Спутник — это очень просто

Похожее изображение

Мы быстро привыкаем к прогрессу. Вещи, которые нам несколько лет назад казались фантастикой, сегодня не замечаются и воспринимаются как всегда существовавшие. Достаточно покопаться в старых вещах, как вдруг найдется монохромный мобильный телефон, дискета, магнитофонная кассета или даже катушка. Не так давно это было. Не так давно и интернет был «по талонам» под скрип модема. А кто-то помнит 5,25″ жесткие диски или даже магнитофонные кассеты с компьютерными играми. И обязательно найдется тот, кто скажет, что в его время были 8″ дискеты и бобины для ЕС ЭВМ. И в тот момент ничего не было современнее, чем это.

В эти недели можно наблюдать традиционные мероприятия, посвященные запуску первого Спутника — началу Космической эры. Силой случая спутник, который должен быть первым, стал третьим. А первым полетел совсем другой аппарат.
Этот текст о том, как просто сейчас услышать спутники на околоземных орбитах и как это было в начале космической эры. Перефразируя известной когда-то книги Е. Айсберга: «Спутник — это очень просто!»

image

За последние 5-10 лет космос стал ближе к неспециалистам, как никогда. Появление технологии SDR, а затем донглов RTL-SDR открыло легкий путь в мир радио людям, которые к этому никогда не стремились.

Зачем это надо? Любопытство. Хотя «всё можно найти в интернете», немногие задумываются, что с начала это «всё» кто-то помещает в интернет. Кто-то пишет истории, кто-то делает интересные фото, а потом уже это расходится по сети ретвитами и репостами.

Можно по-прежнему слушать переговоры космонавтов, которые особо активны в момент прибытия/убытия экипажа с МКС. Кое-кому удавалось ловить переговоры во время выхода в открытый космос. Не всё показывает НАСА ТВ, особенно потому, что над Россией для НАСА — это слепые зоны полета, а TDRS еще летают не в достаточном количестве. Из любопытства можно принимать погодные спутники NOAA (пример методики) и Meteor (снимки имеют лучшее разрешение пример ) и узнавать несколько больше информации, чем это публикуется в СМИ.

image

Можно узнать из первых рук, как «поживают» множество cubesat.

У некоторых есть программы для приема и расшифровки телеметрии, другие телеграфируют в явном виде. Примеры можно посмотреть здесь.

Можно наблюдать работу ракет-носителей и разгонных блоков при выводе груза на заданную орбиту. Это же оборудование можно использовать для отслеживания стратосферных зондов. Вот, например, удивительный случай для меня — шар вылетел из Британии 12 июля и на высоте 12 километров уже сделал пару кругосветных путешествий, пролетел на Северным полюсом. Недавно был замечен над Сибирью. Очень мало приемных станций участвующих в проекте.

Собственно, что нужно для приёма?

1. Приемник, работающий в необходимом диапазоне. В большинстве случаев RTL-SDR соответствует достаточным требованиям. Рекомендуются предусилитель, режекторный фильтр. Рекомендуется использовать USB удлинитель с ферритовыми фильтрами — это уменьшит шумы от компьютера и позволит разместить приемник ближе к антенне. Хороший результат дает экранирование приемника.
2. Антенна на выбранный диапазон. «Лучший усилитель — это антенна». Какой бы предусилитель не был бы установлен после антенны, но при плохой антенне будет усиливать только шум, а не полезный сигнал.
3. В случае приема сигнала спутников нужно знать что летает, где и когда. Для этого нужны программы слежения за спутниками, указывающие и предсказывающие положение спутника в определенный момент.
4. Программы для приема и расшифровки телеметрии cubesat или метеорологических спутников.

Особенностью приема сигнала со спутников является расстояние и эффект Доплера.
По теории приема хорошо написано в этом документе со страницы 49 —
Satellite communication Construction of a remotely operated satellite ground station for low earth orbit communication.

image

Выведенная формула [Eq. 4.10] показывает, что мощность, принятая приемником, напрямую зависит от характеристик излучающей и принимающей антенн и обратно пропорциональна квадрату расстояния между приемником и передатчиком при одинаковой длине волны. Чем больше длина волны, тем меньше излучение рассеивается («Почему небо голубое?»).

Пролетающий над головой спутник находится на расстоянии нескольких сотен километров, а пролетающий на вашем горизонте обзора может находиться на расстоянии пары тысяч километров. Что естественно на порядки уменьшит уровень принимаемого сигнала.

А мощность передатчика не велика, то шансы успешного приема не велики. Например, у FunCube-1 мощность передатчика на освещенной стороне 300 mW, а в тени всего 30 mW.

отчет ЦРУ

Какая нужна антенна, и на какой диапазон?

Прежде всего, это зависит от места приема и объектов приема. Если это спутник с полярной орбитой, то рано или поздно он пролетит над приемной станцией. Это метеоспутники, многие cubesat. Если же это, например, МКС, а приемная станция находится в Москве, то МКС будет пролетать только на горизонте. И чтобы провести связь или долго слышать спутник необходимо иметь высокоэффективные антенны. Поэтому необходимо определиться — что доступное летает в досягаемости от места приема.

