VOACAP, ennusteet ja antennit: HFTA-mallinnuksesta HamCAPiin

Markku OH2RA otti yhteyttä ja pyysi mallintamaan stakkiensa lähtökulmat ja tekemään mallinnuksen tuloksista sellaiset antennitiedostot, joita hän voisi käyttää HamCAP-ohjelman kanssa. Suostuin, koska luulen olevani sinut niin HFTA:n (HF Terrain Assessment) kuin VOACAP:n kanssa. HamCAP (http://www.dxatlas.com/HamCap/) on pikkuinen ja näppärä ohjelma, joka hyödyntää ennustelaskelmissaan VOACAP-ohjelmaa. HamCAP näyttää niin tietyn yhteysvälin ennusteet kuin peittokartatkin yhteisen käyttöliittymän kautta. HamCAPin ohjelmoija Alex Shovkoplyas, VE3NEA, on tunnettu muistakin hyötyohjelmistaan kuten DX Atlas, CW Skimmer, Faros, IonoProbe ja Morse Runner.

HamCAPin mukana tulee pari kourallista hyödyllisiä antennitiedostoja joita voi ohjelmassa käyttää. Markulla sen sijaan on neljän JP2000-antennin stakki ja tällaista stakkia ei luonnollisesti HamCAPin antennivalikoimasta löydy, joten antenni pitää mallintaa itse. Oikean antennin valinta ennusteohjelmaan on tärkeätä sen takia, että mitä parempi mallinnus saadaan aikaan, sitä luotettavampia ennusteetkin ovat - tai ainakin pystyy arvioimaan mahdolliset keliavaukset, joita muilla antenneilla ei välttämättä näe.

HFTA tekee VOACAP-antennin

HFTA (HF Terrain Assessment) -ohjelmaa on levitetty mm. ARRL:n Antenna Handbookin mukana tulevalla CD-ROM-levyllä. HFTA:n erikoisuutena on, että sille voidaan määrittää antennia ympäröivän maaston muoto. Maaston muoto oleellisesti vaikuttaa antennin lähtökulmiin ja siten suorituskykyyn. Markun antenneja ympäröivä maasto on tasaista, joten käytin maastoprofiilina HFTA:n mukana tulevaa FLAT.PRO-profiilia. Tämän jälkeen mallinsin neljän antennin stakin kolmelle bandille: 20, 15 ja 10 metrille. 20 ja 15 metrillä aktiivisia elementtejä on kolme ja 10 metrillä neljä. Maan johtavuudeksi valitsin varmuuden vuoksi huonosti johtavan maaperän, "2, 13 (Poor Soil)".

HFTA:n käyttöliittymä.

Stakin antennien korkeudet ovat 50, 41, 31 ja 22 metriä. Taajuudeksi määritin 14,2 MHz. Kun painaa "Compute!"-painiketta, HFTA laskee stakin lähtökulmat, tässä tapauksessa 34 asteeseen asti. Sen korkeammille lähtökulmille analyysi ei ulotu.

HFTA:n laskemat lähtökulmat OH2RA:n stakille 14 MHz:llä.

Lähtökulmajakauma tietylle kohdealueelle

HFTA:ssa on mahdollista asettaa kohtaan "Elevation File" erityinen lähtökulmajakauma-tiedosto. Tässä kerrotaan tilastollisesti, millaisilla lähtökulmilla yhteys omasta QTH:sta esim. tietylle maantieteelliselle alueelle toimii. Näin HFTA:lla pystyy arvioimaan, mikä on mallinnettavan antennin suorituskyky, koska HFTA laskee antennille hyvyysluvun sen mukaan, miten antennin lähtökulmat kattavat vertailukohdaksi asetetun lähtökulmajakauman.

Näitä lähtökulmajakauma-tiedostoja löytyy mm. ARRL:n Antenna Handbook -kirjan CD-ROM:lta Deanin N6BV:n tekeminä. Nämä tiedostot eivät kuitenkaan Suomen osalta ole kovin tarkkoja, sillä ne on laskettu vain yhdestä koordinaatista. Lisäksi kohdealueen havaintopisteiden maantieteellinen jakauma ei välttämättä ole tarpeeksi kattava.

