexão ............................................................. 63

Figura 6.8 - Variação da distância da zona de exclusão de campo próximo para o sistema VOR

..................................................................................................................................................... 64

xvii

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 - Tabela de classes do sistema de rádio ajuda à navegação aérea VOR .................. 7

Tabela 4.1 - Características electromagnéticas dos terrenos escolhidos para estudo .............. 31

Tabela 5.1 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema VOR ...................................... 67

Tabela 5.2 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema de radar PSR ........................ 68

Tabela 5.3 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema de radar SSR ........................ 69

xix

Lista de Acrónimos

VOR Very High Frequency Omnidirectional Range

CVOR Conventional Very High Frequency Omnidirectional Range

DVOR Doppler Very High Frequency Omnidirectional Range

DME Distance Measuring Equipment

ILS Instrument Landing System

AGL Above Ground Level

RADAR Radio Detection And Ranging

PSR Primary Surveillance RADAR

SSR Secondary Surveillance RADAR

GEol Gerador Eólico

DSB Double Side Band

LSB Lower Side Band

USB Upper Side Band

AM Amplitude Modulation

FM Frequency Modulation

rpm rotations per minute

xxi

Lista de Símbolos

Secção Eficaz de Radar [m2]

Condutividade Magnética [Sm-1

]

Constante Dieléctrica [Fm-1

]

Constante Dieléctrica do ar [Fm-1

]

Constante Dieléctrica Relativa do material

Comprimento de Onda [m]

Permeabilidade magnética [Hm-1

]

Permeabilidade magnética do ar [Hm-1

]

Permeabilidade magnética Relativa do material [Hm-1

]

Frequência Angular [rads-1

]

Fase do Índice de Refracção Relativo [°]

Fase do Factor de Reflexão [°]

Ângulo entre a direcção principal de emissão da antena e a

direcção da estação eólica [°]

Ângulo entre a direcção principal de emissão da antena e a

direcção da estação eólica [°]

Ângulo de fogo da antena [°]

Factor de Reflexão do material reflector

Constante de Propagação da Onda

Constante de Propagação do meio

Constante de Propagação do ar

Índice de Refracção Relativo do meio

Potência recebida através do raio directo [dBm]

Potência Emitida pela antena [mW]

Ganho de Emissão da antena [dBi]

Ganho de recepção da antena [dBi]

Atenuação em Espaço Livre [dB]

Potência Recebida através do raio reflectido [dBm]

Distância entre antena emissora e antena receptora [Km]

xxii

Distância entre emissor e estação eólica [Km]

Distância entre estação eólica e receptor [Km]

Frequência de operação [MHz]

Raio do Segundo Elipsóide de Fresnel [m]

Relação Sinal-Ruído [dB]

Distância entre eixo de propagação da onda e a estação eólica

[Km]

Distância entre antena emissora e estação em função de e

de [Km]

Distância entre antena emissora e estação em função de e

de [Km]

Distância total entre emissor e receptor [Km]

Ganho da antena emissora em linha de vista [dBi]

Ganho da antena receptora em linha de vista [dBi]

Ganho da antena emissora fora de linha de vista [dBi]

Ganho da antena emissora fora de linha de vista [dBi]

Distância de Exclusão de Campo Próximo [m]

Constante de fiabilidade do sistema

Ganho da antena emissora

Comprimento [m]

Vector de Propagação

Campo Magnético [Am-1

]

Campo Eléctrico [Vm-1

]

Constante de Propagação

1

Capítulo 1

1 Introdução

A navegação aérea baseia-se, actualmente, em sistemas electrónicos de

radiofrequência que auxiliam os pilotos e aeroportos. Estes sistemas sofrem perturbações de

vários tipos que causam alterações na amplitude e no percurso das ondas, tais como

atenuações, reforços ou distorções. Algumas dessas perturbações são introduzidas pelo

ambiente e dessas podem-se destacar:

A absorção do sinal pelas gotas de chuva, poeiras ou moléculas de gás que a

onda possa encontrar na sua direcção de propagação e que causa atenuações

por dissipação, obstrução, divergência/convergência do sinal;

Os obstáculos, quer naturais quer artificiais como edifícios, que causam

atenuação por difracção ou reflexão e que podem, inclusive, levar à interrupção

do sinal;

Ductos, fenómenos naturais de inversão térmica, que causam interferências no

sinal devido às múltiplas reflexões nas suas paredes e atenuação por

divergência /convergência do sinal;

As reflexões em superfícies que causam interferências devidos aos

multipercursos dos diferentes sinais reflectidos e que levam a uma degradação

da polarização do sinal;

Índice de refracção da atmosfera, que diminui com o aumento da altitude.

Sendo a ionoesfera composta por camadas de diferentes altitudes, apresenta

uma variação no índice de refracção, ou seja, a camada inferior apresenta um

índice de refracção maior que a imediatamente acima. Essa variação também

sofre alterações diárias, sazonais e periódicas (vento solar). No percurso

emissor-receptor o sinal não segue uma trajectória rectilínea mas sim

curvilínea. Isto acontece porque o sinal viaja através de diferentes camadas da

ionoesfera. Os sinais electromagnéticos tendem a propagar-se em meios com

índices de refracção maiores, sendo assim o raio, durante a sua trajectória,

descreve uma curva descendente e irregular, por consequência sofre um

desvio descontínuo devido à refracção do sinal na transição entre camadas;

Além das perturbações mencionadas anteriormente, a procura do Homem por uma

alternativa viável, rentável e limpa face às energias baseadas em combustíveis fósseis levou-o

à criação de grandes estações eólicas ao longo de todo o mundo. Esta situação introduziu um

novo problema para estes sistemas de rádio-ajudas.

2

O objectivo desta dissertação é desenvolver e apresentar uma metodologia que

permita estabelecer critérios para a proximidade entre estações eólicas e as antenas que

asseguram as ligações em radiofrequência de auxílio à negação aérea, bem como averiguar o

nível e mecanismos de degradação introduzida pelas estações já existentes.

Sendo assim, no capítulo 2 são apresentadas e caracterizadas as fontes de rádio-

ajudas envolvidas na temática, no capítulo 3 descrevem-se as fontes e seus efeitos, nos

capítulos 4, 5 e 6 apresentam-se os cálculos efectuados para justificar os critérios

apresentados.

Finalmente no capítulo 7 é feito um estudo comparativo dos vários efeitos, apresentam-

se conclusões e perspectivas de trabalho futuro.

3

1.1 Resenha histórica

Desde a invenção do avião em 17 de Dezembro de 1903, pelos irmãos Wright, ou em

23 de Outubro de 1906 por Santos Dumont que este engenho tem sido importantíssimo, senão

fundamental para o Homem. A Primeira Grande Guerra (1914-1918) projectou o uso do avião

na História, tendo sido amplamente usado em missões de reconhecimento aéreo,

bombardeamento e combate ar-ar, rapidamente foi reconhecido como peça fundamental no

arsenal bélico de qualquer país. No final do conflito surgem as primeiras companhias aéreas

comerciais e o avião passa a ser também usado para fins civis. Durante esta era, a evolução

destas máquinas aumenta e adquirem maior autonomia e velocidade.

Durante a Segunda Grande Guerra (1939-1945) o avião volta ser “chamado ao serviço”

para fins militares. Neste conflito o papel do avião foi determinante no rumo dos

acontecimentos. Usado não só para missões de reconhecimento, bombardeamento e combate

ar-ar, tal como na Primeira Grande Guerra, mas também para missões de suporte aéreo a

missões terrestres e marítimas. Durante esta época a aviação sofre um grande progresso e

aparecem os primeiros aviões a jacto, os radares, radiocomunicações, ect…

Actualmente o avião é usado tanto para fins militares como para fins civis tendo-se

verificado nos últimos anos uma evolução exponencial do tráfego aéreo, surgindo assim a

necessidade de regular e gerir todo esse tráfego. [1]

(a) (b)

Figura 1.1 - a) Aeroplano criado pelo Irmãos Wright (Flyer); b) Aeroplano criado por Santos Dumont (24-bis)

4

1.2 Problemática da navegação aérea

Com o aparecimento do avião surgiu a necessidade de regular, controlar e gerir todo o

tráfego aéreo. De início, esse controlo e gestão faziam-se desde do solo com bandeiras e era

apenas para auxiliar o piloto a entrar, na sua vez, na run-way (pista de aterragem e

descolagem) e para o auxiliar na aterragem. Esse método era feito através de um código de

cores e posições usando bandeiras.

Posteriormente, no final da Primeira Grande Guerra e devido ao aparecimento de

tecnologias de radiocomunicações começou-se a usar o rádio para substituir as bandeiras. Em

1930 aparece um sistema capaz de auxiliar o piloto na navegação (VOR- "Very High frequency

Omnidirectional Range"). Mais tarde, no decorrer da Segunda Grande Guerra, aparece o

RADAR (acrónimo de "Radio Detection and Ranging") e assim torna-se possível saber a

distância entre o emissor e aeronave durante o decorrer do seu percurso dentro do pequeno

alcance. Assim estas tecnologias tornaram-se fundamentais no controlo e gestão aéreos.

Em suma, usando vários tipos de tecnologias de radiocomunicações tornou-se possível

saber a localização e identificação da aeronave, bem como definir a sua rota e controlar o seu

percurso.

5

Capítulo 2

2 Caracterização das fontes dos sinais envolvidos

2.1 Sistema VOR

2.1.1 Definição

O sistema VOR ("Very High Frequency Omnidirectional Range") é um equipamento

electrónico criado logo após a Segunda Grande Guerra (1950) para a ajuda à navegação aérea

e é o sistema mais usado actualmente. [2]

2.1.2 Características

Um sistema VOR é constituído por um conjunto de emissores geograficamente

distribuídos e por um receptor colocado na aeronave. . [2]

Figura 2.1 - Estação de solo VOR

As antenas utilizadas nas estações de solo são, geralmente, antenas tipo espira com

ganho típico de 5dBi. As estações receptoras a bordo são, nos aviões mais lentos, dípolos tipo

V com ganho de 2,15dBi, e nos aviões mais rápidos antenas planares com ganho de 5dBi e

uma sensibilidade na recepção de -129dB.

