2. septembra 2015

Vyhodnotenie experimentov nočného letu stratosférickej sondy JuloX

zawin

Stratosféricka sonda JuloX štartovala z letiska v Partizánskom v noci z 12. na 13. augusta, počas maxima meteorického roja Perzeid a podarilo sa jej zozbierať unikátne dáta.

Prípravy na štart a priebeh letu

Prípravy na samotný let zahájil technický tím Slovenskej organizácie pre vesmírne aktivity (SOSA) v stredu, 12. augusta 2015 v jednom z hangárov letiska Malé Bielice v Partizánskom. Pred štartom bolo potrebné naposledy preveriť funkčnosť všetkých experimentov a následne ich spolu s materskou sondou JuloX skompletizovať do letovej zostavy, ktorá mala v tomto prípade naozaj úctyhodné rozmery a dĺžku. Išlo o 3 samostatné, pod sebou podvesené gondoly s hmotnosťou 3 kg.Gondoly boli od seba vzdialené asi 10 metrov a celková dĺžka letovej zostavy bola približne 50 metrov. Relatívne veľká vzdialenosť medzi gondolami bola zvolená z potreby elektromagnetickej kompatibility medzi jednotlivými experimentami.

Kompletizovanie experimentov v priestoroch hangáru

Samotná príprava štartu začala približne hodinu pred plánovaným časom štartu, teda 23:30. V tom čase sa takisto poverený člen SOSA telefonicky spojil s dispečerom riadenia letovej prevádzky SR, aby potvrdil finálne povolenie ku štartu a stanovil presný čas. Následne došlo k nafúknutiu stratosférického balóna, pod ktorý boli podvesené všetky gondoly. O 00:45 celá zostava vzlietla do stratosféry a začal sa tak 16. stratosféricky let SOSA od jej vzniku.

Fúkanie stratosférického balóna héliom na letisku v Partizánskom

Zostavu našli naše vyhľadávacie tímy o 04:15 na poli pri obci Hrušovany blízko rieky Nitry 🙂 Gondoly v poli mäkko pristáli, obsah bol nepoškodený. Ponáhľali sme sa spať na letisko vyhodnotiť experimenty.

Dopad sondy na poli blízko obce Hrušovany

Rádioamatérske experimenty

Stratosféricky balón okrem iného poniesol aj komunikačný modul prvej slovenskej družice skCUBE, pomocou ktorého sme realizovali rádioamatérske experimenty. Let stratosférického balóna je ideálny pre testovanie komponentov do družice, pretože v stratosfére sú podmienky veľmi podobné podmienkam , ktoré sú vo vesmíre ako nízky tlak, teplota a zvýšená radiácia.

Prvým rádioamatérskym experimentom bola obojsmerná komunikácia v rádioamatérskom pásme 70cm. Transceiver pracoval v režime digitálneho opakovača (digipeater), teda po príjme AX.25 rámca dekódoval volaciu značku a odpovedal spať. Digipeater sa v cykle opakoval s CW majákom, ktorý vysielal základnú telemetriu.

Komunikačný modul prvej slovenskej družice – skCUBE

Transceiver skCUBE vysielal s výkonom 1W – AX.25 a 100mW – CW do dipólovej antény. Na pozemnej stanici sa nachádzala 7-el yagi anténa, ktorá bola smerovaná na balónovú sondu vďaka Robovej OM1LD trekovacej platforme. Tak sa nám podarilo spoľahlivo odoslať a prijať množstvo dátových rámcov.

Vyžarovací diagram patch antény na komunikáciu v pásme 2.4 GHz

Druhým experimentom bol príjem CW v pásme 2.4GHz. Vysielač pracoval s výkonom 250mW a bol pripojený na nami vyvinutú patch anténu so ziskom 6dB. Príjem CW v tomto pásme daľeko prevýšil naše očakávania. Bolo neuveriteľné ako signál zo sondy vzdialenej 5km saturuje LNB konvertor! Dokonca aj tesne pri dopade pri výške pod 500m nad povrchom sme ešte signál vzdialený 30km bezproblémov zachytili. Bol to pre nás šok.

Tento experimentálny prenos v pásme 2.4GHz plánujeme využiť na vysokorýchlosný prenos obrázkov z palubnej kamery s použitím GMSK modulácie. Balónovy experiment nás presvedčil o tom, že to bude fungovať.

