Satellite Made Simple

Fonte https://www.hamradiospace.it/satellite-made-simple/

Non è semplice  preparare una guida all’utilizzo dei satelliti amatoriali senza fare ricorso a tante altre discipline, come dire, senza fare sproloqui teorici.
In passato sembrava quasi si potesse accedere a questo mondo solo dopo avere superato un lungo apprendistato e chi superava questa esperienza impegnativa accedeva ad una sorta di cerchio magico per iniziati.
Ad onore del vero era certo più difficile di oggi ma l’esperienza di tanti anni mi ha insegnato che la maggiore difficoltà consisteva nel reperire le giuste informazioni, accedere alle fonti condivise da chi aveva già percorso questa strada, avere delle guide disponibili e preparate che aiutassero a fare le prime scelte, insomma un problema di comunicazione.
Buffo eh? che fra  radioamatori ci possano essere tali problemi!

Per fortuna le cose sono cambiate molto, oggi i satelliti amatoriali sono più semplici da lavorare, gli apparati sono più efficienti ed il mercato fornisce soluzioni complete per tutte le tasche e tutte le esperienze, ma ciò che ha rivoluzionato la strategia di accesso al satellite è stato certamente il PC per primo e la potenza del Web dopo perché entrambi consentono di avere a disposizione una enorme quantità di informazioni, e la possibilità di poterle condividere consente di accedere all’esperienza di chi è più avanti di noi risparmiando tempo e fatica, ma soprattutto evitando gli errori che l’esperienza degli altri ha già superato .

Allora l’autocostruzione è morta? mi ha detto qualche nostalgico, la risposta è certamente no! Ma è cambiata nel tempo.
Oggi non si autocostruisce più solo con il “ Santo Saldatore “  ma anche con la “ Beata Tastiera “. Tutto qui ! basta farsene una ragione.

Fra queste righe spero di riuscire a raccontare il come si fa, ma attenzione… la teoria è sempre in agguato e spero anche di riuscire a essere sintetico oltre che chiaro, ma certi riferimenti sono indispensabili per cui: molta pratica, teoria quanto basta , ma soprattutto i riferimenti giusti per chi volesse approfondire, questa sarà la mia ricetta.

Questo non è un corso ne una lezione, non è certamente lo scrivente a potere salire in cattedra, c’è chi lo meriterebbe molto più di me, ma sono semplicemente appunti derivati da molti anni di pratica.
Inoltre per quanto già detto in precedenza non c’è nessuna cattedra, il suo posto l’ha preso il Web. Mi scuso fin da ora con i più esperti  se le mie semplificazioni potranno sembrare eccessive o troppo disinvolte, ma il mio scopo è solo quello di portare chi avrà la pazienza di leggermi a PROVARE, perché con il saldatore o la tastiera o il mouse, l’importante è sempre e soprattutto farsi una propria esperienza, sporcarsi le mani!

Ora qualche consiglio per iniziare.

• First the antenna, then the cable and then you can use all the radios you want.

E questa che può sembrare la ricetta della nonna è in effetti la prima regola da ricordare sempre, per neofiti ed esperti è sempre così.
L’approfondiremo strada facendo ma è bene ricordare che l’antenna è la parte più importante di qualunque stazione, a ruota segue per importanza la qualità  del cavo dei connettori e relative saldature, poi qualunque radio ci metterete di seguito potrà al più mantenere la qualità del segnale ricevuto, forse peggiorarlo, ma non di certo migliorarlo.

• Non lanciatevi in spese pazze.

Il primo impianto deve soddisfare un altro importante requisito, quello di essere economico. Non spendete patrimoni al principio, ci sarà tempo per farlo dopo, quando sarà la vostra esperienza a consigliarvi e non la pubblicità della “ Famosa Ditta “.
La gratificazione viene dai traguardi che si raggiungono, non dai soldi spesi e non c’è gratificazione migliore del costruire la “propria stazione”

• Non abbiate fretta  

La fretta oltre che cattiva consigliera è spesso oggetto di delusioni e ripensamenti, inoltre vi priva dell’impareggiabile sapore della conquista, assaggiato un poco per volta questo sapore vi darà soddisfazione più frequenti.
La radio è un hobby e deve servire a farci divertire, arrivare prima o più in alto non è un obiettivo e dimentica presto il sapore della conoscenza.

