ISS, Shall We Talk ?

 

前言

這是另一新系列文章，主要探討以APRS和國際太空站( ISS )通聯。我不視之為終極ARPS玩意，而是一項挑戰。

有別於其他 project 完成後才發文的慣例，這不是一篇經實戰驗証後之文章，純粹是為日後有關實驗之資料搜集，分析和準備的探討。Target係2014年內完成。

掂嘅，應是理論篇x1，器材篇x2 ，系統整合篇x1。試爆與執行約三篇就完成基本任務。否則這個系列隨時變成章回小說，甚至是彭鈐首未完的小說既真人版。

另本系列原本是2014 年的農曆新年賀歲文，不過另一Project的關鍵部件一再延期附運，所以這系列就變了本年度的壓軸文。這會影響到日後幾篇其他系列文章的閱讀次序。到時會再在文章說明。總體上覺得一跳就入ISS不是好主意，但天意如此，順其自然吧。

本篇是理論篇。

Why ISS

國際太空站(ISS) ，為人類在地球軌道上最大的設施，並配備業餘通訊器材。

ISS的業餘通訊活動由ARISS主理。ARISS由NASA，ARRL，AMSAT 三個組織的義工組成。主要是向學界推擴amateur radio活動。

圖1 ARISS的logo

選擇 ISS，原因:

1. 她是人類在太空軌道上mass最大的設施，連佢都hit唔到(下稱‘打星‘)，其他蚊型衛星不要有幻想。
   
2. 有關業餘衛星通訊，網上參考資料最多的就是ISS
   
3. ISS訊號強勁，接收時Doppler effect之影響可ignore *
   

ISS 上配備amateur radio 器材，好多ham都知。但如何與之聯絡上，則不是太多人願意分享: 不是故弄玄虛，就是開班授徒揾銀。

小弟不才+財，沒有深厚功力和強勁器材和無敵天台；但願意將 google找到認為有用資料，外國magazine有用的文章內容整合分享，希望我一朝能做得到之餘，其他本地ham 也可參考並啟發出更efficient的方法和技術。

如發現到文章內容有誤，也煩請提出。

有關ISS amateur radio 的主要通聯頻道表:

有關ISS 的Amateur Radio Callsign 列表:

 

望梅止渴，先看一下ISS的livestream。(有時會因天線指向、訊號接收進入盲區而藍畫面)

Live streaming video by Ustream

 

主要QSO模式不外是幾款:

1/ ISS 與國內外(主要是盟友)中小學，童軍等團體預先安排好的通訊會，有睇開日本CQ magazine 的應不會陌生。通訊會由ARISS負責安排。

 

圖2 Courtesy of Dec-2012 CQ Japan

 

2/ 沒有預先安排，湊巧係ham嘅太空人有空，就和你傾幾句

3/ Packet communication。APRS digipeater 器材在ISS正常狀態下是開著的，只要你的器材 config 正確，hit到就bingo了

4/ SSTV模式，據悉是俄羅斯今年( 2013年)頭才帶上的器材

5/ 而歐洲宇航局也不讓美俄專美，送上了一套數碼業餘電視發射器材(DATV) ，Project名稱為HamTV，並已於8月成功試播。

 

 

圖3 ISS上的DATV主機。

圖片來源 http://www.kayser.it/index.php/exploration-2/ham-tv

 

 

而年中 ( 2013年)，日本運輸船則送上一個小型人形太空機械人，是玩具多於實際。日本自80年代工業界投入大量資源研發人形robot。它們能歌善舞單腳跳兼快步走，惟始終缺乏實際用途。311海嘯引發的核事故，初期也是美國iRobot派出履帶Robot進入輻射區評估情況。後來，他們以機械人靈活的關節改良為一可旋轉開關valve 的機械臂，以進入輻射區執行開關valve任務。不過也是年多後之事了。

 

圖4 官網圖片

第一項不關我事，第二項可遇而不可求。剩下第三至五項。

鄙人除了APRS，還懂什麼？所以是次目標是第三項。而有了這基礎，也可為其他模式打下基礎。

有關APRS對ISS的通聯方法，有兩種:

1/ hit到她的Digipeater

2/以軟件UISS收發APRS文字訊息

我以第一點為目標。

有關VHF Band 使用的APRS業餘通訊器材是在03年隨穿梭機升空時帶上的Kenwood TM-D700。

圖5 ISS的TM-D 700 (NASA圖片)

