Reception of Mars Spacecrafts by Radio Amateurs
by James Miller G3RUH, 2003 Nov 24

On 2003 Nov 16 and 22, radio amateurs using the 20m diameter antenna at Bochum, Germany (JO31OK) received signals from the Mars Express and Mars Odyssey spacecraft. So does this mean that such feats are beyond the ordinary amateur? Absolutely not! Here are some notes to confirm this. You too can receive Mars Express, even on a small dish.

How strong?

At the time, these spacecraft were received at an accurately measured carrier power to noise power of ~40-43 dB in a 1 Hz bandwidth.

So if YOU have (say) a 1m dish, and the capability to receive on 8.4 GHz, you can expect a mere 26 dB less. But that's still a CNR of 14 to 17 dB/Hz. You can /just/ hear this in headphones, and it is "large" in a spectrum displays of the kind in popular use on PCs.

Many amateurs have antennas much larger than this, and reception of the Mars spacecraft, which make excellent point source beacons, should not be difficult.

And remember, the Bochum system was only on day #2 of its RF optimisation tests! The feed horn was linearly polarised instead of RHCP, the sidelobes had not yet been fully checked, and the RX noise temperature was not accurately determined. We expect another 4-6 dB in due course. So an amateur using best practice should be able to achieve results with even the smallest dish, particularly now, when Mars is quite close to the Earth.

Mars Express Details
Mars Express is, at the time of writing, en-route to Mars, carrying the Beagle lander. Its frequency is 8420.4321 MHz, and e.i.r.p. is specified as ~550 kW. The carrier supports a variety of modulation schemes. In particular, at any particular time it may be OFF, or more likely phase modulated with data. The modulation index is controllable according to mission needs. It was +/-1.25 radian during our tests, which leaves a residual carrier of 20*log(cos(1.25)) dB or -10 dB. The spacecraft's speed is of order 16 km/s, which gives a nominal doppler shift of -450 kHz. Superimposed upon that is additional diurnal shift due to the Earth's rotation of order +/-10 kHz. The changes are very slow, and do not hinder tuning and spectrum analysis.

Mars Odyssey Details
Mars Odyssey is in polar orbit around Mars at an altitude of 400 km. At this height, a Martian orbital period is ~118 minutes, speed 3.36 km/s, and the spacecraft is occulted behind Mars a maximum 35% of the time. The frequency is 8406.8519 MHz. E.i.r.p. is (according to the docs) ~91 kW. Doppler shift has three components; gross motion of Mars (fairly static, -375 kHz at present), diurnal shift due to Earth's motion (slow at +/-10 kHz), and very fast due to its motion about the Planet (+/-100 kHz). It needs chasing!

I (jrm) do not know the modulation index used, but do know that, allowing for the range difference, we received Mars Odyssey, on the day, only 3.8 dB weaker than Mars Express. Yet Odyssey has 7.8 dB less e.i.r.p. So perhaps its residual carrier (on the day) was only -6 dB rather than -10 dB.

Calculator ON!
You don't get very far in this game without resorting to the calculator. Let us compute the expected Mars Express signal in a 1m dish with a RX noise temperature of 100K. Both these figures are chosen as nice round numbers. We also assume the object's range to be 158 million km, as it will be at the end of 2003.

Here is the work sheet:

  
Empfang von Marssonden durch Funkamateure
von James Miller G3RUH, 24. Nov. 2003

Am 16. und 22. November haben Funkamateure unter Verwendung der 20-m-Parabolantenne in Bochum (JO31OK) Signale von den Raumfahrzeugen Mars-Express und Mars-Odyssey empfangen. Bedeutet das, dass solch ein Kunststück für den „normalen“ Funkamateur unerreichbar ist? Absolut nicht! Hier sind einige Bemerkungen, die das bestätigen. Man kann Mars-Express empfangen, sogar mit einem kleinen Spiegel.

Wie stark?
Als die Raumsonden empfangen wurden, lag das Verhältnis Träger zu Rauschen bei 40-43 dB in einer Bandbreite von 1 Hz.

