Как сделать спутник земли
Как подключиться к космическому спутнику и исполнить детскую мечту
Дмитрию Пашкову из мордовского города Рузаевка 28 лет – возраст, когда многие из нас уже определились со своим профессиональным будущим и уже даже успевают добиться определенных профессиональных высот. Дмитрий в этом смысле исключение — в положительном смысле. По профессии он системный администратор, но по призванию – радиолюбитель. Несколько недель назад он прославился на всю страну, перехватив в момент солнечного затмения 20 марта сигнал с действующего российского метеоспутника «Метеор-М2». Я связался с Дмитрием и он любезно согласился поделиться своим опытом – объяснить, как любой из нас может сам наладить «связь с космосом» и добиться того, о чем мечтал каждый из нас в детстве – увидеть Землю из космоса.
Про Дмитрия и его достижение написали несколько интернет-изданий, но радиолюбитель не успел подхватить «звездную болезнь». А вся эта шумиха в СМИ его больше расстраивает, чем радует: «Не герой я никакой, надоели уже, честно говоря». Тем не менее, его достижения по достоинству оценили в профильной организации и уже в ближайшее время Дмитрий может переехать в Москву на работу в ОАО «Российские космические системы».
— Дмитрий, давайте сразу начнем с опровержения или подтверждения слухов: было предложение от РКС?
— Ох, не нравится мне эта тема, честно говоря. Я уже начитался и наслушался в свой адрес. То, что я сделал, могут сделать если не все, то многие. А из меня какого-то героя прям сделали. А я не такой. Объясню.
Во-первых не люблю огласки и чем меньше меня знают, тем лучше. Во-вторых, сделали прям такую сенсацию, мол, парень из такой-то деревни принял то и то (причем многие вообще не понимают, о чем речь) и что теперь теперь ему звонили и РКС. Чуть ли не сюжет для кино — провинциала заметили в Москве, и все стали счастливы.
То, чем я занимаюсь, делают люди по всей стране и даже миру. Позвонить могут любому из них. Просто мой случай получил огласку. Безусловно, фото, которое достал я, получить неопытному радиолюбителю было бы тяжело. Причина — в удаленности аппарата, в моем случае из-за удаления от полярного круга аппарат почти был у горизонта.
Я не спорю: у меня большой опыт в приёме, поиске, опознании и реанимировании аппаратов. И принять обычный снимок проблем не составляет. И кто знает о моих возможностях и опыте, тот просто посмеялся. Но от шумихи в Рунете появился определенный шлейф и на зарубежных сайтах. А я ведь сотрудничаю с разными университетами и частными организациями по всему миру и портить репутацию совсем не хочу. Почему именно портить? Потому что люди “в теме” понимают, что я ничего такого особенного не сделал, а шума — будто открыл новое небесное тело в Солнечной системе.
Вот, например, какие заслуги я действительно считаю важными: я опознал легендарный COSMOS 2499, нашел аппарат WREN и еще парочку других, принимал сигналы с Фобос-Грунт, который так и не улетел, реанимировал аппарат COMPAS (на фото ниже).
На фоне этого получение фото с метеорологического спутника — пустяк.
Прим. авт.: Тут важно добавить, что Дмитрий много раз получал благодарности даже от руководителей государств. Например от президента Литвы, за то, что он стал одним из трех радиолюбителей, получивших сигнал от их первого спутника. Потом была благодарность от руководства Эстонии. Дмитрий не раз проводил сеанс связи с космонавтами на МКС, его личный позывной R4UAB.
— Если опять же верить СМИ, то по профессии Вы системный администратор, а по призванию – радиолюбитель. Расскажите о своем детстве, получении образования и выборе профессии.
— Я окончил Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, факультет «Радиотехника». А любовь к радиотехнике мне привил дед. Помню, как он по вечерам паял микросхемы, я начал брать с него пример. Свою первую радиостанцию спаял в 12 лет. И очень гордился, что сделал сам. После её настройки услышал голоса радиолюбителей — больше
10 диапазонов. Поскольку лицензии не было, то мог только слушать голоса. Помню, какой испытывал восторг. Позже были куплены детские рации, мы с другом стали общаться с их помощью. И вот однажды к нам подключился кто-то третий.
С 17 лет я стал работать на заводе и на первую зарплату купил первую в жизни носимую радиостанцию. Получил лицензию, позывной, вышел в эфир и познакомился с рузаевским радиолюбителем.
