Наблюдение искусственных спутников Земли

Содержание
[Основная идея]

Часть I: Теория
[Глава 1: Как движутся ИСЗ?]
[Глава 2: Какие орбиты и ИСЗ бывают?]

Часть II: Практика
[Глава 3: Подготовка к наблюдениям]
[Глава 4: О времени]
[Глава 5: Что и как наблюдать?]

§1. Оптические наблюдения

  1. Определение орбит ИСЗ
  2. Фотометрия ИСЗ
    1. Наблюдение вспышек ИСЗ
    2. Фотометрия ИСЗ за пролёт

§2. Радионаблюдения ИСЗ

  1. Приём телеметрии ИСЗ
  2. Получение снимков облачности

[Приложения]
[Использованные источники]

[Полезные ресурсы сети INTERNET]

Глава 5: Что и как наблюдать?

§2. Радионаблюдения ИСЗ

Приём телеметрии ИСЗ

Содержание пункта:

С декабря 2009 г. секция "Космонавтика" астрономического клуба "hν" Минского планетария в сотрудничестве с секцией "Радионаблюдения" приступила к тестовым работам по получению и декодированию телеметрии некоторых малых искусственных спутников Земли (ИСЗ). Ниже приводится описание создания тестовой установки и полученные результаты.


Несколько слов о телеметрии.

Телеметрия -- совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю [1]. Все ИСЗ имеют в составе своей бортовой аппаратуры блок телеметрии, который собирает информацию о параметрах работы систем спутника и по радиоканалу отправляют полученные данные на Землю. Многие ИСЗ (радиолюбительские и университетские микроспутники) предоставляют возможность любому человеку, при наличии у него соответствующего оборудования, принимать телеметрию и декодировать её. Более того, большинство владельцев этих ИСЗ (в основном -- это университеты и сообщества радиолюбителей) весьма заинтересованы в том, чтобы как можно большее число людей принимало, декодировало и отправляло владельцам телеметрию их ИСЗ. И это не удивительно -- ведь основной центр приёма информации и управления (ЦПИУ) ИСЗ находится в конкретной точке поверхности Земли (как правило, такие центры создаются на базе университетов-владельцев ИСЗ), а область околоземного пространства, из которого эти центры могут получать информацию со своего ИСЗ, когда он в неё входит, ограничена. Это приводит к тому, что владельцы ИСЗ не могут получить данные телеметрии, когда спутник находится вне области видимости ЦПИУ, т.е. по сути, не знают, что с ним происходит. Последствия этого могут быть самые плачевные -- примером тому может служить печальный инцидент 7 марта 2007 г. со спутником "Университетский - Татьяна" МГУ РФ. Спутник, после ухода из зоны видимости ЦПИУ (расположен в МГУ, Москва) на следующем витке перестал подавать какие-либо сигналы. Что с ним случилось, пока он пребывал вне зоны видимости, так и осталось неизвестным, вызвав, тем самым, множество домыслов [2]. Если бы имелась информация о работе бортовых систем вне зоны видимости ЦПИУ, то, возможно, удалось бы если не спасти спутник, то хотя бы понять причину его выхода из строя. Спутник на орбите могут подстерегать многие опасности, одна из которых -- резкое (в 10-100 раз) увеличение потоков частиц высоких энергий, бомбардирующих ИСЗ, когда они пролетают над Южно-Атлантической магнитной аномалией [3]. В этой зоне происходит большинство сбоев в работе электроники ИСЗ.

Конечно, создание широкой сети любительских приёмных станций телеметрии -- идея идеалистическая. Но как бы то ни было, в любом случае остаётся просто интерес к получению и декодированию сигналов от небольшой "коробочки", летающей по орбите вокруг нашей планеты.


Несколько слов о ИСЗ, телеметрию которых можно принять.

Перед тем, как приступить к приёму телеметрии со спутников, нужно создать установку по приёму радиосигналов нужной частоты, и знать какие спутники, где и когда "ловить". Со списком ИСЗ, с которых можно принять сигналы любителю, можно ознакомиться на страничке "The Radio Amateur Satellite Corporation (AMSAT)" [4]. Для нас в этой таблице наибольший интерес представляют ИСЗ, у которых работает радиоблок телеметрии ("Beacons") в режиме модуляции CW [5] (передача параметров телеметрии осуществляется азбукой Морзе [6]).Получение телеметрии в других модуляциях в этой статье рассматриваться не будет (хотя авторы, конечно, в будущем попробуют провести такие наблюдения). Таких ИСЗ набирается примерно с десяток:

Рис. 1
Рис. 1. Список микроспутников, передающих телеметрию в CW-модуляции.

