Análisis del terreno con MicroDEM y HFTA

Introducción

Una misma antena funciona muy diferente según a que altura se coloque y según como sea el terreno a su alrededor. Esos dos parámetros van a decidir como de bien o de menos bien va a rendir esa antena.

Si el terreno ya existe, no se puede cambiar, pero si el lugar aún no está decidido, si es un proyecto futuro, su elección puede ser determinante. La altura donde irá colocada la antena depende de nosotros mismos.

Para ayudarnos a analizar la situación hay un par de programas que podemos correr en un ordenador y simular como será el rendimiento de las antenas a distintas alturas y sobre diferentes lugares, antes de colocarla. Esos programas son el MicroDEM para preparar los datos de perfiles de terreno, y el HFTA para hacer la simulación en sí.

Antes de comenzar, un detalle, de momento el programa HFTA solo funciona con antenas de polarización horizontal, yagis y cúbicas mayormente. Por otro lado, el HFTA se hizo pensando en instalaciones en el campo, sobre la tierra, no en tejados de edificios en medio de las ciudades.
Aunque el programa tiene una precisión de +- 3 db, el autor lo presenta como experimental.

El método de trabajo es, primeramente conseguir los datos del terreno (cotas de altura) y luego simular el comportamiento de la antena en esa situación. El primer paso, lo que son los datos del terreno, en EA los obtendremos en la página web del Instituto Geográfico Nacional, los llamados Modelo Digital del Terreno, o metadatos. Su descarga es gratuíta, cubren toda España y tienen una resolución de 25 metros, de las más altas a nivel internacional. Con el programa MicroDEM y esos matadatos conseguiremos los perfiles del terreno alrededor de nuestra antena, en todas direcciones, y hasta casi 4000m de distancia.

La segunda parte es la simulación en sí, la cual haremos con el programa HFTA, haciendo uso de los perfiles de terreno antes generados.
Una característica adicional de gran utilidad del programa HFTA, es que dispone de las estadísticas mundiales de los grados de las señales predominantes entre países de todo el mundo, por lo que además de la simulación de la antena en sí, también nos hace una presentación estadistica de los contactos entre dos países que nosotros escojamos. Esto es muy útil pues nos va a permitir calibrar nuestro sistema radiante hacia las zonas que más nos interesen. Por ejemplo, podremos simular como va nuestra antena a funcionar colocada en un lugar determinado y a una altura determinada y apuntando hacia los países que nosotros queramos.
Toda estación de concursos y Dx que se precie, debe de pasar por esta planificación. De ello va a depender su rendimiento.

Este tema tiene cierta componente técnica en cuanto a manejo de cartografías y metadatos, pero no vamos a entrar en detalles, seremos prácticos.
Antes de comenzar, comentar que vamos a necesitar las coordinadas exactas de nuestra antena. Para ello hay varias opciones y cada uno puede usar la que quiera, todas son válidas, desde el GPS hasta el Google Earth pasando por una lámina cartográfica en papel. La cuestión es que hay que saber las coordinadas de la torre con la mayor exactitud posible. Recomiendo tener las coordenadas en grados decimales (tanto GPS como Google Earth se pueden configurar en grados decimales) y en UTM. El mismo MicroDEM tiene una utilidad para convertir grados en diferentes formatos.

Obtención de los datos digitales del terreno en España

Lo primero es obtener los datos digitales del terreno. Antiguamente se cojía un mapa y se iban sacando las cotas por las curvas de nivel. Hoy en día nos saltamos todo ello y lo hacemos a base de internet y ratón.

Los metadatos de España están divididos en cuadriculas cartográficas, pero es muy sencillo ya que en la misma página nos permite buscar por región, provincia o población, además de poder ampliar zonas, etc. Un detalle, para bajarse los archivos MDT25 hay que registrarse en la página, pero es gratis, sencillo y rápido.
La página es la siguiente;

http://centrodedescargas.cnig.es/CentroDescargas/index.jsp

Vamos a "Busqueda avanzada".
Recordar que los archivos que necesitamos son los denominados Modelo Digital del Terreno MDT25.