• Siate curiosi

Non abbiate timore di mostrare ad altri la vostra sete di sapere , ponetevi delle domande e ponetele a chi ne sa di più, riceverete sicuramente ascolto e comprensione, oltre alle risposte che vi mancano.

• Usate la radio con rispetto

I satelliti disponibili oggi sono tanti , ma lo spettro assegnato è sempre lo stesso e gli operatori sono in aumento.
Fairplay e Gentle Agreement diventano strumenti indispensabili insieme al rispetto del Bad Plan.

• Non sparate sul pianista

Chi scrive non pretende di rappresentare la scienza, ma ha come unico scopo raccontarvi la sua passione attraverso le sue esperienze, sperando che un contagio positivo porti vantaggi ad entrambi . Quanto esposto in queste righe, in questa forma, potrebbe essere scritto in tanti altri modi certamente più scientifici, ma farlo in così è per me una scelta per invogliarvi  a provare.
Se alla fine, uno solo dei miei lettori riuscirà a fare il suo primo QSO via satellite (spero con me), allora avrò raggiunto il mio unico scopo.
Quando vi sentirete più  bravi ricordatevi di non snobbare chi è alle prime armi ma di aiutarlo come spero di fare io con voi adesso.

Ciò premesso partiamo con il primo argomento :

 Cosa si ascolta via  satellite

Per ora immaginiamo  una stazione solo ricevente  (per ora) in banda Satelliti, la più semplice, in VHF dai 145,800 MHz fino a 146 in FM, la banda universalmente assegnata ai radioamatori di tutto il mondo, in postazione mobile o fissa, fa lo stesso, con la sola differenza che la prima può consentire anche a  chi non dispone di un’antenna fissa sul terrazzo o ha problemi di QRM industriale o domestico, di scegliere il luogo più idoneo per iniziare.
Non esiste un motivo per preferire tecnicamente un tipo di installazione rispetto all’altra in quanto esistono condizioni per cui può accadere che in mobile si possa ascoltare anche segnali più robusti che da fisso.
Esiste analoga banda satelliti anche per UHF e SHF ma per ora ci limitiamo solo ai 2 m.
Il tipo di traffico che si incontrerà in questa banda dipende dall’attività svolta dai satelliti in orbita. Potremo ascoltare comunicazioni nei modi FM, SSB, PKT,  CW e SSTV o altre trasmissioni digitali o analogiche. Esse saranno  di tipo top-down come le telemetrie dei satelliti e i beacon notoriamente  unidirezionali  e quelle dei radioamatori provenienti dai downlink dei satelliti.
Gli ascolti in FM saranno caratterizzati da una larghezza di banda di pochi kHz (tipica 5 kHz, NB banda stretta) o di qualche centinaio di kHz o più per i link dei satelliti SSB. I più fortunati potranno ascoltare in top-down i collegamenti che gli astronauti della ISS intrattengono con le scuole (tipica a 145.800) .
Le  trasmissioni dei radioamatori  avvengono in modo duplex , più propriamente con shift di banda, nel senso che la trasmissione verso il satellite avviene in banda VHF ( uplink ) e  la ricezione avviene in UHF (downlink) , ma ci sono anche satelliti che funzionano al contrario, non vi è una regola e molto dipende dalle scelte progettuali del costruttore.
I segnali che si ricevono possono essere di varia intensità, a causa di molti fattori che ne determinano attenuazioni e fading , ma operando dalla macchina con una semplice mezz’onda non ci si deve stupire di ricevere anche segnali dell’ordine dell’S 5/6  oppure … un bel niente !

Per comunicazioni  via satellite bisogna abituarsi all’idea che tranne per impianti TOP , il segnale sarà continuamente variabile, chi non avesse preferenze per questo tipo comunicazioni o preferisce fonie stereofoniche , rimarrà molto deluso.  Anzi vi anticipo che se capita di ascoltare un segnale abbastanza forte e di intensità fissa, con una nota modulata allora probabilmente non è un satellite.

