Disclaimer: лекция для колхозников ©
Если вы радиоинженер-связист или опытный радиолюбитель, метеоролог или специалист по космической технике, вы едва ли узнаете что-то новое, зато вынужденная вульгаризация изложения может причинить непоправимый вред вашему психическому здоровью. Вас предупредили. Лучше сразу переходите в комментарии.
В любом хобби не следует искать практическую ценность, даже если она там есть. Например те, кто коллекционирует почтовые марки, едва ли собираются однажды отправить сотни или тысячи писем, хотя в принципе это возможно. Точно так же те, кто коллекционирует монеты, едва ли предполагают ими рассчитываться, хотя и это также возможно. Вот и в радиолюбительстве вполне может быть какая-то практическая польза, но занимаются радиолюбительством по другой, одной единственной, но достаточной причине – просто потому, что нравится. Это чтобы предвосхитить типичные комментарии о том, что все есть в интернете и никому ничего не нужно делать.
Идея системно наблюдать за воздушными массами из космоса, ставшая очевидной с начала космической эры, впервые практически начала разрабатываться агентством ARPA, сегодня известным как DARPA, начиная с 1958 года, откуда наработанное, годом позже, было передано в NASA, а первый спутник серии TIROS (Television InfraRed Observation Satellite) - TIROS-1, был успешно запущен в 1960 году. На нем были установлены две телевизионные камеры ближнего инфракрасного диапазона, изображение с которых непосредственно транслировалось на землю, беспрецедентная технология для своего времени, ставшая революцией в метеорологии. Функционирующие сегодня спутники NOAA-15, NOAA-18 и NOAA-19 являются прямыми наследниками программы TIROS. Советы смогли запустить свой полноценный метеоспутник, Метеор 1-1, только в 1969 году. Он проработал до 1970 года, а сошел с орбиты сравнительно недавно, в 2012 году. Функционирующие сегодня спутники Метеор М2-3 и Метеор М2-4 также можно считать наследниками первого Метеора. Разумеется, метеорологических спутников намного больше, но говорить мы будем только об этих пяти потому, что принять информацию с них наиболее просто для начинающего без должного опыта и специализированной аппаратуры. Современные спутники несут на борту больше приборов, обеспечивают более высокую детализацию и умеют обрабатывать собранные ими данные перед отправкой на землю, но принцип остается все тем же – наблюдение за воздушными массами в разных диапазонах, включая наиболее зрелищные видимый и ближний инфракрасный. Таким образом мы тоже сможем либо просто насладиться красивыми видами, либо еще и попробовать создавать собственные прогнозы погоды.
Полученные изображения разные спутники передают на разных частотах разных диапазонов. Нам, как начинающим, интересен диапазон VHF, практически это частоты в районе 137MHz, потому что по ряду чисто технических причин это наиболее простой диапазон. Здесь еще малы затухания, здесь еще невелики требования к антеннам и тщательности их изготовления. То, что нужно для старта.
Принимать мы будем на самый дешевый SDR приемник – RTL-SDR. Возможно, у вас уже есть такой, а возможно, вы захотите его приобрести. Разумеется, приемники более высокого качества подойдут еще лучше.
Что такое RTL-SDR? Это собирательное название технически близких, как правило очень дешевых DVB-T тюнеров, почти всегда конструктивно выполненных в виде USB-свистка, представляющие из себя простой восьмибитный SDR приемник с тюнером, перекрывающим диапазон от примерно 30MHz до примерно 1.7GHz, но изначально рассчитанный быть именно DVB-T приемником. Энтузиасты написали к ним альтернативные драйверы, благодаря чему относительно бесполезный функционал DVB-T оказывается утрачен, зато приобретается доступ к SDR-функционалу. Нельзя не отметить, что качество приема у них заметно разнится. Хотя это, казалось бы, цифровая техника, построенная на ровно одной и той же схемотехнике, качество разных свистков сильно варьируется, как, впрочем, и цена. А дело все в том, что хотя основные элементы у них на самом деле одинаковы, разводка платы, фильтрация по питанию, зачаточные фильтры преселекции (если вообще есть), а также поддержка питания активных антенн различается очень сильно, от чего при казалось бы равных исходных данных качество приема все же совсем не одинаково – у кого-то больше фантомных сигналов, у кого-то реальная чувствительность или реальный диапазон частот ниже предполагаемых и так далее и тому подобное. Поэтому для попробовать в принципе годится самый дешевый вариант, но все же лучше взять что-то допиленное такими товарищами как Nooelec или, особенно, RTL-SDR Blog – они не одну собаку съели на доработке изначально слабой конструкции до вполне годного состояния.