Para ver la distribución de las cuadrículas de España también se puede hacer uso de un visualizador muy sencillo en el siguiente enlace;

http://www.idee.es/clientesIGN/wmsGenericClient/index.html?lang=ES

También se puede usar el llamado "Visor" que hay en esa misma página del cual hay disponible el siguiente manual.

También se puede ver la cuadrícula en el siguiente mapa de cuadrículas. de España.

Antes de bajar nos pide aceptar las condiciones, e incluso una encuesta opcional que podemos saltar.
Lo que nos bajamos es un archivo comprimido .Zip que contiene un archivo .asc que es el que nos interesa.
El archivo suele llamarse MDT25-XXXX-H30.asc donde XXXX corresponde a la cuadrícula que necesitamos. El H30 quiere decir "Huso 30" que es la zona UTM.

Comentar que también están disponibles MDT05, con una precisión de 5 metros. Es una precisión muy alta pero son archivos de unos 150 Mb que dificultan su uso.
Debido a que las cotas son cada 5m, y el HFTA admite un máximo de 150 cotas, es necesario editar a mano el archivo antes de importarlo al HFTA para tratar de acomodar esas 150 cotas.
Por lo tanto, los archivos MDT05 solo los podrán usar los usuarios que dominen más estos temas. Lo demás seguirán esta guía con los MDT25.

Obtención de los datos digitales del terreno mundiales

Para aquellos lugares fuera de la cobertura del Instituto Geografico Español (fuera de EA), hay varias páginas en internet donde conseguir los archivos con los datos digitales del terreno.

https://wist.echo.nasa.gov/wist-bin/api/ims.cgi?mode=MAINSRCH&JS=1

Hay que registrarse primero (es gratis y rápido), luego se selecciona Land - ASTER y localización Search Area - Orthographic. Se selecciona en el mapa con un recuadro la zona deseada y luego click en start search. Después de unso segundos muestra los archivos con las cuadrículas de la zona seleccionada, se marcan y se hace click sobre "Add to cart", como si fuera una compra. Se finaliza el proceso y el sistema envía un correo-e con un enlace para bajarse un archivo zip con los archivos DEM comprimidos. Dentro del archivo zip están los archivos .dem listos para abrir con el MicroDEM, sin necesidad de conversión. Lo abrimoremos con la opción File - Open - Open DEM

Hay un tutorial en inglés; http://www.echo.nasa.gov/reference/astergdem_tutorial.htm

SRTM, resolución 90m, formato GeoTiff;

http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp

Solo hay que marcar la cuadricula sobre el mapa y pulsar "Click here to begin search", mostrará la zona ampliada y un boton para bajar el archivo que dice "Data Download (HTTP)" y ya nos bajamos el archivo (viene comprimido .zip) listo para abrir con el MicroDEM sin necesidad de convertirlo. Lo abriremos con la opción File - Open - Open DEM

Comparación ASTER - MDT25 - SRTM

Aquí podemos ver una comparación de la misma zona cada una con distintos metadatos; ASTER, MDT25 y SRTM.
Se puede apreciar en los contornos y definición del terreno que el MDT25 ofrece una magnífica calidad. El ASTER podría ser un sustituto, pero el SRTM (en versión 90m) ofrece una calidad bastante menor que cualquiera de los dos anteriores.

VIEWFINDER PANORAMAS

http://viewfinderpanoramas.org/

http://www.atdi.com/cartography/

MicroDEM

Si no lo tenemos instalado ya, lo bajamos de la siguiente dirección;

http://www.usna.edu/Users/oceano/pguth/website/microdem/microdem.htm

(Una rápida búsqueda en Google también nos lleva a la página oficial)

Descargamos la versión completa, y la instalamos como cualquier otro programa, importante es dejar las carpetas por defecto, no cambiarlas. Si uno lo desea, después de bajar la instalación completa e instalarlo, puede bajar de la misma página la última versión del núcleo que son unos 7.5 Mb y solo hay que copiarlo encima del anterior. También hay un archivo de ayuda actualizado que son otros 52 Mb y también sustituyen al que viene en la versión completa.
Para los que usan Windows x64 también hay la versión MicroDEM x64 que pueden bajar de la misma página.
Hay que bajar e instalar la versión completa normal x32, y luego solo se baja el ejecutable x64 y se copia en la misma carpeta del MicroDEM. Actualmente (2014) la versión x64 aún no está muy depurada (tiene fallos) y para lo que nosotros hacemos la versión x32 va de sobra.
Actualización 2016; La versión x64 es la presente. La versión x32 ya no se actualiza más.