Qualche premessa

Non mancheranno occasioni per parlare della composizione delle stazioni d’amatore satellitare, però non lo facciamo ora , adesso parliamo di una stazione nella più semplice delle configurazioni possibili costituita da un cinesino FM , vhf o bibanda da poche decine di euro, un’antenna di almeno 50 cm nel centro del tetto , magari anche con base  magnetica ed un cavo e connettori di ottima qualità.  Ricordate le premesse ? Fate economia sulla radio ma non sull’antenna , sui cavi e i connettori e non spendete un patrimonio per cominciare, e fino a questo punto mi pare che ci siamo, questa è la configurazione più economica da cui cominciare . Ora accendete la radio ed aspettate che passi un satellite . Hops  … forse è arrivato il momento di spiegare come si fa a sapere se ci sono in orbita satelliti che possiamo ascoltare, allora dobbiamo parlare  di previsione delle orbite o piu in generale di Traking.

Qualche definizione                                                              

Intorno alla terra orbitano migliaia di satelliti  che eseguono le missioni piu disparate  , dalle telecomunicazioni al controllo del territorio agli scopi militari e  quelli scientifici. In questa marea che fluttua intorno alla terra sfiorando i poli ci sono anche quelli amatoriali, poco più di un centinaio fra quelli attivi e quelli che hanno già esaurito la loro missione. Il motivo per cui non collidono e non  vengono giù  di colpo risiede nei parametri orbitali, elementi astronomici e fisici che caratterizzano ciascun satellite facendo in modo che una volta posto nella sua orbita ci rimane fino alla fine missione disegnando sulla sfera celeste sempre lo stesso percorso rispetto alle stelle fisse. Ciò detto dovrebbe essere  più semplice capire che mentre il satellite descrive la stessa orbita celeste, la terra gli ruota sotto facendo apparire il satellite nel nostro cielo periodicamente .I satelliti geostazionari  al contrario hanno un orbita sincronizzata con la terra e quindi appaiono sempre nello stesso punto del cielo .Per effetto della periodicità dell’orbita i passaggi dei satelliti  su un certo punto della terra o una sua porzione di territorio, sono prevedibili .Ci sono SW specifici che elaborano le equazioni del moto dei satelliti per fornirci con grande precisione la loro posizione nello spazio.Finora ho accuratamente evitato di somministrare formuloni o sproloqui di termini complicati, ma su alcune definizioni bisogna intendersi quindi vi chiedo un poco di attenzione.

Se è prevedibile la posizione del satellite nello spazio, dobbiamo trovare il modo per prevedere quando passerà in visibilità della nostra stazione che è sulla terra. Un modo semplice per esempio è quello di immaginare una retta che passa per il centro della terra ed il satellite e disegna un puntino sulla superficie della terra nel punto in cui l’attraversa.

Questo puntino si chiama SSP (Sub Satellite Point) , di per se non è molto importante, ma se immaginiamo che il satellite si sposta lungo la sua orbita spaziale e quindi in ogni istante  traccia un puntino sulla terra, la somma di questi puntini ,  alla fine dell’ orbita sarà una curva  continua composta da tutti i puntini che la nostra retta  ideale ha proiettato sulla sua superficie , da questo momento in poi ogni volta che parleremo di orbita di un satellite intenderemo questa traccia sulla superficie della terra e non la reale orbita celeste , si chiama Ground Trace.

A questo punto abbiamo  identificato  due parametri orbitali fondamentali per l’inseguimento di un satelliti essi sono l’Altezza da terra e la Distanza da un osservatore terrestre.

• L’Altezzarappresenta la distanza in Km che c’è fra un SSP e il satellite , traccia rossa di Fig.1 , è misurata lungo la ipotetica retta che parte dal centro della terra ed arriva al  satellite  essa è un preciso dato orbitale , ogni  satellite ha la sua   .  
• La Distanza invece ,traccia blu di Fig.1 , indica la misura in Km  fra il satellite ed un punto di riferimento sulla terra, solitamente la nostra posizione è rappresentabile con il centro del nostro locatore.

Distanza ed Altezza indicano grandezze diverse ma possono coincidere  nel momento in cui il satellite è allo zenith ( sulla verticale dell’osservatore ) e la retta di distanza coincide con la retta che passa per il centro della terra ed il satellite, in questo caso il SSP coincide con la nostra posizione sulla terra.

