APRS через спутники и КВ (теория и практика)

Введение

На борту международной космической станции установлена радиостанция Kenwood D710.
Он работает на борту МКС в автоматическом режиме цифрового ретранслятора APRS. Модуляция - AFSK 1200 bps, частота 145.825 МГц. Если МКС находится в прямой видимости, радиолюбитель может передать на борт МКС пакет APRS, на который могут ответить другие радиолюбители. Связь засчитана если пакет был ретранслирован через борт МКС - в сообщение APRS добавляется символ * - признак ретрансляции.

Орбиты МКС

Расчет времени будущих орбит для Вашего населенного пункта можно выполнить в Linux в программе - gpredict
или на сайте https://www.amsat.org/track/index.php.

Для работы я использую программы Xastir + soundmodem, как написано в предыдущей статье. По сравнению с наземным APRS 144.800, изменения в настройках следующие.

Настройка Xastir для APRS через МКС

Для работы через МКС в Xastir в меню Interfaces нужно добавить второй интерфейс - копию ранее настроенного для 144.8.

Во втором интерфейсе (который включать во время пролёта МКС) нужно отредактировать поля:

• первое поле "путь" заменить обычное значение WIDE 2-2 на ARISS.
• в комментарии указать ARISS (примечание для себя, что интерфейс для МКС).
  
  Замечания:
  1. путь может содержать два значения, например, ARISS,PСSAT, но пакетный ретранслятор на МКС использует только первое значение - т.е. ARISS. Чем длиннее путь, тем более длительная передача, так что лучше сократить путь до максимально короткого.
  2. по данным с форумов, МКС не будет отвечать, если указано "RS0ISS" или - это ошибочное значение не работает. Также бессмысленно добавлять впереди слово APRS, например APRS,ARISS — лишние символы захламляют строку пути и не улучшают работу.

Репитер МКС сам подставит свой позывной RS0ISS и звездочку (*) в ретранслированное сообщение Космос-Земля. Символ "звездочка" означает, что пакет был принят и ретранслирован с борта МКС.

Процедура пакетной радиосвязи через МКС

Сообщения для МКС делятся на группы:

1. GPS координаты через APRS. ("GPS маяки") без указания адресата. По желанию.
2. текстовые APRS сообщения для проведения QSO. Такие как направленные вызовы To: CALL. - Рекомендуется.
3. не APRS сообщения - например, обычный PACKET, посланный из терминала, например, BBS (не рекомендуется)
4. служебные APRS сообщения (прямой запрос станции) - не рекомендуется. Примеры таких сообщений: ?APRST ?IGATE

Самое простое - в момент пролета МКС передавать свои координаты (команда Interfaces - Transmit Now!) позиции GPS координат - они будут ретранслированы через МКС и отобразятся на карте у других радиолюбителей.

Более правильно - вызывать с помощью передачи сообщений как написано ниже:

Правила проведения QSO с использованием сообщений APRS

Общий вызов

Сообщения всем: в поле CALL указать текст сообщения CQ.

Либо указать конкретный позывной (направленный вызов) в поле CALL, например, RZ1PVT.

Текст сообщения произвольный. Можно указать квадрат или QTH и имя, KO59, op. Vladimir..

Ответ на вызов

В поле CALL указать позывной корреспондента, в поле сообщения (текст) - любое ответное сообщение длиной до 40 символов на английском языке. Следует отметить, что чем длиннее сообщение, тем выше вероятность возникновения ошибок при его декодировании из-за слабого уровня или QSB (замираний сигнала).

Примеры коротких ответных сообщений:

• Hello from SPb
• TNX 59 73 GL
• 73 de call, CU

Позывные в служебные поля FROM и TO, а также координаты станции проставляются программой Xastir и soundmodem в пакет APRS автоматически.

Проверка ретрансляции пакетов

Ретранслированные назад пакеты должны быть восприняты приемником и декодироваться программой. Как и при обычном цифровом ретрансляторе вслед за вашим пакетом должен следовать шум - ответ космической станции. Затем возникнет Ваш пакет со звездочкой * что означает что он был ретранслирован станцией на Землю.

Захваченные МКС (ISS) пакеты можно проверить на сайтах:

• http://www.ariss.net/
• http://www.findu.com/cgi-bin/ariss/index.cgi

Слежение за МКС

Траектория движения МКС по небосклону зависит главным образом от географической широты

LO53ac	KO59ct

Поскольку город Санкт-Петербург находится на 60 градусах северной широты высота МКС над горизонтом не бывает выше 23 градусов, то работа с МКС на дальности 1100...2200 км, тогда как на юге МКС в момент прохода находится на расстоянии 435...2200 км.