Первоначальной проблемой наблюдения со спутников была невозможность передать полученные снимки на землю сколь-нибудь простым способом, проект Corona не даст соврать. Однако, для метеорологических спутников задача упрощается в том смысле, что им необязательно сохранять полученные изображения, а можно вести непосредственную трансляцию – для метеорологии ценно видеть воздушные массы неподалеку от точки приема, а не в десятках тысяч километров. Современные спутники пусть и в состоянии накапливать данные, чтобы потом передать их наземной станции одним большим куском, по-прежнему поддерживают работу в режиме, похожем на непосредственную трансляцию. Для нас это означает, что мы будем видеть изображение своего и соседних регионов, а не вообще любой точки мира, но видеть будем, по сути, в реальном времени – то, что нужно для метеорологии, любительской или профессиональной. Спутник просто передает что-то подобное радиолюбительскому SSTV – построчно передает видимое им изображение строка за строкой. Чем короче время радиовидимости, тем меньшей площади изображение мы получим, но в принципе ничего не поменяется и мы можем начать прием и закончить прием в любой момент - просто мы примем больший или меньший кусок того, что видел спутник.
Итак, к делу. Что нам понадобится из аппаратуры, кроме уже рассмотренного SDR приемника?
Антенна.
Самое важное и одновременно самое простое, хотя и не без нюансов: спутники, которые мы собрались принимать, передают в RHCP, а значит простые антенны линейной поляризации, хорошо известные из практики наземной связи, будут автоматически давать потерю -3dB на одной только несовпадении поляризации. Это, как мы увидим дальше, не является катастрофой, но все же для серьезного приема желательны антенны круговой поляризации. Вот несколько вариантов антенн, чтобы примерить на свои возможности.
Удлиненная антенна-резинка от портативной радиостанции, типичная китайская подделка-пародия по мотивам Diamond RH-771. На известных маркетплейсах такие иногда удается найти дешевле двух долларов. Скорее всего, у вас уже есть несколько таких, купленных в надежде улучшить связь детских игрушек «радиостанция», известных под марками Baojunk или Crapfeng Это совершенно негодный для нас вариант, но даже с такой антенной можно что-то принять. Попробуйте – скорее всего у вас получится, но не менее вероятно, что вам не понравится очевидно слабый результат.
Диполь. Обычный или V-диполь под углом около 120°. До неприличия простой в изготовлении вариант, который, однако, позволяет вполне надежно принимать спутники даже на не слишком высоких элевациях, обеспечивая достаточный SNR. Скорее всего, это наиболее распространенный вариант среди начинающих разного уровня вовлеченности. Чтобы изготовить такой диполь самому из говна и палок, вам может приглянуться такой вот как на картинке выше нехитрый адаптер и два куска провода длиной примерно 53см каждый. Просто примотайте провода изолентой к деревянной швабре (лучше желто-зеленой или красной, можно и черной – синяя работает только для спутников серии Метеор) и подключите ваш SDR прямо к адаптеру, разве что вам еще скорее всего понадобится переходник BNC-SMA. SDR следует подключать непосредственно к антенне для того, чтобы в принципе исключить потери в кабеле. Впрочем, короткий (метр-два) кабель, если он приличного качества и не слишком тонкий, все еще вполне приемлемо. В принципе, для нормальной работы диполя обязательно необходим балун, но чисто практически любители редко его используют в приемных антеннах. В общем, получается идеальный вариант для старта, потому что очень прост, но одновременно не слишком слаб и вряд ли разочарует. Рекомендую начинать с него.
В принципе, диполь можно купить и готовый - вариант на картинке выше вполне доступен на известных маркетплейсах, если даже настолько базовая самодеятельность совсем уж невмоготу.