Tämä oli mm. yksi syy siihen, miksi itse halusin kehittää menetelmän, jolla voisin laskea paremman lähtökulmajakauman mistä hyvänsä koordinaatista mihin hyvänsä kohdealueelle. Samalla halusin varmistua, että kohdealue on maantieteellisesti mahdollisimman kattava niin, että jakaumasta muodostuu edustava otos kyseiselle alueelle tarvittavista lähtökulmista.

Tätä varten kehitin VOACAP-ohjelmalle joukon eräajotiedostoja, joista saa tuloksena satoja megatavuja raakadataa, ja näistä voidaan jalostaa lähtökulmajakauma-tiedostot täysin omiin tarpeisiinsa. Tämän massiivisen raakadatan käsittelemiseksi tein oman ohjelman, EAA:n eli Elevation-Angle Analyzerin. Se on vapaasti ladattavista osoitteesta http://www.voacap.com/eaa10.zip . Tein ohjelmalle suppean englanninkielisen käyttöohjeen: http://www.voacap.com/antennas/eaa.html . En ole kuitenkaan vielä julkistanut näitä VOACAP:lle tarkoitettuja eräajotiedostoja, joilla tarvittava raakadata saadaan tehtyä. Tarkoitukseni on julkistaa ne pikapuoliin, mutta mikäli lukija ei malta odottaa, lähetän ne pyydättäessä sähköpostitse.

Muunnoksessa olikin bugi!

Mutta takaisin vielä HFTA-ohjelmaan. HFTA laskee siis mallinnetun stakin lähtökulmat, kun painaa "Compute!"-painiketta. Graafinen tulos avautuu omaan ikkunaan. Ikkunassa on oikealla alhaalla "Out File" -painike, jota painamalla HFTA tekee tiedoston, josta voidaan HFTA:n mukanatulevalla apuohjelmalla MAKEVOA.EXE tehdä VOACAP-ohjelmalle sopiva antennitiedosto. Valitettavasti tämä antennitiedosto ei kuitenkaan suoraan sovellu HamCAP-ohjelmalle. Mutta hyvä uutinen on kuitenkin se että VOACAP-ohjelman avulla tästä antennitiedostosta saadaan HamCAPille soveltuva antenni.

MAKEVOA:ssa ei ole graafista käyttöliittymää.

MAKEVOA.EXE on tekstipohjainen (käytössä ei siis ole graafista käyttöliittymää) apuohjelma, jolla HFTA:n laskeman antennin lähtökulmista tehdään antennitiedosto, jota VOACAP ymmärtää. Valitettavasti ohjelman lähtökulmadatan muunnoksessa vaikuttaa olevan virhe. MAKEVOA asettaa 1 asteen lähtökulman vahvistuksen aina nollaksi ja aloittaa HFTA:n laskemat vahvistukset vasta 2 asteesta. Näin siis HFTA:n 1 asteen vahvistus on MAKEVOA:ssa tekemässä antennissa 2 asteen kohdalla, HFTA:n 2 asteen vahvistus 3 asteen kohdalla ja niin edelleen. Tämä vääristää VOACAP-antennin vahvistuksia näillä kriittisillä alhaisilla lähtökulmilla.

PÄIVITYS 23.11.2011: Dean N6BV kertoi, että MAKEVOA-ohjelmasta on kuin onkin sittemmin ilmestynyt versio 1.2 (8.7.2005), joka korjaa tämän kyseisen virheen! En ollut vain törmännyt tähän uuteen versioon aiemmin.

MAKEVOA:ssa 1 asteen lähtökulmassa on vahvistus aina nolla (max. gain 18.10 dBi -18.10 = 0)!

Ainoa mahdollisuus on korjata MAKEVOA:n tekemän antennin vahvistustiedot käsin. Se on mahdollista, sillä VOACAP-antenni on kuvattu tekstimuotoisena ja arvoja voidaan siten onneksi muuttaa esim. NotePad-tekstieditorilla.

