Si vous voulez écouter les satellites, vous devez être en mesure de les suivre lorsqu’ils passent au-dessus du ciel. Lorsque j’ai commencé à suivre des satellites amateurs, calculer la position du satellite dans le ciel faisait partie du défi. De nos jours, c’est trivial. Ce qui reste, ce sont tous les détails extrêmement importants du monde réel. Jetons un coup d’œil à une configuration de suivi par satellite jambon typique et voyons comment tout cela est lié.

Rotateurs pour la direction

La popularité de la robotique, de l’impression 3D et des machines CNC a entraîné un déluge de moteurs et de pilotes électriques abordables. Il est difficile d’imaginer qu’un moteur électrique pour faire tourner une antenne serait quelque chose de spécial, mais en fait, les rotateurs d’antenne sont des conceptions techniques non triviales. La plupart des défis sont mécaniques, et non électriques – les antennes qu’elles entraînent peuvent être énormes, avoir une charge de vent et une inertie rotative importantes, et tout simplement pèsent beaucoup. La conception d’un rotateur doit prendre en compte les roulements, l’exposition aux intempéries, toutes sortes de charges, pas seulement la rotation. Et généralement, un frein est nécessaire pour maintenir l’antenne pointée dans des conditions venteuses.

Ces mécanismes remontent à 70 ans dans les années 1950, lorsque Cornell Dubilier Electronics, la société que vous connaissez en tant que fabricant de condensateurs, a commencé à fabriquer ces rotateurs pour antennes de télévision dans les années 1950. J’ai été un peu surpris de voir que les systèmes de rotateurs que vous pouvez acheter aujourd’hui ne sont pas très différents de ceux que nous utilisions dans les années 1980, à part des commandes électroniques améliorées.

Rotateur azimutal typique

Ces systèmes rotateurs ont tendance à être assez robustes, car les antennes HF peuvent être grandes. Heureusement, dans le cas des communications par satellite amateur, seules de petites antennes Yagi sont nécessaires. Cela simplifie la conception ne serait-ce que parce que la surface et le poids équivalents des antennes sont bien inférieurs. Les fabricants commerciaux ont développé des combinaisons de rotateurs à deux axes, comme ce modèle Yaesu ci-dessous, qui est plus compact et plus facile à installer. Mais certaines personnes pourraient soutenir que cela enlève le plaisir de l’installation.

Exemple de rotateur Compact El over Az

Pour ces personnes, la taille plus petite et les exigences moins strictes signifient que les rotateurs homebrew sont bien à portée de main et adaptés à cet environnement. En outre, certaines stations de suivi par satellite de nos jours sont portables et peuvent être installées sur un trépied d’appareil photo en une heure, l’exigence d’étanchéité aux intempéries disparaît pratiquement. Les vents violents qui pourraient endommager les roulements ne sont pas très préoccupants si tout le trépied bascule avant que les dommages ne soient causés.

Un dernier avantage à le faire vous-même est que la mise en service d’un rotateur normal sur l’axe d’élévation peut être délicate. Les rotateurs conventionnels sont conçus pour fonctionner verticalement. Tourner un sur le côté peut ne pas fonctionner. Voici où faire tourner votre propre design peut être plus facile que d’adapter un rotateur existant. Naviguez sur Internet pour trouver des conceptions de suivi par satellite ou créez simplement les vôtres. Utilisez un trépied, ne vous inquiétez pas du temps et du vent, et profitez de la satisfaction de voir votre micrologiciel déplacer ces antennes dans le ciel.

Une boucle peut être ignorée

La rotation des antennes vers un emplacement commandé représente une boucle de contrôle. Mais il y a une autre boucle de contrôle qui a été traditionnellement ignorée: votre faisceau RF est-il vraiment dirigé vers le satellite? Obtenir du feedback pour fermer cette boucle est un problème beaucoup plus difficile, et heureusement inutile dans les communications par satellite amateur. Mais pour les curieux, il y a plusieurs façons de résoudre ce problème dans le passé, les deux nécessitant un signal constant du satellite pour l’utiliser comme balise.

