Funkbetrieb AMSAT-DL Journal


Frank Sperber, DL6DBN

Keine Angst vor LEOs
oder: Es gibt ein Leben abseits von OSCAR 10 und OSCAR 40

Den Meldungen zufolge werden wir auf den Phase 3-D Satelliten wohl noch etwas warten müssen. Mit AO-13 ist Ende 1996 der letzte dauerhaft nutzbare Phase-3 Satellit in der Erdatmosphäre verglüht. Während die Zahl der Digitalsatelliten zwischenzeitlich explodiert ist (wir sind bei OSCAR-Nr. 40), ist es seitdem um den Analogbetrieb (SSB/CW) über Satelliten recht ruhig geworden - völlig zu unrecht, wie gleich zu lesen ist.

Stand der Dinge

Nach dem Ende von AO-13 sind im Augenblick acht Amateurfunksatelliten mit Analogtranspondern im Orbit. Nicht alle zeichnen sich durch gute Betriebsvoraussetzungen aus.

AMSAT-OSCAR 10: Auch 15 Jahre nach dem Start kann AO-10 zeitweise benutzt werden. Die Lageregelung ist allerdings nicht mehr funktionstüchtig. Dadurch fällt nur periodisch Sonnenlicht auf die Solarzellen. Ohne Sonnenenergie macht der Transponder aber keinen Mucks. Scheint die Sonne dann und erzeugt Energie, so kann die Antennenausrichtung zur Erde unvorteilhaft sein. Die Folge sind unterschiedlich starke Signale und ein langsames Fading. Wenn der Transponder aber zur Verfügung steht, so lassen sich nachwievor QSOs fahren. Wenn man sich auf das langsame, aber konstante QSB “einphast” läßt sich sogar mit relativ moderaten Strahlungsleistungen von 500 W EIRPc Betrieb in SSB und CW machen.

AMSAT-OSCAR 40: Noch befindet sich dieser Satellit der Superlative (9 RX, 7 TX) in einer längeren Kommissionierungsphase. Wenn er den operationellen Betrieb aufnimmt, wird er sich die Funktion des früheren AO-13 übernehmen.

RS-10/11 konnte nach dem Abschalten des Muttersatelliten nicht mehr eigenständig in Betrieb genommen werden. Über ihn können leider keine QSOs mehr gefahren werden.

RS-12/13 ist aktiv und arbeitet schon länger im Mode KA. Die starken Downlinksignale sind im 10m Band zu empfangen. Zum Satelliten kann parallel auf 2m und auf 15m gesendet werden. Leider stören 15m Signale, die nicht für den Satelliten bestimmt sind, den QSO-Betrieb.

RS-15 ist im Mode A aktiv. Die Bake ist aber häufig nur noch periodisch und in einem noch unbekannten Modus zu hören. Der Satellitenempfänger auf 2 m ist recht taub, weshalb deutlich mehr als die üblichen 100 W Strahlungsleistung für brauchbare QSOs erforderlich sind.

RS-16 sendet nur mit seiner 70cm Bake. Alle Versuche, den 2m/10m-Lineartransponder zu aktivieren, sind bislang fehlgeschlagen.

Fuji-OSCAR 20: FO-20 ist inzwischen permanent im Mode-JA, also Analogtransponder (invertierend) von 2 m nach 70 cm. Der Transponder hat eine Bandbreite von 100 kHz und damit viel Platz für QSOs in SSB und CW. Der Hörbarkeitsradius erlaubt mühelosen Betrieb innerhalb Europas, und für einige Minuten gibt es gemeinsame Fenster mit Nordamerika (siehe rechts), Afrika und dem nahen Asien. Während eines Umlaufes sind Verbindungen von über 20 Minuten Dauer möglich. Seine Batterien sind defekt, so dass er nur noch bei ausreichender Sonneneinstrahlung genutzt werden kann.