Angenommen man hat einen 1-m-Spiegel und eine Empfangseinrichtung für 8,4 Ghz, kann man gerade 26 dB weniger erwarten. Aber das ist immer noch ein Träger zu Rauschen-Verhältnis von 14-17 dB Hz. Das kann man eben im Kopfhörer hörer, und es ist deutlich in einee der heute üblichen Spektrum-Anzeigen auf dem PC zu sehen.

Viele Funkamateure haben weit größere Antennen, und der Empfang der Mars-Sonden, die eine ausgezeichnete Bake zum Ausrichten der Antenne darstellen, sollte nicht schwierig sein.

Außerdem war das erst der zweite Tag mit Optimierungsversuchen in Bochum! Der Horn-Erreger war linear statt rechtszirkular polarisiert, die Nebenkeulen waren noch nicht vollständig geprüft und die Empfänger- Rauschtemperatur ware noch nicht genau bestimmt worden. Wir erwarten weitere 4-6 dB zu gegebener Zeit. Daher sollte ein erfahrener Funkamateur mit einem kleinen Spiegel Ergebnisse erzielen können, besonders noch jetzt, wenn der Mars ziemlich dicht an der Erde ist.

Mars-Express Details
Mars-Express ist ist jetzt auf dem Weg zum Mars und trägt das Landefahrzeug "Beagle". Die Sendefrequenz ist 8420,4321 MHz, und die EIRP ist mit ~550 kW spezifiziert. Der Träger unterstützt eine Reihe von Modulations-Arten. Insbesondere kann er meist abgeschaltet sein oder ist wahrscheinlicher mit Daten phasenmoduliert. Der Modulationsindex läßt sich an die Erfordernisse der Mission anpassen. Während unserer Versuche war er +/-1.25 Radian, was einen verbleibenden Träger von 20*log(cos(1.25)) dB oder -10 dB ergibt. Die Geschwindigkeit der Sonde liegt bei 16 km/s, womit eine Dopplerverschiebung von -450 kHz entsteht. Dazu kommt die tägliche Shift auf grund der Erddrehung von ca. +/-10 kHz. Die Änderungen sind sehr langsam und behindern nicht die Abstimmung und die Spektrum Analyse.

Mars Odyssey Details
Mars-Odyssey befindet sich in einem polaren Orbit um den Mars in einer Höhe von 400 km. In dieser Höhe beträgt die Umlaufdauer auf dem Mars ~118 Minuten bei einer Geschwindigkeit von 3,36 km/s, und das Raumschiff ist 35% der Zeit hinter dem Mars verborgen. Die Frequenz ist 8406,8519 Mhz, und die EIRP beträgt gemäß der Dokumentation ~91 kW. Die Doppler-Shift hat 3 Komponenten, einmal die Bewegung des Mars (ziemlich stabil, z. Zt. -375 kHz), dann die tägliche Shift durch die Erddrehung (wenig mit +/-10 kHz) und schließlich eine schnelle (+/-100 kHz) durch den Mars-Umlauf selbst. Man muß danach jagen!

Ich (der Autor) kenne nicht den Modulationsindex, aber ich weiß, auch im Hinblick auf die Entfernungsdifferenz, dass wir Mars-Odyssey nur 3,8 dB schwächer als Mars-Express empfangen hab, obwohl Odyssey 7,8 dB weniger EIRP hat. Daher war vielleicht der verbleibende Träger an dem Tag nur 6 dB statt 10 dB schwächer.

Taschenrechner einschalten!
Man kommt nicht sehr weit, ohne einige Rechengänge. Zuerst rechnen wir das zu erwartende Signal vom Mars-Express in einem 1-m-Spiegel mit einer Empfänger Raustemperatur von 100°K. Beides sind schöne runde Zahlen. Wir nehmen weitergin an, dass die Entdernung 158 Millionen km beträgt, was für das Ende des Jahres 2003 gilt.