Отдельно стоит упомянуть о ИСЗ, информация о CW-передатчиках которых не известна -- они в описание обозначаются "Unknown". Также есть "полуживые" CW-передатчики -- "Semi-Operational". Попытки получить от этих ИСЗ телеметрию превращается в своего рода "охоту"… Из таблицы видно, что подавляющее большинство интересных нам спутников передают сигналы телеметрии в диапазоне 435-438 МГц. Именно это определило наш выбор частоты приёма антенны -- антенна должна "работать" в указанном диапазоне 435-437 МГц.


Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: общая структура.

При создании мобильного приёмного комплекса телеметрии ИСЗ нам очень пригодился опыт, полученный во время изучения методов радионаблюдения метеоров. Объединив знания членов секций "Космонавтика" и "Радионаблюдения" нашего клуба, мы начали прорабатывать возможные варианты будущей установки. Требования к ней были следующими:

  • она должна быть мобильной (небольшой вес и габариты, обеспечивающие лёгкость транспортировки);
  • недорогой (для первичных тестов желательно использовать имеющееся оборудование и материалы);
  • позволять записывать сигналы телеметрии для их последующего анализа;

В итоге в течение нескольких дней такой комплекс был создан. Он состоит из приёмной антенны, радиоприёмника, звукозаписывающего устройства и вспомогательных компонентов (секундомер, наушники, фонарик, компас). Фото всей установки в сборе приведено ниже на рис. 2, а на рис. 3 представлен схематический рисунок устройства установки.

Рис. 2
Рис. 2. Установка по приёму сигналов телеметрии в сборе.

Рис. 3
Рис. 3. Схематический рисунок приёмной установки сигналов телеметрии ИСЗ.

Теперь опишем основные компоненты установки. Приёмная антенна соединяется фидером (коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом) с антенным входом приёмника. На момент поиска сигналов телеметрии к аудио-выходу приёмника подключаются наушники, и поиск сигнала ведётся на слух. Услышав "морзянку", фиксируем направление антенны, затем соединяем аудио-выход приёмника и микрофонный вход диктофона аудио-кабелем (Jack 3,5 "папа-папа"), наушники подключаем к аудио-выходу диктофона, и начинаем запись сигнала на кассету, контролируя уровень сигнала на слух. При записи сигнала важно выставить нужный уровень громкости -- чтобы сигнал не был слишком большой амплитуды (в этом случае сигнал будет сильно искажаться), но и не слишком малой (что затруднит его анализ). После записи сигналов в домашних условиях подключаем диктофон к Line-In входу звуковой карты ПК и оцифровываем полученный сигнал для его дальнейшего анализа и декодирования. Важно выставить уровень громкости на диктофоне таким образом, чтобы амплитуда выходного сигнала не превышала 2 В (можно сжечь Line-In вход звуковой карты!), оптимально 0,5-1 В. На рис. 4 показан схематический рисунок оцифровывания полученных записей телеметрии.

Рис. 4
Рис. 4. Схематический рисунок оцифровывания полученных записей телеметрии.

Вместо кассетного диктофона лучше использовать цифровой или сразу записывать звук на ПК.

[Вверх]

Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: антенна.

Антенна любой системы приёма радиосигналов является одним из основных компонентов. Стремясь использовать минимум средств и времени, было решено создать антенну типа обычной "Yagi-Uda" ("волновой канал" [7]) на диапазон 435-437 МГц. Моделирование антенны делалось в программе "MMANA-GAL" [8]. Моделировалась 6-элементная антенна с диэлектрической траверсой. В результате оптимизации параметров были получены следующие параметры, представленные на рис.5.

Рис. 5
Рис. 5. Параметры приёмной антенны. R – рефлектор, Dip – диполь, Dir1-Dir4 – директоры, L – длина элементов, d – расстояние между элементами.

На рис. 6 представлены смоделированные графики зависимости усиления антенны (GA) и её направленности (FB, "Forward-Backward" -- т.е. "вперёд-назад") от частоты.

Рис. 6
Рис. 6. Графики моделирования усиления антенны (GA), и направленности (FB), дБ, в зависимости от частоты.

