Auteur : radiotelescopelavillette

Spectrogrammes à haute résolution de la Galaxie à la Villette

Spectrogramme haute résolution de la raie hydrogène galactique

Le radiotélescope de la Villette opéré par l’association Dimension Parabole vient de capturer les signaux radio de la raie hydrogène neutre lors des transits de la Galaxie pendant 23h30 min en plus haute résolution. L’image présentée a été calculée par Rémi F6CNB/N5CNB.

L’adjonction d’un nouveau récepteur RSPduo qui possède une meilleure résolution d’échantillonnage sur 14 bits a permis de réaliser une mesure plus précise que précédemment des signaux radio.

La méthode d’analyse des signaux et de construction des images est décrite dans cette page.

Le spectrogramme haute résolution correspond a une numérisation de l’intensité des signaux radio sur 14 bits à la fréquence d’échantillonnage de 2 Millions d’échantillons par seconde. Les FFT (Fast Fourier Transform) pour passer du domaine temporelle au domaine fréquentiel sont calculées sur 4096 points ce qui procure une précision en fréquence de 500 Hz par échantillon de fréquence. 4096 spectres de fréquence sont moyennés toutes les minutes. La fréquence centrale des signaux radio est sur 1420 MHz.

Les caractéristiques du SDR utilisé en monocanal

Caractéristiques des nouveaux filtres passe-bande utilisés
Intensité des signaux reçus avec le récepteur RSPduo
Spectrogramme sur environ 37 heures d’observation

Les signaux capturés par l’antenne sont moyennés différemment en fonction du SDR en raison de fréquences d’échantillonnage différentes.

Pour le RSP2Duo : acquisitions pendant 60s à 2048 kHz toutes les 120 s, FFT sur 4096 moyennées sur 60 secondes.
Pour le mini LimeSDR : acquisitions pendant 25s à 2500 kHz toutes les 60 s, FFT sur 4096 points moyennées sur 25 secondes.

Spectrogramme animé à partir des observations du 5 au 8 octobre 2019

Observation quotidienne comparative avec deux SDR et compilation animée des dernières observations

Activation de la réception du radiotélescope

La réception du radiotélescope a été activée le dimanche 21 juillet 2019 après 33 ans d’arrêt.

Sur la base d’informations reçues récemment de la présence d’un préamplificateur à transistor à effet de champ MOS-FET, le plus performant à l’époque de la conception du radio-télescope (température de système de 150° K, facteur de bruit 1,8 dB), l’équipe du projet « le chant des étoiles » a injecté une tension continue de 10~15 V dans le câble coaxial à destination de la cavité équipée du dipôle de réception au foyer primaire de l’antenne (photo ci-dessous).

La confirmation de la présence d’un dispositif électronique en amont des 7 mètres de câble coaxial a alors été apportée par la mesure d’un courant de 100 mA délivré par l’alimentation continue réglable entre 10 et 18 Volts. Sept mètres c’est la distance entre le dipôle source et l’armoire radio sur la plateforme où ont été effectuées les mesures.

Rémi F6CNB/N5CNB a ensuite utilisé un analyseur de spectre 500 KHz-1,6 GHz pour mesurer le signal reçu par le dipôle. L’analyseur injectait au même moment un signal dans un autre câble coaxial relié à un dipôle situé au centre du réflecteur parabolique. Ce dipôle visible sur la photo a été conçu dès le début pour l’étalonnage de la réception.

La figure suivante montre le niveau de signal mesuré alors que le préamplificateur n’était pas alimenté par une tension continue.

Niveau du signal mesuré à -63 dB entre 1000 et 1500 MHz lorsque le préamplificateur est coupé
Le gain du préamplificateur est proche de 20 dB à 1400 MHz (60-40 dB))

Le dispositif injecteur (bias tee) est conçu de manière à permettre simultanément l’alimentation du préamplificateur et le passage des signaux radio vers le récepteur installé au bout de 15 mètres de câble coaxial. Nous avons branché à ce niveau un récepteur SDR précédé d’un préamplificateur KU LNA 133BH avec un gain de 28 dB et un facteur de bruit de 0,7 dB à 1440 MHz. Le signal mesuré par le SDR est alors de -77,3 dB tel qu’illustré sur la figure suivante quand le préamplificateur MOS-FET n’est pas alimenté.

