Jak vlastně funguje Flightradar24: Posloucháme letadla nad celým Českem

S webovou službou a stejnojmennou mobilní aplikací Flightradar24 se už jistě setkal každý čtenář. Populární mapa letecké dopravy zobrazí prakticky v reálném čase polohu jak charterového letu mířícího kamsi do Španělska, tak malé cessny nad městem.

Flightradar24 a jemu podobní zároveň polohu neustále ukládají, a tak jsou často prvním veřejným dokladem letecké havárie, anebo naopak dopravní anomálie – třeba válečného bezletového prostoru nad Ukrajinou.

Kde Flightradar24 bere data?

Flightradar24 opravdu není jediný. Doplňuje jej třeba komunitní web ADS-B Exchange, který zobrazuje i polohu vojenských, státních a policejních letounů, no a zmínku si zaslouží ještě FlightAware a RadarBox. 

Kde ale vlastně všechny tyto služby berou data? Jak je možné, že když v prohlížeči nebo mobilní aplikaci načtete jejich mapy světa, zobrazí se nad nimi drobné žluté ikonky letadel od malých jednomotorových vyhlídkových letounů po dvoupatrové kolosy A380 mířící z Dubaje do Londýna? A to vše prakticky v reálném čase.

Mapa Flightradar24 s aktuální polohou letadel a detaily o jednom z nich

Všechny tyto mapy sledující leteckou dopravu stojí a padají na sítí mnoha tisíc dobrovolníků, kteří na svoji střechu, stožár na zahradě anebo třeba jen na okenní parapet umístili anténu s rádiovým přijímačem a skrze běžný internet posílají na centrální servery vše, co uslyší. Současné letouny jsou totiž hlasité nejen v oboru zvukových vln, ale i těch rádiových.

Radar

Ale pěkně popořadě. Každé malé dítě ví, co je to radar – zařízení, které vysílá rádiové vlny do širého okolí. Když se vlna srazí s pevnou – ideálně vodivou –  překážkou, část energie se odrazí zpět a zachytí ji přijímač.

Podívejte se, Jak funguje řízení letového provozu (dokument ŘLP, s.p.):

Pokud se bude zároveň objekt pohybovat, dojde díky Dopplerovu jevu ke zvýšení, nebo naopak snížení frekvence odraženého signálu. Podstatné je to, že letecký radar dokáže díky všem těmto vlastnostem odhalit polohu, azimut i rychlost pohybujícího se objektu, což už v roce 1940 pomohlo Královskému letectvu vyhrát bitvu o Británii.

Sekundární přehledový radar: Letadla odpovídají

S rozvojem letecké dopravy po druhé světové válce však základní radar přestal stačit, a tak přišel na řadu tzv. sekundární přehledový radar SSR (Secondary Surveillance Radar), kterému se v tuzemské hantýrce říká odpovídač a v angličtině transponder (transmitter-responder). Jak už název napovídá, v tomto případě se jedná o systém obousměrné komunikace.

Jednoduchý transpondér Cessna RT-359A s nastaveným squawkem 1 2 0 0

Když letoun zasáhnou vlny radaru SSR, jeho přijímač je zachytí a na kmitočtu 1 090 MHz odpoví sledem několika kratičkých pulzů, ve kterých jsou zakódované popisné informace. Podle toho rozlišujeme několik komunikačních režimů.