На рис. 8 представлен смоделированный график зависимости КСВ (коэффициента стоячей волны [9]) от частоты. Чем ближе значение КСВ для данной частоты к 1, тем лучше (меньше потери сигнала). Чем выше значение FB, тем более вытянутой будет диаграмма направленности антенны и меньше влияние побочных помех. Чем выше усиление GA, тем более чувствительна будет антенна к принимаемому сигналу. На рис. 7 показана диаграмма направленности нашей приёмной антенны, смоделированная в "MMANA-GAL".

Рис. 7
Рис. 7. Модельные диаграммы направленности приёмной антенны.

Рис. 8
Рис. 8. Модельная зависимость КСВ приёмной антенны от частоты.

Конечно, моделирование -- это одно, а реальные параметры антенны -- совсем другое дело. Но за неимением приборов для настройки антенн, и, понимая, что первые наблюдения будут тестовыми, мы решили руководствоваться полученными при моделировании параметрами. Наблюдения показали, что антенна работает хорошо и обладает, как и должна, хорошей направленностью. При создании антенны использовались дюралевые трубки диаметром 8 мм, размещаемые на деревянной траверсе. Элементы антенны крепились шурупами. Трубки диполя помещены в пластиковую коробку (распределительная коробка для телефонных проводов, которую можно приобрести в отделе электротехники хозяйственного магазина), в которую вводился фидер. Оплётка и центральная жила фидера фиксировались к плечам диполя болтами М3.

Несомненно, антенна типа Yagi-Uda не является лучшей для приёма радиосигналов со спутников. Как известно, чувствительность антенн типа Yagi-Uda будет максимальна, если плоскость поляризации падающей на антенну радиоволны будет совпадать с плоскостью поляризации самой антенны, и будет минимальна при перпендикулярности этих плоскостей [10]. Если плоскость поляризации радиоволн повёрнута относительно плоскости поляризации антенны, уровень принимаемого сигнала в этом случае будет сильно снижен. В силу т.н. эффекта Фарадея [11] плоскость поляризации радиоволн по мере их распространения через ионосферу Земли будет поворачиваться, причём угол поворота сильно зависит от частоты радиоволн -- для частот 400-500 МГц плоскость поляризации может повернуться на 1-2 оборота [12]. Однако точно выставить "нужный" угол наклона плоскости поляризации приёмной антенны заранее нельзя по нескольким причинам:

  • Мы не знаем ориентацию передающей антенны ИСЗ, а значит и положение плоскости поляризации излучаемых ею радиоволн.
  • Даже если бы мы знали заранее ориентацию бортовой антенны, это не позволило бы выставить определённый угол ориентации приёмной антенны -- по мере пролёта ИСЗ над территорией, с которой ведётся приём его радиосигналов, расстояние до спутника сначала сокращается (до точки его минимального сближения с наблюдателем), а затем увеличивается. Это приводит к тому, что длина пути радиосигналов между ИСЗ и наблюдателем сначала уменьшается до минимального значения, а затем увеличивается вновь. Угол поворота плоскости поляризации радиоволн прямо пропорционален длине пути, который волна проходит через атмосферу. Так как в процессе приёма длина пути постоянно меняется, то изменяется и угол поворота плоскости поляризации.
  • Помимо закономерного изменения угла поворота плоскости поляризации, существуют и случайные изменения значений этого угла – радиоволны от ИСЗ могут проходить через слои ионосферы с различной концентрацией электронов, и заранее предугадать значения этих концентраций невозможно, а, следовательно, невозможно заранее установить угол поворота плоскости поляризации.

Перечисленные факты говорят о том, что для приёма телеметрии со спутников лучше использовать т.н. антенну "cross Yagi" [13-15], представляющую собой две антенны "Ygi-Uda" со взаимно перпендикулярно перекрещенными плоскостями. В случае применения таких антенн изменение плоскости поляризации радиоволн не сильно сказывается на уровне принимаемого сигнала. Для тестовых наблюдений мы решили создать обычную антенну "Ygi-Uda", т.к. перед созданием более серьёзного приёмного комплекса хотели набраться опыта с теми антеннами, с которыми мы уже имели дело. По тем же причинам мы не проводили дополнительную настройку и согласование антенны с фидером.

[Вверх]

Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: приёмник.

Для приёма радиосигналов телеметрии с ИСЗ нам был нужен радиоприёмник, принимающий сигналы с CW или SSB модуляцией в диапазоне 435-438 МГц. У нас есть сканирующий приёмник YAESU VR-500 [16], который прекрасно подходит для этих задач (см. рис. 9). У него есть возможность выставить как CW, так и SSB (USB, LSB) модуляции (также имеются AM, NAM, WFM, NFM). Конечно, для приёма сигналов подойдут и другие приёмники с подходящими параметрами.