Fuji-OSCAR 29: In der letzten Zeit sind gehäuft Bitfehler im Speicher der Packet-Radio Nutzlast aufgetreten, deren Ursache der Kommandostation noch nicht bekannt sind. Weil so aber kein PR-Betrieb sinnvoll ist, ist nach einem bestimmten Fahrplan auch der JA-Transponder eingeschaltet. Er arbeitet wie der Transponder auf FO-20. Die Signale sind im Maximum etwas stärker, allerdings sind die Fadingerscheinungen auch deutlicher als bei FO-20. FO-29 erlaubt Verbindungen innerhlab ganz Europas aber auch zu den Nachbarkontinenten Afrika und Asien (siehe links).

Die Arbeitsmöglichkeiten konstruktiv erweitern

Für weitgehend störungsfreien, vorhersagbaren Satellitenbetrieb eignen sich demnach im Augenblick also besonders die beiden Fuji-Satelliten. Bislang wurde der Betrieb hierüber aber als umständlich betrachtet, weil man eigentlich fast soviele Arme wie ein Tintenfisch bräuchte:

1. zur Bedienung der PTT oder der Morsetaste
2. für das Log oder zum Mitschreiben
3. für die Nachführung der Antennen
4. für den Ausgleich der Dopplerverschiebung

Insbesondere die Punkte 3 und 4 sind vielen Satellitenfreunden ein Dorn im Auge. Durch die niedrige Umlaufbahn dieser Satelliten - deshalb auch LEOs = Low Earth Orbits - müssen die Antennen binnen weniger Minuten einmal über den halben Horizont oder durch den Zenit gedreht werden. Und weil die Satelliten so schnell sind, ist auch der Dopplereffekt mit rund +/-10 kHz, also insgesamt 20 kHz zwischen AOS und LOS, recht hoch. Da muß schon alle paar Sekunden die Frequenz korrigiert werden, um in SSB keine Micky Maus Stimme zu bekommen.

Und trotz dieser Hemmnisse haben die Fujis mehr Beachtung verdient. Denn die genannten Attacken auf die Motorik unserer Arme sind auch eine Herausforderung. Aber auch im Hinblick auf die Zukunft mit Phase 3-D eignen sich die Fuji-Satelliten als Übungs- und Vorbereitungsobjekte. Übrigens braucht für die Freunde von AO-10 und AO-13 keine neue Station her. Was spricht also für die Fujis und wie läßt sich die “Tintenfischanforderung” umgehen?

1. Die einzige Erweiterung funktechnischer Art gegenüber dem Mode-B Betrieb von AO-10 oder AO-13 ist die Anschaffung eines guten 70 cm Vorverstärkers und dessen Montage in Antennennähe. Vermutlich haben ihn aber viele schon für den terrestrischen Betrieb oder noch von AO-13 und dessen L- beziehungsweise J-Mode mit dem 70 cm Downlinksender.

Auch bei einer Neuanschaffung ist das Geld für einen 70 cm Vorverstärker sicher nicht in den Sand gesetzt, selbst wenn das persönliche Interesse an den Fuji-Satelliten einmal nachlassen sollte. Alle aktiven Packet-Satelliten haben einen Downlink im 70 cm Band, Phase 3-D wird einen Downlink auf 70 cm haben und auch terrestrisch hat das 70 cm Band eine Aktivitätssteigerung außerhalb der Konteste verdient. Die Station wird durch einen 70 cm Vorverstärker, den es übrigens schon ab 150,- DM als Fertiggerät hier und da gibt, in jedem Fall aufgewertet.

2. Die automatische Antennennachführung durch einen Computer macht schon Mal eine Tentakel des Tintenfischmenschen überflüssig. Einen Computer für die Berechnung der Satellitenüberflüge verwenden inzwischen fast alle Satellitenfreunde. Eine Antennenanlage, die über Azimut- und Elevationsrotoren die Antennen auf den Satelliten ausrichtet, verwendet zumindest die Mehrheit derer, die bereits auf AO-10 und AO-13 QRV waren. Für den Rest empfiehlt sich eine solche Anschaffung auch im Hinblick auf Phase 3-D. Abgesehen davon führt es zu einer vernehmbaren Signalverbesserung, wenn die Antenne auch in der Elevation nach oben auf den Satelliten gerichtet werden kann.