Nejjednodušší jsou mezinárodně používané režimy A a C:

• Mód A/Mode-A: Letoun odpoví čtyřmístným číslem v rozsahu 0000-7777. Říká se mu squawk (sqw) a je to identifikátor letu, který je mu přidělený při startu. Pokud si letoun přebírá další služba řídící danou oblast, může jej požádat o přenastavení hodnoty na jinou. Squawk má zároveň několik vyhrazených hodnot pro oznámení únosu, stav tísně atp.
• Mód C/Mode-C: V tomto případě odpověď navíc obsahuje údaje o barometrické výšce letounu

Mód S a ADS-B

Jelikož tyto dva základní režimy s rozvojem letecké dopravy pochopitelně brzy přestaly stačit, přibyl ještě jeden, který je už pro pochopení funkce služeb Flightradar24 a podobných naprosto klíčový:

• Mód S/Mode-S: Tento režim sekundárního přehledového radaru je už mnohem zajímavější, v odpovědi totiž obsahuje hromadu údajů o samotném letu. V prvé řadě je to jeho neměnný identifikátor (na rozdíl od squawku, který lze upravit), no a dále kurz, rychlost, letová výška a několik podobných hodnot.

Aby to bylo ještě o něco složitější, mód S se může stát nosným signálem pro některé další protokoly. A to se už konečně dostáváme k technologii ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast), která je jedním z nich. Ve své podstatě je to jen další zpráva v módu S, která nicméně konečně obsahuje geografické souřadnice letounu a některé další údaje.

MLAT, aneb zjištění polohy letadla i bez ADS-B

Kdykoliv se SSR dotáže v módu S letounu na jeho údaje, odpověď může zachytit nejen samotná pozemní radarová stanice Řízení letového provozu České republiky nebo jiné národní autority, ale i ony drobné prutovky i mohutnější tyče antén nadšenců z širého okolí.

Pokud bude odpověď obsahovat zprávu ADS-B, amatérský přijímač zná okamžitě polohu letounu a může ji zobrazit třeba na webové mapě. Polohu lze ale vypočítat i ze surové zprávy módu S.

Používá se k tomu technika MLAT (multilaterace), pomocí které se pozice letadla odhaduje z několika přijímačů se známou geografickou polohou a podle vzájemného časového rozdílu, kdy dorazila odpověď letounu ke každému z nich.

Základní princip výpočtu polohy pozorovatele u  satelitních navigací, pokud přijímač ví, kde se přesně nachází družice a jak dlouho od ní letí signál – tedy jak je od ní daleko.

Ve své podstatě se jedná o podobný proces, který se používá třeba u GPS a dalších satelitních navigačních systémů. V jejich případě známe naopak přesnou polohu družic na orbitě a hledáme pozici přijímače. 

Aby to fungovalo, v dané oblasti musejí být v případě služby Flightradar24 alespoň čtyři statické přijímače, které jsou zároveň perfektně časově synchronizované se servery služby. Proto se ke komunikaci používá jednodušší internetový protokol UDP.

Domácí rádiový přijímač

Jak vlastně takový amatérský přijímač zpráv z odpovídače letadel vypadá v praxi? Je to zpravidla docela jednoduchý kus elektroniky – velmi často některý z levných USB donglů pro příjem digitální televize s čipem R820T2.

Jejich specialitou je to, že je namísto na frekvence DVB-T můžeme přeladit na jakoukoliv jinou z podporovaného rozsahu – tedy třeba právě 1 090 MHz. Jedná se o tzv. SDR – softwarově definované rádio, kdy se hardwarová část použije jen k příjmu surového analogového signálu, zatímco o samotné zpracování se postará až procesor počítače a software.

Laciný DVB-T dongle z Aliexpressu a program SDR# pro univerzální analýzu spektra. Podobným přijímačem tedy nemusíte odposlouchávat pouze letadla, ale jakýkoliv jiný signál v podporovaném rozsahu. Třeba některé nešifrované meteostanice. 

Amatérští odposlouchávači letadel mezi dongle a anténu často připojují ještě mezidíl s frekvenčním filtrem, který se pokusí příchozí signál co nejvíce očistit jen na to podstatné, co se skrývá v rozsahu 1 075 MHz až 1 105 MHz.

Dump1090, tedy dekodér letových zpráv

Hlavní práci konečně odvede softwarový dekodér na počítači. Dnes se nejčastěji používá Raspberry Pi nebo některý z jeho klonů a dekodér (zpravidla) pro Linux. Obecně se mu říká dump1090.