Une technique consiste à «osciller» continuellement vos antennes dans un cercle autour de l’angle de pointage attendu. Laissez le diamètre du cercle oscillant être la largeur de faisceau de 3 dB de votre antenne. Maintenant, dédiez un récepteur séparé pour écouter le signal de la balise (n’oubliez pas qu’il doit également suivre le doppler) et observez la force du signal par rapport à l’oscillation, vous pouvez obtenir l’erreur de suivi. Si vous êtes parfaitement sur la bonne voie, la force du signal ne variera pas avec l’oscillation. Mais si vous êtes hors piste, le signal variera et l’erreur de pointage peut être expliquée par cette variation. Cela ajoute une certaine complexité à la conception, mécaniquement et électriquement. Compte tenu des larges largeurs de faisceau des antennes utilisées pour les opérations de satellite amateur, cette oscillation serait un spectacle fou à voir. Ce type de suivi est bien mieux adapté aux antennes de largeur de faisceau plus petites, plus légères en masse et donc plus faciles à osciller.

Ou mieux encore, oscille virtuellement. Sans entrer dans les détails sanglants, vous pouvez calculer les angles hors axe en utilisant plusieurs antennes dans un récepteur à réseau phasé. Mais si vous souhaitez appliquer cette technique, vous aurez besoin d’au moins quatre antennes au lieu d’une.

Pourquoi la position calculée serait-elle fausse? La vérité est que c’est rarement faux. Les orbites des satellites sont bien établies et leurs paramètres sont fréquemment mis à jour. En fait, ils font souvent partie intégrante des procédures d’étalonnage elles-mêmes. Si l’horloge de votre station est précise et que son emplacement est connu avec précision, les seules vraies erreurs vont être avec le système d’antenne: erreur dans le retour, erreur dans l’orientation du mât d’antenne et mauvais alignement du faisceau RF vs. l’axe mécanique de l’antenne. Heureusement, les larges largeurs de faisceau des antennes de satellite ham typiques signifient que le succès peut être obtenu sans avoir à prendre des mesures extraordinaires.

Antennes: Yagis croisés et polarisation

Vous voyez souvent des antennes Yagi pour les communications par satellite disposées selon un motif en «X», appelé «Yagis croisés». La raison est de s’adapter à différentes polarisations de signal, soit lors d’un passage lorsque les conditions changent, soit pour des variations satellite à satellite. Le meilleur cas est lorsque le signal émis a exactement la même polarisation que l’antenne réceptrice à son arrivée. Le pire des cas est si les deux polarisations sont orthogonales – disons, vous avez une antenne polarisée horizontalement recevant les signaux d’une antenne polarisée verticalement. En théorie, vous n’entendrez rien – un décalage complet. C’est le même concept que les filtres à lumière polarisée que nous connaissons tous.

J’ai utilisé le terme de polarisation d’arrivée, car le signal peut être modifié lors de son passage dans l’atmosphère. L’antenne satellite elle-même peut également bouger lorsqu’elle passe au-dessus. Il existe plusieurs astuces pour résoudre ce problème. La première consiste à utiliser une seule antenne positionnée à un angle de 45 degrés. Ensuite, nous recevrons toujours des signaux polarisés H et V, mais les deux entraîneront une perte de 3 dB. Une autre méthode consiste à faire pivoter physiquement la polarisation Yagi selon les besoins pour correspondre au signal entrant. Cela peut être fait manuellement ou par des moteurs: conceptuellement encore un autre «axe» de rotation à considérer.

Mais l’approche la plus courante consiste à utiliser deux Yagis montés sur une flèche commune. Vous pouvez simplement basculer entre H et V pour obtenir le meilleur signal, en utilisant un relais RF. Ou, vous pouvez obtenir une polarisation circulaire en ajoutant une ligne à retard de phase et un combineur, et un relais vous permettra de basculer entre la rotation horaire ou antihoraire. Le calcul ici est vraiment fou, mais l’essentiel est que toute polarisation linéaire se couplera à une antenne à polarisation circulaire avec une perte de 3 dB, quel que soit son angle.