Рис. 9
Рис. 9. Сканирующий приёмник "YAESU VR-500".

Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: блок записи сигнала.

Для записи сигналов телеметрии мы использовали кассетный диктофон "Panasonic RQ-L36" [17] (см. рис. 10). Диктофон имеет как встроенный микрофон, так и микрофонный разъём для подключения внешнего микрофона, а также разъём аудио-выхода и индикацию уровня заряда аккумуляторов. Питается от двух аккумуляторов типа AA.

Рис. 10
Рис. 10. Диктофон "Panasonic RQ-L36" и аудио-кабель Jack-3,5 ("папа-папа").

Несомненно, для наблюдений более практичным был бы цифровой диктофон или mp3-плеер с Line-In входом (желательно, имеющим возможность записи в wav-формате), но другого подходящего мобильного устройства записи звука у нас не было.

[Вверх]

Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: вспомогательное оборудование.

Из дополнительного оборудования нам может понадобиться секундомер, синхронизированный по сигналам точного времени. Мы использовали секундомер "ИНТЕГРАЛ ЧСЭ-01Э [18] (см. рис. 11). Синхронизация выполнялась за счёт сверки показаний системных часов ПК и секундомера. Системные часы синхронизировались по протоколу NTP с серверами точного времени используя бесплатную программу Dimension 4 v.5.0 [19] (более подробно о синхронизации часов см. Главу 4). Для приёма телеметрии ИСЗ точность синхронизации в 1 с более чем достаточна.

Рис. 11
Рис. 11. Секундомер "ИНТЕГРАЛ ЧСЭ-01".

Кроме этого, удобно использовать наушники для поиска и контроля уровня записываемого сигнала на слух. Для определения нужного азимута антенны понадобится компас. Ну, и запасные аккумуляторы, и минимальный набор инструментов на случай мелких поломок в поле тоже пригодятся.


Подготовка к наблюдениям.

Для проведения приёма сигналов телеметрии ИСЗ нам, для начала, нужно узнать какой из спутников будет пролетать над точкой наблюдения, и знать, в какое время будет этот пролёт. Самым простым способом узнать эту информацию -- посмотреть её на сайте www.calsky.com или www.heavens-above.com. Наиболее удобным является первый из перечисленных сайтов. Зайдя на главную страницу www.calsky.com, нужно на нём зарегистрироваться, указав кроме всего прочего, и координаты точки наблюдения. Для определения координат точки наблюдения можно использовать топографические карты или сайты maps.google.com, wikimapia.org, maps.yandex.ru и openstreetmap.org. После этого, вверху главной страницы переходим по пунктам меню "Satellites" --> "Radio Amateur". Откроется новая страница, на которой надо ввести начальную дату и время предполагаемого периода наблюдения, и выбрать на какое время вперёд от указанной даты рассчитывать (поле "Select duration"). Далее нажимаем "Go!" и ждём появления таблицы с результатами расчётов. В полученной таблице в поле "Time" пишется время наилучшей видимости ИСЗ (нам это время не важно), поле "Object (link)" содержит информацию об ИСЗ, поле "Event" содержит указание времён восхода ("Rise"), кульминации ("Culmination"), и захода ("Set") спутника, а также высота ИСЗ во время кульминации (параметр "h"). Параметры "Appears" и "Disappears" указывают на время выхода и ухода ИСЗ в тень Земли во время его пролёта над территорией наблюдателя (для нас эти времена не важны).

Для начала ищем ИСЗ, кульминация которых происходит на высотах не ниже 30° над горизонтом. Найдя такой ИСЗ, в поле "Object (link)" нажимаем на ссылку "Status/Frequency". В открывшемся новом окне смотрим номер спутника по каталогу NORAD [20] ("Norad Number") и частоту CW-передатчика телеметрии (обозначается словами "Beacon" или "Telemetry"). Как мы писали выше, нам нужны ИСЗ, частота передатчика которого лежит в диапазоне 435-438 МГц. Важно, чтобы рядом со строкой указания частоты была зелёная надпись "Operational" (рабочий). Надпись "Semi-Operational" означает, что передатчик работает со сбоями, а надпись Non-Operational означает, что передатчик не работает совсем. Выписываем значения частоты и "Norad Number". Ниже приведён пример описания передатчика телеметрии ИСЗ "CubeSat-OSCAR 55 (Cute-1)" (NORAD No.: 27844):


Mode U TLM Beacon: "Semi-Operational" Downlink 436.8375 MHz CW

Кроме этого в поле "Event" основной таблицы содержит значение румбов [21] восхода, кульминации и захода ИСЗ и картинку неба с указанием положения трека на ней. Эту информацию тоже переписываем и перерисовываем -- она нам пригодится.

