Posłuchaj satelity Heweliusz. Jak i czym prowadzić nasłuch satelitów odc. 2

Dnia 19 sierpnia 2014 roku o godzinie 05:15 CEST na orbitę wyniesiony został drugi z satelitów BRITE-PL noszący imię Heweliusz. Satelita wystartował jako ładunek dodatkowy rakiety Long March CZ-4B z kosmodromu Taiyuan. Przez kolejne dwa lata Heweliusz wraz z pozostałymi satelitami konstelacji BRITE obserwować będzie jasne gwiazdy w celu badania ich pulsacji. Badania gwiazd mają pomóc zrozumieć nam jak działa nasze Słońce. 

 

Oprócz instrumentów naukowych, które umożliwią prowadzenie badań na satelicie Heweliusz zainstalowany został nadajnik BEACON ( z ang. radiolatarnia). By odbierać główną transmisje z obydwu satelitów inżynierowie BRITE-PL wykorzystują 3 metrową antenę umieszczoną na dachu budynku Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopiernika w Warszawie oraz modem i transcievier, który odbiera syngał w paśmie S-band (2,2 Ghz).

BEACON natomiast nadawać będzie z mocą 100 mW sygnały w alfabecie Morse'a, jego sygnał może odbierać każdy krótkofalowiec amator.  

Poniżej prezentujemy 34 odcinek z serii BRITE-TV pt. " Co w BRITE-cie piszczy - Poradnik dla radioamatorów", w którym jego autor i zarazem kierownik ds. komunikacji radiowej BRITE-PL tłumaczy pokrótce zawiłości związane z komunikacją z satelitami programu BRITE-PL. 

BRITE-TV " Co w BRITE-cie piszczy - Poradnik dla radioamatorów" (Credits: Marcin Stolarski)

W sieci dostępne jest również opracowanie "Telemetry beacon for Polish payload on BRITE-PL-2 satellite", które w wyczerpujący sposób przybliża działanie oraz konstrukcję Beacona satelity Heweliusz: http://www.ise.pw.edu.pl/~rrom/SPIE/SPIE8903-WILGA2013/8903/CD/WI13/DATA/8903_83.PDF autorami powyższego są mgr inż. Marcin Stolarski z CBK PAN oraz mgr inż. Grzegorz Woźniak z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie.

My natomiast z tej okazji publikujemy raz jeszcze nasz artykuł pt. "Jak i czym prowadzić nasłuch sztucznych satelitów" tym razem w wersji dedykowanej dla Heweliusza. Artykuł ów ma za zadanie objaśnić możliwości jego nasłuchu oraz ma pomóc w wyborze pierwszego sprzętu do tego celu. Czego więc będziemy potrzebować?

WAŻNE: Nadajnik BEACON Heweliusza nie będzie włączony cały czas, inżynierowie planują uruchomić go pod koniec misji. Marcin Stolarski kierownik komunikacji satelitów BRIE-PL wyszedł z propozycją, aby nadajnik został uruchomiony podczas najbliższych weekendowych (sobota, niedziela) przelotów satelity nad Polska. Jeśli znajdą się osoby (radioamatorzy) którzy posiadają odpowiedni sprzęt aby go odebrać i będą takimi próbami zainteresowane to zespół operacyjny satelity uruchomi nadajnik. Z Marcinem można się kontaktować przez jego fanpage w serwisie Facebook: https://www.facebook.com/marcinradio. Uruchomienie Beacona satelity Heweliusz pozwoli również korzystając z efektu Dopplera dokładnie zlokalizować satelitę wtedy, gdy będzie przelatywał nad stacją naziemną. 

Dokładny harmonogram umieszczany będzie co jakiś czas na stronie projektu BRITE-PL. Warto też polubić fanpage Marcina Stolarskiego (https://www.facebook.com/marcinradio). Marcin jest pracownikiem CBK PAN, ale także jest radioamatorem i umieszcza na funpage-u między innymi wskazówki pomocne w nasłuchu satelitów BRITE-PL.

1.Odbiornik

BEACON Heweliusza nadaje w amatorskim paśmie S-band. Dokładna częstotliwość 2430.995 MHz +/- 50kHz efektu Dopplera. Czym zatem możemy odebrać jego sygnał?

Istnieje kilka rodzajów urządzeń, które nam to umożliwią. Potrzebujemy przede wszystkim możliwości odbioru pasma s-band.

Najprostszym rozwiązaniem będzie odbiornik SDR (Software Defined Radio) który posiada możliwość odbioru pasma S-band, np. Ettus Research B200 (https://www.ettus.com/product/details/UB200-KIT ). Użytkowanie takiego sprzętu jest bardzo proste, z jednej strony podłączamy go do komputera za pomocą portu USB, z drugiej antenę, oraz uruchamiamy program, np. SRD# (plus odpowiednią bibliotekę ExIO dla UHD USRP). W ten prosty sposób mamy działający odbiornik w bardzo szerokim zakresie, bo od 70 MHz aż do 6000 MHz.

Druga możliwość to zakup odbiornika SDR np. funcubedongle (http://www.funcubedongle.com/) na niższe pasmo oraz downcovertera (http://www.ssbusa.com/modes.html), który przesunie nam sygnał 2.4 GHz na niższą częstotliwość np. 145 MHz. Ważne jest, aby odbiornik pozwalał na obserwację sygnału o szerokości 100kHz ponieważ w taki zakresie będzie zmieniać się częstotliwość sygnał BEACON-a.