Специализированные фиксированные антенны круговой поляризации вроде турникетной или QFH. Это лучшее решение, обеспечивающее диаграмму направленности, близкую к идеальной полусфере, и не имеющей провалов, какие могут быть у диполя. Те, кто серьезно увлекается спутниковым приемом, в том числе обустраивает станции автоматического приема, часто используют такие антенны. Описание их конструкции и принципа работы – тема отдельной статьи. Добавлю лишь, что практическое их изготовление менее сложно, чем кажется по картинкам.
Направленные антенны. В зависимости от уровня продвинутости, это могут быть как ручные антенны, вручную направляемые по максимуму сигнала, так и автоматически направляемые поворотным устройством. При благоприятных обстоятельствах позволяют принимать сигналы от спутника даже ниже горизонта, а также очевидно обеспечивают наиболее уверенный прием в течение радиовидимости. Ультимативное решение для продвинутых энтузиастов, однако с ними невозможно принимать несколько спутников одновременно, как иногда возможно даже с диполем, а ситуации радиовидимости двух и более спутников одновременно не сказать, что уникально редки.
Софт.
На сегодня выбор любительского софта для приема метеорологических спутников огромен и фактически состоит из одного пункта – SatDump. Этот прекрасный образчик открытого программного обеспечения существует собранным под большинство мало-мальски популярных платформ, включая и Android, а для более экзотических платформ можно попробовать собрать из исходников самому. Для Android рекомендую использовать мышь, без нее пользоваться вполне возможно, но временами неудобно из-за того, что на типичном телефоне размер элементов интерфейса маловат, а масштабирование помогает лишь отчасти. Скриншоты ниже будут вперемешку с разных платформ. SatDump позволяет вести запись, декодировать в реальном времени и декодировать из ранее записанного файла, поддерживает несколько популярных SDR, включая RTL-SDR Blog V4 - относительно новую модель, требующую своих специальных драйверов, причем запись и декодирование возможны как вручную, так и автоматически, в том числе нескольких спутников одновременно.
Опции.
Кое-что, что необязательно и часто нерационально излишне, но иногда прямо-таки необходимо.
Фильтры. Bandpass и band-reject. Дело все в том, что все SDR приемники, но особенно RTL-SDR и ряд других, в том числе довольно дорогих, не имеют никакой значимой преселекции, поэтому на их вход попадают вообще все радиосигналы, включая находящиеся очень далеко по частоте от того диапазона, который мы хотим слушать. Это создает совершенно адскую кашу из интермодуляции и клиппинга, от чего весь видимый нами спектр заполняется мощнейшими фантомными сигналами, заглушающими тот полезный, что мы бы хотели принять. Если вы, например, находитесь рядом с радиовещательным передатчиком, то ваши шансы на успех стремительно пересекают нулевую отметку и уходят далее вниз. Вот тут-то и могут пригодиться фильтры, которые пропускают интересующий нас диапазон и/или блокирующие мешающий нам. Если состояние эфира таково, что фильтры не нужны – использовать их смысла нет, потому что они привносят пусть незначительные, но потери. Ну и денег каких-то или усилий по изготовлению стоят. Иногда наоборот, фильтры спасают от сильной помехи, и тогда вносимое ими затухание не выглядит таким уж большим злом.
LNA, малошумящий усилитель. Обычно такой усилитель устанавливается непосредственно на антенне, чтобы усилить слабый сигнал до всех будущих потерь в кабеле и позволить недостаточно чувствительному приемнику работать с принимаемым сигналом. Но LNA усиливает как полезные сигналы, так и помехи, от чего плохой прием часто превращается в совершенно невозможный. В нормальной обстановке LNA не нужен и даже вреден для приема спутников на 137MHz, потому что сигналы достаточно сильны для типичного SDR приемника. Усиление может стать необходимостью, если у вас смонтирована стационарная антенна с длинным кабелем.
Комбинация фильтров и LNA. Очень индивидуальное решение. Если LNA идет первым, то он может перегружаться от мощных помех даже очень далеко по частоте от интересующего нас сигнала, и тогда уже ничего нельзя сделать с продуктами интермодуляции. Если первым идет фильтр, то работа LNA облегчается, но фильтр пусть немного, но ослабляет сигнал – тоже так себе решение для слабых сигналов. Некоторые комбинации состоят из двух каскадов усиления с фильтром посредине, некоторые из двух фильтров с одним усилителем между.