6

(a) (b) (c)

Figura 2.2 - a) Antena de estação de solo VOR, tipo espira; b) Antena de recepção VOR para aviões mais lentos, do tipo dipolo em V; c) Antena de recepção VOR para aviões mais rápidos, do tipo

planar

Geralmente as estações VOR estão elevadas acima do terreno cerca de 5m e emitem

uma potência entre 50W e 200W com polarização horizontal. Funcionam na banda dos

108MHz aos 118MHz. No entanto as frequências ímpares, a partir dos 108MHz aos 112MHz,

são utilizadas para o ILS ("Intrument Landing Sistem"). As antenas circundantes radiam aos

pares diametralmente opostos de modo a que a direcção de propagação da estação varie 360°.

Esta rotação demora 0,03 segundos, ou seja, apresenta uma frequência de rotação de 30Hz. A

abertura de feixe do lóbulo principal é de cerca de 13°.

O sistema VOR funciona em linha de vista e opera para uma altitude mínima da

aeronave de 1000 pés (304,801m) AGL ("Abouve Ground Level"). Tem um alcance máximo de

200 milhas náuticas (cerca de 370Km), no entanto este alcance depende de eventuais

obstáculos do terreno e da altitude de voo da aeronave, sendo que poderá ser calculado, por

defeito e por de especificações técnicas, através da seguinte expressão:

)(23,1)(23,1)( pésaltitudepésaltitudeMNAlcance RXTX (2.1)

As estações de solo deste sistema identificam-se perante um receptor através de um

código Morse de 3 letras aos 1020MHz ou através de voz, podem também transmitir outro tipo

de dados, nomeadamente informação meteorológica.

O sistema VOR está organizado em 3 classes segundo a altitude AGL da aeronave e

de acordo com a sua aplicação operacional, isto é, a relação entre a altitude de voo da

aeronave e o alcance do sistema para que haja uma comunicação fiável:

7

T (Área Terminal - TMA): quando uma aeronave se desloca próxima da altitude

AGL mínima de voo;

L (Baixa Altitude): quando uma aeronave se desloca a uma altitude superior à

altitude AGL mínima de voo;

H (Alta Altitude): quando uma aeronave voa perto da altitude "tecto de voo";

Tabela 2.1 - Tabela de classes do sistema de rádio ajuda à navegação aérea VOR

Classe Altitude (pés) Distância

(milhas náuticas)

T 1000-12000 25

L 1000-18000 40

H

1000-14500

14500-60000

18000-45000

40

100

130

8

2.1.3 Modo de Funcionamento

O sistema VOR emite dois sinais simultâneos: um sinal de referência, omnidireccional e

de fase constante, através da antena central que indica a direcção do Norte Magnético,

enquanto as antenas circundantes radiam aos pares diametralmente opostos de forma

direccional. Na aeronave, o receptor de bordo mede a diferença entre as fases dos dois sinais

oriundos da estação VOR e converte essa diferença em graus magnéticos (radiais) dando

informação da sua posição em relação ao Norte Magnético. Os sinais estão em fase quando o

sinal variável está alinhado com o Norte Magnético.

Figura 2.3 - Esquema dos radiais de uma estação de solo tipo VOR

Figura 2.4 - Esquema da diferença de fases entre os sinais emitidos por uma estação de solo tipo VOR

9

2.1.4 Tipos de VOR

Existem dois tipos de sistemas VOR: o CVOR ("Conventional VOR") e o DVOR

("Doppler VOR"). O CVOR é constituído, geralmente, por 36 antenas direccionais dispostas em

círculo (sinal variável) mais uma antena omnidireccional (sinal de referência) e usa, para o sinal

de referência, uma portadora modulada em AM por um sinal de 10KHz e este, por sua vez, é

modulado em FM por um sinal de 30Hz, o sinal variável é modulado espacialmente com 30Hz

em AM, devido ao facto do sistema de antenas que radiam este sinal radiarem aos pares

diametralmente opostos. Este sistema de antenas tem um diâmetro típico de cerca de 6m.

O DVOR é constituído por 48 antenas direccionais (sinal variável) mais uma antena

omnidireccional (sinal de referência), tem um diâmetro, geralmente, de 13,5m. Usa uma

modulação AM para o sinal de referência com uma potência de 50W e uma modulação FM

para o sinal variável. O sinal variável é DSB (Double Side Band), ou seja, é composto por uma

LSB (Lower Side Band) e uma USB (Upper Side Band) cada uma com uma potência entre 5 a

6W.

(a) (b)

Figura 2.5 - Sinal de uma estação tipo VOR a) de referência, b) variável

Figura 2.6 - Espectro de frequência de CVOR

10

Figura 2.7 - Espectro de frequência de DVOR

2.1.5 DME

Algumas estações VOR estão também equipadas com o sistema DME ("Distance

Measuring Equipment"). Este equipamento mostra a que distância uma aeronave está da

estação VOR. O sistema está em comunicação contínua com a aeronave, assim que esta entra

no seu raio de alcance. Assim, sabendo o tempo decorrido entre o envio do sinal e a sua

recepção, o sistema DME calcula a distância da aeronave. O transponder a bordo da aeronave

apresenta uma sensibilidade de -110dB.

Figura 2.8 - Esquema da ligação do sistema DME

11

2.2 Sistemas de RADAR

2.2.1 Definição

O RADAR (Radio Detection And Ranging) é um dispositivo rádio usado como sistema de

detecção e localização de alvos através de ondas de rádio UHF.

2.2.2 Características

As características do radar dependem da funcionalidade que se requeira dele. Sendo

assim, existem dois grandes tipos de radar, que geralmente estão co-localizados na mesma

estrutura física, por exemplo uma torre:

Primary Surveillance RADAR (PSR) que serve para localizar a aeronave. As antenas

usadas por este tipo de RADAR são, normalmente antenas parabólicas ou então de secção

parabólica, na banda de frequência 2700-2900MHz, com ganho de 34dB. Usam polarização

linear (mais utilizada para condições de tempo limpo) ou circular (mais utilizadas para

condições de tempo com precipitação) e estas polarizações são usadas para a remoção do

clutter. Apresentam uma potência de pico de 15kW, um alcance máximo dos 96,561 aos

128,748Km e um alcance mínimo de 0,8047Km. [3] [4] Este tipo de RADAR não necessita de

nenhum equipamento a bordo da aeronave e pode ser usado na vigilância de solo, no entanto

não consegue identificar a aeronave nem saber a sua altitude e necessita de uma potência de

emissão elevada. As antenas usadas apresentam uma sensibilidade de -104dB.

Secondary Surveillance RADAR (SSR) que serve para identificar a aeronave. Usa

nos emissores antenas com ganho de 27dBi na frequência 1030+/- 0,01MHz e emite uma

potência de 1,585kW. Os receptores trabalham a uma frequência de 1090+/-0,2MHz com uma

sensibilidade de -90dBm. Os transporders a bordo da aeronave apresentam um ganho de

recepção de 5,9dBi, um ganho de transmissão de 7,5dBi e uma potência de emissão de 250W

a uma frequência de 1090MHz. Este sistema permite, também a determinação da altitude,

distância e azimute da aeronave, é muito menos susceptível ao ruído. [5]

(a) (b)

Figura 2.9 - (a) Antenas de radar tipo PSR e SSR no mesmo suporte físico; (b) antena de radar tipo SSR

12

2.2.3 Modo de Funcionamento

O modo de funcionamento destes dois sistemas de RADAR é completamente diferente.

Embora ambos sirvam para fazer uma leitura do espaço aéreo circundante, fazem-no de forma

distinta, mas completam-se um ao outro de forma a facultar todas as informações necessárias

ao controlo e gestão aéreos.

A antena do PSR roda a uma velocidade média de 15,5 rpm e emite sinais de alta

potência, cerca de 15kW, para o espaço aéreo. Esses sinais são reflectidos por uma aeronave

e são posteriormente recebidos na antena do PSR. Tendo em conta que a distância percorrida

é o dobro da distância emissor-aeronave, que a velocidade de propagação é a velocidade da

luz e medindo o tempo entre a emissão e recepção do sinal o PSR calcula a distância que o

separa da aeronave. A direcção da aeronave é determinada medindo a posição da antena

aquando da recepção. O tratamento de dados por parte do PSR tem em conta que algumas

das reflexões que recebe são oriundas dos obstáculos do terreno circundante. Sendo assim o

PSR recebe os seus próprios sinais emitidos sob a forma de um eco. [3] [4]

Figura 2.10 - Esquema do funcionamento do radar PSR

13

O funcionamento do SSR consiste num emissor/receptor, geralmente localizado num

aeroporto e de um receptor/emissor (transponder- transmitting responder) a bordo da

aeronave. O emissor SSR emite um sinal codificado (ligação uplink) ao qual o trasnponder

responde com a sua identificação, altitude e azimute também codificadas (ligação downlink).

Para o desenrolar deste processo o SSR usa dois modos: A/C e S, sendo que o no Modo A/C

o transponder responde com a sua identificação (código Modo A) e a altitude (código Modo C).

O Modo S permite ao emissor fazer uma interrogação selectiva de alvos.

Figura 2.11 - Esquema do funcionamento do radar SSR

15

Capítulo 3

3 Fontes de interferência e seus efeitos

As fontes de interferência que serão estudadas neste trabalho são os geradores

eólicos. Serão usados como objecto deste estudo os geradores eólicos de eixo horizontal do

tipo hélice porque são os mais comuns. Estes geradores eólicos são compostos, geralmente,

por 3 pás (com cerca de 40m), com mastro de 80m. A sua velocidade angular de rotação varia

entre 20 e as 150rpm e apresentam uma potência instalada de 2MW.