Однако, этой информации нам недостаточно. ИСЗ, излучая радиосигналы телеметрии на определённой частоте, движется по орбите с большой скоростью (порядка 8 км/с). За счёт эффекта Доплера [22] частота принимаемого сигнала, когда ИСЗ наиболее удалён от наблюдателя (в точке восхода), будет выше частоты передатчика. По мере движения ИСЗ по небу расстояние до него будет уменьшаться до точки кульминации, а затем ИСЗ будет удаляться от наблюдателя. Частота принимаемого сигнала будет изменяться от максимальной (в точке восхода ИСЗ) до минимальной (в точке захода ИСЗ), причем скорость изменения частоты неравномерно вдоль трека спутника -- чем ближе проходит спутник, тем быстрее меняется частота [23] (см. рис. 12).

Рис. 12
Рис. 12. Изменение частоты радиосигналов во время движения ИСЗ. Числа у кривых указывают кратчайшее расстояние между спутником и наблюдателем.

[Вверх]

Отклонение частоты сигнала от бортовой может достигать нескольких килогерц. Если всё время не корректировать частоту приёмника, то до точки кульминации ИСЗ не будет "слышен" вовсе, а после точки кульминации высота тона сигнала начнёт быстро увеличиваться и уйдёт из диапазона оптимального воспроизведения НЧ-блока приёмника (частоты звукового сигнала будет выше 10 кГц). В связи с этим нужно рассчитать поправку на частоту для определённых моментов времени пролёта ИСЗ -- это может пригодиться при наблюдении спутника и случайной его "потере". Посмотрев частоту для определённого времени, можно "ловить" ИСЗ, будучи уверенными, что он должен быть "слышен". Для расчётов ухода частоты для определённых моментов времени мы использовали программы "Orbitron [24] и "Heavensat" [25]. Для поиска в базе данных ИСЗ в этих программах (нужно скачать обновлённые TLE элементы [26] с сайта www.space-track.org (нужна предварительная регистрация) или www.celestrak.com)) нужно использовать Norad Number, которые мы получили выше. Частоту передатчика ИСЗ, которую также нужно указывать в этих программах, мы также выписали выше. Кроме того, обе программы удобно использовать для отображения положения трека ИСЗ на небе, а также для получения информации о высоте ИСЗ в определённые моменты его пролёта по небу. Построив таблицу "Время - Высота ИСЗ - Частота сигнала", мы получаем надёжный план пролёта спутника.


Первые тесты.

Первые тесты мы начали проводить в декабре 2009 г. В первый раз мы решили просто попытаться словить сигнал телеметрии без его записи, проводя наблюдения в одном из дворов недалеко от центра Минска (Беларусь). Первая же попытка оказалась удачной -- в наушниках слышалась "морзянка" на фоне значительных шумов. Площадку во дворе по периметру окружали 5-этажные дома, что не позволяло принимать сигнал со спутника, пока он не поднимется на 15°-20° над горизонтом. На рис. 13 представлена фотография наблюдателя (Зоя Кенько) с мобильным комплексом приёма сигналов телеметрии ИСЗ.

Рис. 13
Рис. 13. Зоя Кенько держит в руках мобильный комплекс по приёму сигналов телеметрии ИСЗ.