Le varie orbite tracciano sulla superficie terrestre infinite  Ground Traces, distanziate fra loro di un tempo che è il Periodo del satellite . Bisogna misurare la distanza fra il punto in cui l’orbita attraversa l’equatore e il successivo attraversamento. Questa distanza può essere rappresentata sia in coordinate di longitudine che nella corrispettiva di tempo.  Una particolare  forma di proiezione detta del Mercatore, ci consente di vedere tutto ciò nella classica rappresentazione a noi familiare rappresentata in Fig. 3.

• Il Periododi un satellite è la differenza di tempo o longitudine , che intercorre fra un attraversamento dell’equatore  terrestre ed il successivo. E’ anche questa una caratteristica di ogni satellite . Più il satellite è veloce e maggiore è il numero di tracce .                      

Ancora qualche  definizione  da condividere e poi si passerà all’uso dei SW per il tracciamento. Abbiamo imparato a identificare un satellite attraverso i suoi parametri orbitali, Altezza, Distanza, Periodo, però questi non ci dicono ancora in che posizione  si troverà il satellite rispetto ad un punto di riferimento terrestre , quale potrebbe essere il nostro locatore. Per questo abbiamo bisogno di costruire un sistema di riferimento inerziale , cioè che si muove con la terra e che quindi parlerà in termini di Latitudine e Longitudine terrestri , concetti a noi già familiari. Le coordinate utilizzate si chiamano Elevazione ed Azimuth.

• Elevazione è l’altezza che il satellite raggiunge nella sua orbita rispetto proprio alla nostra posizione e non rispetto ad un sistema di riferimento spaziale  come quello rappresentato in Fig.1 , sia l’Altezza che L’Elevazione cambiano durante tutta l’orbita.
• Azimuth  è una posizione esprimibile   in Latitudine  e Longitudine  ma per effetto del diagramma polare  può essere espresso con il solo valore dell’angolo che  la retta passante dalla nostra posizione in direzione Nord / Sud  forma con l’oggetto. Molti SW li calcolano in base al centro del locatore della nostra stazione per cui basta inserire questo ed il gioco è fatto.

Finito con le definizioni, dopo l’introduzione del metodo di Visualizzazione Polare  del satellite avremo davvero finito.

Immaginiamo di disegnare un cerchio con il  centro coincidente con la nostra posizione  ed ai quattro lati sopra , sotto, destra e sinistra  poniamo invece Nord ,Sud, Est ed Ovest . Abbiamo tracciato così una circonferenza o diagramma polare proprio per la sua proprietà di essere rappresentato dai poli geografici. Non ha importanza quanto sia grande il raggio di questa circonferenza, essa è un invariante  rispetto al riferimento polare. Se poi facciamo coincidere una scala espressa in gradi con la nostra circonferenza, abbinando al Nord zero gradi , all’Est 90 gradi e di seguito 180 gradi al Sud e 270 all’Ovest avremo tracciato una circonferenza goniometrica con tutti i 360 gradi , di un orizzonte teorico , compresi fra O° e 360°.     Facciamo l’ipotesi che al centro del Diagramma ci sia il nostro locatore ( Osservatore ) , cioè la nostra posizione , e che la circonferenza rappresenti la terra vista dall’alto da un punto che coincide con la retta che esce dal centro della terra e disegna sulla sua superficie proprio il SSP di casa nostra , allora se vogliamo indicare un oggetto che  rispetto a casa nostra si trova a 300° sulla superficie terrestre ( Azimuth 300° )  , immagineremo di trovarlo dove c’è il cerchietto verde, analogamente se vogliamo indicare un punto della terra che è a 140°  ( Azimuth 140° )  dalla nostra posizione, allora lo troveremo dov’è il cerchietto giallo. Praticamente lo stesso sistema che trovate sul box di un rotore , per chi lo conosce già. L’altra caratteristica di questa rappresentazione è che la line a Ovest/ Est che va da 270° a 90° rappresenta il nostro piano dell’orizzonte e divide il cerchio in due parti  sotto questa linea il satellite non è visibile, sopra si. Inoltre la linea Nord/Sud è divisa in due , al di sopra dell’orizzonte vengono collocati i valori di elevazione positivi da 0° a 90° e sotto quelli negativi da -1° a -90°.