HUOM! MAKEVOA.EXE:stä on vuonna 2005 ilmestynyt versio 1.2., ja nyt sain Deanilta luvan jakaa MAKEVOA.EXE:n versiota 1.3 (23.11.2011). Lataa uusi MAKEVOA.EXE tästä (zippipaketti)!

VOACAP tekee HamCAP-antennin

Kun MAKEVOA:lla tehdyn antennimallin virheet on käsin korjattu, voidaan siirtyä viimeiseen vaiheeseen: HamCAP-antennin tekemiseen. Alex VE3NEA on kirjoittanut asiasta jo aikoinaan ohjeen (http://www.voacap.com/hamcap-type1314.html), jota seuraamalla asia onnistuu. Tässä käyn toimenpiteet vain päällisin puolin läpi.

Käytetään VOACAP:n Point-to-Point-ennusteohjelmaa, jossa TX-paikka asetetaan johonkin koordinaattiin ja RX-paikka tästä paikasta suoraan pohjoiseen. Viedään MAKEVOA:lla tehty (ja korjattu) antennitiedosto hakemistoon C:\itshfbc\antennas\samples. Sitten ohjelmassa TX-antenniksi valitaan tämä antennitiedosto. RX-antenni saa olla mitä vain. TX-antennin suunta asetetaan suoraan RX-paikkaa kohti. Nyt ajetaan ennuste esim. valitsemalla Run-valikosta Circuit. Ennusteen muilla parametreillä ei ole merkitystä. Merkitystä on ainoastaan sillä että TX-antenni on suunnattu suoraan RX-paikkaa kohti ja että RX-paikka on TX-paikan pohjoispuolella. Tämän koko harjoituksen jujuna on se, että kun ennuste ajetaan, VOACAP luo käyttäjän valitsemasta TX-antennista itselleen sopivan version, joka sopii pienin muutoksin myös HamCAPille!

VOACAP:n luoma TX-antennimalli on hakemistossa C:\itshfbc\run nimellä GAIN01.DAT. Tämä on tekstitiedosto, jonka alkuriveille täytyy tehdä muutamia muutoksia, jotta HamCAP ymmärtää sen.

Otetaan esimerkiksi OH2RA:n 28 MHz:n stakki. GAIN01.DAT-tiedoston ensimmäiset rivit näyttävät tämän ajon jälkeen seuraavalta:

2-D Table 28US      , FLAT.,  28.3 MHz , 50.0/41.0/31.0/22.0:Sample type 11  Gai
   2.  30.   0.00   0.00   0.00000   0.00000
 1  0.00   0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000

Poistetaan kaksi ensimmäistä riviä ja lisätään tilalle 5 riviä seuraavasti:

10M 4xJP2000
 3     3 parameters
  0.00  [ 1] Max Gain dBi..:
  14    [ 2] Antenna Type..: 30 x (efficiency + 91 gain values) follow
  28.3  [ 3] Frequency
 1  0.00   0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000

Uusista riveistä ensimmäinen on vapaa tekstirivi, joka näkyy HamCAPissa antennin nimenä. Se kannattaa siksi pitää lyhyenä ja ytimekkäänä. Rivit 2-4 pitää säilyttää muuttumattomina. Riville 5 voidaan kirjoittaa oikea taajuus - desimaalipisteen paikka on kriittinen. Tämän tiedoston käsittelyssä pitää olla tarkkana, sillä rivipositioissa olevilla tiedoilla on merkitystä!

Lopuksi annetaan antennitiedostolle uusi nimi, esim. oh2ra28.ant ja siirretään se HamCAPin antennihakemistoon C:\Program Files\Afreet\Ham CAP\AntBkup . Nyt kun HamCAP käynnistetään, uusi antenni näkyy valikoimassa ja sen lähtökulmia voidaan tarkastella myös HamCAPissa.