Lorsque le préamplificateur est alimenté, le signal monte à -64,6 dB. On trouve donc un gain de seulement (77,3 – 64,6) 12,7 dB. Si on ne place pas le préamplificateur devant le SDR on n’enregistre aucune différence de niveau de signal quand on alimente le préamplificateur MOS-FET. Ceci s’explique probablement par la perte (estimée par différence 28-12,7 ) de 15,3 dB dans le parcours des 15 m de câble coaxial et compensée par le deuxième préamplificateur. Un meilleur résultat sera obtenu en plaçant le deuxième préamplificateur le plus près possible de la source, mais surtout en remplaçant le vieux préamplificateur MOS-FET par un de meilleur performance.

Le WebSDR en ligne sur le serveur montre les signaux reçus en temps réel par le radiotélescope.

Ci-dessus signaux captés par le radiotélescope de la Villette et diffusés par WebSDR en temps réel
Le tout premier spectrogramme des signaux captés sur 24 heures

Le radiotélescope de la Villette a livré la première image radio ci-dessus issue de l’analyse spectrale des signaux enregistrés pendant 24 heures du 30 au 31 juillet 2019. Nous avons depuis fait des progrès dans la construction des images, mais les deux taches violettes se révélerons être en fait des signaux recueillis lors des transits de la Galaxie dans l’axe du radiotélescope.
Rémi F6CNB/N5CNB a calculé le spectrogramme minute par minute des signaux radio reçus entre 1419,50 et 1421,50 MHz. Chaque pixel de l’image représente l’énergie du signal intégré sur 3906 Hz pendant 60 secondes. Le temps est représenté sur l’axe vertical et les fréquences sur l’axe horizontal. L’étalonnage des couleurs n’est pas encore précisé. Du fait que le radiotélescope est immobilisé en position verticale, la rotation de la Terre provoque un effet de balayage de la voûte céleste d’un angle de 0,25 degrés par minute. L’axe vertical de la figure correspond donc également à 360 degrés et chaque pixel équivaut à 0,25 degrés. L’angle d’ouverture de l’antenne de 10 m de diamètre est proche d’1 degré à 1420 MHz. Donc une succession de quatre pixels en vertical sur l’image couvrent globalement la même région du ciel sur quatre minutes. Lire l’article consacré à cette « première lumière » capturée par le radiotélescope de 33 ans à la Villette.

Nouvelle carte de pilotage F1CJN/F1EBK/KBF

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Le radiotélescope est pilotable à distance par un logiciel d’astronomie pour le diriger vers une cible dont on veut observer l’activité radio. Deux applications ont été testées :  Stellarium et Cartes du Ciel (Skychart). Nous avons développé un pilote logiciel qui met en relation l’application cliente et l’interface qui commande les moteurs. Au départ cette interface était une carte KK6MK-F1EHN. Cependant elle n’était pas totalement adaptée aux pilotage du radiotélescope du fait du trop faible nombre de commandes disponibles par rapport aux possibilités des trois moteurs de la parabole. C’est pourquoi Patrick F1EBK et Alain F1CJN (du radioclub F6KBF) ont étudié une nouvelle carte interface aux possibilités plus étendues à base de micro contrôleur Arduino. Les 7 commandes incluses permettent d’activer le moteur d’Ascension Horaire en vitesse lente ou rapide vers l’est ou vers l’ouest, le moteur de déclinaison vers l’horizon ou vers le zénith et le moteur de poursuite. Des commandes additionnelles sont également prévues pour couper l’alimentation électrique des moteurs, mettre en fonction des préamplificateurs, etc…

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Prototype de la nouvelle carte a base de microcontrôleur Arduino
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Carte
Le dessin du circuit imprimé de la carte F1CJN/F1EBK (Radio Club de Maisons-Laffitte)
Circuit imprimé réalisé en 5 exemplaires