Будучи консультантом кружка для детей «Юные кулибины», я наладил сотрудничество с наукоградом «Сколково» (компания «Даурия»). Рузаевские школьники-радиотехники собирают информацию о местонахождении морских и речных судов с трех космических спутников и отправляют ее в компанию для последующей обработки. Для детей – это бесценный опыт работы с радиоаппаратурой.
— А как так получилось, что работаете системным администратором?
— Программирование и обслуживание ПК я изучал самостоятельно. Когда-то давно возникла задача создания и поддержки сети в нашем районе. Сами провели, подключили несколько десятков домов, квартиры. Интернет в те годы только появился, а мы, такие продвинутые радиолюбители, тоже хотели стать частью глобальной информационной системы. И, естественно, решили поделиться этим благом с соседями. В общем, развлекались как могли. Так и пошел работать сисадмином. Сейчас той районной сети уже и нет, но опыт я тогда получил бесценный.
— А теперь подходим к самому интересному – что же Вы такого сложного сделали, что в российских космических системах обратили на Вас внимание?
— Я ничего сложного не делал. Любой радиолюбитель, имеющий хоть какой-то опыт, сможет принять снимки с метеорологических спутников.
— Если в этих Ваших действиях нет ничего сложного, давайте по шагам распишем порядок действий, чтобы любой желающий мог увидеть Землю из космоса или заглянуть в глубины космического пространства. К каким спутникам в принципе можно подключиться, а к каким нет?
— Слово “подключаться” тут не подходит. Мы просто принимаем сигналы, которые идут со спутников, а потом с помощью специального ПО обрабатываем и получаем результат.
Начинающим я рекомендую самое простое оборудование: RTLSDR-приёмник и квадрифилярную антенну. Цена приёмника – 1000 рублей, а антенну можно собрать самому, хотя есть и “магазинные” варианты.
Для отслеживания спутников рекомендую программу Orbitron. А чтобы не запутаться в огромном количестве спутников, где 90% не работают, можете установить обновление с моего сервера, где я веду все рабочие и интересные аппараты.
Частоты работы спутников и их модуляция описана тут.
Программа для добавления частот в программу Orbitron находится тут.
Если вы приобрели такой приёмник, то нужно подключить его к программе Orbitron. Как это сделать можно прочитать тут.
Подключение необходимо для компенсации эффекта Доплера, так как спутник постоянно в движении, поэтому происходит сдвиг частоты.
— Итак, успех зависит от приемника и антенны. Расскажете подробнее про антенну — как собрать и как настроить?
— Квадрифилярная спиральная антенна (КСА) является многоэлементной антенной системой, состоящей из нескольких излучателей. Эти излучатели могут быть соединены со схемой питания, которая формирует на входах элементарных излучателей возбуждающие напряжения с требуемыми амплитудами и фазами.
У КСА четыре элемента, каждый из них — спиральный проводник, который возбуждается от вывода полосковой схемы питания. В идеальном случае схема питания создаёт падающие волны с одинаковой амплитудой и со сдвигом фаз на 90 градусов.
Антенна состоит их двух рамок, повёрнутых одна относительно другой на 90 градусов по фазе. Отсюда круговая поляризация и, поскольку элемента два, то усиление 4-5 дБ в зависимости от отношения высота-ширина. А еще антенна изгибается по спирали, как бы наклоняясь, и диаграмма «выпучивается» вверх. На самом деле диаграмма направленности проволочной спиральной рамки распространяется в сторону меньшей петли по аналогии директор-рефлектор, в нашем случае вверх. Если изменить фазирование питания антенны, то диаграмма направленности будет такой же, но полусфера будет обращена вниз. В результате имеем антенну очень подходящую для спутниковой связи Диаграмма её – полусфера, направленная вверх. Крутить не надо, поляризация круговая, да еще и усиление 4 дБ. И полоса пропускания в УКВ-диапазоне очень даже приличная.
Диаграмма направленности квадрифилярной антенны и её усиление:
Настройка антенны сводится к растяжению/сжатию рамок и образки элементов по 2 мм. Правильно собранная антенна почти не нуждается в настройке. Вот несколько советов советов по настройку. Настройку следует производить только на крыше (не в помещении). Основа установки антенны — это диэлектрик. Расстояние до металлических предметов желательно сделать не менее 3 метров.