圖6 ISS的amateur radio站全貌 (NASA圖片)

 

圖7 Digipeater天線位置圖 (NASA圖片)

圖8 站內位置圖 (NASA圖片)

打星理論篇的重點，首要是需知道ISS略過上空的時間，軌跡。一般雜誌刋物都是用 polar chart 去表達這些數據。有些網站是以 raw data 列出，隨非是輸入電腦用程式顯示，否則人睇是但很難消化。

 

圖9 2012年12月日本CQ 內文有關衛星通訊的資料

 

此外，我們還需注意一些詞匯:

Angle of elevation (EL) ，仰角，枱頭望天的角度

Azimuth (AZ)，方位角，如指南針般，一個圓周分360度，北方為0度，順時針轉向至359度

 

圖10 Courtesy of http://contrail science.com

Duration of pass，衛星略過上空時間

AOS Acquisition of Signal (or Satellite) ，衛星進場時刻

LOS Loss of Signal (or Satellite) ，衛星退場時刻

TLE，Two Line element。衛星軌跡數據。美國軍方會將民用衛星資料公開發放。需下載到你預測軌跡的軟件中

Foot print，衛星訊號的涵蓋範圍

 

Polar chart，如地圖一樣，是平面圖。我們必需將這二至三個同心圓如等高線般升高成一個半圓體。圓心為最高，外圈為地平面。有了這個立體化概念，已成功了一半。下文基本上皆是以此發酵。

圖11 Polar Chart

to

圖12 NASA 圖片

 

Doppler effect (多普勒效應)

天文學上稱為紅移現象。

ISS是一個高速移動的物體。簡單來說，ISS向著靜止物體(我們) 高速接近，其訊號波長會被壓縮(頻率變高) 。相反，高速離開我們時，波長會被拉闊，頻率變低。

圖13 Courtesy of Tutor Vista.com

雖則上文提到ISS訊號強勁，接收時Doppler effect 可無需理會。但留意Packet通訊，發射頻率可能需調教一下，否則可能因誤碼太多而失敗。

另資料顯示：Doppler effect對ISS 的VHF的通訊影響不大。UHF則必需加以修正。

是耶非耶，需實戰考證。後續文章再探討這個問題。

圖14 Doppler effect data

 

ISS 位置預測

圖15

ISS 間有在香港上空略過，請留意，光度是以負數表示，越負越光。這個位置是在赤柱外海略過，初步認為是一個理想的機會。

 

 

圖16

這次則是在東面略過。如Home base在馬山，西貢，將軍澳一帶一試無妨

 

如上文述，與ISS 通聯，首要知道其軌跡，劃過香港上空的地區位置，時間。這些資料都是公開資料。但第一個問題也出於這裡: 資料不夠統一；各渠道得回來的資料需未至於茅盾，但也有發現出入。

再三反覆推敲下，對ISS有興趣的有兩幫人。一是我們ham友，一是觀察ISS的人(我想也可歸納為天文愛好者吧)。對我這個沒有天文觀察經驗的人來說，他們的資料也很有參考價值。但他們提供的資料，是以ISS可被觀測下的數據。ISS略過上空，有時會被地球本影遮蓋而不能進行觀測。我初步分析，invisible 應不影響我們無線電的QSO。再者，沒有觀天器材，以現時的光害，空氣污染情況，能目測到ISS我不存幻想。另如只參考觀察ISS的資料，夜行是免不了。

在交通，安全，應變徹退等考慮下，夜深行動暫不考慮。

請參考右欄 ISS觀測手冊。

 

圖17

圖17 是KD5PDN 的demo。不論這照片的曝光時間是多少，但明顯是目測可見到ISS。萬里無雲，天氣，四周狀況非常理想。最終以5 W成功hit到距離約1127 km的ISS。右欄有專文 ”QRP to the ISS” 介紹，YouTube也有其短片介紹。

圖18

留意藍線部份為ISS被地球本影遮蓋或仰角低於10度。開始觀測位置 (Begin ) 被移入了圈內。

在Internet年代，要知悉各衛星的軌道是不難的。關鍵在於如何處理有關資訊。衛星軌道資料不外是Amsat網上實時顯示，網上或ham程式以至電話app提供的資料。

你可能問，有否需要以多種途徑去獲取同一種資料。我的睇法是初入門檻，不應太快下定論專攻那種功具。到有點實戰經驗自然對各種方法有自己的睇法。

我初步選定以下兩個網站和兩個免費軟件:

