Dados meteorológicos em aeronaves

O “Aircraft Meteorological Data Relay” (AMDAR, ou Retransmissão de Dados Meteorológicos de Aeronaves) é um programa iniciado pela Organização Meteorológica Mundial usado para coletar dados meteorológicos em todo o mundo usando aeronaves comerciais. Os dados são recolhidos pelos sistemas de navegação da aeronave e as sondas de temperatura e de pressão estática a bordo. Os dados são então pré-processados antes de enviá-los para o solo, o que pode ser através de comunicação VHF (ACARS – “Aircraft Communications Addressing and Reporting System”) ou via satélite (ASDAR – “Aircraft-to-Satellite Data Relay”), e então decodificados por um receptor.

Comparação entre radiossondagem por balão e medidas em aeronaves durante pouso e decolagem. Fonte: David Helms

Conforme a fase do voo, a frequência de medições varia: mais intensa durante pouso e decolagem e a cada 3 minutos durante voo de cruzeiro. As variáveis meteorológicas medidas a bordo de aeronaves modernas são:

  • Pressão do ar (através da tomada estática de pressão do tubo de Pitot);
  • Velocidade do vento (direção e intensidade);
  • Temperatura do ar;
  • Umidade relativa (quando possuem sensor de estado sólido), o que permite calcular a temperatura do ponto de orvalho;
  • Turbulência (“Eddy Dissipation Rate”* ou “Derived Equivalent Vertical Gust”, se o algoritmo estiver instalado);
  • Presença de gelo nas superfícies aerodinâmicas (se os sensores estiverem instalados).

* O “Eddy dissipation rate” (EDR) é uma métrica de turbulência do “estado-da-atmosfera” e foi adotado como o padrão da ICAO para a turbulência na aviação. Sem dados de EDR, as melhores medições de “verdade” da turbulência na atmosfera vêm de relatórios piloto (PIREPs), que podem ser deslocados no local e no tempo a partir do evento de turbulência real, e que envolvem algum grau de subjetividade piloto.

São mais de 600 mil observações todos os dias, de mais de 3 mil aeronaves. As transmissões AMDAR são comumente usadas em dados de reanálise e como entrada em modelos de previsão como um complemento aos dados de radiossonda (e com menor custo a longo prazo), para auxiliar na plotagem de dados de ar superior entre as medidas de radiossonda padrão (horários 00Z e 12Z) e na ausência de radiossondagem, como regiões oceânicas.

Dentre suas aplicações, estão: determinar as profundidades das inversões de perfil vertical e a força dos ventos que eventualmente atingem a superfície para a previsão da ocorrência ou não de nevoeiro; definir altura/nível de congelamento e a chance de acontecer uma chuva congelante; definir e quantificar a instabilidade em dias propícios a tempestades convectivas e outros fenômenos de rápida formação, como turbulências e tesouras de vento; prever direção e velocidade da dispersão de poluentes.

Sistemas

Três sistemas de rádio são utilizados principalmente para comunicações terrestres e envio de informações GPS de um avião (ADS-B e ACARS podem fazer uso de satélite também):

  • Sistema de rádio VHF e HF, utilizado para comunicação oral por rádio entre o piloto de uma aeronave e uma estação terrestre. Este é o meio mais histórico de comunicação, ainda amplamente utilizado, não criptografado e muito fácil de ouvir. O rádio VHF é utilizado pelos pilotos na obtenção de autorizações e informações para o voo. As frequências variam de 118 MHz a 136 MHz em AM (modulação de amplitude) para menos de 100 quilômetros de distância, e banda HF entre 2 MHz e 15 MHz para comunicação de longa distância, mais de 1000 quilômetros.
  • Sistema de rádio ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast, ou transmissão de vigilância dependente automática), trabalho cooperativo de monitoramento de tráfego. As aeronaves equipadas com ADS-B determinam sua posição através do sistema de posicionamento por satélite GPS e enviam periodicamente a sua posição para estações terrestres (torre de controle) e outras aeronaves que operam na área. A faixa de frequência usada é 1090 MHz.
  • ACARS (Sistema de Endereçamento e Notificação de Comunicação de Aeronaves), um sistema de comunicação de rádio monitorado e codificado entre uma aeronave e uma estação terrestre.

O Aircraft Communications Addressing and Reporting System (ACARS) é um sistema digital de link de dados para transmissão de mensagens curtas e relativamente simples entre as aeronaves e estações em terra. Desenvolvido pela Aeronautical Radio Incorporated (ARINC), outra empresa, a SITA, posteriormente aumentou a rede de dados ao redor do mundo adicionando novas estações em solo para prover os serviços ACARS. As mensagens ACARS podem variar de uma simples mensagem de chegada/partida até informações de desempenho do motor da aeronave, observações meteorológicas, planos de voo, posições de navegação, relatórios de falhas, lista de tripulantes e definição de posição de estacionamento das aeronaves.