После первой попытки мы провели ещё несколько попыток записи сигналов телеметрии, однако только одна из них была успешной -- это был ИСЗ "CO-57" [27] ("CubeSat XI-IV", NORAD Number: 27848), телеметрию которого мы записали 8 января 2010 г. Сильные индустриальные помехи, значительное снижение обзора неба -- всё это привело нас к мысли, что надо попробовать провести наблюдения если не за городом, то хотя бы на его окраине. Проще всего было добраться до площадки "Каменная Горка" (KG) [28] группы наблюдателей "Infinity" [29]. Вечером 3 февраля 2010 года мы выехали на точку наблюдения. В тот вечер мы должны были записать данные телеметрии двух ИСЗ -- "CO-65" [30] ("Cute-1.7 + APD II", NORAD Number: 32785) и "RS-22" ("Можаец-4", NORAD Number: 27939) [31]. Высота кульминации обоих была не более 45°, и мы беспокоились, что сигнал будет слишком зашумлен (оба трека пролегали в восточной части неба, как раз в направлении города, а не поля). Прибыв на место, мы быстро развернулись и стали ловить сигналы с "CO-65", который летел с юго-юго-запада на север. Практически сразу, когда ИСЗ был на высоте всего 10° над горизонтом, мы услышали "морзянку" и стали записывать сигнал. Условия приёма были хорошие -- мы "проводили" спутник по всему его треку вплоть до высоты в 5°-10° над горизонтом, когда он уже снижался. Через пару минут должен был восходить "RS-22", и мы перенастроились на него. И снова нам ничего не помешало записать сигналы телеметрии (кроме небольшого технического сбоя, связанного с переворотом кассеты на другую сторону) на всём протяжении трека спутника. Ни разу мы не теряли спутники из виду (правильнее было бы сказать "из слуха"). В городе нам этого ни разу не удавалось -- уровень помех был очень высок и мы часто "теряли" спутник. Таким образом, мы имели в своём запасе телеметрии трёх ИСЗ -- "CO-57" (один набор параметров телеметрии), "CO-65" (четыре набора параметров телеметрии) и "RS-22" (один набор параметров телеметрии). После этого мы приступили к анализу сигналов и их декодированию.

[Вверх]

Обработка наблюдений.

Перед тем, как начать анализировать записанные сигналы, их нужно оцифровать -- работать с оцифрованными сигналами значительно проще. При первой удачной попытке записи сигналов телеметрии (ИСЗ "СО-57") мы прослушивали неоцифрованную запись на кассете с замедлением прокрутки ленты в три раза (диктофон позволял осуществить это). Сигнал был зашумлен, и нам приходилось несколько раз прослушивать одни и те же области записи, выписывая "тире" и "точки". Остальные две записи мы решили оцифровать. Для этого мы использовали бесплатный звуковой редактор "Audacity" [32]. Схема оцифровки показана на рис. 4. И тут нам снова пригодился опыт радионаблюдений метеоров -- мы решили пропустить звуковые файлы через программу генерирования FFT-спектрограмм [33] звуковых сигналов. Программа раскладывает звуковой файл в спектрограмму (по оси ординат откладывается частота, по оси абсцисс -- время), и "морзянка" предстаёт перед нами в готовом виде -- в окне спектрограммы на фоне шумов прорисовываются "точки" и "тире". Для этого мы использовали бесплатную программу "Spectrogram 16.0" [34]. Перед получением спектрограмм мы замедлили проигрывание звукового файла (в "Audacity" меню "Эффекты" --> "Замедление скорости") в два раза. Для получения спектрограммы звукового файла нужно зайти в пункт меню "Function" --> "Analyze File" программы "Spectrogram" и выбрать оцифрованный файл. После этого загрузится окно параметров, которые можно выставить по своему вкусу -- максимальная частота в нашем случае была выбрана 2000 Гц, минимальная -- 0. Время развёртки в окне спектрограммы мы выбрали 10 с. После этого нажимаем "OK" и программа начинает строить спектрограмму файла. Контрастности деталей можно изменить в меню "Function" --> "Spectrum Color Scale", изменяя уровни максимума и минимума. После этого ждём, пока построится спектрограмма всего файла. После окончания построения можно перемещаться вдоль временной развёртки спектрограммы при помощи ползунка снизу оси абсцисс. На рис. 14 представлен участок спектрограммы сигнала телеметрии с отмеченными декодированными символами "морзянки".

Рис. 14
Рис. 14. Участок спектрограммы сигнала телеметрии с отмеченными декодированными символами.

При приёме телеметрии на приёмник без автоматической коррекции частоты приёма (за счёт влияния эффекта Доплера) частота несущей (частота, на которой появляются "точки" и "тире" на рис. 14) может сильно варьироваться, т.к. она корректируется на слух. Чтобы этого избежать, можно в процессе записи осуществлять контроль значения несущей частоты по FFT-спектрограмме. Это можно реализовать, используя для записи мощнейшую по своим возможностям (и бесплатную!) программу "Audio Spectrum Analyzer ("Spectrum Lab")" [93]. Для наших нужд важно, что эта программа позволяет одновременно вести запись звука и отображать FFT-спектрограмму записываемого сигнала. Краткое руководство по настройке и работе с программой можно прочитать в файле [68]. Принцип приёма сигнала телеметрии с использованием указанной программы будет следующим:

  1. Аудио-выход приёмника соединяется в линейным входом (Line-In) ПК.
  2. В начале наблюдения наблюдатель настраивается на начальную частоту приёма, расчитанную в "Heavensat" или "Orbitron".
  3. Запустив "Heavensat" и введя частоту передатчика ИСЗ, ждём момента его восхода.
  4. В момент восхода запускаем в "Heavensat" эмуляцию пролёта в режиме реального времени, одновременно запуская "Spectrum Lab" на запись входящего звукового потока.
  5. Изначально частота максимальная, и по мере движения ИСЗ она снижается. На спектрограмме это выглядит как "уползание" принимаемых "точек" и "тире" вниз, к меньшим значениям частоты. Оператор, смотря на спектрограмму, корректирует частоту приёма на приёмнике, стремясь удерживать несущую на одном значении частоты.

Такой нехитрый способ контроля частоты принимаемых сигналов позволяет сохранять значение частоты принимаемых сигналов в довольно узком диапазоне, что, в свою очередь, позволяет использовать программы по автоматическому декодированию "морзянки" из звукового файла, сразу получая значения телеметрических параметров. На рис. 15 показана модельная иллюстрация описанного принципа -- частота звукового генератора, подсоединённого к линейному входу ПК, изменялась вручную, а спектрограмма отображалась в "Spectrum Lab".

Рис. 15
Рис. 15. Принцип коррекции ухода частоты ИСЗ по спектрограмме записываемого аудио-сигнала.

Нами такой принцип контроля частоты был испытан на БАФ-2010 (см. рис. 16) и показал свою пригодность для использования в дальнейшем.

Рис. 16
Рис. 16. Рабочая обстановка при радионаблюдении ИСЗ -- сигнал принимается в любую погоду! Виталий Мечинский направляет антенну и перестраивает частоту приёмника, Зоя Кенько отслеживает уровень сигнала при записи на ПК и расчётное положение спутника на небе, ей ассестирует Руслан Завадич, справа -- Максим Котов.

Полученные результаты: ИСЗ "СО-57".

ИСЗ "CO-57" (см. рис. 17) был создан студентами Токийского университета (Япония) и запущен на орбиту 30 июня 2003 г. с космодрома Байконур (Казахстан). Спутник имеет форму куба с длинной ребра всего 10 см и массой 1 кг. В составе оборудования -- фотокамера, передающая снимки Земли с орбиты, и приёмо-передающий блок, осуществляющий передачу телеметрии и переговоры между радиолюбителями. На домашней странице проекта [35] можно получить более подробную информацию о спутнике.

Рис. 17
Рис. 17. ИСЗ "СО-57" ("CubeSat XI-IV").

Для декодирования телеметрии мы использовали программу-конвертор и описание формата телеметрии, размещённые на сайте проекта [36]. Пример рабочего окна программы с введёнными кодами принятой телеметрии можно видеть на рис. 18.

Рис. 18
Рис. 18. Рабочее окно программы конвертации кодов телеметрии в параметры бортовых систем.

Декодированная телеметрия, полученная нами со спутника "CO-57", представлена ниже.

[Вверх] 

< INPUT DATA >
UT1	WWW?CE?U?KYO.AC.JP
UT2	077DCB
UT3	59B80042
UT4	31425B
UT5	
UT6	


ISSL URL	http://www?ce?u?kyo.ac.jp  
XI-IV internal time		490955   (0x077DCB)
Uplink count			25/31
Camera count			2/7
SEL count (communication subsystem)		0/7
Antenna deployment		Finished
CW duty ratio			More than 0.3
OBC reset				Normal (There is no reset, or unexpected reset by the radiation.)
Battery charging		Trickle Charge
OBC existence			Alive
FM Opeartion			Waiting
Battery voltage			4.1V
Battery temperature		20.7ЃЋ
Solar array voltage		5.5V

Полученные результаты: ИСЗ "СО-65".

ИСЗ "СО-65" ("Cute-1.7 + APD II") Токийского технологического института (Япония) (рис. 19) был выведен на орбиту 28 апреля 2008 г. с Satish Dawan Space Center (Индия). Спутник имеет размеры 10×15×20 см и весит 3 кг. Спутник в составе бортового оборудования имеет приёмо-передающий блок (телеметрия, радиосвязь между любителями), а также другое исследовательское оборудование. Более подробную информацию можно получить на сайте проекта [37].

Рис. 19
Рис. 19. ИСЗ "CO-65" ("Cute-1.7 + APD II").