Una vez bajado e instalado, lo ejecutamos.

Si en algún momento nos sale un error que dice algo así como; "Cannot modify a read-only dataset", se corrige cambiando el formato de Región y Lenguaje a "Inglés (EE.UU.)" en el Panel de Control de Windows.
A continuación hay un documento explicando esta corrección; Error MicroDEM

Antes de empezar a usarlo vamos a configurar unos detalles. En el menú superior pulsamos "Options" y se nos abre la ventana de configuración, donde hay varias pestañas.

• Pestaña Program, en la zona Menus, seleccionar Regular.
• Pestaña Units, poner todas las opciones en decimal, metric, metros y Locations en Lat/Long.
• Pestaña Coordinates, en la zona Verify ponerlo en keyboard entry. En la zona Show roam on all maps seleccionar Reasonable, lo mismo en la zona Verify Graphical Selections, también Reasonable.
• Pestaña Views, pulsar boton Weapons Fans, ahora pulsar boton Los and fan algorithm, asegurarse que NO está marcada la opción Radials from zoom map size, en la primera zona Fan drawing methods seleccionar "Radial lines, discrete", en "Ray spacing" escribir 5, en la zona "Point selection method" seleccionar "Constant radial spacing", y en "Point spacing (m)" escribir 25. Pulsar Ok para cerrar esa ventana y volver a la anterior. Pulsar el boton "O-Range circles" y en la primera línea de la columna Range escribir 1800, y en la segunda línea de la misma columba escribir 3700, y pulsar Ok en dos ocasiones para cerrar dos ventanas y solo queda la ventana principal de Opciones donde antes de hacer click en Ok podemos hacer click en Save Copy para grabar esta configuración en la acrpeta por defecto. Finalizar con Ok.

Cargar MDT25

En el menú superior del MicroDEM elegimos "File", "Open" y "Open DEM" y buscamos el archivo MDT25-XXXX-H30.asc que hemos bajado anteriormente. El MicroDEM abre una pequeña ventana preguntando "UTM zone" que será 30 (Canarias es 28 o 29), luego marcamos el hemisferio norte "Hemisphere Northern" y nos aseguramos que está en metros.

Hacemos click en OK, y aparecerá el mapa.

Una vez que ya tenemos nuestra imagen en pantalla, hacemos click sobre el icono de Weapons Fan (está señalado en la imagen anterior ) y luego doble click sobre la imagen, entonces se nos abre una pequeña ventana para introducir las coordenadas de nuestra antena. Hay varias opciones para introducir este dato, pero si las has conseguido con un GPS, normalmente tienen varias maneras de ver las coordenadas (diferentes formatos, datum). Hay que recordar que las coordenadas, tanto el GPS como el MicroDEM deben de usar el mismo datum como referencia. Uno de los más usados es el WGS84, pero se puede seleccionar otro en el GPS y también en el MicroDEM (en Opciones, Datum, Primary Datum).

Una vez introducidas las coordenadas de la antena, pulsamos Ok y se nos abre otra ventana preguntando algunas opciones. Estas opciones solo se escriben la primera vez, luego ya las memoriza.

En "Fan name" escribimos un nombre para nuestra referencia. "Max range" debe aparecer 3700, Right boundary será 355, y el que hay que asegurarse que está seleccionado es Save radials.

Cuando pulsemos Ok, el MicroDEM generará 72 archivos con la extensión .PRO (uno cada 5 grados) listos para importar desde el HFTA. Los archivos estará en la carpeta por defecto C:\MAPDATA\MD-PROJ\fans

Lo que contiene cada uno de esos 72 archivos es una simple lista con distancias y cotas del terreno. partiendo de la base de la antena, cada 25 metros una cota totalizando 149 cotas (150 con la antena) lo que nos da una distancia máxima de 3725 metros de distancia, suficiente para analizar las antenas en HF. De todas formas, si por ejemplo uno tiene una montaña, pongamos a 8 Km de distancia y 1000m de altura, puede editar el archivo y cambiar la última línea sustituyendo los datos por los de la montaña; 8000 1000.
(Por esta razón, si se usa el MDT05, hay que editar a mano el archivo, para reducir las cotas a no más de 150).