Обозначения:
TC — луженая медь
FPE — физически вспененный полиэтилен
PVC — поливинилхлорид
DF — двухсторонняя алюминиевая фольга на лавсановой основе
График затухания RG-58 A/U: 
Целимся и общаемся со спутниками: Часть первая — целимся программно
Диcклеймер — я практически не знаком с астрономией, только вот в Kerbal на орбиту выходил и как-то мне удалось сделать парочку орбитальных маневров. Но тема интересная, так, что даже если я где-то не верно выражаюсь — сорян.
Все ссылочки в конце статьи.
На всякий случай, под видимостью подразумевается не только видимость глазом.
Для того, что бы начать взаимодействовать со спутником, он должен быть виден в небе. Видимость спутника зависит от того, где он находится на текущий момент относительно вашего расположения. Существуют спутники которые никогда не видны из некоторых локаций. К таким относятся спутники находящиеся на геосинхронной орбите — они видны только с половины Земли, так как их движение синхронизировано с вращением Земли.
Так же на видимость спутника влияет наклон орбиты.
Орбиты с низким наклоном находятся ближе к экватору. Находясь на экваторе, вы наверняка увидите спутники в какой-то момент времени. Если вы находитесь выше по широте, то видимость спутника зависит от высоты его орбиты. Чем дальше спутник от Земли, тем больше локаций с которых его можно увидеть. Например спутник LEMUR-2 JOEL, находится на высоте 640км и может быть виден в Найроби и Дар-эс-Салам, но его никогда не видно в Ереване.
O3B FM8 который находится на высоте 8,000км, можно увидеть из Стокгольма или южней из Tierra del Fuego. Оба спутника с очень низким наклоном и возле экватора. Высота спутника с высоким наклоном (полярная орбита) так же влияет на то откуда он может быть виден, но в основном они видны отовсюду (если хорошенько подождать, пока он пролетит в поле вашего зрения).
Что такое орбита?
(Откройте изображение в новой вкладке, что бы получше разглядеть)
Все орбиты разные. Большинство спутников находятся в 3-х основных зонах Низкая околоземная орбита (LEO), Средняя околоземная (MEO), или Геосинхронной орбите (GSO).
Спутники на низкой орбите, находятся ближе всех к поверхности Земли (до 2,000км), требуют меньше всего энергии для выхода на такую орбиту (так как если вы играли в Kerbal, то знаете, чем больше скорость тем выше орбита, а скорость это кол-во сожженного топлива и время работы двигателя), а так же с ними проще общаться. На такой орбите находится Международная космическая станция и спутники телефонной связи. Такие спутники движутся по небу довольно быстро и находятся в поле зрения около 20-30 минут. Но до нового пролета ждать примерно столько же. Вращение вокруг земли занимает около 90 минут.
Медиана, средняя орбита или Medium Earth Orbit — орбита, которая находится между геосинхронной орбитой (GSO) и низкой орбитой (LEO). Большинство спутников находятся на высоте между 10,000км и 30,000км. Орбиты между 2000км и 8000км не желательны из-за высокой радиации от Van Allen Belt (пояса радиации).
На таких орбитах много GPS спутников. Они так же двигаются вокруг поверхности Земли, но медленней (так как орбита выше). Оборот вокруг Земли занимает примерно 12 часов.
На геосинхронной орбите спутники делают 1 оборот за день. Находятся они на высоте 36,000км. Если геосинхронный спутник вращается вокруг экватора, то такая орбита называется геостационарная. Спутники всегда находятся в одном и том же положении относительно наблюдателя на земле. Словно они находятся на высокой вышке. Задержка сигнала достигает пол секунды.
Зачем целиться в спутник?
Так как я знаком с FPV хобби, я что-то уже знаю про антенны. Минимально, но понимаю, что есть антенны направленные которые словно фонарик, а есть всенаправленные антенны.
Направленные антенны лучше принимают и отправляют сигналы, но они ограничены «полем зрения».
В хобби обычно комбинируют антенны:
(плоские это направленные патч антенны, а ниже всенаправленные)
Но вернемся к нашей теме, для общения со спутниками используют такие вот параболические антенны:
Работают следующим образом — собирая сигнал на своей параболической «тарелке» они концентрируют его на «feed antenna». Не могу найти как это называется по-русски. Скорей всего принимающая антенна.