La carte définitive sur circuit imprimé est entièrement compatible avec l’ancienne interface tant pour le connecteur que pour le protocole logiciel des commandes à distance. En attendant la réparation des moteurs, la parabole étant fixée avec des cales, nous avons étudié un simulateur pour vérifier le bon fonctionnement du logiciel pilote de commande des moteurs et de lecture des codeurs optique absolus des deux angles ascension horaire et déclinaison. La deuxième version du simulateur est constituée d’un micro ordinateur RaspBerry Pi équipé d’une carte interface série parallèle 32 bits. Par programme, les douze sorties de chaque codeur sont positionnées afin de coder des valeurs des angles d’ascension horaire et de déclinaison selon les ordres de déplacement transmises au simulateur par le pilote INDI (Instrument-Neutral-Distributed-Interface control protocol (INDI).

Travail à la loupe sur le boîtier de commande à distance de la parabole !

Pendant que l’antenne est immobilisée pour permettre la réparation de l’ensemble moteur et réducteurs de déclinaison, le développement du logiciel de commande à distance se poursuit avec la mise en œuvre d’un simulateur.

La nouvelle carte interface équipée du micro-controleur Arduino et reliée à des roues codeuses qui simulent les valeurs des codeur optiques de position angulaires Ascension Droite et DEClinaison.

Vidéo de la nouvelle carte interface de télécommande étudiée par Patrick F1EBK et Alain F1CJN du Radio Club de Maisons-Lafitte et Dimension Parabole. Les commandes reçues par la carte sont affichées ainsi que les positions angulaires de l’antenne, l’état des vitesses activées et des commandes optionnelles.

Schéma fonctionnel de la commande à distance du radiotélescope

A simulation for Radio Telescope Training

When the radio télescope du Parc de La Villette rehabilitation is completed it will be possible to perform a remote control via Internet connexions. Using an astronomy software like « Stellarium » or « Skychart » it will be possible to connect the radiotelescope and choose a specific « radio source » then click on GoTo to ask the antenna to move toward the specified target and to perform a follow up while the Earth is slowly rotating. Then it will be possible to record the signal from the radio source in orfer to perform scientific observations.

Another part of the project includes contacts between hamradio stations far away from each other, thanks to signal reflection on the moon surface and back toward the Earth. For this scope the telescope must be oriented toward the moon and must follow its movement in the sky.

Third « mission » dedicated to the radiotelescope is to use the antenna for communications via geostationnary QO-100 hamradio satellite. We will take advantage of the high antenna gain even on 2.4 GHz due to its surface to use a limited amount of transmission power to enter satellite transponder.

For the present time, while the antenna motorization is being repaired, it is still possible to play with the telescope. By using a dummy telescope software, antenna movements are achieved by simulating telescope response to astronomy applications. The server transmits target coordinates to the software driver who computes necessary motors activation. The driver receives in turn the antenna position information from the simulator software as if the radiotelescope was actually moving. This information is sent back to the client astronomy software that displays telescope movement as if the antenna was actually moving.

Here is how to perform training with radiotelescope. Download and install Skychart astronomy software (Windows 4.0 version works well for this simulation). On menu bar click on « Télescope » and « Paramètres du Télescope« . Click on menu « Télescope« , validate « Pilote INDI » and write in front of Serveur INDI the Internet telescope address : radiotelescope-lavillette.fr. Choose telescope location (France and Paris city).

The server port is 7624 by default. Click on « Connect and get device list« . In the window on line « Nom de télescope » should appear : « Radiotelescope – La Villette ». The box « Use the internal INDI GUI pannel » should be validated. Click on Appliquer then on OK.

Go back to main menu and click on « Télescope » , « Connect le télescope« . In the new window click on « Connecter« . The red square should become green. In the same window click on INDI gui. A new window will open. Arrange and widen the windows down. On the sky map click on a « source » target and then click in menu « Télescope » on « Go To« . The telescope may refuse to move if the source is out of view. By clicking on numbers in the right it is possible to zoom. Once the antenna reached the target, the telescope switch to tracking mode. A demonstration of all commands explained previously may be visualized on this video : http://f6bvp.free.fr/VP/Film1.mp4

Let us know your remarks and observations. Good simulation !