Was fehlt, ist das Bindeglied zwischen Computer und Rotoren. Dafür gibt es aber schon seit langer Zeit erprobte und einfache Lösungen. Für die gängigen Rotoren der KENPRO/YAESU-Reihe (5400/5600 oder Kombination 400/600 plus 500) bietet der AMSAT-DL Warenvertrieb eine Interfaceplatine (Art.-Nr. 312) für den Eigenbau oder ein Fertiggerät (IF-100) an. Sogar mehrere Programme, die das Interface ansteuern können, stehen zur Auswahl (Satellitendienstprogramme von DC9ZP, SATELLIT von DL9AR, die DOS- und Windows-Programme SAT-PC/WISAT von DK1TB, der SATMASTER von DB1HZ oder The Station Program von VP9MU). Zum Thema Software gleich aber noch mehr.

3. Die Krönung der Automatisierung bei die Fuji-Satelliten ist aber der automatische Ausgleich des Dopplereffektes durch einen Computer über eine Steuerungsschnittstelle des/der Transceiver. Der Dopplereffekt ist eine Frequenzverschiebung, die durch die hohe Relativgeschwindigkeit des Satelliten in Bezug auf den Beobachter entsteht. Bei maximal 7,6 km/s stellt sie schon einen relevanten Prozentsatz der Ausbreitungsgeschwindigkeit von 299.793 km/s dar. Das Signal müßte bei Annäherung theoretisch mit der Schallgeschwindigkeit plus der Bewegungsgeschwindigkeit des Satelliten vorwärtsschreiten. Das geht laut Einstein aber nicht. Folglich bleibt der Welle nichts anders übrig, als sich zu verkürzen. Kleinere Wellenlänge = höhere Frequenz. Bei Entfernung zwischen Satellit und Beobachter kehrt sich der Effekt um, langsamer als Lichtgeschwindigkeit kann sich das Hochfrequenzsignal auch nicht ausbreiten. Die Frequenz wird tiefer. Bei den Fuji-Satelliten sind das immerhin jeweils 10 kHz.

Aber auch bei AMSAT-OSCAR 40 mit seinen Transpondern im Mikrowellenbereich ist der Effekt nicht zu vernachlässigen, auch wenn die Veränderung der Frequenzverschiebung über die Zeit langsamer erfolgt. Im S-Band (2,4 GHz), dem zukünftigen Top-Downlink bei AO-40 kann der Versatz bei MA 64 oder 192, also einem Viertel oder 3/4 der Umlaufperiode schon über 7 kHz betragen. Und im Top-Uplink der Zukunft, dem L-Band bei 1,2 GHz, sind es auch über 3,5 kHz. Auf den noch höheren Frequenzen ist der Effekt sogar im Apogäum, also wenn der Satellit scheinbar fast still stehen wird, noch bemerkbar.

Sich mit der automatischen Dopplerkorrektur zu befassen, ist folglich auch eine gute Vorbereitung auf AO-40. Die Wartezeit wird gut genutzt.

Automatische Dopplerkorrektur - ein Plus

Mit der automatischen Dopplerkorrektur wird aber nicht nur der dritte Arm überflüssig. Es gibt noch weitere Vorteile. Wer kennt das Phänomen nicht: Beim einen QSO-Partern kommt der Satellit näher, die Frequenz steigt. Beim anderen Partner entfernt sich der Satellit, die Frequenz sinkt. Und das passiert womöglich bei beiden noch mit einer unterschiedlichen Schnelligkeit. Als Folge drehen beide Stationen ständig an ihren VFOs, beim Empfang am RX, beim Senden am TX. Und mit der Zeit marschieren die beiden Stationen durch das Passband des Analogtransponders, wandern unter Umständen in ein anderes QSO hinein oder aus dem Transponderpassband hinaus.

Wenn beide Stationen eine automatische Dopplerkorrektur durch den Computer auf der Uplink- und Downlinkfrequenz vornehmen lassen, so bleibt die Frequenz innerhalb des Transponderpassbandes konstant. Keiner wandert, und wenn alle Stationen es so machen, wandert niemand in ein anderes QSO hinein. Und selbst wenn nur einer diese Technik nutzt, so ist es für den Nutzer während des eigenen Sendens nicht mehr erforderlich, die Frequenz manuell der Dopplerverschiebung anzupassen. Die Hand bleibt für die Sende- oder Morsetaste frei. Nur beim Empfang der Gegenstation muß deren Dopplerverschiebung manuell ausgeglichen werden, wobei die eigene Sendefrequenz durch den Computer gleich mitkorrigiert werden kann. Beim Empfang kann man aber das Mikrofon oder die Morsetaste auch bequemer loslassen.