Existem vários tipos de relatórios de dados no sistema AMDAR: Weather OBservation (WOB) report, Present Position Report, TaKe-Off report (TKO) e CRuise report (CRZ). Ele utiliza sensores já instalados na aeronave (exceto o de vapor d’água, que é muito leve e muito barato), adicionando o módulo de software adequado para a aviônica da aeronave para a coleta de dados e o controle de qualidade inicial. Os Computadores de Dados de Aeronaves processam e formatam os dados dos sensores de bordo e os transmitem usando sistemas de comunicação padrão (geralmente usando o protocolo ACARS) para o solo.

As observações recolhidas podem ser transmitidas para um Serviço Hidrológico e Meteorológico Nacional (NHMS) em tempo quase real, embora algumas empresas optem por transmitir os dados somente quando a aeronave tenha desembarcado. O NHMS processa os dados em busca de erros e os torna disponíveis globalmente.

É possível adquirir um receptor VHF, plugar em uma entrada USB de um computador e instalar um software para fazer a recepção e conversão do sinal enviado usando protocolo ACARS – mas não sei se os dados meteorológicos aparecem. Veja todos os detalhes nesse tutorial RTL-SDR TUTORIAL: RECEIVING AIRPLANE DATA WITH ACARS.

Dados

Os dados do programa podem ser visualizados no site da NOAA – AMDAR, clicando em java version demo (para isso, use um navegador que ainda tenha suporte ao plugin do Java, como o Firefox ESR). Como os dados processados são proprietários das companhias aéreas, os dados em tempo real não estão disponíveis, no máximo com um atraso de 48 horas. No entanto, o uso de imagens em publicações de pesquisa é permitido e encorajado, assim como dados passados, que podem ser solicitados através de e-mail.

Tela de visualização de dados do AMDAR em java com overview na América do Sul (cores quentes indicam altitudes menores)

Clicando com o botão direito, são exibidos os seguintes dados em colunas com um cabeçalho. O cabeçalho contém a identificação da aeronave (AC#), aeroportos de partida e destino, tempo de início das medidas e o número de observações, assim como do início da subida e do final da descida. As colunas apresentam:

  • S (source) – fonte dos dados; 0=ACARS, 1=MDCRS, 2=ACARS&HDCRS, 3=AMDAR, 4=TAMDAR, 5=Canadian, 6-E-AMDAR, 7=TAM_OPS, 8=TAM&OPS, etc
  • F – qualidade ou restição; 0 = good, 1 = bad/missing temp., 2 = bad/missing wind, 3 = restricted, bad, or missing
  • HHMM – hora e minuto
  • lat/lon – latitude/longitude
  • Alt – altitude
  • wd/ws – direção e intensidade do vento (em nós)
  • t – temperatura

Veja um exemplo (desconfio que deveria ser CGH->SDU):

Os erros instrumentais são: temperatura +/- 1.0 °C; intensidade do vento +/- 2-3 m/s; pressão +/- 4 hPa.

Clicando com o botão esquerdo, aparece uma janela com as plotagens dos dados de perfil vertical para um ponto. Na janela, existem botões para outras sondagens de outras aeronaves sobre o mesmo ponto. O cursor pode ficar sobre um ponto da plotagem para apresentar outras informações, em negrito ao redor e abaixo do cursor (vide figura a seguir).

Sondagem vertical próxima ao aeroporto do Galeão (somente valores de temperatura e vento)

Usando esses dados, é possível prever com mais precisão:

  • início e término de um nevoeiro ou de uma tempestade severa (acarretando em fechamento do aeroporto ou não, em buscar aeroporto alternativo ou não e economizando em combustível extra para um determinado aeroporto alternativo);
  • direção do vento em rota (para aproveitar um vento de cauda ou evitar uma componente grande de proa);
  • windshear em pouso (prevendo possível arremetida em pouso);
  • turbulência em altos níveis (impactando no serviço de bordo);
  • densidade do ar (temperaturas e umidades altas diminuem a eficiência dos motores);
  • tipo de precipitação em regiões frias (chuva congelante implicando na utilização ou não de fluido anti-gelo).

A South African Airways (SAA) fez uma análise de redução de custos com base na participação no AMDAR e estimou uma economia de US$ 2-3 milhões/ano em economia de combustível no planejamento de voo, melhorado com base na disponibilidade de dados meteorológicos mais atuais.

Fontes