Можно провести аналогию с солнечными электростанциями:
Слежение за спутником (прицеливание вашей направленной антенны), технически не обязательно для отправки и получения сигнала. Но вместо того, что бы тратить энергию и отправлять сигналы во все стороны, это можно делать концентрировано. Такой подход более эффективен и позволяет использовать антенны поменьше.
Находим положение спутника относительно вашей локации
Для получениях данных о движении спутников относительно конкретной локации, можно воспользоваться библиотекой Skyfield или публичной базой данных. С помощью этих данных можно предсказать, когда конкретный спутник будет над вами и в поле зрения. Следовательно, и прицеливать антенну.
Например мы можем предсказать когда МКС пролетит над вами, и если на улице не слишком светло, то вы сможете увидеть МКС невооруженным глазом. Станция делает один оборот в 90 минут, двигается она по ночному небу очень быстро. Относительно вас она будет в поле зрения не более 8 минут. Если станция будет пролетать низко — коло 10 — 2- градусов над горизонтом, то возможно из-за зданий и деревьев ее будет сложно разглядеть. Но как я сказал выше, мы можем подождать, пока пролет станции будет повыше и использовать данные для предсказания положения в будущем.
Угол спутника к горизонту от вашей локации, называют высотой (altitude) или elevation.
Горизонтальная система координат.
Для того, что бы хорошо наблюдать спутник, надо примерно 45 градусов. Другой параметр который нам интересен — азимут. Это направление, куда надо смотреть. Азимут равный 0 градусов находится на севере, 180 на юге.
Skyfield написан на Python, поэтому придется использовать Python (3). Конечно, можно сделать и на другом языке, но не будем усложнять себе задачу.
Нам необходимо поставить одну зависимость:
И подключить все необходимые пакеты следующим образом:
index.py
Далее несколько необходимых нам констант:
В этом «конструкторе» мы принимаем координаты, название спутника (такое, как в данных), и EarthSatellite своего рода обертка которая нам позволяет работать с данными.
В данной функции используем векторную функцию Topos которая знает о месте на Земле (определение из этой функции).
Затем загружаем все спутники из файла, и находим интересующий нас _sats_by_name[sat_name].
Данный кусок кода отвечает за нахождение высоты, азимута и расстояние на время переданное в at и относительно заданной позиции.
current_altAzDist(self) — небольшая обертка для передачи времени на данный момент и функция определения, находится ли спутник выше горизонта.
И наконец main функция:
Для запуска программы используем python3:
В данном выводе мы получаем градус (как в компасе) в какую сторону смотреть и угол (elevation), как высоко над горизонтом.
(visible!) в данном случае — видно. Но 6 градусов в городе маловато. Как я писал выше, надо хотя бы 45.
Такие данные можно передавать на сервопривод и управлять направлением антенны в реальном времени. Но об этом в следующих статьях.
Данные которые мы скачиваем (https://celestrak.com/NORAD/elements/active.txt) могут устаревать, так как спутники постоянно корректируют свою орбиту по разным причинам, поэтому следует скачивать свежее как можно чаще.
Спасибо за внимание.
UPD
Немного почитав документацию, получилось упростить до такого:
Первый вариант я нашел на просторах интернета и похоже он слишком специфичен или устарел.
Так же удалось сделать поиск всех видимых спутников в конкретной части неба:
upd: tvr спасибо за правки
upd: Fenja спасибо за правки
upd: sandroDan спасибо за дополнение в коментариях
upd: dpytaylo спасибо за правки
upd: extempl спасибо за правки
Литература
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Как сделать антенну и получать картинки со спутников: видеопособие
Видеопособие одного польского умельца, как сделать суперрадио
Оказалось, возможно. И не только их.
Метеоспутники летают на высоте 800 километров от Земли, оборачиваясь вокруг нее с периодичностью 100 минут/виток. Во время каждого витка они фотографируют нашу планету и транслируют эти изображения.
Вы думаете, потребуется супердорогое и сверхсложное оборудование? Как бы не так: антенна и копеечный TV-тюнер. Причем антенна – громко сказано: достаточно куска электрического провода, который позволит поймать сигнал. Тюнер тоже самый обыкновенный, доступный в любом специализированном магазине. Главное, чтобы у него была функция SDR-приемника с чипсетом RTL2832.
2 провода (можно взять от обычного электрического кабеля)
немного фанеры или дерева для основы антенны
коаксиальный кабель (ТВ-кабель)
Отец и сын наскоро сколотили антенну из двух кусков фанеры, развернув их на 120° по отношению друг к другу, закрепили на ней 2 отрезка проволоки и установили на своем заборе.