Antenne Parabolique

L’antenne parabolique

Diamètre de l’antenne parabolique : 10 mètres.

Les mailles du grillage sont de 11-12 mm.

F/D = 0,40

Ouverture du lobe de l’antenne  : environ 1° (sur la fréquence de la raie hydrogène atomique HI 1420,4 MHz ).

  • Gain théorique +40 dB. (rendement 0,55)

La source 1420 MHz (probablement) surmontée du préamplificateur

Les dipôles sont visibles à l’intérieur de la cavité

La monture de l’antenne est une Monture équatoriale

Les trois moteurs :

  • moteur de poursuite monophasé : 25 tours/minute, 0,25°/min
  • moteur horaire triphasé (380V / 2,5 A – couple 300 Kg / cm :
    • grande vitesse : 180 tours/min, 30° /min, petite vitesse : 45 tours /min, 6° /min, AH de -4 heure à + 4 heure
  • moteur de déclinaison triphasé, 45 t /min, 6° /min, DEC de -30° à +55°

Angle Horaire :

– Plage angulaire : ± 750 environ (d’une butée à l’autre), soit ± 65°, soit ± 4h.
– Le 0 est positionné au Sud, *mais* les angles positifs sont vers l’Est, et les angles négatifs (modulo 4096) sont à l’Ouest.


Déclinaison


– Plage angulaire : +710 à -246 (modulo 4096), soit -21.6° à 62.4° environ, soit une étendue totale de l’ordre de 84°.
– Le 0 est positionné à 90° de la poutre d’angle horaire, ce qui signifie que lorsque l’on est plein Sud (AH = 0), le 0 correspond à une élévation de 41° environ (90° – notre latitude). Toujours dans cette position d’AH, l’élévation équivalente minima est donc de 20° environ, et la maxima à 100° environ (au delà du zénith). Le signe des angles du codeur suit celui des déclinaisons : positif vers la « verticale » et négatif vers « l’horizontal ».

Codeurs optiques :

Des codeurs optiques sont solidaires de chacun des axes de rotation de l’antenne. Ils transmettent les valeurs absolues des angles d’ascension droite et de déclinaison selon le code Gray sur 12 bits (0 – 4095).

Parabole à la déclinaison de zéro degré, avec boitier du codeur de déclinaison sur l’axe.
Parabole à la déclinaison de zéro degré, avec boitier du codeur de déclinaison sur l’axe.
Lecture du codeur optique d’Ascension Droite pendant un mouvement de poursuite

Schéma de principe du système de réception (non contractuel)

Les possibilités d’observation du radiotélescope :

Ce document de l’OBSPM (Observatoire de Paris Meudon) décrit ce qui peut-être réalisé en radioastronomie à l’aide de cet instrument. Il est déjà ancien mais n’a certainement rien perdu de son actualité !

https://radiotelescopelavillette.files.wordpress.com/2018/05/possibilitesinstrument.pdf

Earth – Moon – Earth (EME)

Another part of Stars Song project will consist in sending and receiving radio signals in telegraphy or telephony (Single Side Band) or digital signals toward the Moon. CAMRAS WebSDR in diffusing such radio signals sent by radioamateurs and reflected by the Moon. La Villette radiotelescope antenna should be equipped with a source cavity adapted to Earth-Moon-Earth (EME) frequency band around 1296 MHz. We are thinking of using digital transceiver (Transmitter – Receiver) Lime SDR, a device that has been selected by European Space Agency.

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All these operations are achieved by capturing radiowaves signals using a Software Defined Radio (SDR) receiver. Receiver is driven by a software driver that is presently under development by INDI developers.  Using INDI API for both sky objects targetting and recording will simplify development of both parts of our project, radioastronomy and hamradio communications.

Present SDR market has a few TRX (transmitter and receiver) offers such as LimeSDR. The choice of TRX model for EME (Earth Moon Earth, EME) is not yet fixed. LimeSDR mini will soon be tested. A driver for LimeSDR is still under beta test in INDI library.