HFTA - HF Terrain Assessment (Evaluación del Terreno en HF)

El programa HFTA ha sido creado por Richard D. Straw N6BV y se distribuye en el CD que acompaña el ARRL Antenna Book.
Las últimas versiones de sus estadisticas y del archivo de ayuda, de pueden bajar gratis de la página de la ARRL (ir a Antenna Book)

Esta herramienta va a calcular los diagramas de radiación verticales de una antena colocada a la altura que escojamos y se verá afectada por las características y perfil del terreno que tiene a su alrededor. Podremos hacer cálculos de hasta cuatro configuraciones distintas al mismo tiempo, por ejemplo a distintas alturas, distintos terrenos o incluso distintas antenas. Recordad que de momento solo antenas con diagramas de radiación horizontales, tipo yagi y cúbica.

Primeramente pulsamos el botón de opciones para seleccionar metros como unidades de distancia y elegir la calidad del terreno donde está la antena. Una vez hecho esto, ya podemos comenzar, por ejemplo una yagi cuatro elementos, a veinte metros de altura desde EA apuntando hacia W, en la banda de 20m.

Podemos escribir la frecuencia de trabajo, 14.2 MHz en este ejemplo, y rellenar los datos a calcular que son el archivo con el perfil del terreno, Terrain File, que son los que hemos generado antes con el MicroDEM (recordar que tenemos 72 archivos para elegir en que dirección nos interesa) en este caso serán unos 280 grados para EA-W.

Para introducir los datos, se hace un click sobre el espacio en blanco y ya se abre la ventana donde se selecciona el tipo de antena (por su ganancia aproximada) y la altura a la que la queremos probar. Hay cuatro casillas de altura ya que se pueden poner hasta cuatro antenas enfasadas a distintas alturas (un truco para avanzados es que si hay varias antenas enfasadas, se puede desfasar cualquiera de ellas añadiendo un asterisco después de la altura, por ejemplo 15* ).

Una vez rellenados todos los datos;

Pulsamos el botón Compute y...

La curva azul nos indica que ganancia va a tener nuestra antena en la escala de la izquierda, en dBi, respecto al ángulo vertical de la antena en la escala de abajo. Podemos ver como entre 4 y 6 grados tenemos un pico de máxima ganancia, hasta los 17 dBi de ganancia, mientras que entre los 27 y los 30 grados nuestra antena no va a rendir muy bien, recordemos que todo esto es en dirección 280 grados, en otras direcciones será de otra manera, dependiendo del terreno.

Podemos calcular dos perfiles al mismo tiempo y poner el segundo como si el terreno fuera llano, para poder comparar;

La curva azul es la del terreno real, mientras que la curva roja sería un terreno llano. Vemos claramente que en los ángulos más bajos el terreno real nos favorece (la curva azul muestra más ganancia que la roja), mientras que para ángulos altos, a partir de los 15 grados, un terreno llano sería mejor (la curva roja está por encima de la azul). Pero que pasaría si pudiésemos saber cuales son los ángulos ideales para ese ejemplo de Qso EA-W, pues eso es lo que hace el HFTA al añadiendo el archivo llamado "Elevation file". Hacemos click sobre el recuadro del elevation file, se nos abre una ventana y buscamos el archivo de estadisticas que nos interesa dependiendo del país origen y del país destino que queremos analizar. Todos esos archivos vienen con el HFTA. En este ejemplo será el archivo llamado EA-US.PRN que está en la misma carpeta del HFTA;

Ahora podemos ver, además del rendimiento de nuestra antena, los ángulos más idóneos estadisticamente para ese contacto. Podemos ver que nuestra curva azul cubre magníficamente los ángulos ideales más necesarios estadísticamente.