Для начала было решено перехватить сигнал со спутников NOAA. Эти спутники пролетают на высоте порядка 800 км над Землей, совершая оборот вокруг нее за 100 минут. На протяжении этого полета они делают ее фотографии, которые затем передаются на частоте 137 МГц на Землю.
1. Постройка принимающей антенны
Для получения спутникового сигнала достаточно простой антенны. Самый бросовый, но действенный вариант – это два медных провода длиной 53 см, соединенных в форме V под 120 градусами. Такая антенна идеально подходит для работы на частоте в 137 МГц. Основа антенны – банальная фанера.
Простейшая схема: две медянки, между ними угол в 120 градусов, к ним подходит ТВ-кабель
2. Как сделать ресивер (приемник)
ТВ-тюнер, как утверждает автор простейшего изобретения, можно использовать любой, но при условии, что он построен на чипсете RTL2832U (по крайней мере, такую модель использовали в эксперименте). Ее плюсы: дешевая, можно найти в Интернете менее чем за 600 рублей, легко подключается к компьютеру через USB как флешка и главное – она работает.
Найти модель можно на любом Алиэкспрессе и eBay: как пример ссылки: ru.aliexpress.com
Тюнер по факту – это «SDR»-устройство – программно определяемая радиосистема, это означает, что он может получать FM-частоты и может управляться с помощью программного обеспечения компьютера, что нам и нужно.
После установки тюнера на Windows вы должны «взломать» его, заменив оригинальные драйверы на программное обеспечение Zadig. Запустите его и нажмите кнопку «Заменить драйверы».
В Linux процедура отличается и может быть найдена по этой ссылке
3. Программное обеспечение для отслеживания спутников
В качестве софта наши хакеры использовали программу WXTOIMG, она позволяет принимать и декодировать информацию метеоспутников, преобразуя ее в фотоизображения, а также отслеживать местоположение спутников и заранее просчитывать время, когда они будут доступны в вашей области.
Программа поддерживается всеми операционными системами, проста и доступна (ссылка на официальный сайт: wxtoimgrestored.xyz/).
Чтобы «поймать» спутники NOAA, вы должны установить свою наземную станцию в соответствии с параметрами вашего местоположения. Затем выберите опцию «Satellite Pass List» и вы увидите, когда и на каких частотах вы должны ловить сигнал.
4. Программное обеспечение для записи сигнала
Вам понадобится еще одна программа, при помощи которой вы сможете управлять вашим ТВ-тюнером, получать и записывать сигнал со спутника.
Для Widnows автор рекомендует софт SDR Sharp, для Linux / Mac можно использовать GQRX.
Оба программных обеспечения работают одинаково.
Вы выбираете частоту, на которой хотите «слушать». По итогу вы не только услышите сигнал, но и сможете увидеть его на диаграммах в программном обеспечении SDR.
5. Запись сигнала и его декодирование
Теперь у нас есть все, что нам нужно. Теперь, когда спутник находится над нами, откройте программное обеспечение SDR, выставите частоту для 137, XXX МГц и установите параметры приемника следующим образом:
— модуляция FM
— диапазон: 44 кГц
Нажмите кнопку записи, как только начнут появляться сигналы.
После того как вы записали сигнал, вы должны изменить его частоту с 44 кГц до 11025 Гц. Для этого подойдет программа www.audacityteam.org. Просто откройте wav-файл, измените частоту и запишите его еще раз.
Последний шаг – открыть WAV в WXTOIMG. После этого программа автоматически расшифрует сигнал И.. вот и все! У вас есть собственные фотографии Земли. По крайней мере, так утверждает «погодный хакер».
Что на выходе: очень круто – получить настоящий сигнал из космоса! Ваш любознательный ребенок, возможно, в будущем компьютерный гений, будет прыгать до потолка от радости. А вы – гордитесь, что знаете, как получить крутой результат с минимальными усилиями.
Кроме фотографий с метеоспутника с помощью такого оборудования можно стать поистине властелином радиоэфира. Вам доступен весь эфирный контент, включая переговоры на полицейской волне, обмен информацией между пилотами самолетов и диспетчерами аэропортов. Словом, весь земной шар и даже космос. В том числе сигналы с МКС.
Ладно, побежал за проводами и фанерой. Встретимся в радиокружке позже!
А всего-то потребовался кусок провода и TV-тюнер.