Zamiast odbiornika SDR można spróbować obierać sygnał BEACON-a za pomocą odbiornika (skanera) bądź transceivera radioamatorskiego z modulacją SSB, ale korekcja częstotliwości związana z efektem Dopplera może być bardzo trudna (odbiornik SSB ma szerokość pasma około 2,5 kHz, a zmiana wywołana efektem Dopplera będzie wynosić około 100 kHz). Poniżej można na wykresie zobaczyć symulację jak będzie się zmieniać częstotliwość podczas jednego z przelotów.

 2. Antena

Zaopatrzyliśmy się już w odbiornik, wypadałoby teraz podłączyć do niego jakąś antenę. Jeśli czujemy się na siłach możemy pokusić się o własnoręczną konstrukcję, lub kupić fabryczny egzemplarz. Dobrym i tanim źródłem anten są anteny WiFi na 2.4 GHz. Potrzebujemy antenę o zysku 20-30 dB, co oznacza zwykle czaszę paraboliczną o wielkości około 1-2 metra. Oczekiwany nasycenie mocy sygnału BEACON-a na poziomie Ziemi to jakieś od -150 dBm do -140 dBm. Należy sobie przeliczyć bilans łącza radiowego czy posiadany sprzęt jest wystarczająco czuły, aby odebrać ten sygnał. Ponieważ BEACON posiada antenę o polaryzacji liniowej, aby zniwelować zaniki spowodowane obracaniem się satelity (a zarazem obracaniem polaryzacji) najlepiej zastosować antenę o polaryzacji kołowej. Antena o zysku 20-30 dB posiada dość wąską wiązkę główną, dlatego dobrym rozwiązaniem jest instalacja takiej anteny na specjalnym rotorze (http://www.spid.alpha.pl/polski/11.php, albo http://www.cbk.waw.pl/~mstolars/projekty/rotor/index_en.html), który będzie ją obracał w kierunku satelity z wykorzystaniem modelu matematycznego orbity satelity, czyli np. programu Orbitron.  

W łącznościach satelitarnych nie ma rozwiązania uniwersalnego. Jakość (lub czasami w ogóle możliwość) odbioru uzależniona jest od lokalnych warunków panujących w miejscu zainstalowania anteny. Wpływ mają takie parametry jak, wysokość, na jakiej antena się znajduje, jej najbliższe otoczenie i to, co ją zasłania (drzewa, wysokie zabudowania, itp.), oraz lokalnie występujące zakłócenia. Zachęcamy do eksperymentów, a w szczególności, jeśli tylko mamy możliwość do własnoręcznego wykonania anteny. Oprócz tego, że zaoszczędzimy sporo pieniędzy, to satysfakcja z własnej konstrukcji będzie dużo większa niż z zakupu fabrycznego egzemplarza.

3.Oprogramowanie

Na koniec kilka słów o oprogramowaniu wspomagającym nasłuchy satelitów. Do śledzenia ich pozycji najlepszym moim zdaniem programem jest znany polski Orbitron. Jeśli chcemy śledzić BRITE-a, musimy wpierw wykonać aktualizację plików TLE w Orbitronie. 

TLE to najbardziej popularny format zapisu elementów orbitalnych sztucznych satelitów Ziemi. W systemie TLE, w postaci dwóch linii (wierszy) zapisane są dane kepleriańskie orbit sztucznych satelitów oraz inne informacje takie jak numer satelity w katalogu USSPACECOM (United States Space Command) i NORAD, daty wprowadzenia satelity na orbitę i wygenerowania informacji TLE. System zapisu jest powszechnie używany przez NASA i NORAD. NASA i NORAD na bieżąco podają nowe efemerydy zapisywane w systemie TLE. 

Dzięki informacjom zawartym w TLE, można przy użyciu specjalnych programów komputerowych wyznaczyć dokładne położenie danego satelity w czasie i przestrzeni.  

Orbitron (w zakładce Rotor/Radio) pozwala również na wyliczenie aktualnej częstotliwości, na której powinniśmy słuchać uwzględniając efekt Dopplera, a także pokazuje azymut i elewację, co pozwala precyzyjnie ustalić miejsce, w jakie powinniśmy skierować naszą antenę kierunkową. Wcześniej należy tylko podać naszą pozycję w zakładce Lokalizacja.

Istnieje wiele innych ciekawych programów tego typu, ale „kombajn” jakim jest Orbitron daje bardzo dużo możliwości zaspakajając zdecydowaną większość potrzeb.

Mateusz Stojek, współautor artykułu jest studentem Politechniki Warszawskiej,  kierunku Elektronika, Informatyka i Telekomunikacja, a przy okazji zapalonym krótkofalowcem,  który w każdej wolnej chwili stara się rozwijać swoją pasję. Egzamin zdał w roku 2010, jednak pomimo swojego dość krótkiego stażu krótkofalarskiego ma już na swoim koncie wiele łączności na pasmach VHF i UHF.

Marcin Stolarski (SQ5FNQ) , współautor artykułu urodził się w Warszawie rocznik 1976. Tytuł doktora otrzymał na Politechnice Warszawskiej w 2010 roku. Jego zainteresowania i praca związane są technologiami kosmicznymi, z ukierunkowaniem na systemy komunikacyjne, rozproszone sieci komputerowe i systemy wysokiej wiarygodności (odporności na błędy i uszkodzenia). Jest autorem i współautorem wielu dokumentów dotyczących systemów kosmicznych. Aktualnie pracownik Centrum Badan Kosmicznych PAN.