Équipement auxiliaire

En raison de la perte de câble aux fréquences VHF et UHF, vous devez généralement localiser des équipements supplémentaires, tels qu’un amplificateur de puissance, des préamplis récepteurs, des relais RF et des alimentations, au niveau de l’antenne et non dans la cabane. Ces éléments ont besoin de puissance, de contrôle et de rétroaction d’état, et ajouteront inévitablement de la complexité au contrôleur de la station satellite. Sauf pour peut-être amener l’alimentation secteur en toute sécurité sur le toit, ces problèmes sont beaucoup plus simples à résoudre aujourd’hui que dans les années 1980.

Faire tout jouer ensemble, 35 ans plus tard

Le contrôle des rotateurs traditionnels n’a pas vraiment beaucoup changé. En gros, vous imitez un humain appuyant sur les boutons en câblant un relais en parallèle avec les commutateurs. Si vous avez un contrôleur moderne, cela pourrait être encore plus facile. Le rotateur Yaesu mentionné ci-dessus a une interface RS-232 pour contrôler à la fois l’azimut et l’élévation. Il dispose même d’un tableau interne des positions en fonction du temps, que vous pouvez précharger avec un passage satellite et laisser le rotateur intelligent piloter les antennes. Mais cela enlève tout le plaisir de construire vous-même un tracker.

Je ne vois plus aucune raison de créer un système en boucle ouverte, du moins du point de vue des coûts. Aujourd’hui, il existe de nombreuses façons accessibles de fermer la boucle de pointage. Une technique consisterait à utiliser une puce MEMS, telle que MotionTracking de TDK ou la famille de puces ST Microelectronics iNEMO sur lesquelles Ted Yapo a écrit l’année dernière. Une autre idée serait d’utiliser une caméra de surveillance et des algorithmes de vision par ordinateur pour calculer l’angle de pointage (même si vous devrez peut-être placer des LED stratégiquement placées sur vos antennes pour les opérations de nuit). Ou vous pouvez le faire de la manière habituelle, en incorporant un capteur de position dans chaque axe. Habituellement, le signal de rétroaction serait envoyé par des fils, qui doivent sauter à travers un joint tournant. Bien que de tels commentaires puissent être envoyés sans fil, l’ajout de quelques fils supplémentaires n’est pas vraiment un problème – vous avez déjà besoin de câbles pour alimenter et contrôler les rotateurs, et bien sûr de câbles coaxiaux RF pour se connecter aux antennes.

Les lois de la mécanique orbitale de Kepler n’ont pas changé. Que vous écriviez vos propres algorithmes, que vous en empruntiez à un référentiel open source ou que vous achetiez un progiciel commercial, il existe de nombreux choix de logiciels adaptés à votre budget ou à votre niveau de compétence. Mais les options d’interface utilisateur ont radicalement changé, et pour le mieux.

En discutant en ligne avec des gens de C64 à propos de mon projet de restauration de tracker, j’ai réalisé à quel point l’interface utilisateur de mon ancien programme de suivi était stupide. Mais aujourd’hui, en utilisant diverses bibliothèques et ensembles de données, votre programme pourrait facilement dessiner des données satellites visuellement en temps réel. J’ai même pu tracer une orbite satellite dans OpenSCAD en peu de temps.

Un progrès considérable est la facilité d’obtenir des données de suivi par satellite de la NASA. Fini les tableaux papier dans les liens mail ou modem vers les systèmes BBS – vous pouvez obtenir les paramètres satellite en quelques clics de souris et une connexion Internet.

Si vous êtes intéressé par les satellites de radio amateur et le suivi des antennes, il n’y a jamais eu de meilleur moment pour vous impliquer. Le prix d’entrée, sur le plan monétaire et technologique, n’a jamais été meilleur.