Моменты прохода станции (время UTC) можно определить по QTH локатору

• https://www.amsat.org/track/index.php

Расчёт энергетического бюджета трассы

Данный расчет не нужен, если получается работать простыми антеннами и пакеты ходят обе стороны.
В моём случае получились неожиданные трудности - МКС не слышит и плохо слышна, при том что КСВ=1.1.

(Расчёт при усилении со стороны передатчика (антенна яги 3 элементов) G=7 дБи, со стороны приемника G=0 дБи):

Средняя мощность сигнала на приёмной стороне -90 dbm.

Рассчитанное gpredict ослабление на трассе (path loss) - от 139 до 132 дБ входят в этот же диапазон (134...136db среднее значение).

Вывод: 3 элемента уда-яги должно быть достаточно для связи с МКС (ARISS) "от горизонта до горизонта".

Тот же самый расчёт для штыря Ground Plane 145.82 МГц (усиление хуже яги на 5дб. потери в кабеле ещё 2 дБ)
Достаточно вычесть из полученных ранее результатов 7 дБ. Получается

Практические замеры уровня пакетной связи МКС на 2 и 5 элементов уда-яги.

• Вертикальная поляризация - S4...S6.
• Горизонтальная поляризация - S4...S6.
  В вертикальной поляризации слышал чуть громче, на пол балла.
  Ни о каких уровнях S9 с МКС в 2020 году речи не идёт!

• Наиболее мощный сигнал МКС (ISS) - при проходе через зенит. Можно использовать антенну направленную вверх - например, горизонтальный диполь, уда-яги 2 элемента или турникетную антенну.
• При высоте космической станции от 90 до 60 градусов над горизонтом по сообщениям из Интернет возможна передача координат GPS с портативных радиостанций на штатные "резиновые" антенны, малой мощностью 5Вт. Например, на Yaesu FT-2DR/DE, Kenwood TH-D74 со встроенными APRS GPS трекерами.
• При высоте над горизонтом от 60 до 30 градусов, на средних дистанциях, нужно прибавить 10 дБ к усилению штыря - подойдут 3-5 элементные антенны (G=8-12 dbi) фиксированной (45°) или переменной элевации. Требуемая мощность то же 10 Вт.
• При высоте от 30 до 10 градусов МКС начинает хуже слышать, нужно прибавить ещё 2 дБ, например, мощность удвоить-утроить: 20...30 Вт. Очень желателен малошумящий мачтовый усилитель с коэффициентом шума NF=0.5 db. Антенна 6-8 элементов.
• При высота МКС от 10 до 0 градусов - могут мешать местные препятствия (многоэтажные дома).
  2. 2. некорректная настройка поля PATH (формирует путь UNPROTO) - необходимо указывать только ARISS. Всевозможные WIDE2-2, RELAY, ~~SGATE - ошибочные значения.
     3. широкая модуляция вместо узкой. Не настроена девиация частоты. Важно тщательно подобрать ширину модуляции AFSK постепенно уменьшая громкость на компьютере до тех пор, пока сигнал не станет высокочастотным и звонким на слух. На WebSDR можно наблюдать при этом, что сигнал состоит из множества тонких линий, то есть чёткий, а не размазанный. Местный ретранслятор должен отвечать на посылки с первого раза.
     4. слишком длинное сообщение декодировалось с ошибками.
     5. не выполнена коррекция доплеровского сдвига частоты на передаче (хотя отклонение частоты от 145.825 небольшое +2кГц в начале и -2кГц в конце, возможно ухудшение связи в начале и конце витка из-за эффекта Доплера).
     6. Потери в кабелях на передающей и приёмной стороне без использования МШУ (LNA) приводят к ухудшению приёма.
     7. Сложная ситуация с помехами на южной стороне дома, в месте установки наземной станции для приёма МКС (перегрузка приемника от внеполосных излучений, нехватка динамического диапазона, так называемый эффект "desensing" (потери чутья) при повышении общего шума).
     8. Несбалансированный сигнал APRS по нижнему тону 1200 Гц и верхнему 2200 Гц - неравномерность АЧХ. Например, нехватка или избыток высоких частот.