For those who are not afraid by physics and mathematical formulas a thesis about theory and practice of 1296 MHz Earth – Moon – Earth communication system can be downloaded from here.

Here is the thesis abstract :

« The task of designing, building and characterizing an Earth–Moon–Earth(EME) communication system in the 1296 MHz amateur radio band hasbeen successfully accomplished. Using the radar equation and thermal noisetheory, in conjunction with measured and estimated system parameters, thelunar echo signal to noise ratio (SNR) has been estimated 5.4+1.2/−1.6dB (2σ) in a 100 Hz bandwidth. The results of empirical long-term averaged SNRmeasurements are within the boundaries of this estimate, thus adding toits validity. Additionally, measurements of the libration-induced Dopplerspread of the lunar echoes show good agreement with theoretical predictions.Further experiments should be conducted however, in order to asses therepeatability of the results. Improvements to the system and measurementmethods should also be considered. The report focuses on both theory andpractice and apart from the above, additional attention is given to the topicof low noise figure (NF) measurements due to the systemic importance ofthe LNA NF parameter. »

A site dedicated to EME bouncers

Listen to EME signals here

ON0EME moon beacon

 

Liaisons Terre – Lune -Terre

Earth – Moon – Earth ( EME )

Un des objectifs du projet « Le Chant des Etoiles » est d’effectuer des communications par réflexion sur la Lune en télégraphie ou BLU (Bande Latérale Unique). Cette activité consistera à envoyer et recevoir des signaux radio en mode télégraphie ou phonie en BLU par réflexion sur la surface de la Lune, comme par exemple ce message « Allo Moon ! » de la station allemande DF6NA .

Un article de présentation de l’EME sur Wikipedia

Le WebSDR du CAMRAS diffuse de tels signaux en provenance de la Lune.

Nous devrons équiper le radiotélescope de la Villette d’une source adaptée à la fréquence EME 1296 MHz. Nous envisageons d’utiliser un émetteur récepteur Lime SDR qui a été sélectionné par l’Agence Spatiale Européenne. Toutefois, le SDR ne délivre pas une puissance suffisante en émission et il sera nécessaire d’ajouter une chaîne d’amplification pour obtenir environ 250 W.

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La fonction de réception sera assuré par un récepteur radio logiciel (Software Defined Radio, SDR). Nous utiliserons un logiciel d’astronomie compatible INDI (Stellarium, Cartes du Ciel) pour effectuer le pointage vers et assurer la poursuite de la Lune.

Nous mettrons à profit le gain important (~40 dB à 1296 MHz) de l’antenne de 10 m du radiotélescope pour obtenir un bilan de liaison capable d’assurer des communications via la Lune.

Simulation d’observation

Ecran de démarrage de la version 4.2 de Cartes du ciel

Lorsque le radio télescope du Parc de La Villette sera complètement réparé, il sera possible de télécommander le radiotélescope à distance via connexion Internet. Avec un logiciel d’astronomie comme « Stellarium » ou « Cartes du Ciel » on pourra se connecter au télescope et pointer directement sur une « radio source » puis cliquer sur GoTo pour demander au télescope de se diriger vers la cible choisie et de la poursuivre pendant le mouvement de rotation de la Terre. A partir de ce moment on pourra enregistrer le signal radio de la radio source en vue de procéder à des observations à but scientifique.

En attendant, il sera bientôt possible de s’entraîner à piloter le radiotélescope grâce à la mise en place d’un logiciel de simulation des déplacements en réponse à la commande effectuée avec le logiciel d’astronomie. Le serveur et le pilote qui calcule les commandes de déplacement selon les coordonnées des cibles sont les versions réelles définitives. Les moteurs de l’antenne étant en cours de rénovation, celle-ci est boulonnée en position de parking et le simulateur exécute des déplacements fictifs comme si les moteurs étaient activés. Le logiciel d’astronomie reçoit donc l’information de déplacement en retour comme si le radiotélescope bougeait réellement.