Какие программы существуют для слежения за спутниками, указывающие и предсказывающие положение спутника в определенный момент?

Online инструменты:
— www.satview.org
— www.n2yo.com

Из программ для Windows: классический Orbitron и, например, Gpredict.

Последний показывает информацию по частотам спутников. Существуют программы и для других платформ, например, для Android.

Мы же будем использовать Orbitron и информацию о частотах из сторонних источников.

Как программы вычисляют орбиты спутников?

К счастью необходимые данные для расчета орбит (TLE набор элементов орбиты для спутника Земли ) свободно распространяются в интернет и доступны здесь. Вам даже не нужно думать об этом — программы автоматически загружают свежие данные об орбитах космических объектов.

Orbitron из под Африки

Частоты рабочих спутников можно посмотреть здесь:

Как видно из таблицы, эти спутники в большинстве работают в диапазонах 2 метра и 70 сантиметров.
А здесь их набор элементов орбит (TLE), там же инструкция, как настроить автоматическое обновление этих TLE в Orbitron.

В одних случаях нужна всенаправленная антенна, в других остронаправленная, а в третьих — удобнее воспользоваться двудиапазонной. Узконаправленные, требуют ручного ведения за произвольным спутником, либо позиционер.
Посмотрим, что «используют профессионалы». Фотографии антенн, которые использует и использовал Свен для наблюдения за советскими спутниками и космическими кораблями.
Спиральная антенна 922 МГц — для приема сигналов кораблей Прогресс, Союз ТМА, и на 1020 МГц — разгонных блоков Бриз-М. Антенна зафиксирована в одном направлении на юг т.к. в Швеции корабли видны низко над горизонтом и крутить её нет необходимости. Выше — discone-антенна 100-480 МГц — универсальное применение. Диаграмма направленности горизонтальная. Но при приеме метеорологических, полярных спутников, пролетающих в зените, будут проблемы. Поэтому для таких случаев лучше использовать квадрифилярную антенну на необходимый диапазон.

image

Антенна «волновой канал» — бывшие телевизионные антенны, также направлены и зафиксированы в одном направлении.

image

image

Антенна «волновой канал» 920 МГц предназначалась для мобильных телефонов. Свен Гран собственной персоной.

image

Если нет подходящей заводской/телевизионной антенны, то можно изготовить что-то простое.
Простая двухдиапазонная ( 70 см и 2 м) антенна:

image

Простейший вариант квадрифилярной антенны для погодных спутников.

image

image

Инструкция по изготовлению антенны на 137 МГц для приёма сигналов погодных спутников. Квадрофилярная антенна ( Quadrifilar Helix ).

Какая бы антенна не была общее условие — подальше от препятствий и повыше от земли. Чем более открытый горизонт, тем более продлится сеанс. И не забывайте, что в случае направленной антенны её нужно «направлять» в сторону спутника.

Итак, у вас есть антенна необходимого диапазона, она установлена на открытом пространстве и подключена к тюнеру. В идеале с предусилителем. По возможности лучше использовать 2 метра USB удлинителя, чем 2 метра кабеля к антенне.
Рекомендуется провести калибровку RTL-SDR, отклонения по частоте могут быть значительные.

Запускаем любимую программу для работы с RTL-SDR. На экране ниже SDRSharp с FUNCube Dongle Pro.

image

Ведется прием Cubesat FunCube-1 на квадрифилярную антенну при прохождении спутника у зенита в наиболее выгодный для приема виток.

Сигнал не очень хорош, малошумящий усилитель необходим. На спектрограмме видно, что BPSK сигнал прерывается тоном каждые 5 секунд.

Если Вам удалось принять сигнал, то можно переходить к следующему этапу — дешифровке сигнала. В случае FUNCube, необходимо скачать программу Funcube telemetry dashboard

Следуя инструкции настраиваем программу:

image

И принимаем телеметрию:

image

При приеме сигнала спутника неизбежно такое явление как эффект Доплера. На спектрограмме это будет выглядеть так:

image

При приближении спутника к точке приема частота растет и при удалении уменьшается. Такие «рисунки» на спектрограмме позволяют точно определить, что сигнал принадлежит именно движущемуся спутнику, а не наземному источнику помехи. При приеме телеметрии необходимо вручную подстраивать частоту сигнала. Существует возможность автоматически подстраивать частоту и опять в этом поможет программа Orbitron, вычисляющая необходимую частоту и управляя программой SDRSharp или HDSDR.

Настройка SDRSharp и Orbitron.

Настройка HDSDR намного проще. В Orbitron аналогично статье устанавливаем драйвер MyDDE:

image

В HDSDR — Options\DDE client.

image

Перед использованием синхронизируем часы по интернету (с ближайшим NTP сервером). Удачной охоты!

Источник: https://habr.com/post/362147/