Ловим спутники без поворотного устройства
Полагаю, все любители поймать сигнал со спутников начинают с использования простых и легких направленных антенн, подключённых к портативке. Затраты минимальные, а удовлетворение от удачи услышать сигнал из космоса — максимальное. Но со временем надоедает руками держать и направлять на спутник антенну, хочется чего-то удобного. В век компьютеров логично всё автоматизировать. Об одном из возможных вариантов я хочу рассказать далее.
Самым простым вариантом не держать руками и не направлять на спутник антенну является применение специальных антенн, которые спроектированы для приёма сигналов из космоса. Как правило, у них используется круговая поляризация и диаграмма направленности более-менее охватывает всю верхнюю полусферу. Из простых по конструкции можно отметить антенны типа квадрафиляр и eggbeater (поскольку напоминает венчик для взбивания). Я сделал одну такую антенну и был несколько разочарован — хотя она действительно была способна принимать спутники в зените, но обладала совсем небольшим усилением и при этом еще принимала шум со всех сторон. Очень плохое сочетание параметров для приёма слабых сигналов. Наверное, такие антенны подойдут для приёма мощных низкоорбитальных спутников, но для приёма типичного кубсата усиление антенны оказалось явно недостаточно.
Антенна типа Eggbeater
На практике получить необходимое усиление можно только применяя многооборотные спиральные антенны или же многоэлементные антенны уда-яги. Но, как правило, чем большим усилением обладает антенна, тем уже её диаграмма направленности, тем острее необходимость точно направлять её на спутник. Тут надо отметить, что большинство радиолюбительских спутников — низкоорбитальные. Летят они быстро, от восхода над горизонтом до заката проходит всего порядка десяти минут, нужно довольно оперативно и точно отслеживать где сейчас находится спутник и туда направлять антенну. Вообще говоря, при современном уровне развития технологий это не представляет собой особой проблемы. Вполне доступными являются двухкоординатные поворотные устройства для антенн промышленного изготовления. Энтузиасты делают такие «поворотки» самостоятельно вместе с управляющими контроллерами. В интернете доступны параметры орбит спутников, так что с использованием специализированных программ (Orbitron, SatPC32, PstRotator и т.п.) задача направить антенну решается без особого труда.
Но есть одно, но — у вас должно удобное быть место для установки такой антенны. Как правило, это либо крыша здания, либо свободный участок земли. Траверсы многоэлементных антенн довольно длинные, поэтому нужно порядочно места для их свободного вращения. И еще чтоб никого не задела конструкция. На последок отмечу, что опора такой антенны должна быть довольно прочной и хорошо закрепленной. Она должна выдерживать вес антенн, поворотного устройства и сопутствующие ветровые нагрузки.
Как вы уже, наверное, догадываетесь, у меня не нашлось способа сделать такое поворотное устройство на крыше моего многоэтажного дома. Но желание принимать сигналы спутников не пропало. Тогда возникла идея использовать вместо одной поворачиваемой антенны несколько простых антенн уда-яги, направленных в разные стороны света. Мой план был такой — зная где сейчас находится спутник, с помощью реле подключать антенну, которая бы обеспечивала наилучший приём с данного направления.
Схема переключения антенн с помощью коаксиальных реле
Но сразу возник вопрос — сколько и каких антенн мне понадобится чтоб реализовать задуманное. Конечно же, хочется установить антенн побольше с высоким усилением, но это и дорого и много места занимает. Спутники передают сигнал в диапазоне 70 см. Как оказалось, дешёвых реле на такую рабочую частоту не бывает. Нужно использовать коаксиальные СВЧ реле, цены на которые, прямо скажем, кусаются. Для управления реле мне еще нужно было протянуть на крышу многожильный кабель — с этим тоже возникли сложности. В итоге я остановился на варианте, который позволял бы мне переключать четыре антенны. Прямо скажем, не много. Обеспечить хороший ровный приём по всей верхней полусфере довольно сложно. Посмотрев на диаграммы направленности доступных антенн, пришёл к выводу, что оптимальным вариантом будет применение 4 элементных уда-яги. Они дают в максимуме усиление порядка 8 dBi и при этом обладают довольно широкой диаграммой направленности. Пара антенн у меня уже была, остальные заказал у STV-Ural.
Уда-яги на 4 элемента
Расчётная диаграмма направленности одной антенны
Было искушение направить одну из антенн в зенит, но по статистике спутники довольно редко пролетают прямо над головой, да и самые дальние связи можно проводить, когда спутники находятся низко над горизонтом. Поэтому решил направить антенны по сторонам света с углом к горизонту в 30 градусов и поставить вертикальную поляризацию. Да, я не стал применять антенны с круговой поляризацией — придётся мириться с возможными замираниями. Но, может, потом поменяю. У меня еще довольно длинный кабель идёт от антенн к трансиверу, поэтому всю конструкцию еще дополнил малошумящим усилителем на крыше.