Ссылки:

• Моделирование линка, планирование бюджета радиосвязи:
• Расчет потерь (db) при распространении в космическом пространстве - https://www.pasternack.com/t-calculator-fspl.aspx
• Расчет бюджета линка - см. https://www.pasternack.com/t-calculator-link-budget.aspx
• Перевод мощности приема dbm в деления шкалы приема S-unit - https://www.giangrandi.org/electronics/radio/smeter.shtml

Практика

На направленную антенну 3 элемента уда-яги сигнал при спутнике над горизонтом высота 5-10 градусов составляет S4 (поляризация вертикальная или горизонтальная - роли не играет), на 5 элементов - не выше S6.
Уровень по S-метру 4 балла соответствует мощности –123 dBm, хотя в теории должно быть слышно МКС в таких условиях на -108 dBm даже на "штырь" GP. На ту же антенну, короткую яги 144/433 МГц, слышу спутники XW-2B и XW-2C до 5 баллов по S-метру. Мощность XW-2B составляет 20dbm (децибел-милливатт - дБм) или 100 мВт в антенну Ground Plane. Мощность APRS радиостанции на МКС на 145.825 оказалась, судя по слышимости, даже меньшей, чем у XW-2B. Меньше 0.1 Вт. Прием аналогичный - возможно, на борту МКС используют аттенюатор 15-20 дБ? Это же подтверждается и фото с телеграмм-канала МКС, с фото "на столе перед отправкой в космос" APRS станции Kenwood. Но это только мои догадки, актуальную в 2020 году мощность 145.825 МГц никто не озвучивал.

Другие APRS спутники

Спутник NO-44 - не работает.

Спутник PSAT - Карта и пакеты APRS спутника PSAT (NO-84) на частоте 145.825 МГц,
Высота над горизонтом в Санкт-Петербурге - до 10 градусов (летает в южных широтах и над экватором).

Настройки APRS: в пути UNPROTO использовать текст PCSAT. Можно попробовать текст ARISS,PCSAT.
Мощность передатчика PSAT составляет всего-навсего 300 мВт.
При потерях в свободном пространстве 130...140 дБ и указанной мощности, напряженность поля в месте приема -100...-110 dBm или около S7 баллов.

Источники:

• https://www.amsat.org/two-way-satellites/psat-no-84/ - про NO84
• http://www1.findu.com/cgi-bin/pcsat.cgi - карта связей МКС
• http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?31478-PSAT-PSAT2&p=1165527&viewfull=1#post1165527 - тема про спутники.

Ссылки на статьи и форумы APRS через МКС:

• http://www.aprs.org/ariss.html - вводная.
• https://amsat-uk.org/beginners/how-to-work-the-iss-on-aprs-packet-radio/ - руководство для начинающих.
• https://www.amsat.org/wordpress/wp-content/uploads/2014/01/AMSAT_Journal_ISS_Packet.pdf - статья из журнала AMSAT.
• https://www.fars.k6ya.org/docs/aprs_via_iss.pdf - APRS через ISS
• https://stationproject.blog/2019/04/20/sat40-part5-new-ic-9700/ - пример продвинутой спутниковой станции.
• http://www.aprs.org/doc/APRS101.PDF - описание протокола APRS.

Про работу в КВ диапазонах 20 и 30 метров

На коротких волнах в APRS используется та же модуляция AFSK, но скорость 300 бод и расстояние между несущими 200 Гц. Использовать можно любые тоны, отстоящие на 200 Гц, например, 1600 и 1800 Гц, более точная настройка выполняется на трансивере ручкой настройки.

В связи с низкой солнечной активностью, плохое прохождение не дает возможность передавать свои координаты или проводить радиосвязи с использованием репитера на простые антенны.

Частоты APRS на коротких волнах 10147.6, 10.149.2, 14.098.3 кГц. Более точно можно подстроить частоту передачи с помощью WebSDR приемника, подгоняя свой сигнал под сигналы других радиолюбителей в эфире.

Хорошее руководство про APRS на коротких волнах:

• https://www.qsl.net/g6gvi/digimodes/hfaprs.html

Информация на AMSAT, что о проблеме с APRS через ISS:

• https://www.amsat.org/pipermail/amsat-bb/2020-May/077599.html

В ответах рекомендуют проверить качество формирования AFSK - якобы дискриминатор аппарата Kenwood TH-D710 на борту МКС плохо воспринимает сигналы AFSK 1200 с подчеркнутыми высокими частотами (предпочитает "плоские" сигналы). В многих интерфейсах звук проходит через конденсатор не большой ёмкости, что может внести более высокочастотный спектр аудио сигнала.
В случае наземного репитера 144.800 это не играет роли, но aprs digi МКС оказался более привередлив.