Il Tracking

Ciò detto abbiamo tutto quanto ci seve per affrontare un programma di tracking  .Per tracciare un satellite è necessario che il SW che utilizziamo sia in grado di effettuare due fondamentali operazioni. La prima è l’eleborazione  dei dati orbitali di base  dei satelliti , detti TLE per prevedere lo sviluppo dell’orbita  e la seconda  è la visualizzazione possibilmente con il metodo rapido ed immediato. Oggi ci sono decine e decine di ottimi programmi di tracking scaricabili liberamente da Internet , però alcuni chiedono l’aggiornamento dei dati TLE che al principio può apparire  macchinoso ed altri hanno metodi di visualizzazione della posizione  ridondanti . Per questo motivo ho pensato di concentrarmi, come promesso , su un SW semplice, di immediata implementazione  e con visualizzazione della posizione intuitivo, usando il diagramma polare. Vi invito a scaricare SAT Passes di LU7AFB dal sito di AMSAT-UK. Anzi non va neanche istallato, parte subito e basta inserire il proprio locatore che vi fornisce on line le previsioni di tutti i satelliti amatoriali in tempo reale ed in ordine di apparizione sulla vostra posizione, sinceramente di più semplice non ho trovato nulla. http://www.amsat.org.ar/pass.htm

• 1) Come prima cosa vi comparirà questo: 

• 2) Poi , seconda  cosa scorrete tutta la lista in basso fino a raggiungere il fondo dove troverete la casella in cui introdurre il vostro Locatore, mettetelo nella casella e digitate : Resolve and Set New.

In questo modo vi comparirà la Fig. 5 ma con tutti i dati aggiornati rispetto alla vostra posizione ( locatore ). Ora vediamo con ordine cosa ci offre il SW dopo essere stato personalizzato con il solo locatore. La grafica da Packman è un pò deludente, ma per il resto è molto valido.

• 3) Legenda. Proviamo a scorrere da sinistra le colonne  per capire il loro significato.

Hour– Indica il tempo che manca al passaggio del primo satellite utile sul nostro Locatore i passaggi sono elencati in ordine progressivo, es: Hour 0:01 significa che il prossimo satellite passerà fra 1 minuto. Viceversa se c’è il segno – che precede i minuti es -0:06 significa che è già in acquisizione da 6 minuti…

Satellite– indica il nome del satellite in prossima acquisizione , non in ordine alfabetico!

Orbit – Indica il numero di orbita a partire dal momento che è stato messo in orbita.

Date – Indica la data di elaborazione della previsione

Local Time– Riporta i due orari locali in cui il satellite sorge (AOS ) e tramonta (LOS) . I valori sono riferiti all’ampiezza del footprint e non al satellite .

Elevation – Indica la massima elevazione che il satellite raggiungerà in quell’orbita.

Azimuth– Sono i valori di azimuth che identificano l’AOS, la max Elevazione e il LOS

Cliccate su tutti e tre  le icone che compaiono sovrapposti alla casella Azimuth sono di scarsa utilità.

AOS/ LOS– AOS significa  Acquisition of Signal e LOS significa  Loss of Signal.

• 4) Selezionare i satelliti per modo di emissione . La colonna a destra è quella che consente alcuni settaggi , ad esempio se si è interessati ai soli satelliti FM bisogna cliccare sul palloncino viola. La lista si ridurrà visibilmente e nella mappa stile packman compariranno solo i satellitini FM in viola.
• 5) Selezionare il satellite di interesse . Ora potete scegliere il satellite che volete inseguire fra quelli inseriti nella lista. Cliccateci sopra e la finestra del diagramma polare si popolerà delle informazioni del satellite . Nome del satellite selezionato , Azimuth ed Elevazione al momento , Diagramma Polare , AOS e dati di frequenza di Uplink e Downlink ed eventuale frequenza del subtono per l’attivazione ove richiesto .