網站

http://iss.astroviewer.net/observation.php

圖19

http://www.n2yo.com/

圖20

 

以上網站，記著先設定香港為 home base QTH。我較喜歡第一個網站。

PC 軟件

Gpredict，這是免費軟件。提供詳細軌道資料。介面簡潔，設定容易。她並可經RS232 和高檔檯機如FT-847 或TS-2000，rotator等接上，提供發射機的Doppler effect ，rotator的方位角，仰角等參數。

圖21 screen capture of Gpredict

FT-847是我的dream rig，雖已停產，但時有在ebay見到二手機。我的原則是二手機，價錢合理，新淨無問題，但停產多時的應避免。如LCD等，一受潮只會越來越嚴重。如真的醉心於打星，之後直接在radio outlet入手TS-2000 吧。

 

Android Phone 平台的預測App

ISS Detector

圖22 screen capture of ISS Detector

ISS detector 發展至今，越趨成熟。最新版本並提供方位角，仰角指示。

請留意，一般軌道預測軟件只提供未來10日資料。這對初哥預備行動是急的。但沒有更好的方法下，袒然面對就是了。成功故然好，失敗咪當去飲早茶或食Tea。

另如在新聞報導聽到上太空站有任務如和運輸倉接合等消息，也應是避免行動。

 

 

這幾個網站和軟件Tools的協同用法是:

1. 網站，PC軟件是初步評估when & where。
   
2. PC軟件，polar chart評估 onsite 參考。
   
3. ISS detector，onsite指向仰角方向參考。

 

簡單介紹一下這兩個tools

Gpredict

圖23 ensure udpate TLE data before use

無需安裝，解壓後在folder => bin下直接執行即可。

請立即按Edit => Update TLE => From network 去更新軌跡資料。

Gpredict和ISS detector 有一個共通點，就是都提供polar chart。

圖24 這次時間短，仰角低，成功機會估計不大

首先先介紹polar chart 的軌道演譯方法。

圖25a Raw Data版面

圖25b Polar chart

這例子是ISS劃過頭頂的一次pass，整個過程約10分鐘。應是一次理想的機會

 

圖25c 方位角，仰角關係圖。用途不大

ISS 軌道越近外圈，即仰角越低，成功機會越微，但Doppler effect影響較響細。

ISS 軌道越近圓心，即越近頭上略過，相對機會較大，因頭頂位置的shift很小。但Doppler effect 影響對全段較大。留意 圖25a 的Dop一欄data，Doppler shift 達 ± 2.3kHz。

軌跡越長，出現時間越久。處男下海，雞手鴨腳，所以初步選擇出現6分鐘以上的機會。

其他setting，留待用家自行嘗試吧。

 

ISS Detector

圖26  Polar chart of ISS Detector

這是ISS detector 的Polar chart 。左欄中間的大圓點是最高仰角刻度。中間指針則實時指出ISS的軌跡位置。那即是說，理論上只需將之附在天線上，按畫面的指向對天就是ISS的當時的位置了。但理論歸理論，電話的sensor data我一向認為不能盡信。事前必需cal過。另GPS的相對高度是sea level，和實際地理高度也有一定距離。但這個factor估什影響較微，因和ISS距離很遠很遠。

 

When & where

長期觀測gpredict 的ISS軌跡，不難發現其軌跡是三組類似拉闊了的sine wave 從左到右shift運行。

究竟選擇何時出動？這個應先決定在那裡進行打星。在考慮交通便利程度，地勢等情況，初步決定選擇赤柱、舂坎角‎等向海一帶地方。ISS由下至上進場的情況下，面向一望無際的大海，在那裡等侯出現，應可盡享略過長空時間，以便多次嘗試或修正設定。

另ISS 的Foot print (涵蓋範圍) 很廣，我們將polar chart 外圈套到footprint上，就明顯知道外圈的直徑比肉眼望遠處的水平線更遙遠。所以軌道仰角選會穿過45度甚至60度以上較實際。網上資料顯示，25度以下成功機會甚微。

總結

ISS 軌道仰角高>45度，出現6分鐘以上，這是天時

地點，南區，這是地利

時間，日間進行，但又要有假期配合。這是人和。上班族人和是最難配合的

有齊以上幾點，就天時地利人和矣。

人既學習曲線，總得遇上挫敗一環，以上設定會在往後的失敗和錯誤中修正。請看下回分解。

下一篇應是器材篇，還未執筆…