Die Praxis der automatischen Dopplerkorrektur

Eine technische Lösung, also ein Programm, gab es vom Autor schon vor sechs Jahren. Es war allerdings für den ATARI-Computer und auf den FT-736R von YAESU beschränkt (SAT-TRAX). Das Verfahren setzte sich damals nicht durch. Das ist heute anders. Über den AMSAT-DL Warenvertrieb gibt es derzeit mindestens drei Programme, die sowohl die automatische Antennennachführung, wie oben beschrieben, und die Dopplerkorrektur mit verschiedenen Transceivern erlauben. Dadurch werden zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen.

Tabelle: Die Programme und unterstützten Transceiver

SAT-PC für DOS: FT-736R
SAT-PC für Windows: FT-736R, FT-847, TS-790, IC820/821, div. ICOM z.B. 275/475, 970
The Station Program: FT-736R, FT-847, TS-790, ICOM-Geräte

Da beim Autor ein FT-736R vorhanden ist, wurden zunächst alle drei Programme getestet. Alle drei Programme verrichten ihren Dienst wie gewünscht.

Das Station Programm ist sehr komfortabel und erlaubt zahlreiche Einstellungen, Interfaces zum Rotor und unterstützt viele Transceiver. Allerdings nehmen die Einstellungen auch einige Zeit in Anspruch. In der Bedienung ist es etwas gewöhnungsbedürftig, und man verzettelt sich leicht mit den vielen Optionen. Es wurde auch in [4] vorgestellt und läuft unter Windows ab 3.1.

Leichter in der Bedienung sind die SAT-PC Programme, egal ob für DOS oder Windows 95 und höher. Relativ schnell sind alle Einstellungen für den ersten Betrieb gemacht. Transponderfrequenzen etc. können über einen Texteditor in entsprechenden Dateien angegeben werden. Die vorhandenen Gerätschaften und die einfache Bedienung haben beim Autor für die Nutzung von SAT-PC für Windows den Ausschlag gegeben. Auf einem älteren Laptop mit Windows 3.1 nutzt er jedoch The Station Program oder alternativ die DOS-Version von SAT-PC beim Portabelbetrieb.


SatPC32 und seine komfortablen Bedienelemente für den automatischen Dopplerausgleich und die Rotorkontrolle.

Der praktische Betrieb

Außer einem PC mit dem geeigneten Betriebssystem und dem Satellitenbahnprogramm sowie einem der computersteuerbaren Transceiver wird zumeist noch ein Pegelwandler vom COM-Port (V.24) auf TTL-Pegel des Transceivers benötigt. Diese Konverter gibt es zwar von den Gerätehersteller. Mit einem MAX232 oder ähnlichen Wandlern läßt sich so ein Interface aber auch selbst herstellen. Über die Notwendigkeit und die Signalverteilung gibt das Handbuch der Transceiver Auskunft.

Als nächstes müssen dem Programm die Frequenzen des Transponders bekannt gemacht werden. Die Erfahrung zeigt, daß die in Büchern und Tabellen angegebenen Wertepaare Downlink/Uplink am eigenen Transceiver nicht ganz stimmen. Nach ein paar praktischen Einsätzen hat man aber herausgefunden, wieviel Frequenzabweichung der Transceiver beziehungsweise der Satellitentransponder haben. Mit jedem Umlauf läßt sich der Wert optimieren. Voraussetzung sind allerdings immer topaktuelle Keplerdaten, damit die Bahn des Satelliten und damit der Dopplereffekt möglichst präzise berechnet werden kann.

Wenn es mit den QSOs Ernst wird, empfiehlt es sich, kurz nach jedem Satellitenaufgang eine Feineinstellung der Transponderfrequenzen vorzunehmen. Allein durch unterschiedliche Bordtemperaturen des Satelliten ergeben sich schon Schwankungen der Frequenzen. Bei den genannten Programmen geht das über eine temporäre Korrekturfunktion: Die Transponderdaten brauchen also nicht jedesmal manuell korrigiert werden.