Figura 3.1 - Comparação entre as dimensões de um gerador eólico comum e uma aeronave Boieng 747

Estes não se apresentam isolados no espaço, mas sim em grupos denominados por

estações eólicas. Este tipo de obstáculos apresenta diversos factores que têm, de certa forma,

influência sobre as perturbações causadas nos sinais de radiofrequência. Podem-se destacar

os factores geográficos, as características físicas e as características radioeléctricas dos

geradores eólicos. Os factores geográficos têm em conta a visibilidade, ou seja, um gerador

eólico apenas irá causar perturbações no sinal que se encontrar dentro da visibilidade

radioeléctrica do dispositivo; a distância, na qual a quantidade de energia reflectida num

gerador eólico, e que chega ao receptor, é inversamente proporcional ao quadrado da distância

que separa o gerador eólico do receptor; o tamanho e configuração da estação eólica

atendendo ao número e distribuição dos geradores; e o posicionamento do plano do rotor dos

geradores face ao dispositivo o que leva a que se as reflexões se dão nas partes móveis dos

geradores eólicos estas provocam uma mudança de frequência devido ao Efeito Doppler. As

16

características físicas descriminam a forma, estrutura e materiais constituintes dos geradores,

destas características depende a Secção Eficaz de Radar ( ), se se estiver a falar de

perturbações sobre um sinal de radar.

Quando uma onda electromagnética se depara com uma estação eólica pode agravar

todos os efeitos provocados por um único gerador podendo, inclusive, provocar obstrução total

do sinal. Isto deve-se às dimensões dos geradores e ao seu posicionamento. Essa distribuição

dos geradores deve-se à velocidade do vento nessa região, condições de operação do

gerador, rugosidade do terreno e a condições de estabilidade térmica vertical da atmosfera.

Geralmente a distância de afastamento dos geradores de uma estação eólica é de 10D do

gerador da frente para o gerador de trás e de 5D para o gerador do lado, sendo D o diâmetro

do circulo formado pela rotação das pás da hélice. Este efeito denomina-se como Efeito de

Blindagem. [6]

Figura 3.2 - Esquema da distribuição de geradores eólicos numa estação eólica e distâncias de afastamento entre geradores [1] [7]

A existência de estações eólicas nas proximidades de aeroportos ou de dispositivos de

rádio ajuda pode ocasionar diversos efeitos que afectam o desempenho das ligações em

radiofrequência de que depende a navegação aérea, devido à reflexão das ondas pelos seus

componentes (pás, mastros, etc..). Devido ao facto das pás poderem estar em rotação, a uma

velocidade aleatória, as perturbações impostas são aleatórias. E para efeitos de cálculo, ao

longo desta dissertação, as pás dos geradores serão encaradas como constituídas por

alumínio.

17

São identificados cinco principais causas de degradação do sinal:

Efeito de campo próximo;

Difracção;

Reflexão e/ou espalhamento (scattering);

Efeito de Sombra;

3.1 Efeitos de campo próximo

Na zona próxima de uma antena é demasiado difícil de prever o comportamento dos

campos indutivos e o efeito de qualquer obstáculo que ai esteja situado. Sendo assim, essa

zona, fica demarcada como zona de exclusão para a presença de qualquer gerador eólico. O

raio desta zona de exclusão aumenta com o diâmetro das antenas e com a frequência de

operação. O critério usado para estabelecer a margem de segurança relativa ao campo

próximo foi: [8]

4

D<<

2

CPD (3.1)

3.2 Difracção

Este efeito ocorre quando um qualquer obstáculo modifica a forma de onda. Este efeito

não está limitado ao facto de o objecto ser um bom reflector, pelo que objectos totalmente

absorventes podem, igualmente, causar este tipo de efeito na forma de onda. Este efeito pode

ser evitado se o objecto estiver fora de uma zona de exclusão denominada como Zona de

Fresnel. O raio desta zona aumenta com a diminuição da frequência de operação. [8]

Figura 3.3 - Efeito de difracção de um sinal de radar por um gerador eólico [9]

18

3.3 Reflexão e/ou espalhamento (scattering)

Este efeito acontece quando um objecto funciona como obstáculo à propagação de

uma onda electromagnética e reflecte o sinal. São de considerar as reflexões no terreno

envolvente do sistema emissão-recepção que podem ter lugar em terreno sólido ou no mar.

Esta reflexão não acontece só na direcção contrária à direcção de propagação da onda, mas

em várias direcções devido ao facto da superfície do objecto, em comparação com o

comprimento de onda, ser curva e rugosa (scattering). Isto origina uma situação de multi-

percursos dos diferentes sinais envolvidos que podem chegar até ao receptor. Dependendo

das suas amplitudes e fases, relativas em relação à do sinal principal, estes sinais reflectidos

podem causar a degradação do sinal principal. Assim é necessário o estabelecimento de uma

zona de exclusão para assegurar que qualquer raio reflectido que chegue ao receptor tenha

uma amplitude demasiado baixa, quando comparada com a do raio directo, para causar

degradação. Se esse objecto for um gerador eólico é importante ter em conta que não existe

um gerador eólico isolado, mas sim um grupo de geradores. [8]

(a) (b)

Figura 3.4 - Reflexão de usa sinal de radar por um gerador eólico a) SSR uplink; b) SSR downlink [9]

19

3.4 Efeito sombra

É o efeito clássico da presença de um obstáculo na direcção de propagação da onda o

que provoca perda de detecção sobre toda a área atrás desse obstáculo. O tamanho deste

obstáculo aumenta se se pensar em estações eólicas que têm mais do que um gerador com

espaçamento entre eles relativamente pequenos criando assim uma barreira à normal

propagação da frente de onda. [6]

Figura 3.5 - Obstrução e criação do efeito de sombra por um gerador eólico [9]

21

Capítulo 4

4 Cálculo dos factores de reflexão

Neste capítulo calcular-se-á as equações de dispersão dos diferentes meios, bem

como o índice de refracção relativo e os respectivos factores de reflexão para os geradores

eólicos e para os diferentes tipos de solo em que onde pode ocorrer reflexão do sinal usando

valores típicos para os parâmetros constitutivos característicos destes meios e para os

equipamentos usados.

4.1 Cálculo das equações de dispersão dos meios

A equação de dispersão de um meio é a expressão matemática que relaciona o

número de onda com a frequência de onda que se propaga em determinado meio. Será com

base nesta equação que se poderá estabelecer a relação entre os meios por onde a onda se

propague.

Para se ter uma ideia considere-se uma onda plana e monocromática, as equações de

Maxwell a ela associadas, numa região sem fontes, são:

DHk (4.1)

BEk (4.2)

0Dk (4.3)

0Bk (4.4)

É necessário ter em consideração que se pretende uma expressão de dispersão do

meio com base nos seus parâmetros constitutivos [ , , ]

E como se pretende encarar o meio a estudar como um meio isotrópico, as relações

constitutivas são:

ED (4.5)

HB (4.6)

o que leva a:

EHk (4.7)

HEk (4.8)

0Hk (4.9)

0Ek (4.10)

22

Se se multiplicar externamente por k (vector de propagação) as duas primeiras

equações, pode-se retirar o campo eléctrico ou magnético e fica:

022 k (4.11)

E assim se obtém a equação de dispersão para um meio isotrópico pelos parâmetros

constitutivos do meio.

Agora, sabendo que:

ir j (4.12)

i (4.13)

E se se identificar determinado meio através de algarismos, por exemplo meio-1,meio-

2, pode-se adoptar a seguinte notação:

1 r (4.14)

1 (4.15)

1 (4.16)

assim sendo a equação de dispersão aparece agora sob a forma:

)( 111

2 jjk (4.17)

Através deste raciocínio pode ser expressa a equação de dispersão para qualquer

meio expressa em termos dos seus parâmetros constitutivos.

Sabendo que por definição as constantes de propagação dos meios 1 e 2 são dadas

por:

)( 1111 jj (4.18)

)( 2222 jj (4.19)

E encarando o meio 1 como sendo o ar e aproximando os seus parâmetros aos do

vazio:

)( 0000 jj (4.20)

Sendo assim pode-se dizer:

00 k (4.21)

22 k (4.22)

e

23

)( 0000 jjk (4.23)

)( 2222 jjk (4.24)

Assim são representadas as equações de dispersão do ar e do segundo meio através

dos seus parâmetros constitutivos que são grandezas reais e mesuráveis.

4.2 Cálculo do índice de refracção relativo

O índice de refracção relativo é a grandeza física que relaciona a velocidade da luz em

diferentes meios e dá a referência sobre o desvio que a onda sofre na transição entre meios.

Sendo o índice de refracção relativo de um material dado por:

0

221

k

kn (4.25)

E considerando o meio como não magnético, :

)(

)(

000

220

21

jj

jjn

(4.26)

E

00

22

21

j

jn

(4.27)

Tendo em atenção que, então:

0

2

0

221

jn (4.28)

O que leva a:

mr jn 6021 (4.29)

Assim é expresso o índice de refracção relativo em função dos parâmetros constitutivos

dos meios

No entanto e primeiramente convém que verifique se as superfícies reflectoras podem

ser encaradas como bons condutores ou se têm que ser encarados com dieléctricos. Para

verificar se os terrenos, em estudo, podem ser encarados como bons condutores ou como

bons dieléctricos usa-se as seguintes condições:

Bom condutor

>>m (4.30)

ou seja:

r>>60 m (4.31)

24

logo, pode-se aproximar o calculo do modulo e fase do índice de refracção relativo a:

mn 60|| 21 (4.32)

o45 (4.33)

Se a superfície reflectora não se poder considerar nem um bom condutor nem

um bom dieléctrico então o índice de refracção terá a forma de complexo e

apresentará um módulo e fase que são calculados da seguinte forma:

22

21 )60(|| mrn (4.34)

)60

(2

1

r

marctg

(4.35)

Bom dieléctrico

<< (4.36)

ou seja:

r<<60 m (4.37)

neste caso, o índice de refracção pode ser aproximado a quase um real que pode ser

calculado por:

rn || 21 (4.38)

º0 (4.39)

25

4.3 Cálculo do factor de reflexão

O factor de reflexão exprime a relação entre a quantidade de energia incidente numa

dada superfície e a quantidade, por ela, reflectida. Tomando em conta que as ondas

electromagnéticas podem-se propagar em modo TE (Transversal Eléctrico) ou TM (Transversal

Magnético), é de relevante interesse o cálculo dos factores de reflexão e de transmissão em

função do meio. O cálculo destes factores depende do tipo de polarização adoptada pelo

sistema.