Come potete notare ci sono solo e soltanto le nozioni che ho introdotto precedentemente , quelle minime per potere utilizzare questo semplicissimo programma. Potrete vedere per esempio che il satellite SO-50 al momento della previsione non è ancora in AOS , mancano 8 minuti per la precisione ed il diagramma polare ci dice che è a 194° di Azimuth ben sotto l’orizzonte , infatti l’indicatore  di elevazione è sotto di -21° ed è anche al di sotto della linea dell’orizzonte , quella orizzontale in arancione .

Nella fig. 8 si vede come si modifica il diagramma polare quando invece il satellite è in acquisizione . La lancetta che prima era rossa ora è gialla ed indica 169° , inoltre la linea che indica l’orizzonte che prima era marrone ,ora è di colore verde ed è posizionata a 9 gradi.

Chi eseguirà l’inseguimento del satellite  in postazione fissa , da casa o da mobile ( ferma al bordo della strada !) non avrà l’impaccio di dovere badare  a tante variabili e si potrà concentrare sulla ricezione del segnale, ma non è tutto, quì c’è ancora molto spazio per commettere errori banali quindi  vi invito a seguire ancora qualche consiglio.

• Ricordate che siete con un’antenna  corta in macchina o al più con una collineare da casa , il piano di terra ha un ruolo importante , ma queste antenne danno il meglio fino ad angoli di radiazione che raramente superano i 30° quindi non andate a scegliere orbite particolarmente alte  pensando di disporre del satellite per più tempo.
• Quando il satellite è alto sulla vostra posizione significa anche che è più vicino a voi, ricordate ? è la condizione in cui altezza ed elevazione coincidono ed il segnale  è massimo, non sempre è un vantaggio perché l’antenna verticale in questo caso offre la minima area di cattura al segnale diretto, ma la massima area di cattura a tutti i segnali riflessi ed è qrm allo stato puro. Anche utilizzando antenne direttive a polarizzazione circolare  , vi assicuro che la situazione non è molto migliore.
• Per collegamenti in FM tenete lo squelch aperto, l’AFC inserito ed il NB inserito, evitate di inserire NR e filtraggi che vanno molto al di sotto di 5 Khz ( Narrow band ) , non servono a nulla e vi fregano un sacco di segnale.
• Normalmente i qso iniziano con segnali strappati e spezzettati, non disperate, quasi sempre dopo c’è un passaggio più favorevole, poi di nuovo gli stappi e poi …. è finita l’orbita . Un ‘orbita buona per chi opera in queste condizioni dura al più dai 5/8 minuti, non abbiate fretta , il qrm prima aumenta all’ arrivo del satellite e poi diminuisce e ti fa ascoltare i qso , poi di nuovo su .
• Consiglio vivamente l’uso delle cuffie per una buona ricezione, per fare ascolto non sono indispensabili, ma quando farete qso e non solo ascolto , dovrete calcarle per forza, tanto vale scegliere la più idonea ora.
• Scegliendo orbite non troppo elevate ( max 30°)  potreste avere  comunque la possibilità di ascoltare un qso  quando il satellite è in prossimità del valore centrale fra i tre indicati dal SW e questo non per smentire quanto detto prima ma perché altri utilizzatori, in orbite tipicamente europee, cercano di direzionare le loro antenne direttive in quella posizione per avere la migliore possibilità  di fare un buon passaggio. Non è merito della vostra antennina.
• Ricordate che a orbite basse corrispondono maggiori distanze DX, non vi sorprendete se le stazioni che ascoltate peggio saranno le più distanti.

Se non vi ho parlato dell’effetto Doppler non è perché l’ho dimenticato ma per non complicare il discorso che deve rimanere essenziale. E’ un fenomeno che ad inizio e fine orbita, condizione molto frequente per chi opera nel modo illustrato, è molto evidente, ma per fortuna il nostro cervello effettua la correzione della frequenza in maniera automatica con la mano sulla sintonia. Se avremo modo di parlarne utilizzando la SSB, vi renderete conto di quanto è importante ma come spesso  avviene, i principianti sono fortunati ed in FM conta molto meno. Bastano solo due o massimo tre correzioni per orbita.

Per ora penso che può bastare, se riuscirete a fare ascolti così sarà già un successo e se vi rimangono dubbi o interrogativi sono QRV via chat HamRadio&Space o via e-mail via ik8yss@gmail.com. Buon ascolto a tutti.

Costantino Montella, IK8YSS