Balises SARSAT reçues par le radiotélescope F4KLO

Le radiotélescope reçoit les signaux des balises de détresse 406 MHz destinés aux stations LEOLUT et MEOLUT par les satellites Cospar-Sarsat en bande L. Les satellites sont écoutés sur deux des quatre récepteurs SDR connectés à l’antenne. N5FXH a configuré le premier SDR de la station SatNogs de Dimension Parabole. Le deuxième SDR écoute la bande des satellites COSPAS-SARSAT en bande L. Vous trouverez sur ce site la description du système d’alerte, recherche et sauvetage COSPAS-SARSAT.

Nous avons cherché à recevoir les satellites SARSAT, entre 1,544 et 1545 GHz. Ces satellites retransmettent les signaux des balises 406 MHz sur un transpondeur avec une bande passante de 200 KHz. D’autre part ils émettent une balise permanente à 2400 bauds qui transmet un signal composite. Cette balise retransmet les balises 406 MHz avec des informations sur le décalage de fréquence Doppler qui est utile pour la localisation de l’émetteur du signal de détresse. La balise PDS à 2400 Bauds transmet également des données propres. Sa modulation est Biphase-L (Manchester). Sa bande passante est de +/- 5 KHz centrés sur 2400 Hz comme l’indique la figure suivante extraite de ce document technique.

Description d’une station de réception de satellites SARSAT 1544,5 MHz avec un SDR (Youtube)

Un passage de MEOSAR (Galileo) dure plus longtemps que ceux des satellites à orbite basse LEOSAR.

Le WebSDR F4KLO a été reprogrammé dans la bande des satellites Galileo à orbites moyennes (vers 24 000 km) équipés de transpondeurs. Il est possible de visualiser les passages de ces satellites et d’écouter les transpondeurs dont la bande passante utile est de 100 KHz. Afin de bien visualiser les signaux des satellites le réglage WebSDR « View » dans la boîte « Waterfall views » est réglé sur « strong sigs ».

Trace WebSDR du transpondeur de Galileo 29-03-20 17:40

Les rafales (bursts) des balises 406 MHz à 400 Bauds sont cerclées en rouge sur l’image pour mieux les individualiser.

Transpondeur Galileo montrant sur la gauche la balise 2400 bauds BPSK NRZ

Les canaux des balises 406 MHz sont retransmises sur les fréquences 1544,071-074 MHz +/- Doppler (bande MEOSAR-GALILEO) et 1544,881-884 MHz +/- Doppler (bande MEOSAR-GLONASS). Elles apparaissent sous forme de traces brèves surmontées d’un trait fin (porteuse pure).

Les orbites des satellites GPS (Galileo) étant à ~24 000 Km d’altitude, les vitesses relatives de défilement sont plus réduites et les balises sont donc plus faciles à détecter car affectées d’un effet Doppler réduit par rapport aux satellites à orbites basses bien visible sur l’image ci-dessous.

Réception de transpondeur LEOSAR 30-03-2020 18:27 TUC

Il existe plusieurs types de balises de détresse maritimes (RLS), aéronautiques (ELT) et personnelles (BLP) qui émettent sur 406 MHz. Les balises 121,5 MHz ne sont plus relayées par les satellites depuis plusieurs années.

Les spécifications techniques des balises de détresse 406 MHz sont décrites dans https://tcmayak.ru/images/docs/CS-T001-JUN-27-2018.pdf (deuxième génération de balises).

Une balise de détresse 406 MHz émet des trames de 144 bits à 400 bauds, d’une durée de 440 ms +/- 1% pour les messages courts et 520 ms +/-1 % pour les messages longs. Une porteuse non modulée est transmise pendant 160 ms +/- 1% en début de transmission. Pour un message court, les 280 ms + 1% finales du signal transmis contiennent un message de 112 bits à raison de 400 bits/s +/-1%. Pour un message long, les 360 ms + 1% du signal transmis finales du signal transmis contiennent un message de 144 bits à raison de 400 bits/s +/-1%. Pour les protocoles de localisation des balises ELT(DT) et RLS, les 360 ms +1% du signal transmis contiennent 144 bits à la vitesse de 400 bits/s +0,1%.

Synchronisation : Les 15 premiers bits avec la valeur « 1 » servent pour assurer la synchronisation bit. La synchronisation de trame consiste en 9 bits 000101111 qui occupent les positions 16 à 24. En mode d’auto-test la trame de synchronisation est 01101000 (les derniers 8 bits sont donc complémentés).

Drapeau format : le bit 25 est le drapeau du format pour indiquer la longueur du message qui suit. La valeur « 0 » indique un message court; la valeur « 1 » indique un message long.