Deste modo, sabendo que a impedância característica do meio (neste caso o meio 2

que é o alumínio das pás das eólicas) é dada por.

22

22

j

jZ

(4.40)

e como se considera o vazio como aproximação ao ar:

00

001

j

jZZ

(4.41)

que é por definição:

1200 Z (4.42)

Os factores de reflexão e de transmissão, em função do tipo de polarização são então:

Polarização Horizontal (ondas TE)

)cos()cos(

)cos()cos(

12

12

i

Z

t

Z

i

Z

t

Z

RTE

(4.43)

)cos()cos(

)cos(2

12

2

i

Z

t

Z

t

Z

T TE

(4.44)

Polarização Vertical (ondas TM)

)cos()cos(

)cos()cos(

12

12

iZtZ

iZtZRTE

(4.45)

)cos()cos(

)cos(2

12

1

iZtZ

iZRTE

(4.46)

É de notar que:

TETE TR 1 (4.47)

TMTM TR 1 (4.48)

26

Então pode-se calcular os factores de reflexão e a partir deles calcular os factores de

transmissão.

É necessário ter, então, em conta a Lei da Refracção ou Lei de Snell:

)()(2

1 isentsen

(4.49)

e

1)(cos)( 22 ttsen (4.50)

assim sendo:

)(1)cos( 2

2

2

2

1 isent

(4.51)

aplicando às expressões dos factores de reflexão e fazendo tem-se:

)()cos(

)()cos(

22

21

22

21

isenni

isenniRTE

(4.52)

)()cos(

)()cos(

22

21

2

21

22

21

2

21

isennin

isenninRTM

(4.53)

Embora seja normal apresentar os traçados do factor de reflexão em função do ângulo

de incidência, optou-se por usar o ângulo de fogo que é o complementar do ângulo de

incidência, variável entre 0° e 90 .

Assim pode-se calcular o e de com base nos valores de através da

seguinte fórmula, se :

21

21

)(

)(

nsen

nsenRTE

(4.54)

)(

1

)(

1

21

21

senn

senn

RTM

(4.55)

No entanto, se não se verificar :

)(cos)(

)(cos)(

22

21

22

21

nsen

nsenRTE

(4.56)

)(cos)(

)(cos)(

22

21

2

21

22

21

2

21

nsenn

nsennRTM

(4.57)

27

Mas como o sistema VOR utiliza sinais de polarização horizontal, o factor de reflexão

que tem interesse ter em conta é o . E para o sistema de radar, como utiliza polarização

linear ou circular, usa-se o quando é polarização linear e usa-se o em conjunto com o

quando é polarização circular.

Tendo em conta os materiais constituintes dos geradores eólicos temos para os

parâmetros constitutivos os seguintes valores:

Permeabilidade magnética do ar: ;

Constante dieléctrica do ar:

;

Condutividade magnética: ;

Desta forma os geradores, que se admitem que sejam, constituídos em alumínio,

cumprem a condição (4.31), e assim, podem ser tomados como bons condutores para todas as

frequências dos sistemas em estudo. Assim o índice de refracção relativo para os geradores

eólicos, segundo as expressões (4.32) e (4.33):

4.3.1 VOR

Quando o sinal deste tipo de sistema sofre reflexão num gerador eólico o factor de

reflexão apresenta as seguintes variações no módulo e fase:

Figura 4.1 - Módulo do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema VOR

0,999975

0,99998

0,999985

0,99999

0,999995

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

|RTE|VOR/DME

Ângulo de fogo (°)

|RTE|VOR/DMEGEol

|RTE|

28

Figura 4.2 - Fase do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema VOR

Dado este andamento do módulo do factor de reflexão, pode-se assumi-lo como

constante e igual a 1. E este factor de reflexão é o termo que determinará as perdas por

reflexão nas partes móveis e fixas dos geradores eólicos, já que se está a considerar que o

material base de todo o gerador eólico é o alumínio.

A fase (φTE

), mesmo que se mantenha constante para todo o ângulo de fogo, tendo em

conta a diferença de percursos entre o sinal principal e o sinal reflectido, influencia a potência

recebida num certo ponto P do espaço para todos os sistemas estudados. A diferença de

percursos entre o sinal principal e o sinal reflectido, se este chegar ao receptor, é a principal

causa de degradação do sinal, visto que os dois sinais irão determinar a localização da

aeronave em relação ao VOR porque introduz um erro adicional ao cálculo dessa localização.

0

90

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ϕTEVOR/DME


ϕTEVOR/DMEGEol

ϕTE

29

4.3.2 PSR

Este tipo de sistema de radar possui conjuntos de softwares capazes de extrapolar

obstáculos fixos existentes no seu alcance. Estes sistemas computacionais são capazes de, ao

identificar uma estação eólica, informar o controlador da sua existência e elimina-la do ecrã do

radar. Assim as reflexões deste tipo de sinal que acontecem num gerador eólico, ou numa

estação eólica, se conseguirem chegar ao receptor não causam perturbações capazes de

inutilizar o sistema.

4.3.3 SSR

Neste tipo de sistema, como pode usar polarização linear ou circular, optou-se por

abordar o caso em que usa polarização linear e assim o factor de reflexão que deve ser levado

em conta é o RTE

. No entanto, se as condições climatéricas assim o exigirem o sistema pode

usar a polarização circular e nesse caso tinha-se que calcular o RTM

. Tendo em conta a

frequência de trabalho deste sistema, pela expressão (4.15) o módulo e fase do factor de

reflexão apresentam os seguintes valores:

Figura 4.3 - Módulo do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema SSR

0,9999998

0,9999999

0,9999999

1

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

|RTE|


|RTE|SSRGEol

|RTE|

30

Figura 4.4 - Fase do factor de reflexão de um gerador eólico para o sistema SSR

Verifica-se que o módulo do factor de reflexão pode ser considerado constante e igual

a 1. E mesmo que a fase não sofra variação, o facto de existir diferença de percurso entre o

sinal principal e o reflectido, introduz degradação do sinal.

4.4 Factores de reflexão no terreno circundante

As reflexões podem não acontecer apenas nos geradores eólicos e podem ocorrer

somente e/ou também no solo, embora se as reflexões só se derem no solo sai-se do âmbito

deste estudo, pelo que apenas se irá tratar as reflexões que se derem no terreno e também

nos geradores eólicos. Dependendo do tipo de solo os sinais reflectidos apresentam

comportamentos distintos. Apresentam-se cinco tipos de terreno onde podem ocorrer as

reflexões:

Terreno agrícola;

Terreno urbano;

Terreno húmido;

Terreno rochoso;

Mar;

Os parâmetros electromagnéticos dos terrenos usados são descritos na seguinte

tabela:

0

90

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ϕTE


ϕTESSRGeol

ϕTE

31

Tabela 4.1 - Características electromagnéticas dos terrenos escolhidos para estudo

Terreno [S/m]

Agrícola 15 5×10

-3

Urbano 5 5×10

-3

Húmido 30 2×10

-2

Rochoso 10 2×10

-2

Mar 81 5

4.4.1 Reflexão em terreno agrícola

Tem-se os parâmetros electromagnéticos característicos deste tipo de terreno:

Permeabilidade magnética: ;

Constante dieléctrica: ;


Neste caso, de existência de reflexões em terreno agrícola, verifica-se que se pode

tomar esta superfície reflectora como um bom dieléctrico para todos os sistemas em estudo

porque cumpre a condição (4.37).

Se a reflexão de um sinal de algum dos sistemas em estudo acontecer num terreno

agrícola, o índice de refracção relativo toma o valor, segundo as expressões (4.38) e (4.39):

E surge a seguinte variação para o factor de reflexão pela expressão (4.56):

Figura 4.5 - Factor de reflexão de um terreno agrícola para os sistemas em estudo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

RTE


RTEterreno agrícola

|Rte|

32

Neste caso, como factor de reflexão sofre uma variação, embora não seja muito

acentuada, irá ter influência no traçado da potência de um sinal destes tipos se este sofrer

reflexões neste terreno. Assim tomar-se-á a média aritmética deste traçado para se usado com

factor de reflexão no calculo dessas potências.

4.4.2 Reflexão em terreno urbano

Tem-se os parâmetros electromagnéticos característicos deste tipo de terreno:




Neste caso, de existência de reflexões em terreno urbano, verifica-se que se pode

tomar esta superfície reflectora como um bom dieléctrico para todos os sistemas em estudo

porque cumpre a condição (4.37).

Se a reflexão de um sinal de um qualquer sistema em estudo acontecer num terreno

urbano, o índice de refracção relativo toma o valor, segundo as expressões (4.38) e (4.39):

E surge a seguinte variação para o factor de reflexão pela expressão (4.16):

Figura 4.6 - Factor de reflexão de um terreno urbano para os sistemas em estudo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

RTE


RTEterreno urbano

Rte

33

Tomar-se-á, também, a média aritmética deste traçado para que se possa calcular a

potência de sinais reflectidos neste tipo de terreno, porque não se o pode encarar como

constante.

4.4.3 Reflexão em terreno húmido

Quando as reflexões acontecem num terreno húmido, o índice de refracção também

respeita a condição (4.37) que é necessária para ser considerado um bom dieléctrico e sendo

assim o seu valor surge, de novo, como um real.

Usando valores típicos deste tipo de terreno para os parâmetros electromagnéticos

necessários:




Chega-se a um valor para o índice de refracção relativo, comum a todos os sistemas

estudados, pelas expressões (4.38) e (4.39):

E assim chega-se aos traçados dos factores de reflexão para terreno húmido pela

expressão (4.56):

Figura 4.7 - Factor de reflexão de um terreno húmido para os sistemas em estudo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

RTE


RTEterreno húmido

|Rte|

34

Este tipo de terreno apresenta um factor de reflexão que não se pode ter como

constante e por isso mesmo toma-se a sua média aritmética para posterior utilização.