В целом фильтры и LNA выходят за рамки данной статьи.
Вспомогательный софт. Хотя SatDump умеет рассчитывать радиовидимость на спутники, очень удобно иметь отдельный софт, например Look4Sat для Android или, для x86/x64, Gpredict, Orbitron, SatPC32, Nova for Windows, тысячи их платных и не очень. Особенно удобно использовать телефон, который почти наверняка и так всегда с вами как в домашнем регионе, так и в путешествиях в любую точку мира – программа по вашему местоположению прогнозирует видимость спутников и отображает прогноз в удобном виде, после чего вы можете попробовать принять изображение хоть с балкона городской квартиры, хоть с борта круизного лайнера, хоть просто с пешей прогулки. Видите интересующий вас пролет, включаете SatDump, подключаете SDR-приемник с антенной и принимаете – вот и все. В этом деле главное – прямая видимость на спутник. Деревья мешают не очень сильно, но все равно лучше совсем идеально открытая местность, а любая застройка или любой холм – препятствие совершенно непреодолимое. Не пытайтесь принимать из окна городской квартиры – это не невозможно в принципе, но крайне малорезультативно и годится лишь как курьез. Из дачного домика с деревянной крышей должно бы получиться чуть менее плохо, но все равно бессмысленно, ведь выйти на улицу ничего не стоит, а разница в качестве приема огромна.
Устанавливаем и запускаем SatDump. Открывается вкладка Offline processing, в которой мы в будущем сможем обработать ранее записанные записи эфира, а пока что перепрыгиваем во вкладку Recorder, но после первого запуска сначала сделаем некоторые настройки во вкладке Settings. В User Interface можно попробовать поиграться со внешним видом программы, например установить темную тему. Чекбокс Advanced Mode откроет тонкие настройки, в которые лучше не лазить без четкого понимания, что и зачем они делают, но пролистать их и убедиться в том, что там пока что делать нечего, конечно же захочется. В General Setup можно вручную (в т.ч. для Android только вручную) установить свои координаты и высоту над уровнем моря, чтобы встроенный предсказатель радиовидимости на спутники работал корректно. Это необязательно для приема вручную и не работает в путешествиях, потому что не обновляется по внешнему GPS автоматически, но обязательно для автоматического приема по расписанию. В File Input/Output можно настроить, из каких папок читать, и в какие папки писать. В Plugin Settings нам пока ничего не нужно и все оставляем по умолчанию. Поэтому прыгаем во вкладку Recorder.
Здесь нас ожидают следующие настройки. Device – это наш SDR приемник. Для Android обычно нужно заранее подключить приемник и нажать на обновить возле выпадающего списка, чтобы программа его увидела, возможно на вашем телефоне это будет иначе – как с любым кроссплатформенным софтом, все еще находящимся в относительно активной разработке, некоторые вещи могут работать немного по-разному в разных сборках. Выбираем свой приемник и настраиваем параметры приема. Рекомендую не использовать AGC, а настраивать усиление вручную, потому что вход приемника широкий, а интересующий нас сигнал узкий – чтобы сильные сигналы где-то вдалеке не влияли на усиление неочевидным и всегда вредным образом. Нажимаем Start и прием начался - только прием в принципе, еще не декодирование сигналов, даже если мы их уже видим на водопаде.
FFT – это то, как мы будем видеть отображение принимаемого сигнала. Желательно настроить FFT Max и FFT Min на реалистичные значения, чтобы получить максимальный масштаб. Это никак не влияет на прием как таковой, и водопад вообще можно отключить совсем, но визуализация принимаемого сигнала (и помех, если таковые возникают) чрезвычайно удобна в ряде случаев, поэтому лучше ее настроить так, чтобы ею можно было пользоваться.