Ecran principal de Cartes du Ciel

Voici comment il faud procéder pour simuler le déplacement du radiotélescope. Télécharger et installer le programme Cartes du Ciel (Skycharts Version Windows). La version 4.0 fonctionne très bien pour cette simulation. Sur la barre de menu cliquer sur « Télescope » et « Paramètres du Télescope« . Cliquer sur l’onglet « Télescope« , valider « Pilote INDI » et Utilise le panneau INDI interne. Choisissez une localisation du télescope, par exemple France et Paris. Cliquer sur Appliquer et OK. Cliquer sur le menu Télescope et Connecte le télescope. Ecrire dans la case Serveur INDI l’adresse Internet du télescope radiotelescope-lavillette.fr. Le port serveur est par défaut 7624. Cliquer sur « Obtenir« . Dans la fenêtre sur la ligne « Nom de télescope » vous devez voir apparaître : « Radiotelescope – La Villette ». La case « Charge la configuration INDI » doit être validée. Cliquez sur « Connecter« . Le carré rouge doit passer au vert. Dans la même fenêtre cliquer sur INDI gui. Une nouvelle fenêtre doit s’ouvrir. Arrangez et agrandissez les fenêtres vers le bas. Sur l’image un réticule vous indique vers où pointe le télescope. Cliquez sur une « source » puis cliquer dans le menu « Télescope » sur « Go To« . Le télescope peut refuser de se déplacer si la source est hors de vue. En cliquant à droite de l’image sur les différents nombre il est possible de zoomer. Une fois arrivé en position sur la cible le télescope passe en position poursuite. Une démonstration de toutes les commandes décrites ici peut être visualisée dans la vidéo suivante : http://f6bvp.free.fr/VP/Film1.mp4

Faites-nous part de vos remarques et observations. Bonne simulation !

Projects ongoing at la Villette radiotelescope

Three activities are programmed for radiotelescope project.

The first activity will be in agreement with initial project that had been elaborated at the time the instrument was designed thirty years ago : perform study of Hydrogen-Line of the Galaxy on 1420,4 MHz. By measuring the frequency of spectral line of atomic hydrogen depending on the galactic region will drawing a map of frequency shift proportional to radial velocity of targetted regions. Other more discrete radiosources can be studied. Paris Meudon observatory has studied la Villette radiotelescope observations possibilities of galactic hydrogen and various radio sources.

Primary observations will record galactic hydrogen signals from well known high power radio sources (Cygnus) received using a Software Defined Radio receiver. Received signals will be broadcasted via WebSDR.

One major interest of radioastronomy is the study of radio sources like pulsars. Some pulsars transmit signals with audible frequency due to their rotationnal speed. However, pulsar signals are very weak and it is not sure that these objects signals power are within the telescope capabilities.

The second activity field will consist in sending and receiving radio signals in telegraphy (CW) or telephony (Single Side Band, SSB) or digital signals toward the Moon. CAMRAS WebSDR in diffusing such radio signals sent by radioamateurs and reflected by the Moon. La Villette radiotelescope antenna should be equipped with a source cavity adapted to Earth-Moon-Earth (EME) frequency band around 1296 MHz. We are thinking of using digital transceiver (Transmitter – Receiver) Lime SDR, a device that has been selected by European Space Agency.

Capture d'écran 2018-02-18 02.44.54

All these operations are achieved by capturing radiowaves signals using Software Defined Radio (SDR) receivers. SDR is driven by a software driver that is presently under development by INDI developers and our team members. Using INDI API for both sky objects targetting and recording will simplify development of both parts of our project, radioastronomy and hamradio communications.

Present SDR market has a few TRX (transmitter and receiver) offers such as LimeSDR. The choice of TRX model for EME (Earth Moon Earth, EME) is not yet fixed. LimeSDR mini will soon be tested. A driver for LimeSDR is still under beta test in INDI library.

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The third goal of our project is to use the antenna for transmitting toward radioamateur transponder module P4A abord a geostationary Eshail-2. The satellite is now Qatar-OSCAR 100 and it is positionned at 25.9° East above equator. Transponder is used to retransmit radio signals from hamradio stations from 1/3 of the globe (see footprint on above map).

This publication from german amateur satellite organisation AMSAT-DL gives news about QO-100 hamradio geostationary satellite