4.4.4 Reflexão em terreno rochoso

Quando as reflexões acontecem num terreno rochoso ou seco, o índice de refracção

respeita a condição (4.37) e, por isso mesmo, pode ser considerado um bom dieléctrico e

sendo assim o seu valor surge, de novo, como um real.

Usando valores típicos deste tipo de terreno para os parâmetros electromagnéticos

necessários:




Chega-se a um valor para o índice de refracção relativo, comum a todos os sistemas

estudados, pelas expressões (4.38) e (4.39):

E assim chega-se aos traçados dos factores de reflexão para terreno rochoso ou seco

pela expressão (4.56):

Figura 4.8 - Factor de reflexão de um terreno rochoso para os sistemas em estudo

De igual forma ao terrenos analisados anteriormente tomar-se-á a média aritmética do

seu factor de reflexão.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

RTE


RTEterreno rochoso

|Rte|

35

4.4.5 Reflexão em mar

Quando existem reflexões na superfície do mar tem que se tomar, de igual forma dos

terrenos anteriores, os seus parâmetros electromagnéticos característicos:




Neste caso, o índice de refracção relativo vai variar com o sistema a ser usado, no

entanto, apresentará uma forma complexa para todos os três sistemas em estudo.

4.4.5.1 VOR

Quando o sinal deste tipo de sistema sofre reflexões na superfície do mar é respeitada

a condição (4.31) e por isso mesmo a superfície reflectora pode ser encarada como um bom

condutor e, neste caso, o índice de refracção relativo tem que ser calculado em modulo e fase

através das expressões (4.32) e (4.33):

O factor de reflexão, calculado pela expressão (4.54), também apresenta um módulo e

fase:

Figura 4.9 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema VOR

0,999975

0,99998

0,999985

0,99999

0,999995

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

|RTE|


|RTE|mar

|RTE|

36

.

Figura 4.10 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar

Pode-se tomar este módulo do factor de reflexão pode ser encarado como constante e

igual a 1, para um posterior uso

Nota-se que não há variação de fase, no entanto a diferença de percursos entre o sinal

principal e um eventual sinal reflectido é o bastante para que se possa ocasionar uma

degradação do sinal.

4.4.5.2 PSR

Assim que existam reflexões do sinal deste sistema de radar, na superfície do mar, não

se cumpre nem a condição (4.31) nem a condição (4.37) por isso a superfície em questão não

pode ser encarada nem como boa condutora nem como bom dieléctrico. Sendo assim, o índice

de refracção relativo tem que ser calculado segundo a expressão (4.34) para o módulo e

segundo a expressão (4.35) para a fase.

E assim o factor de reflexão assume o seguinte traçado em função do ângulo de fogo

pela expressão (4.54) em módulo e fase:

0

90

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ϕTE


ϕTEmar

ϕTE

37

Figura 4.11 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar PSR

Figura 4.12 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar PSR

O módulo do factor de reflexão apresenta um traçado que permite possível fazer uma

aproximação e dizer que é constante e igual a 1.

Embora não haja variação de fase, existe diferença de percurso entre o sinal directo e

o, eventual, sinal reflectido. Essa diferença de percursos é suficiente para causar degradação

do sinal.

0,999975

0,99998

0,999985

0,99999

0,999995

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

|RTE|


|RTE|mar

|RTE|

0

90

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ϕTE


ϕTEmar

ϕTE

38

4.4.5.3 SSR

Assim que o sinal deste tipo de sistema de radar sofre reflexões na superfície do mar,

não se consegue cumprir as condições (4.31) e (4.37) e assim não se pode tomar a superfície

reflectora como boa condutora nem como bom dieléctrico. Desta forma o índice de refracção

relativo tem que ser calculado através das expressões (4.34 e (4.35) em módulo e fase.

Agora que se tem o valor do índice de refracção relativo pode-se calcular o factor de

reflexão, pela expressão (4.54), que apresenta o seguinte andamento:

Figura 4.13 - Módulo do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar SSR

.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

|RTE|


|RTE|mar

|Rte|

39

Figura 4.14 - Fase do factor de reflexão da superfície do mar para o sistema de radar SSR

Uma vez mais, o módulo do factor de reflexão, dado o seu andamento com o ângulo de fogo,

pode ser encarado como constante e igual a 1Aqui já se percebe uma leve variação da fase do

factor de reflexão que tem a ver com a frequência do sistema a ser estudado.

175

176

177

178

179

180

181

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ϕTE


ϕTEmar

ϕ

41

Capítulo 5

5 Relações de potência

As perdas devidas à propagação em espaço livre são definidas, de uma forma ideal

entre duas antenas isotrópicas colocadas no espaço, sem interferência do terreno nem das

condições atmosféricas, condições estas que na prática não podem ser obtidas.

Usando a formula de Friis na sua forma simplificada:

2

4

Rgg

p

pER

E

R

(5.1)

Se se usar em unidades logaritmicas:

)4

(log20)(log10)(log10)(log10)(log10 1010101010R

ggpp ERER

(5.2)

A expressão usada para o cálculo da potência recebida num certo ponto P deriva então

da fórmula de Friis e foi:

010 )(log10 AGGtgpP REErRD (5.3)

Mas, no entanto, esta potência apenas revelaria a potência recebida em espaço livre,

considerando apenas o raio directo e estando as antenas situadas nas melhores condições de

transferência de potência com os máximos absolutos dos respectivos diagramas de radiação

alinhados.

Para se perceber todas as condições de operação destes sistemas, tem que se ter em

linha de vista que existem reflexões e que essas as reflexões não se dão apenas nos

geradores eólicos, mas também podem ocorrer no terreno circundante e seguidamente nos

geradores eólicos.

Assim surgem três modelos distintos, no que às reflexões diz respeito. Um primeiro em

que as reflexões se dão, única e exclusivamente, nos geradores eólicos; um segundo, no qual

as reflexões se dão apenas no terreno circundante e finalmente um terceiro em que as

reflexões se dão no terreno circundante e, também, nos geradores eólicos.

42

Figura 5.1 - Modelo usado para o estudo dos sistemas com reflexão somente no gerador eólico

Figura 5.2 - Modelo usado para o estudo dos sistemas com reflexão apenas no terreno

Figura 5.3 - Modelos usados para o estudo dos sistemas com reflexão no gerador eólico e no terreno

43

A potência recebida do raio directo num determinado ponto P do espaço foi calculada

segundo a expressão (5.3).

Tendo em conta que o factor de reflexão, em módulo e fase, traduz as perdas por

reflexão na superfície chegou-se ao valor da potência recebida de um eventual raio reflectido

num determinado ponto P do espaço usando a seguinte expressão:

21

2

10 22cos||2||1log10 ddkRRpP TETETE

rr RDRR (5.4)

Utilizando os três modelos anteriormente referenciados e usando os valores calculados

dos factores de reflexão dos geradores eólicos e terreno pode-se chegar, num ponto geral P do

espaço, aos traçados de potência para os diferentes sistemas estudados. É de notar que para

os sistemas de radar foi apenas pensado o uso do RTE

porque se impõe o apenas o uso de

polarização linear. No entanto se as condições climatéricas assim o exigirem o sistema pode

usar polarização circular e aí tem que usar o RTM

em conjunto com o RTE

. De forma prática o

RTM

apareceria na equação (5.4).

5.1.1 VOR

Considera-se que a aeronave quando que está utilizar este sistema de rádio ajuda à

navegação aérea mantém uma altitude constante, quando passa pelo VOR.

Tem-se como valores típicos para as antenas deste tipo de sistema de rádio ajuda à

navegação aérea:

ou ;

;

;

;

para aeronaves equipadas com antenas planares;

para aeronaves equipadas com antenas de dípolos tipo V;

5.1.1.1 Raio directo

Neste ponto calcular-se-á a potência que chega ao receptor através do raio directo,

sem qualquer perda pela expressão (5.3).

44

Figura 5.4 - Variação da potência num cenário em que não existe qualquer tipo de reflexões do sinal

Pode-se verificar que dentro do alcance do sistema VOR, se não existirem reflexões, o

sinal que chega ao receptor apresenta sempre uma potência superior à sensibilidade do

receptor ( ou ). Este será o valor da potência representada a verde nas

Figuras 5.1, 5.2, e 5.3, que será constante para cada análise dos 3 modelos dispostos a

estudar.

5.1.1.2 Reflexões apenas nos geradores eólicos

Usando a expressão (5.4) pode-se calcular a quantidade de energia que é reflectida

por um gerador eólico (ver Figura 5.1) e traçar o seu andamento ao longo da distância da

ligação.

Figura 5.5 - Variação da potência quando existe reflexão num gerador eólico

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 100 200 300 400

PrRD(VOR/DME) (dBm)

Distância entre emissor e receptor (Km)

PrRD(VOR/DME)

PrRD(VOR/DME)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 100 200 300 400

PrRR(VOR/DME) (dBm)


PrRRGEol

PrRR

Linear (PrRR)

45

Pode-se, desta maneira, verificar que a potência reflectida pelo gerador eólico, dada a

sua amplitude terá uma influência significativa no resultado do tratamento dos sinais que

chegam ao receptor. O andamento da potência não descreve uma curva linear devido à

influência do e, por isso mesmo, traçou-se uma curva de tendência

para se poder ter uma melhor percepção do andamento desta potência. E assim, pode-se

concluir que à medida que a distancia da ligação aumenta a influencia do sinal reflectido

decresce. Logo o erro que origina no processamento da informação é maior quanto mais perto

a eólica estiver do sistema.

5.1.1.3 Reflexões apenas no solo

Quando acontecem reflexões no solo (ver Figura 5.2) parte da potência perde-se

devido às perdas por reflexão. Isso aritmeticamente traduz-se pela introdução do factor de

reflexão, ( ), do terreno no cálculo da potência através da expressão (5.4).

O traçado destas potências também irá apresentar um andamento em função do

e por isso não descreve uma curva linear e é necessário recorrer a

uma curva de tendência.

Assim chega-se a uma potência reflectida que, obviamente, vai variando com a

distância entre o ponto de reflexão e o receptor.