Sind Rotorsteuerung und Dopplerkorrektur aktiviert, geht alles ganz einfach. Statt mit dem VFO-Knopf des Transceivers wird die Frequenz nun über den Computer geändert. Das geht entweder über die Tastatur und/oder Tastfelder auf dem Bildschirm in unterschiedlichen Schrittweiten (SAT-PC) oder über einen variablen Schieber (The Station Programm). Dabei werden Uplink und Downlink parallel mit der passenden Dopplerverschiebung verstellt. So kann man über den Transponder scannen und nach CQ-rufenden Stationen Ausschau halten. Oder man sucht eine freie Frequenz und ruft dann selbst CQ. Es ist schon faszinierend, das erste Mal mitzuerleben, wie man über längere Zeit ruft und ständig die Frequenzen am PC und am Transceiver wie von Geisterhand verändert werden.

Kommt es dann zum QSO, gilt das bereits oben gesagte. Trifft man auf einen QSO-Partner, der ebenfalls eine vollständige Dopplerkorrektur der Uplink- und Downlinkfrequenzen betreibt, so läßt sich mühelos viele Minuten miteinander sprechen. Eventuell ist gelegentlich eine kleine Korrektur von einigen Hz notwendig, weil sich beispielsweise die Temperaturverhältnisse bei den Oszillatoren des Satellitentransponders verändert haben, der eigene Transceiver langsam warm wird oder die Keplerelemente die tatsächliche Bahn nicht mehr 100%-ig beschreiben. Ist der QSO-Partner noch nicht so professionell ausgestattet, dann werden zumindest die eigenen Sendedurchgänge schon wesentlich vereinfacht. Die Frequenzkorrekturen beim Empfang der Gegenstation werden über die Bedienelemente des Programms durchgeführt. Und siehe da, beim nächsten Senden stimmen eigener Uplink und Downlink wieder überein.

Das Packet Plus

Diese Technik funktioniert auch bei den 9600 bps FSK Packet-Radio Satelliten UO-22, KO-23, KO-25 oder dem neuen TO-31. Dafür gibt es sogar ein abgespecktes Programm WISAT, das für den überwiegend automatischen Betrieb über diese Satelliten auf die Grafikausgabe verzichtet. Der Test mit den 1200 bps PSK-Satelliten, wie AO-16, LO-19 oder IO-26, steht beim Autor noch aus. Vermutlich empfiehlt es sich hier aber, auf die DAFC-Funktion der Modems zurückzugreifen. Denn Schwankungen von 30 bis 70 Hz, wie sie beim oben für SSB/CW beschriebenen Verfahren auftreten können, nimmt ein PSK Modem schon mal übel. Für Sprach- und Morsesignale oder die breitbandigen FSK-Signale der schnellen PACSATs stellen diese Abweichungen in der Praxis kein Problem dar.

Fazit

Mit den Möglichkeiten der automatischen Antennennachführung und der automatischen Dopplerkorrektur über passende Interfaces ist mit moderner Software der Betrieb über die Fuji-Satelliten einfach geworden. Sie sind damit für Analogbetrieb bis zur Betriebsaufnahme von Phase 3-D eine gute Alternative zu den anfälligen Radio-Sputniks und dem sporadisch aktiven AO-10. Die notwendigen Umstellungen und Erweiterungen an der Station und beim Betrieb sind außerdem eine gute Vorbereitung auf den Phase 3-D Satellit oder einen späteren Einstieg bei den Packet-Radio Satelliten.

Referenz:

[1] Optimierte Kompensation des Dopplereffekts bei Foniebetrieb über Fuji-OSCAR-20 und OSCAR-29, F.J. Bellen, DJ1YQ, AMSAT-DL Journal 3/97, S. 23 ff.
[2] Sortimentsliste des AMSAT-DL Warenvertriebs, jedes AMSAT-DL Journal
[3] SAT-PC für Windows, E. Eichmann, DK1TB
[4] Neuheiten vom Warenvertrieb, AMSAT-DL Journal 3/97, S. 12


© AMSAT-DL/DL6DBN, Stand 01/2001
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