La cifra que aparece a la derecha "Fig. of Merit" es un promedio ponderado con las estadísticas fruto de multiplicar la ganancia en cada ángulo por el porcentaje estadístico de cada ángulo. Cuanto mayor sea la cifra mejor rendimiento obtendremos de ese sistema radiante, en esa dirección y sobre ese destino.

Esa cifra se puede comparar entre distintas estaciones/antenas para saber quién tiene su sistema mejor optimizado.

No siempre resulta bien y si por ejemplo ponemos un dipolo a 10m de altura y esta vez queremos hacer un contacto con Asia;

Ahí vemos que los contactos con ángulos entre 1 y 4 grados nos los vamos a perder.

Por lo tanto, de lo que se trata es de que nuestra antena cubra los ángulos que deseamos, esto en la gráfica se traduce como que la línea azul debe de estar más arriba que las barras de las estadísticas. Es importante tener en cuenta que el 50% de los contactos son con ángulos menores de 6 grados, y el 90% de los contactos se hacen con ángulos menores de 16 grados.

El siguiente es un ejemplo claro de como el terreno "modela" el funcionamiento de una antena. En el siguiente ejemplo se puede apreciar como a tan solo diez metros de altura una antena puede tener un gran ganancia en ángulos bajos. Solo es cuestión de que el terreno nos favorezca;

Salva EA5DY tiene en su web un par de artículos sobre este tema que son de lectura recomendable.

Un truco. Se puede ver ampliada una zona de la gráfica con solo seleccionar con el ratón el área, pinchando en un punto de la gráfica y sin soltar el botón, arrastrar el ratón hacia abajo y a la derecha. Para volver a la vista normal se hace lo mismo pero en dirección contraria.

También podemos ver como afecta la altura a las antenas. Podemos simular la misma antena a distintas alturas y ver que ocurre;

Ahí vemos como una yagi de tres elementos se ve afectada por la altura. En azul estaría a 10m, en rojo serían 20m y en verde serían 30m de altura. Todos sobre un terreno llano, para facilitar la comparación.

Se ve claramente como a más altura, mayor ganancia a ángulos bajos, pero, hay que tener cuidado por que comienzan a aparecer "valles" sin ganancia que pueden afectar. Esto suele pasar cuando se apilan varias antenas a diferentes alturas, las más bajas sirven para cubrir los valles de las más altas, como vemos en el siguiente ejemplo, donde una yagi a 40m de altura provoca un valle importante pero que se cubre con otra yagi a 20m de altura, complementándose ambas;

También podemos ver como el seleccionar una u otra antena, en el caso del HFTA, solo cambia la ganancia, no ve diferencia entre antenas. En el siguiente ejemplo sobre el mismo terreno y a la misma altura pero diferentes antenas, yagis de 2, 3, 4 y 5 elementos;

Una función extra que tiene el HFTA es la visualización de los perfiles del terreno que usamos, los famosos archivos que hemos generado antes con el MicroDEM.

En la ventana principal el HFTA, a la derecha, marcamos "Terrain X" (se pueden marcar hasta cuatro al mismo tiempo) y podemos marcar también "Show Ants." para ver las antenas. Pulsamos el botón "Plot Terrain" y nos muestra el perfil del terreno que le hayamos cargado;

A la izquierda de la curva se ve un rombo azul que sería la antena.

Resumen

Esto ha sido la guía de como poder usar los datos digitales del terreno del IGN, importarlos al HFTA y poder comprobar y optimizar nuestro sistema radiante de acuerdo con nuestras necesidades.

Con esta presentación, cualquiera puede ahora configurar diferentes situaciones y jugando con el programa, buscar el máximo rendimiento del sistema.

Sobre temas de cartografía y modelos digitales hay bastante literatura pero no ha sido mi intención entrar en ello ya que podemos complicar todo el proceso y son conocimientos que se salen de nuestra parcela.

Espero que les haya sido de interés a todos y espero no haber cometido muchos errores.

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Curso en vídeo

El amigo Luís - EA8AY ha creado un curso en vídeo, para aprender a manejar el MicroDEM y el HFTA.
Con su permiso podemos ver los vídeos a continuación.

Charla del creador del HFTA, Dean N6BV

73, Máximo - EA1DDO / HK1H / M0HAO