So sieht die Rechnung aus:

    Mars Express Carrier NOMINAL Calculations
  
    TX power            44.4   dBm  (according to docs)
    S/C Antenna gain    43     dB   (   ..     ..  .. )
    ------------------------------
    TX e.i.r.p       Pt 87.4   dBm  (550 kW)
    Residual carrier   -10.0   dB   (modulation index 1.25 radians, assumed)
    ------------------------------
    Carrier e.i.r.p. Pc 77.4   dBm  = 54.95  kW
    ------------------------------  

    At range        R = 1.580*10^11 m:  (Mars, 2003 Dec 25)
  
    Received flux   F = Pc/(4 pi R^2)
                      = 1.75E-19  W/m^2

    Received power Pr = F A       W     For A = 0.432 m^2 (1m dish, 55% efficient)
                      = 7.57E-20  W

    RX noise power Pn = k Tr B    W     For Tr=100K and B=1 Hz
                      = 1.38E-21  W
  
    CNR           CNR = Pr/Pn
                      = 54.8
= 17.4 dB (B=1 Hz)

 
Your Station Performance
This gives you a baseline performance. Now suppose you have a 5m dish, 50K receiver, linearly polarised feed, and on Dec 01 the range is 123 million km:

Standard
5m dish
50 K rx
Polarisation loss
reduced range
  17.4 as above
+14.0 relative to 1m dish
+3.0 relative to 100K
-3.0 linear vs RHCP
+2.2 123M km vs 158M km
33.6 dB Hz

This is quite strong in headphones.

Finding the spacecraft
The easiest way to do this is to uses the JPL Ephemeris Generator to obtain the Azimuth and Elevation of Mars-Express and Mars for your location and plug these numbers into your antenna control program. The URL is:

  http://ssd.jpl.nasa.gov/horizons.html

Read the instructions with GREAT care, and you'll soon master them.  You can also obtain declination and right ascension if you prefer.  Mars Express is
object -41.

What does xx dB/Hz sound like?
Here are some off-air sounds of Mars-Express and Mars-Odyssey.

Mars-Express 16 Nov (MP3 830 k)
Mars-Express 22 Nov (wav 156 k)
Odyssey 16 Nov (wav 250 k)

Here are some examples of a synthesised 1000 Hz tone in different levels of noise. Carrier to noise ratio in 1 Hz bandwidth:

  0 db (wav 160 k)
10 db (wav 200 k)
20 db (wav 200 k)
30 db (wav 200 k)
40 db (wav 200 k)

Enjoy!

73 de James G3RUH

  
Leistungsfähigkeit der Station
Die Rechnung liefert eine Ausgangslage. Jetzt nehmen wir an, es steht ein 5-m-Spiegel zur Verfügung, der Empfänger hat 50°K, ein linearer Strahler, und am 1. Dezember beträgt die Entferung 123 Millionen km.

Standard
5-m-Spiegel
50°K RX
Polarisations Verlust
geringere Entfernung
  17,4 wie oben
+14,0 gegenüber dem 1-m-Spiegel
+3,0 gegenüber 100°K
-3,0 linear gegenüber rechtzirkular
+2,2 123M km gegenüber 158M km
33,6 dB Hz

Das ist gut im Kopfhörer zu hören.

Das Raumschiff finden
Am einfachsten erhält mit dem JPL Ephemeris Generator Azimut und Elevation vom Mars-Express und dem Mars für den eigenen Standort. Diese Werte speist man in die Antennesteuerung ein. Die URL lautet:

  http://ssd.jpl.nasa.gov/horizons.html

Bitte die Instruktionen mit großer Sorgfalt lesen, dann wird man bald die Sache beherrschen. Man kann auch Deklination und Right Ascension erhalten, falls man das vorzieht. Mars-Express ist Objekt -41.

Wie hört sich xx dB Hz an?
Hier sind einige Original-Aufnahmen von Mars-Express and Mars-Odyssey.

Mars-Express 16 Nov (MP3 830 k)
Mars-Express 22 Nov (wav 156 k)
Odyssey 16 Nov (wav 250 k)

Hier sind einige Beispiele von einem synthetisch erzeugten 1000-Hz-Ton mit unterschiedlichen Pegelwerten von Träger zu Rauschen bei 1 Hz Bandbreite.

  0 db (wav 160 k)
10 db (wav 200 k)
20 db (wav 200 k)
30 db (wav 200 k)
40 db (wav 200 k)

Viel Spaß!

73 de James G3RUH

Übersetzt von DJ1KM


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