Processing. Это самая важная настройка, здесь мы задаем то, какой спутник принимать, и как принятое декодировать. Рекомендую добавить в избранное METEOR M2-x LRPT 72k и NOAA APT, потому что именно эти два режима мы и будем использовать, либо в окошке Search pipelines начинаем забивать первые буквы искомых режимов и искомое сразу же появляется. Рекомендую применить такие настройки, где применимо: DC Blocking, Autocrop Pass, SDR++ Noise Reduction, Start Timestump, Fill Missing Data, Use RS Check. Для каждого спутника нужно вручную выбрать номер спутника и еще раз его же (Primary для Метеоров) в выпадающем списке Freq – первое сделает важные для будущей проекции настройки декодера, а второе установит правильную частоту приема. Как только спутник должен вот-вот появиться из-за горизонта или, тем более, уже виден на водопаде, нажимаем Start и прием начался. Когда спутник уйдет за горизонт, нажимаем Stop здесь и, если нужно, еще раз Stop в Device, чтобы отключить прием совсем. Программу не выключаем, а внимательно смотрим в строку состояния снизу, правее от надписи Info, пока не появится Done. Это значит, что обработка закончена и можно переходить во вкладку Viewer.
Recording. Здесь мы можем просто вести запись эфира для будущего оффлайн-декодирования. Записывать и декодировать онлайн вполне можно одновременно, хотя практическая ценность этого сомнительна. В зависимости от формата записи и ширины полосы размер файла может оказаться чувствительно большим.
Прием APT (NOAA) и LRPT (Метеор М2-х) в принципе одинаков, но различается в мелких деталях.
Сигнал APT – аналоговый, шириной примерно 50kHz. Во время приема, если не изменены настройки по умолчанию, включается динамик, и мы можем слышать характерный ритмичный сигнал, а также видеть его отображение в окне NOAA APT Demodulator (FM). Наша задача – подкручивая антенну в разные стороны, а также поднимая и опуская ее, обеспечить чистый, без заметных на слух и на глаз шумов прием. На водопаде пульсация сигнала при нормальном приеме видна отчетливо.
Сигнал LRPT - цифровой QPSK, ширина его примерно 100kHz, и на водопаде он виден не слишком контрастно. Во время приема появляются созвездие QPSK Demodulator, Signal (нас интересует только SNR сейчас – не Peak и не AVG), Viterbi (должен быть SYNC), Deframer (должен быть SYNC) и Reed-Solomon (цифры должны быть стабильно зелеными или в крайнем случае иногда промаргивать желтым). Здесь мы не можем ориентироваться на слух, а должны следить за максимумом SNR и/или за максимально чистым созвездием QPSK, когда все четыре точки хорошо разделены и каждая точки имеет наименьший возможный размер.
Итак, прием завершен, мы видим Done в строке состояния и можем переходить во вкладку Viewer. Здесь мы можем обработать полученные данные – просто посмотреть разные каналы или составить композитное изображение с различными enhancement – смотря какой спутник и смотря насколько «чисто» мы приняли. Можем дорисовать контуры стран и морских побережий. Наигравшись вдоволь, нажимаем на кнопку Add to Projections и там создаем проекцию полученного изображения. Можно накопить несколько приемов с нескольких спутников и всех их добавить в проекцию одновременно, чтобы расширить зону охвата и восполнить недостающие данные.
Если вы вроде бы все сделали правильно, но ничего не получается или получается плохо. Типичные проблемы:
Рядом источник сильных помех, пусть даже эти помехи далеко по частоте. Уходите оттуда или пробуйте фильтры.
Источник помех – ваш компьютер или ваш телефон. USB кабель (в том числе USB-OTG) может подавать помехи в обход любых фильтров, прямо по питанию.
Человеческий фактор – неправильное предсказание пролета спутника из-за устаревших TLE, неверной даты или времени, неверных координат. Ошибки в настройках. Выпавший из USB разъема приемник. Пока вы готовились к приему – перед вами построили многоэтажку, которая закрыла обзор. Засмотрелись на созвездие QPSK демодулятора и провалились в канализационный люк, откуда видимости на спутник нет.
У кого что получилось – выкладывайте в комментариях. И да, APT и LRPT - это только начало. Работающих спутников намного больше, чем рассмотренные выше пять, да и эти пятеро могут передавать больше информации, используя более широкополосные виды модуляции на других диапазонах, где их принять технически намного труднее, но от того еще более интересно.