Vybavenie príjmacej stanice

Pri príležitosti štartu balóna si Robo OM1lD stanovil cieľ zostaviť mobilnú trekovaciu stanicu. Či už sa jedná o let balónu alebo kozmického telesa, pozemná stanica je neoddeliteľnou súčasťou projektu. Dôležitosť vybudovať mobilnú stanicu vzrástla aj s nutnosťou testovať komunikačné časti satelitu skCUBE v pásme 13cm. Na geodetickom statíve bola umiestnená rotačná platforma, ktorej mechanické komponenty vyrobila slovenská firma Q-products a ochotne nám jeden kus zapožičala. Parametrami niekoľkonásobne prevyšovala naše potreby, ale pri optickom trekovani a spojení v optickom pásme neskôr plánujeme tieto vlastnosti využiť naplno. Nosnosť 50kg a súčasne rýchlosť rotácie 180°/s s presnosťou 0,02° je skutočne veľká rezerva aj pre ďaľšie projekty.

Trekovacia platforma od Roba OM1LD

Na rotačnej platforme sa nachádzala sedem prvková YAGI anténa pre pásmo 70cm, dve helix antény pre pásmo 2,4GHz a predzosilňovač so zmiešavačom (LNB) pre pásmo 2,4GHz.

Obe helix antény boli vyrobené nezávisle, podľa internetových online kalkulátorov. Vzhľadom na časový harmonogram neboli laboratórne testované. To bol aj dôvod prečo sme použili dve nezávisle konštrukcie. Trojzávitový helix bol osadený do ohniska 80cm paraboly. Robili sme komparačné merania s druhým päťzávitovým helixom, ktorý smeroval priamo na balón. Riešenie s parabolou dávalo približne + 10dB signálu naviac. Antény pracovali výborne. Päť závitový helix bol mechanicky navrhnutý pomocou programu SolidWorks s dôrazom na dizajn, ktorý je možné vytlačiť na 3D tlačiarni. Táto koncepcia sa ukázala ako veľmi vhodná pre svoju jednoduchosť pri výrobe antény. Tejto anténe chceme neskôr venovať samostatný článok a zverejniť podklady pre 3D tlač.

Helix anténa vyrobená z časti na 3D tlačiarni

S-band LNB konvertor

Ako LNB sme pre tento experiment použili ďaľšie lacné zariadenie dostupné v internetových obchodoch za pomerne nízku cenu. Chceli sme si odkúšať aj takúto možnosť, ktorá by mohla byť zaujímavá pre ďaľších rádioamatérov. Čo sa týka zisku sme boli prekvapení. LNB zodpovedalo parametrom udávanych výrobcom. Horšie to bolo so stabilitou lokálneho oscilátoru 3,6GHz, ktorý reagoval nielen na zmenu teploty, ale aj na mechanické vibrácie. Toto ešte preveríme a skúsime najsť vhodnú úpravu, ktorá by vlastnosti vylepšila

RTL-SDR dongle

Ako prijímač sme z toho istého dôvodu zámerne použili lacný SDR v cene okolo 8USD s RTL2832U/E4000. SDR prijímač spolu s minipočítačom Raspberry PI bol umiestnený priamo pri rotátore a demodulácia bola riešená na vzdialenom počítači pomocou programu SDR#.

Našou snahou je priblížiť možnosť posluchu satelitu v pásme 13cm širokému okruhu rádioamatérov. Overiť použiteľnosť lacných a dostupných komponentov bola pre nás klúčová.

Sieť APRS na území Slovenska je pomerne riedka. Rozhodli sme sa preto vybudovať vlastný mobilný APRS Igate. Bez mobilnej Igate by trackovanie antén pri štarte nefungovalo. Bolo vhodné preto venovať trochu času aj sprevádzkovaniu Igate a mať možnosť kontrolovať funkčnosť balónu a polohovania už pred štartom. Prijímač sme využili starší skener Yaesu FRG-9600 s programom AGWUIDigi , ktorý nakonfiguroval Ondrej OM4AOZ

Pozemné pracovisko pre komunikáciu so stratosférickou sondou

Celé pracovisko bežalo na staršom notebooku s operačným systémom Linux Debian. Obslužný program pre server napísal Robo OM1LD v jazyku C, ktorý bol priamo pripojený do siete APRS-IS cez mobilného operátora. Nastavený filter umožňoval príjmať iba pakety OM3KAA. Rozparsovaním dát a nasledným výpočtom sme získali azimut a elevaciu pre konkrétnu polohu balónu vždy po prijatí nového paketu. Na užívateľskej strane to bol klasický Javascript, HTML5 s podporou Websocket. Dáta teda mohol monitorovať každý učastník štartu s pripojením do našej lokálnej siete v reálnom čase. Možno by bolo pre budúcnosť zaujímavé takýto monitor ponúknuť širokej verejnosti.