На рис. 20 показано рабочее окно декодировщика телеметрии "CO-65", который можно скачать с сайта проекта [38].

Рис. 20
Рис. 20. Рабочее окно программы-конвертера телеметрии ИСЗ "СО-65".

Ниже представлен один из четырёх декодированных наборов данных, полученных нами с ИСЗ "СО-65" (всего за время пролёта мы смогли принять четыре набора параметров).

[Вверх] 

Cute-1.7 + APD CW House Keeping Status
UTC : 2010/02/03 19:12:26:907
LocalTime : 2010/02/03 21:12:26:907
Data = 88CBA669382B28A2620013

Voltage of 3.3V system is 3.285 [V]
Voltage of 5V system is 4.904 [V]
Voltage of battery is 4.010 [V]
Voltage of main bus is 3.805 [V]

Satellite mode is FLIGHT
USB Power is turned off
Rx mutual monitor is active
Tx mutual monitor is active
Antenna is deployed
DTMF flag is turned off
Amatuer service mode : DIGI off

Temperature of communication board is 15.260 ['C]
Temperature of battery is 9.462 [‘C]
Current of battery is -0.477 [A]
S meter of 144MHz is 1.184 [V]
S meter of 1.2GHz is 0.000 [V]

APD 3.3V A power is turned off
APD 3.3V B power is turned off
APD main power is turned off
DAQ power is turned on
PDA is turned off
TH-59 power is turned off
CW power is turned on
DJ-C5(TX) power is turned on

Для того, чтобы посмотреть, как изменялись параметры бортовых систем за время пролёта "СО-65", мы использовали программу "CUTE1.7+APD II CW Telemetry Decoder" [39]. Изменение значения силы тока аккумуляторной батареи "СО-65" на основе принятых нами данных показано на рис. 21.

Рис. 21
Рис. 21. Рабочее окно программы-иллюстратора данных телеметрии ИСЗ "СО-65".

Полученные результаты: "ИСЗ RS-22".

ИСЗ "RS-22" ("Можаец-4", см. рис. 22) был разработан в Военном инженерно-космическом университете им. А. Ф. Можайского (Россия) и выведен на орбиту с космодрома Плесецк (Россия) 27 сентября 2003 г. "Спутник, имеющий исследовательско-образовательные цели, будет собирать данные об электрических и радиационных полях, влияющих на работу приборов и систем космических аппаратов, а также осуществлять экологический мониторинг Земли" [40]. На борту работает радиомаяк, передающий сигналы телеметрии.

Рис. 22
Рис. 22. ИСЗ "RS-22" ("Можаец-4").

Коды телеметрии мы декодировали в значения параметров бортовой аппаратуры при помощи программы "RS-22 CW Telemetry Decoder" [41], рабочее окно которого показано на рис. 23.

Рис. 23
Рис. 23. Рабочее окно декодировщика телеметрии ИСЗ "RS-22".

Ниже приведены параметры бортовой аппаратуры ИСЗ "RS-22" на основе принятой нами телеметрии.

Date: 03.02.2010  Time: 21:33:03

UBS  136   IBS        USUN       ISUN 0     ITXA 0     ITXB 0     
TTXA 117   TTXB 116   TNAP 115   TCTR 117   TSBA 117   
TSBB 101   MODB 129   MODC 6     MTX        MRX        

OnBoard Voltage:                       13,6 V
OnBoard Current:                       0 mA
Charge Voltage from Solar Batterie:    0 V
Charge current from solar battery      0 mA
D.C. current of the 435 MHz TX:        0 mA
D.C. current of the 145 MHz TX:        0 mA
Temperature of the 435 MHz TX:         17 °C
Temperature of the 145 MHz TX:         16 °C

Temperature of the Navigation Unit:    15 °C
Temperature of the Controller:         17 °C
Temperature of the inner case:         17
Temperature of the outer case:         1
Housekeeping info:                     129
Housekeeping info:                     6
Housekeeping info:                     
Housekeeping info:

Заключение.

Полученные телеметрические данные были отправлены в Токийский университет (Япония) и в Токийский технологический институт (Япония). Опыт первых тестов показал, что, применяя скромное оборудование, можно вполне успешно принимать и декодировать сигналы телеметрии микроспутников. В дальнейшем авторы планируют продолжать получать данные телеметрии не только в CW, но и в цифровом формате.

[Вверх]

© BelAstro.Net, Lupus, 04.07.2011

[Портал BelAstro.Net] [Email]