Program se skrze USB spojí s přijímačem a v příchozích datech se pokouší hledat a dekódovat zprávy Mode-S/ModeS (nadále budu používat anglický název, který je častější). Pokud se mu to podaří, zná základní informace o pohybu letadla, které muže další program zobrazit na místní mapě, anebo odeslat dál.

Můj vlastní zachytávač odpovědí z transponderů s 1090MHz anténou od RadarBoxu, přijímačem od FlightAwaru a Raspberry Pi, na kterém běží softwarový dekodér a server

Velké mapové služby jako Flightradar24 nebo FlightAware dnes nabízejí kompletní softwarové řešení a FlightAware dokonce i vlastní USB přijímač FlightAware Pro Stick.

Jedná se o opět o drobný USB dongle s SDR čipem R820T2, avšak ve verzi Pro Stick Plus je součástí také onen filtr, který rádiový signál očistí jen na frekvence okolo 1 090 MHz. Díky tomu může drobná plastová krabička i s malou prutovou anténou chytat zprávy z letadel ve vzdálenosti až několika set kilometrů. V praxi se ale používají námořní míle (1 nm odpovídá 1,852 km).

S drobnou prutovkou dosah okolo 200 km

FlightAware Pro Stick Plus jsem nakonec použil i já. Investice se při nákupu ze zahraničí (třeba The Pi Hut) sice vyšplhá na 900 korun včetně poštovného, avšak budete odměněni solidní přijímací kvalitou, i když ke krabičce s konektorem SMA-F přišroubujete pokojovou prutovou 1 090MHz anténu.

Přijímač FlightAware Pro Stick Plus s Raspberry Pi

Když jsem anténku umístil na venkovní parapet balkónu v pátém patře panelového domu a s výhledem zhruba na jihozápad, z Brna jsem brzy začal zachytávat letouny v přímé vzdálenosti přes 200 kilometrů kdesi u Liberce.

Jižním směrem jsem pak bez problému zachytával letouny nad frekventovaným vídeňským letištěm a anténka zachytila i signál z východu, byť tento směr pochopitelně zeslabil stín samotného panelového domu.

Pokrytí mého přijímače (zelená plocha) a pro lepší představu 50km orientační prstence. Bydlím v údolí, takže v rovině s výhledem k horizontu by byl dosah ještě mnohem větší (neveřejná radarová aplikace autora)

Posíláme data na Flightradar24

I když jsem mohl drobný USB dongle spojit se službou FlightAware, pro kterou je primárně určený, nakonec jsem data posílal právě do služby Flightradar24, která se těší širokému povědomí, a hlavně nabízí vlastní upravený Raspbian Pi24 (linuxový OS britské maliny) pro Raspberry Pi s veškerým předinstalovaným softwarem a velmi jednoduchý návod a aktivaci pro začátečníky.

Jakmile svůj nový přijímač aktivujete, objeví se v seznamu osobních radarů

To znamená, že stačí stáhnout obraz systému, vypálit jej na microSD kartu třeba v programu Etcher, vložit ji do Raspberry Pi a pak už jen připojit SDR dongle, ethernetový kabel s internetem a solidní microUSB napájení. Zde uděláte nejlépe, když si pořídíte oficiální napájecí adapter pro Raspberry Pi, který nabízí dostatečný proud.

Právě nedostatek energie je totiž častým důvodem komplikací, kdy můžete vše desetkrát restartovat, ale přijímač nic nechytne, protože prostě nedostává skrze USB dostatek šťávy.

Nejlepší české přijímače na službě Flightradar24 seřazené podle maximálního dosahu (nejedná se o kilometry, ale námořní míle!)

Jakmile systém nastartuje a skrze ethernet se dostane k internetu, spojí se se servery služby Flightradar24 a vy jej přímo na webu aktivujete. Poté začne automaticky zasílat data, a vy jste se tak zapojili do programu.