VOACAP:n virittäminen HamCAP-käyttöön

Lopuksi vielä pari sanaa VOACAP:n ja HamCAP:n yhteiskäytöstä. Kuten jo aluksi sanoin, HamCAP:n ennusteet lasketaan VOACAP-ohjelmalla. Kaikista ensimmäiseksi haetaan ja asennetaan siis VOACAP-ohjelmiston uusin versio (http://www.greg-hand.com/versions/itshfbc_110714.exe) ja HamCAP-ohjelmiston v 1.8 (http://www.dxatlas.com/HamCap/Files/HamCap.zip). Hyväksytään ohjelmien ehdottamat asennushakemistot.

VOACAP-ohjelmiston asennuksen jälkeen avataan VOACAP:n Point-to-Point-ennusteohjelma (nimeltä VOACAP) ja muutetaan System-painiketta painamalla kohta "Absorption model" arvosta "Normal" arvoon "IONCAP". Tämän tulisi antaa aavistuksen verran parempia ennusteita alabandeille kuin "Normal". Tämä asetus näin vaikuttaa HamCAP:in esittämiin ennusteisiin. Kun arvoksi on asetettu "IONCAP", voidaan VOACAP sulkea. Pitää tietysti muistaa, että tästäkin toimenpiteestä huolimatta VOACAP:n ennustetarkkuus alabandeilla ei ole kovin hyvä.

Valitaan kohdan Absorption model arvoksi "IONCAP".

HamCAPista on saatavilla erikoisversio

HamCAPiin on saatu mahtumaan pieneen tilaan uskomattoman paljon toimintoja: siinä yhdistyvät sekä tietyn yhteysvälin laskenta että peittokarttojen laskenta. Näitä molempia toimintoja varten VOACAP-ohjelmistopaketissa on kaksi erillistä ohjelmaa. Olen jo pitkään itsekseni harmitellut, että Alex oli valinnut HamCAPiin erityisesti minimilähtökulman osalta arvon 3 astetta. Suomeksi tämä tarkoittaa, että olipa valitsemassamme antennissa kuinka paljon vahvistusta hyvänsä 1 tai 2 asteen lähtökulmassa, kuten esimerkiksi OH2RA:n antenneissa on, ei HamCAP huomioi tätä vahvistusta mitenkään, jolloin luonnollisesti ennustetarkkuus kärsii.

Olin asiasta jälleen kerran yhteydessä Alexiin ja esittelin hänelle OH2RA:lle suunnittelemani antennit. Pyysin häntä vielä kerran harkitsemaan minimilähtökulman asettamista arvosta 3 astetta arvoon 0,1 astetta. Näin tehokkaiden antennien vahvistukset matalimmillakin lähtökulmilla tulisivat otettua huomioon ennusteessa. Alex suostui tällä kertaa pyyntööni, ja nyt OH-kansalla on ainutlaatuinen tilaisuus saada tämä versio käyttöönsä ensimmäisten joukossa maailmassa!

Erikoisversion tunnistaa 0,1 asteen tunnuksesta.

Tätä kirjoitettaessa Alex ei tarjoa tätä erikoisversiota vielä omilla www-sivuillaan. Olen kuitenkin saanut luvan lähettää tämän ohjelman kaikille sitä tarvitseville sähköpostitse. Joten mikäli ohjelmaa tarvitsette, ottakaa yhteyttä omakutsu-osoitteella. Lähetän siis uuden HamCap.exe-ohjelman zippipaketissa. Tällä ohjelmalla korvataan asennusohjelman asentama HamCap.exe, jossa alin lähtökulma on rajattu 3 asteeseen.

HamCAPin normaali- ja erikoisversion vertailu

Seuraavassa kolme esimerkkiä, joista näkee millainen vaikutus minimilähtökulman asettamisella 3 asteesta 0.1 asteeseen on, kun käytössä on tehokas antennistakki, tässä tapauksessa OH2RA:n 4x JP2000. Kaikissa tapauksissa kaikki parametrit ovat samoja, vain ohjelmaversio on eri. Uuden erikoisversion ennuste vasemmalla ja normaaliversion vastaava ennuste oikealla puolella.

Nämä voisivat olla ennusteita vaikka tulevaan CQ WW CW -kisaan. SSN:ksi on valittu 80.