5.1.1.3.1 Terreno agrícola

Para este tipo de terreno usou-se a média aritmética dos valores do ( ) e chegou-se

ao seguinte traçado para a potência reflectida:

Figura 5.6 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno agrícola

Pode-se verificar que a potência reflectida neste tipo de terreno, que eventualmente

possa chegar ao receptor a bordo da aeronave, apresenta valores muito parecidos com os da

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 100 200 300 400

PrRR (dBm)


PrRR TerrAgr

PrRR

Linear (PrRR)

46

potência do raio directo e, assim sendo, poderá provocar degradação do sinal devido ao atraso

com que a onda reflectida atinge o receptor.

5.1.1.3.2 Terreno urbano

A potência entregue por um sinal reflectido num terreno urbano, usando o factor de

reflexão desse terreno e usando a expressão (5.2) é dada por:

Figura 5.7 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno urbano

Mais uma vez, a potência entregue pelo sinal reflectido aproxima-se muito da potência

do sinal directo. Podendo causar, de novo, degradação do sinal por interferência devido ao

atraso causado pela diferença de percursos entre o sinal directo e o sinal reflectido.

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 100 200 300 400

PrRR (dBm)


PrRR TerrUrb

PrRR

Linear (PrRR)

47

5.1.1.3.3 Terreno húmido

Se um sinal deste tipo de sistema sofre reflexões num terreno húmido, a potência que

entrega no receptor é, pela expressão (5.4):

Figura 5.8 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno húmido

No caso de acontecerem reflexões em terreno húmido a potência do sinal reflectido

assemelha-se à potência do sinal directo deste sistema. Logo, pode também criar degradação

do sinal por interferência.

5.1.1.3.4 Terreno rochoso

Quando as reflexões se dão em terreno rochoso ou seco, usando a expressão (5.4),

obtém o seguinte andamento para a potência do sinal reflectido:

Figura 5.9 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num terreno rochoso

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRR (dBm)


PrRR TerrHúm

PrRR

Linear (PrRR)

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 100 200 300 400

PrRR (dBm)


PrRR TerrRoch

PrRR

Linear (PrRR)

48

Os sinais reflectidos por este tipo de terreno apresentam uma potência parecida com a

do sinal principal.

5.1.1.3.5 Mar

Apresentando-se a superfície do mar como uma superfície reflectora, que se pode

aproximar de um bom condutor, as reflexões que aí acontecem apresentam as mesmas

características das reflexões que ocorrem nos geradores eólicos.

Figura 5.10 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões na superfície do mar

A potência do sinal reflectido aproxima-se muito da potência do sinal directo. Isto, pelos

motivos já anteriormente referidos, pode causar imensos problemas em aeroportos ou

aeródromos que se situem em ilhas ou próximos do mar.

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 100 200 300 400

PrRR (dBm)


PrRR Mar

PrRR

Linear (PrRR)

49

5.1.1.4 Reflexões no terreno e geradores eólicos

No último modelo que se comprometeu a analisar consta um sinal reflectido

proveniente de superfícies reflectoras diferentes (ver Figura 5.3). Neste caso oriundo de um

gerador eólico e de um terreno agrícola. E como se pode comprovar seguidamente, estas

potências, dadas as suas dimensões podem ser desprezadas (como fonte que possa provocar

degradação do sinal) visto que são menores do que a sensibilidade do receptor.


Quando estamos perante este tipo de terreno, o traçado da potência que é reflectida

pelo gerador eólico e pelo terreno, ao longo da distância, e que pode chegar ao receptor é:

Figura 5.11 - Andamento da potência reflectida pelo gerador eólico somada com a potência reflectida pelo terreno para o sistema VOR

Pode-se facilmente verificar que, logo nas imediações da antena este sinal já não tem

sequer potência suficiente para ser detectado pelo receptor.

-250

-200

-150

-100

-50

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRD+RR(dBm)


PrRD+RRTerrAgr+GEol

PrRD+RR

Linear (PrRD+RR)

50

5.1.1.4.2 Terreno urbano

Assim para este tipo de terreno é apresentado o traçado da potência para este sinal. E

pode-se desde já concluir que se pode desprezar perante as suas dimensões.


5.1.1.4.3 Terreno húmido

Se for em terreno húmido, juntamente com o gerador eólico, que se acontecem as

reflexões, então a potencia desse sinal é:


-250

-200

-150

-100

-50

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRD+RR(dBm)


PrRD+RRTerrUrb+GEol

PrRD+RR

Linear (PrRD+RR)

-250

-200

-150

-100

-50

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRD+RR(dBm)


PrRD+RRTerrHúm+GEol

PrRD+RR

Linear (PrRD+RR)

51

E dadas as suas dimensões também pode ser desprezada já que não causa

degradação do sinal.

5.1.1.4.4 Terreno rochoso

Este caso é idêntico ao dos outros terrenos sendo potencia resultante demasiado

pequena para se ter em conta e é dada por:


5.1.1.4.5 Mar

Se as reflexões se derem na superfície do mar juntamente nos geradores eólicos pode-

se verificar que a conclusão é a mesma dos outros terrenos:

Figura 5.15 - Andamento da potência reflectida pelo gerador eólico somada com a potência reflectida pela superfície do mar para o sistema VOR

-250

-200

-150

-100

-50

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRD+RR(dBm)


PrRD+RRTerrRoch+GEol

PrRD+RR

Linear (PrRD+RR)

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PrRD+RR(dBm)


PrRD+RRMar+GEol

PrRD+RR

Linear (PrRD+RR)

52

5.1.2 PSR

Estes tipos de sistemas de radar apresentam os seguintes valores típicos para os

parâmetros envolvidos no cálculo do andamento da potência:

PSR

ou ;

;

;

;

Sendo assim, através da expressão (5.3) apresenta o seguinte andamento de potência

ao longo do seu alcance:

Figura 5.16 - Traçado da potência entregue pelo raio directo

Para este sistema de radar a potência reflectida pelos terrenos e pelos geradores

eólicos pouca influencia têm na recepção do sinal devido ao seu funcionamento e aos apoios

computorizados instalados.

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 50 100 150 200 250 300

Potência (dB)

Distância (Km)

Pr(PSR)

PrRD

53

5.1.3 SSR

Neste tipo de sinal prevê-se que a aeronave, que seja captada, se esteja a preparar

para aterrar ou levantar voo, pelo que a sua altitude varia consoante a distância, no entanto

neste trabalho vai-se manter a sua altitude.

Este tipo de sistema de radar apresenta os seguintes valores típicos para os

parâmetros necessários ao cálculos das potências a realizar:

SSR

ou

e

ou ;

e ;

;

,

, e

;

5.1.3.1 Raio directo

A potência para os dois modos de transmissão deste sistema: uplink e downlink, são

evidenciados de seguida:

Figura 5.17 - Traçado da potência entregue pelo raio directo na ligação uplink

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140

Potência (dBm)


Pr(SSR-uplink)

Pr(SSR-uplink)

54

Figura 5.18 - Traçado da potência entregue pelo raio directo na ligação downlink

Pode se verificar que a potência entregue pelo raio directo esta sempre acima do limiar

da sensibilidade dos receptores.

5.1.3.2 Reflexões apenas nos geradores eólicos

Note-se que se pode tomar o mesmo raciocínio que em 5.1.1.2 porque os geradores

eólicos comportam-se da mesma maneira que se comportam para o sistema VOR, e por isso o

traçado da potência reflectida vem:

Figura 5.19 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões num gerador eólico

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140

Potência (dBm)


Pr(SSR-downlink)

Pr(SSR-downlink)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100 120 140 Potência (dBm)


PrRR(SSR)(dBm)

PrRR

Linear (PrRR)

55

Assim pode-se verificar que esta potencia reflectida tem uma maior influencia quando a

distancia de ligação se aproxima de 0, e assim sendo haverá uma maior probabilidade de o

sinal sofrer degradação.

5.1.3.3 Reflexões apenas nos solos

Segue-se a mesma linha que em 5.1.1.3, e por isso mesmo chega-se a uma potência

reflectida que, obviamente, vai variando com a distância entre o ponto de reflexão e o receptor.

E visto que todos os terrenos estudados se comportam como bons dieléctricos excepto

o mar estudar-se-á, neste ponto um dos terrenos e o mar. Isto porque, em todos os outros

terrenos, o andamento da potência se comportará de forma semelhante.


Escolheu-se este terreno devido ao facto das antenas do sistema VO/DME se

encontrarem em zonas remotas onde é mais provável que o terreno envolvente seja agrícola.

Sendo assim, através da expressão (5.4), o andamento da potência é representado:

Figura 5.20 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões no terreno

À medida que a aeronave se aproxima da antena emissora, se o sinal sofrer reflexões

no terreno que cheguem ao receptor, a influência dessas reflexões na qualidade do sinal

aumenta.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100 120 140 Potência (dBm)


PrRD(SSR)

PrRR

Linear (PrRR)

56

5.1.3.3.2 Mar

Figura 5.21 - Variação da potência quando o sinal sofre reflexões na superfície do mar

5.1.3.4 Reflexões no terreno e nos geradores eólicos

Pelas conclusões tiradas em 5.1.1.4 pode-se concluir o mesmo acontece para este

sistema e sendo assim deixa de ser necessário a apresentação de resultados, o que se

tornaria repetitivo na explanação do problema e suas soluções.

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100 120 140 Potência (dBm)


PrRD(SSR)

PrRR

Linear (PrRR)

57

Capítulo 6

6 Cálculo das zonas de exclusão

A difracção de uma onda rádio ocorre quando a onda encontra um obstáculo de tal

forma que o seu tamanho seja maior que o comprimento de onda. Para frequências inferiores a

1 GHz existe difracção no obstáculo, aumentando a atenuação em função da área de

obstrução do obstáculo. Acima de 1 GHz, ao aumentar a área de obstrução, a atenuação

aumenta muito rapidamente de tal forma que até pode tornar a ligação numa ligação não

viável. A quantidade real de atenuação depende da área obstruída em relação à área total do

feixe e das propriedades de difracção do obstáculo. Em condições normais de transmissão, o

feixe deve estar suficientemente distanciado dos obstáculos, para evitar a atenuação.