Základní statistika přijímače

Software od služby Flightradar24 je maximálně jednoduchý a bohužel mu chybí jakákoliv mapová nadstavba, takže neuvidíte „vlastní“ letadla na mapě – jen jejich aktuální seznam a primitivní statistiku.

Grafický výstup z Raspberry Pi se systémem Pi24 po připojení monitoru a aktuální situace načtená v běžném prohlížeči

Pokud poběží Raspberry Pi třeba na IP adrese 192.168.1.207, stačí ve webovém prohlížeči načíst webovou adresu http://192.168.1.207:8754/index.html. Stejnou stránku zobrazuje po připojení monitoru skrze HDMI i samotné Raspberry Pi. Klasický grafický desktop se vším všudy na něm ale nehledejte. 

Denní statistika na webu Flightradar24

Další statistiku pro konkrétní zaregistrovaný přijímač nabízí na svém webu přímo Flightradar24, není ale příliš podrobná a bez mapy nebo alespoň seznamu letadel.

Obsahuje základní přehled pro několik posledních dnů:

Statistika mého přijímače pro 11. květen 2023 do 11:30 SELČ. Veškeré vzdálenosti jsou v námořních mílích

Jak se dostat k datům

Byť bude mít vaše Raspberry Pi upravený systém, stále je to ve své podstatě klasický Raspbian (upravený Debian), který můžete spravovat, spojit se s ním skrze SSH, instalovat další aplikace atp. V základu mu chybí jen plnohodnotné grafické rozhraní desktopu, s ním se zde totiž pochopitelně nepočítá.

Spojení s přijímačem skrze vzdálený terminál SSH

Pokud vám základní statistika stačit nebude, můžete doinstalovat další aplikace pro vizualizaci zpráv Mode-S/ADS-B, anebo využijete záznamu poslední aktivity v populárním textovém formátu JSON.

Adresář s daty najdete na linuxové cestě /run/dump1090-mutability a budete tu mít k dispozici jak historií nalezených letadel (history_xxx.json), tak aktuální stav (aircraft.json), nebo statistiku přijímače (stats.json).

Živá a strojově snadno zpracovatelná data z dekodéru ve formátu JSON. Z této ukázky je patrné, že právě přijímám data ze sedmi letounů. U některých už znám GPS a číslo letu.

Zdatnější kutil tyto soubory s již hotovými údaji může průběžně a automatizovaně číst a dále zpracovávat. Fanoušek obřího A380 si tak může napsat třeba skript v Pythonu, který jej bude hledat podle známých čísel letu, a pokud jej objeví, pošle nám rychle e-mail, že se právě blíží do naší geografické polohy. 

V jednoduchém Pythonu by to byla otázka nejvýše několika desítek řádků kódu.

Za odměnu dostanete tarif Business v ceně  500 dolarů ročně

Pro Flightradar24 jsem se ale v našem úvodu do sledování letadel rozhodl ještě z jednoho důvodu. Nejen že je relativně populární i mezi laiky, ale pokud se pro něj rozhodnete a budete mu zasílat data, autoři vám během slabé hodinky po prvním úspěšném nahrání alespoň jedné polohy aktivují nejvyšší placený paušál Business.

Nejen že bude služba bez reklam na desktopu i v mobilní aplikaci, ale získáte k dobru také všechny pokročilé funkce, bohatou historii a tak dále. Ostatně, není divu, stanete se totiž opravdu obchodním partnerem – dodavatelem dat.

Pokud budete posílat data, Flightradar24 vám dá na oplátku nejvyšší placený paušál

Jak už jsem zmínil v úvodu, aplikací pro vizualizaci, analýzu a sdílení zpráv Mode-S/ADS-B je celá řada a některé umožňují rozesílání dat z jednoho dekodéru hned do několika služeb zároveň, takže vaše Raspberry Pi či jiný podobný linuxový mikropočítač může pomáhat jak službě Flightradar24, tak FlightAware.