Осталось дело за малым — обеспечить автоматическое переключение антенн. Беглый поиск в интернете не позволил найти готовой конструкции контроллера, который мог бы нужным образом управлять реле. Популярные программы работы со спутниками, однако, поддерживают несчётное количество контроллеров поворотных устройств. К счастью для меня, протоколы работы таких устройств довольно хорошо документированы. Поэтому я счёл возможным сделать собственный контроллер управления реле, который бы просто поддерживал один из стандартных протоколов управления поворотными устройствами. В силу природной лени подобрал протокол попроще. Выбор пал на Easycom. В нём всего несколько простых команд:
Command Meaning
* ------- -------
*
* ML Move Left
* MR Move Right
* MU Move Up
* MD Move Down
* SA Stop azimuth moving
* SE Stop elevation moving
*
* VE Request Version
* AZ Query azimuth
* AZx.x Rotate to Azimuth
* AZxx.x Rotate to Azimuth
* AZxxx.x Rotate to Azimuth
* EL Request Elevation
* ELx.x Rotate to Elevation
* ELxx.x Rotate to Elevation
* ELxxx.x Rotate to Elevation
Всё решено было закодировать на полюбившемся Rust с использованием популярного bluepill. Протокол использует последовательный порт для обмена данными, но в настоящее время все используют USB для подключения с эмуляцией COM порта. Сначала хотел использовать встроенный в bluepill USB порт, но в силу кривых рук ли, или сырости библиотек, не удалось добиться устойчивого обмена данными с bluepill. При приёме команд по USB bluepill частенько зависал. В конечном счёте я отказался от использования встроенного USB и переделал всё на применение обычного последовательного порта STM32. Для работы с USB поставил модуль на микросхеме FT232RL, для надёжности гальванически еще развязал, добавив ADUM1201. В такой конфигурации связь с компьютером по USB работает без каких-либо проблем.
В протоколе Easycom есть команды запуска и останова моторов вращения антенны. Предполагаю, что после запуска программа опрашивает текущее положение антенн и в нужный момент даёт команду мотору остановиться. В моём варианте никаких моторов нет и такое поведение нужно эмулировать. Я сделал это с помощью встроенных в STM32 таймеров. Они по команде запускаются и отсчитывают «градусы поворота», потом по команде останавливаются.
Я использую для управления программу PstRotator. Для работы в ней нужно выбрать в меню настроек поворотку K3NG (Easycom). В ходе работы программы я посмотрел, как именно использует PstRotator протокол. Оказалось, что большинство команд протокола вообще никогда не вызываются. Обычный обмен данными работает только с применением команд AZ и EL. Так что остальные команды протокола можно было бы и не имплементировать, но на будущее я их сделал.
В основном цикле МК принимает команды от компьютера, анализирует значения заданных углов азимута и высоты и просто включает необходимые реле. Т.е. если кто-то решит повторить конструкцию, то нужно сначала установить антенны, измерить куда они направлены, определить желаемый диапазон рабочих углов для каждой антенны, а затем скорректировать программу МК с учётом этих данных. Понятное дело, число используемых реле и схема их коммутации может быть любой удобной для использования в конкретном случае. Исторически так сложилось, что я сначала сделал ручное управления выбором антенн с помощью тумблеров и реле, а уже потом добавил к этой конструкции управление через МК. Поэтому у меня для переключения 4 антенн используется 3 реле, а не 2, как можно было бы предположить. Но зато я могу полностью удалить из схемы МК и возможность ручного управления полностью сохранится.
Исходники программы находятся здесь — https://github.com/lesha108/fake_rotor
Использование автоматического управления оказалось очень удобным. Переключение антенн тумблерами воспринимается теперь как страшный сон.
Несколько слов о полученном опыте использования переключаемых антенн. В целом всё соответствует ожиданиям и диаграммам направленности антенн. Приём по сравнению со всенаправленной антенной существенно улучшился, иногда до 2–3 S-баллов. На пограничных углах усиление сравнимо с ненаправленной антенной. Замирания бывают, видимо, из-за смены поляризации сигнала. Некоторые спутники стало слышно постоянно хорошо. Например, ДОСААФ85 (который RS44) принимается практически всё время видимости. В то время как Saudi-OSCAR 50 хорошо слышно только когда он пролетает вблизи пика усиления антенн. Неплохо принимается телеметрия с кубсатов, хотя и не каждый пакет декодируется. Видимо мощность передатчиков кубсатов сильно отличается.
Таким образом, я положительно оцениваю опыт использования переключаемых антенн по сравнению со всенаправленными. Стало слышно то, приём чего ранее был невозможен. Отдельная проблема — это Московские помехи. Весь диапазон 70 см куплен коммерческими структурами. Радиолюбители даже права жаловаться на это не имеют, так как работают на вторичной основе. Не редки ситуации, когда на частоте вещания спутника включаются грузчики или крановщики. На фоне их мощных сигналов услышать слабый сигнал из космоса сложновато. Я использую не особо направленные антенны, поэтому с внешними помехами они не сильно помогают. Нужно применять остронаправленные, но тогда, как я уже писал выше, дешевле сделать вариант с поворотным устройством. С возрастанием уровня индустриальных помех растёт так же популярность установки антенн где-то на даче и дистанционной работы с приёмником через интернет. Если хотите услышать спутники — решение найдётся всегда.
Спасибо за внимание!