A distância pode ser calculada recorrendo ao princípio de Huygens e à teoria de

Fresnel, considerando um ponto P, na zona entre a antena emissora e receptora, S1 e S2

respectivamente. Na zona de Fresnel existem tantos quanto possíveis pontos P, que definem

uma circunferência de raio R e um elipsóide concêntrico. A junção de todos os elipsóides

define a Zona de Fresnel ou Elipsóide de Fresnel.

Figura 6.1 - Representação da Zona de Fresnel

Por isso é importante ter em conta o significado dos elipsóides de Fresnel, visto este

conceito ter extrema importância para as comunicações em radiofrequência. As Zonas de

Fresnel são um conceito que permite definir as condições nas quais a propagação entre duas

antenas pode ser considerada como espaço livre e estabelece que a energia radiada por uma

antena ou conjuntos de antenas, em espaço livre, (embora a onda se considere com plana e

uniforme), está contida no volume de um elipsóide com centro na direcção de propagação da

onda e que depende do comprimento de onda usado ( ) e da distância entre os dois pontos de

58

ligação. No contexto de ligações em radiofrequência interessa ter em conta a primeira e

segunda Zona de Fresnel, os chamados primeiro e segundo Elipsóides de Fresnel porque a

energia transmitida nos diferentes elipsóides diminui à medida que aumenta a área do mesmo.

Sendo o primeiro elipsóide o espaço livre de obstáculos que é necessário à ligação para que

não haja reflexões do sinal até que este chegue à antena receptora, evitando assim que haja

interferências em oposição de fase. É no primeiro elipsóide de Fresnel que se transmite a

maior parte da energia pelo que é importante que este esteja totalmente desobstruído ou

tolera-se uma obstrução de cerca de 40%. O segundo elipsóide de Fresnel contribui para a

redução do campo total que chega ao receptor devido à sobreposição de ondas em oposição

de fase. Já o terceiro elipsóide é menos significativo devido à quantidade de energia

transmitida, mas essa energia serve de reforço do sinal na recepção. Nesta situação tem que

se garantir a desobstrução total de pelo menos o primeiro e segundo elipsóides de Fresnel.

Quer-se que o primeiro e o segundo elipsóides de Fresnel estejam desimpedidos durante a

ligação por uma questão de fiabilidade, dado que os sistemas estudados envolvem a

segurança das pessoas a bordos das aeronaves.

Figura 6.2 - Esquema dos Elipsóides de Fresnel numa ligação em radiofrequência

59

6.1 Cálculo da zona de interferência de Fresnel

Esta distância evita as perturbações devido ao efeito de difracção. O cálculo desta

zona é feito, basicamente, através do cálculo do segundo elipsóide de Fresnel, isto porque em

ligações de radiofrequência a primeira e segunda Zona de Fresnel são as de maior interesse

porque a energia transmitida nos diferentes elipsóides diminui à medida que aumenta a área do

mesmo. Sendo o primeiro elipsóide o espaço livre de obstáculos que é necessário à ligação

para que não haja reflexões do sinal até que este chegue à antena receptora, evitando assim

que haja interferências em oposição de fase. É no primeiro elipsóide de Fresnel que se

transmite a maior parte da energia Como é um elipsóide a zona é válida tanto vertical como

horizontalmente:

21

212

2

dd

ddRF

(6.1)

Sendo o raio, em metros, do elipsóide; λ o comprimento de onda em metros; e

as distâncias relativas entre emissor-obstáculo e receptor-obstáculo.

Figura 6.3 - Esquema da distância lateral que define a zona de interferência de Fresnel

Sendo assim, para os diferentes tipos de sinais estudados, esta distância irá variar e

estabelecerá uma margem de segurança quanto à existência de obstáculos ou para a criação

de estações eólicas. Que se, no entanto, já existirem causarão degradação do sinal através do

efeito de degradação com já visto anteriormente no capítulo 3.

60

6.1.1 VOR

Para este tipo de sistema, e usando os seus valores tipo, pode-se determinar a

distância de interferência de Fresnel para uma ligação que aconteça ao alcance máximo do

sistema:

Comprimento de onda: ;

Distância: ;

Figura 6.4 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema VOR

Pode-se concluir que, consoante distância de ligação, é exigido que exista uma

distância máxima, lateral em relação ao eixo de propagação do sinal, de cerca de 1440m,

(porque são 700m para cada lado do eixo de propagação do sinal mais o comprimento das

pás), livres de obstáculos para que não haja degradação do sinal pelo efeito de difracção.

Assim não é viável para a ligação VOR a construção, ou existência, de estações eólicas a uma

distância menor do que a calculada para a distância da ligação.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Distância de interferência

(m)


Zona de Interferência de Fresnel

61

6.1.2 PSR

Neste tipo de sistema em que se pretende que a onda seja reflectida pela aeronave,

usou-se os valores típicos dos parâmetros necessários:


Distância: ;

Figura 6.5 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema de radar PSR

E pode-se concluir que apresenta também uma distância variável e dependente da

distância de ligação apresentando no seu máximo o valor de 200m, tendo em conta os

pormenores já anteriormente referidos.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100 120 140

Distância de Interferência

(m)



62

6.1.3 SSR

Para este sistema poderiam ser apresentadas as distâncias de interferência de Fresnel

para a ligação em downlink e ligação uplink. No entanto, tendo em conta que em princípio não

existirão obstáculos nas proximidades da aeronave quando esta se encontra em voo, apenas é

justificada a apresentação da distância para a ligação em uplink.


Distância: ;

Figura 6.6 - Variação da distância de interferência de Fresnel para o sistema de radar SSR ne ligação uplink

Para a ligação em uplink é necessária uma distância livre máxima de cerca de 320m

para que a ligação se possa realizar sem degradação por efeitos de difracção do sinal.

0

50

100

150

0 20 40 60 80 100 120 140

Distância de Interferência

(m)



63

6.2 Cálculo da zona de reflexão

Esta zona permite estabelecer uma distância de segurança para que a interferência

entre o sinal principal e os sinais reflectido não seja impeditiva à realização da ligação. Deste

modo, pode-se prevenir que a relação sinal ruído (C/I) não se torne mais baixo do que um certo

valor pré-determinado para cada sistema em estudo.

Figura 6.7 - Esquema da distância da zona de reflexão

Para se poder calcular este C/I recorreu-se à expressão:

)()()0()0()(log20)(log2071/ 221121102110 GGGGDssSIC t (6.2)

Onde:

)(22

2,12,1 KmDds s (6.3)

))((log10 10 dBS (6.4)

σ - Secção eficaz de radar no pior caso, [m2], que neste caso foi tomada como

1000m2;

- Ganhos das antenas em linha de vista [dB]

- Ganhos das antenas fora de linha de vista [dB], que para os radares,

como usam antenas parabólicas, foi usada a expressão:

)4

(log102

2,1

10

G (6.5)

64

6.2.1 VOR

Para o sistema de rádio ajuda VOR chega-se a uma distância de segurança, para que

não haja reflexões do sinal, de 5m e que é 0 a 45m da antena.

Figura 6.8 - Variação da distância da zona de exclusão de campo próximo para o sistema VOR

Este andamento repete-se nas proximidades do receptor, mas tendo em conta que o

receptor se encontra a bordo de uma aeronave, não faz sentido falar nesta distância.

6.2.2 PSR

Como este tipo de sistema de radar possui softwares capazes de excluir obstáculos

fixos no terreno e o seu próprio funcionalmente baseia-se em reflexões, não se calcula a

distância mínima para que não haja reflexões.

6.2.3 SSR

Neste tipo de sistema, dado o seu modo de funcionamento, apenas vai receber as

respostas (noutra frequência) dos transponders a bordo das aeronaves. Sendo assim, as

reflexões que possam chegar à antena não acrescentam apenas uma leve interferência.

0

1

2

3

4

5

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Ds(m)

Distância à antena (m)

Zona de Interferência de Reflexão

ZIR

65

6.3 Cálculo da zona de exclusão do campo próximo

Esta zona define um limite de distância dentro do qual não pode existir num gerador

eólico para que não surjam perturbações devido ao efeito de campo próximo e é calculada pela

seguinte expressão:

pásCP Lg

FD

2

(6.6)

Em que F é uma constante que estabelece o grau de fiabilidade que se pretende para

o sistema e que geralmente é aconselhada ser 3, g é o ganho da antena em linha de vista e em

unidades lineares, λ é o comprimento de onda em metros para a frequência de operação e

é o comprimento em metros das pás do gerador eólico.

6.3.1 VOR

Neste sistema, usando uma frequência de trabalho de 113MHz e um ganho de 5dB:

mDDMEVORCP 547,4240

1065,23

2

10

5

/

(6.7)

Deste modo, o centro do primeiro gerador eólico de uma estação eólica não pode estar

dentro dos limites desta distância ao sistema VOR para que não haja degradação do sinal por

efeito de campo próximo.

6.3.2 PSR

Neste sistema, usando uma frequência de trabalho de 2800MHz e um ganho de 34dB:

mDPSRCP 697,12140

10107,03

2

10

34

(6.8)

Assim dentro desta distância ao sistema de radar PSR não é aconselhável a existência

de geradores eólico, no entanto, e dado que este sistema se encontra normalmente num

aeroporto ou aeródromo, pode-se tomar como cumprida esta condição.

6.3.3 SSR

Neste sistema, usando uma frequência de trabalho de 1030MHz e um ganho de 27dB na

ligação uplink:

mDSSRCP 332,12440

10291,03

2

10

27

(6.9)

66

Do mesmo modo que no sistema de radar PSR, o sistema de radar SSR, por se

encontrar na mesma antena que o anterior reúne as mesma condições, pelo que , em principio

esta margem de segurança será sempre cumprida.

E em downlink usando uma frequência de 1090MHz e um ganho de 7,5dB:

mDSSRCP 470,4040

10275,03

2

10

5,7

(6.10)

No entanto este distância de downlink não é preocupante porque perto da aeronave, em

princípio não haverá nenhum obstáculo.

67

Capítulo 7

7 Conclusões

O controlo da navegação aérea é uma área muito sensível e importante porque envolve

a deslocação, de várias pessoas e bens de avião e é importante que essa deslocação se faça

em segurança, devido ao elevado custo do material envolvido e, como é óbvio e mais

importante, ao bem-estar dos passageiros. O crescente número de aeronaves é mais um factor

que afecta p problema da fiabilidade do controlo.

A crescente aposta, por parte das empresas de energia, na criação e implementação

de estações eólicas traz diversos problemas à navegação aérea, porque ocasiona diversos

efeitos na propagação dos sinais de rádio-ajuda à navegação aérea. Esses efeitos são

capazes de introduzir algumas degradações no sinal podendo, inclusive, levar à sua perda e,

portanto, à impossibilidade de garantir os critérios de fiabilidade das rádios-ajudas.

Tendo em conta que o objectivo desta dissertação é o estabelecer de distâncias de

segurança, entre as antenas dos dispositivos de rádio-ajudas à navegação aérea sustentada

por sistemas VOR, RADAR PSR e RADAR SSR e os geradores eólicos, estabelecem-se

recomendações devidamente fundamentadas para a construção de estações eólicas nas

proximidades destes dispositivos de modo a que o seu normal funcionamento não seja

perturbado.

Deste modo, pode-se chegar a algumas conclusões quanto às distâncias para cada um

dos sistemas estudados que serão abordadas nas secções seguintes.

7.1 VOR

Para este sistema foram calculadas as distâncias nas quais não convém a existência

de geradores eólicos. Essas distâncias podem ser vistas na seguinte tabela:

Tabela 7.1 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema VOR

Distância (m)

Zona de Interferência

de Fresnel Zona de Reflexão

Zona de Exclusão de

Campo Próximo

1440 5 (a 0m da antena)

0 (a 45m da antena) 42,547

68

Sendo assim, a construção de estações eólicas não pode ser realizada a uma distância

menor do que 1440m da antena deste sistema. O que é parece uma distância aceitável, no

entanto, as estações eólicas são construídas no topo de elevações e essas elevações, na sua

maioria, não possui área suficiente para poder albergar a estação e a antena deste sistema

respeitando as distâncias necessárias.

7.2 PSR

Neste tipo de sistema, dado que o seu funcionamento se baseia em reflexão existem

alguns parâmetros que não fazem sentido serem calculados, nomeadamente, a parte das

reflexões no terreno adjacente e nos geradores eólicos. Isto porque estes sistemas possuem

um conjunto de softwares capazes de extrapolar e identificar obstáculos fixos, como as

estações eólicas, de informar o controlador aéreo responsável e de eliminar do cálculo de

radar.

Assim chegou-se às seguintes distâncias para este sistema:

Tabela 7.2 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema de radar PSR

Distância (m)




Campo Próximo

200 - 121,697

Pode-se concluir que não pode haver a presença de estações eólicas a menos de

200m da antena de radar. Mas como as antenas deste sistema de radar se situam dentro da

área dos aeroportos ou aeródromos esta distância é facilmente cumprida.

69

7.3 SSR

Este sistema de radar, ao contrário do sistema de radar PSR, não funciona à base de

reflexões, mas de acordo com um sistema de rádio comunicação bidireccional onde a antena

emissora emite uma interrogação (numa ligação uplink) e os receptores a bordo da aeronave,

transponders, emitem uma resposta em frequência diferente (ligação downlink). Sendo assim,

as distancias que se devem guardar para este sistema são:

Tabela 7.3 - Zonas exclusão para geradores eólicos no sistema de radar SSR

Distância (m)




Campo Próximo

uplink downlink uplink downlink uplink downlink

320 - - - 124,332 -

Estas distâncias são facilmente cumpridas pois a antena deste sistema podem estar no

mesmo suporte físico que as do sistema PSR e por isso mesmo estas distâncias são facilmente

cumpridas (note-se que as antenas deste sistema se encontram, geralmente nos aeroportos ou

aeródromos). Não são apresentadas quaisquer distâncias para as ligações em downlink

porque, em princípio, nas proximidades de uma aeronave em pleno voo não haverá obstáculos

às radiocomunicações.

No decorrer da realização desta dissertação foi possível aplicar vários conceitos de

telecomunicações e de propagação de ondas electromagnéticas apreendidos ao longo do

curso, E ter noção da dificuldade de integrar condições da vida real num tema de extrema

importância para a sociedade.

No final da realização da presente dissertação pôde-se chegar a conclusões que se

podem considerar como esclarecedoras acerca do normal funcionamento dos sistemas

estudados, bem como das condições que os limitam. Onde as distancias das zonas de

exclusão são apenas resultados de um longo estudo sobre estes sistemas que são matéria

muito reservada.

Como perspectivas futuras sugere-se o estudo deste problema tendo em conta outro

tipo de limitações, tais como: variações na altitude da aeronave na proximidade das estações

eólicas, o que não foi contabilizado neste trabalho.

70

Referências

[1]. João, Manuel. A História do aeromodelismo começa com a História da

aviação. AEROMODELISMO. [Online] 30 de Outubro de 2009. [Citação: 16 de Maio

de 2011.] http://manueljoao.no.sapo.pt/breve%20historia.htm.

[2]. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Sistemas de

localização aérea via rádio . Sistemas de localização aérea via rádio . [Online] 2002-

2003. [Citação: 24 de Maio de 2011.]

http://paginas.fe.up.pt/~hmiranda/st2/radio_ajudas_relatorio.pdf.

[3]. NRPL Group. PSR MORAVA M10. RADAR TECHNOLOGIES. [Online] 2002-

2011. [Citação: 20 de Junho de 2011.]

http://www.nrplgroup.com/products/psr_morava_m10/.

[4]. Oswaldo Massambani, Ph.D. Princípios do RADAR. São Paulo :

Universidade de São Paulo, 2007.

[5]. Forecast International. SSR/MSSR ATC Radar Series (Raytheon). Canada :

s.n., 2001.

[6]. Agence Nationale des Fréquences. Guide sur la problema de la perturbation

du fonctionnement des radars par les eoliennes. Commission Consultative de la

Compatibilité Electromagnétique. França : s.n., 2007.

[7]. Ferraz, Ana. Avaliação da Operação de geradores Eólicos em Regime

estacionário Considerando a Conexão Directa à Rede Eléctrica. Brasil : s.n., 2010.

[8]. Bacon, D F. Fixed-links wind-turbine exclusion zone method. 2002. p. 143.

[9]. Flightglobal. UK highlights perils to air traffic surveillance of growing wind

turbine 'farms'. [Online] 11 de Julho de 2006. [Citação: 29 de Agosto de 2011.]

http://www.flightglobal.com/articles/2006/07/11/207721/uk-highlights-perils-to-air-

traffic-surveillance-of-growing-wind-turbine.html.

71

Bibliografia

João, Manuel. A História do aeromodelismo começa com a História da aviação.

AEROMODELISMO. [Online] 30 de Outubro de 2009.

http://manueljoao.no.sapo.pt/breve%20historia.htm.

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Sistemas de localização aérea via

rádio . Sistemas de localização aérea via rádio . [Online] 2002-2003.

http://paginas.fe.up.pt/~hmiranda/st2/radio_ajudas_relatorio.pdf.

NRPL Group. PSR MORAVA M10. RADAR TECHNOLOGIES. [Online] 2002-2011.

http://www.nrplgroup.com/products/psr_morava_m10/.

Oswaldo Massambani, Ph.D. Princípios do RADAR. São Paulo : Universidade de São Paulo,

2007.

Forecast International. SSR/MSSR ATC Radar Series (Raytheon). Canada : s.n., 2001.

Agence Nationale des Fréquences. Guide sur la problema de la perturbation du

fonctionnement des radars par les eoliennes. Commission Consultative de la Compatibilité

Electromagnétique. França : s.n., 2007.

Ferraz, Ana. Avaliação da Operação de geradores Eólicos em Regime estacionário

Considerando a Conexão Directa à Rede Eléctrica. Brasil : s.n., 2010.

Bacon, D F. Fixed-links wind-turbine exclusion zone method. 2002. p. 143.

Flightglobal. UK highlights perils to air traffic surveillance of growing wind turbine 'farms'.

[Online] 11 de Julho de 2006. http://www.flightglobal.com/articles/2006/07/11/207721/uk-

highlights-perils-to-air-traffic-surveillance-of-growing-wind-turbine.html.

EUROCONTROL Guidelines. EUROCONTRL Guidelines on How to Assess the Potential

Impact of Wind Tubines on Surveillance Sensors, 2010.

Professora Doutora Maria João M. Martins. Propagação e Radiação de Ondas

Electromagnéticas, Radiação, 2002.

Professora Doutora Maria João M. Martins. Propagação e Radiação de Ondas

Electromagnéticas, Conceitos Fundamentais, 2002.

Energies. Electromagnetic Interference on Large Wind Turbines, 2009.

Collin, R.E. Field Theory of Guide Waves. [S.I]: McGraw-Hill Book Company, 1960.

The British Wind Energy Association. Wind Energy and Aviation Interests- Interim

Guidelines, 2002.

AIM Power Corporation. Harrow Wind Farm- Environmental screening- Draft, 2007.

Joint Radio Company Limited. JRC Procedure for co- ordination of radio systems with wind

energy systems,2007.

72

Federal Aviation Regulations. Part 77, Objections affecting Navigable Airspace, 1993.

IFIS SIIV. 13th International flight inspection Symposium, 2004.

Joint Radio Company Limited. Calculation of Wind Turbine Clearance zones, used by JRC for

460MHz telemetry Links, when tuebinesizes and locations are accurately are known, 2007.

Bethany Wind Turbine Study Committee. Report, 2007

Faro, M.de Abreu, Propagação e Radiação de Ondas Electromagnéticas, Tecnica AIST, 1984.

estudo das perturbaÇÕes dos geradores eÓlicos na

Documents