Contenue du message : le contenu des 87 bits (message court) ou 119 bits (message long) sont définis dans les tableaux (voir fichier référencé).

Fréquence de transmission

Les canaux de la bande 406,0 à 406,1 MHz sont définis par leur fréquence centrale. Ils sont transposés à partir de la fréquence basse du transpondeur sans inversion.

Codage des données : le codage est biphase NRZ

Modulation

La porteuse est modulée en phase positive et négative 1,1 +/-0,1 radian pic, par rapport à une porteuse non modulée. La phase positive correspond à une avance de phase par rapport à la phase nominale. Le sens de la modulation est indiqué sur la figure. Les temps de montée et descente de la modulation sont de 150 +/- µs. Pour les ELT(DT) les temps sont entre 50 et 150 µs.

Structure du message numérique et code auto-correcteur (se reporter au document des spécification cité plus haut).

Périodicité : envoi de trames à intervalle de 50 s aléatoire entre 47,5 s et 52,5 seconde.

La modulation des balises est du type PSK (Phase Shift Keying). La phase saute de +/- 1,1 radians (+/-63°) en fonction des transitions entre les « 1 » et les « 0 ». La plupart des systèmes PSK utilisent une variation de phase de +/- 90°, c’est-à-dire que la phase subit des sauts de 180°. Pour le signal des balises la variation de phase est réduite avec +/- 63° par rapport à une modulation de phase de 180° ce qui permet d’utiliser un pas de 3 kHz. La durée des bits est de 2,5 ms (1/400 Bauds).

Voici à quoi doit ressembler une rafale de balise 400 Bauds en dehors de tout bruit du canal de transmission.

Enregistrement IQ d’une trame de balise EPIRB typique longue de 520 ms
Spectre de la porteuse non modulée en préambule de 160 ms
Spectre de la partie « data » de la trame longue de 360 ms

Ci-dessous deux trames reçues en bande L avec l’antenne du radiotélescope. « L’écoute » sur le WebSDR était faite en mode FM avec un bande passante de 3,3 KHz. Le bruit de fond est interrompu irrégulièrement par les rafales (« bursts ») des balises.

Retransmission par Galiléo de balises EPIRB 406 MHz 400 Bauds

Dans le cas d’une modulation BPSK il faut cependant que le mode de réception soit en BLU (SSB). Ci-dessous une rafale capturée dans ce mode avec une largeur de bande de 7,69 KHz qui montre le préambule de 160 ms suivi des données. Le spectre de fréquence présente un pic central à 757 Hz qui correspond à la porteuse résiduelle due à l’indice de modulation de 63°. Les deux autres pics mesurés par FFT sont à 359 et 1153 Hz, avec un niveau BF inférieur de 8,4 dB. Le delta de fréquence mesuré entre les deux tons est proche de 800 Hz (794) soit deux fois le débit du signal.

Spectre du signal BPSK NRZ 400 bauds
Les fréquences des deux tons audio sont 359 et 1153 Hz.
Porteuse non modulée suivie des 15 premiers bits à ‘1’ pour la synchronisation de la trame BPSK. Le 9 ème bit est à ‘0’

Les premières 160 ms sont occupées par une porteuse non modulée qui peut servir au calage du récepteur du satellite sur la fréquence de la balise en corrigeant l’effet Doppler.

Article de F6ACU décrivant la réception des satellites LEOSAR et MEOSAR. Il comporte de nombreuses références très utiles sur le système de satellites COSPAR/SARSAT et la façon de décoder les balises de détresse avec le logiciel MULTIPSK qui est utilisable pour décoder les balises EPIRB (balise radiophare maritime de position d’urgence « EPIRB » Emergency Position Indicating Radio Beacon) pendant 5 minutes dans la version d’évaluation.

Patrick F6ACU donne quelques exemples de décodage des balises de détresse et de nombreuses indications techniques et pratiques pour leur réception. Ci-dessous un exemple de message reçu de Galileo 14 (1544,0722 MHz) par F6ACU :

UIN (?): A79EEE26E32E1D0 détecté le 16/01/19 15:23:54 UTC Type de message: détresse / court. Protocole: utilisateur. Enregistré en: Canada (MID=316). Protocole utilisateur de test. Données de test: 2EE26E32E1D0 (1011101110001001101110001100101110000111010000) Balise activée manuellement. Pas de champ de données non-protégé.

Le site COSPAR/SARSAT fourni un programme de décodage en ligne sur son site https://www.cospas-sarsat.int/fr/beacon-decode-program

Vous pouvez vérifier les données en entrant les valeurs hexa 2EE26E32E1D0.

Voir ici une illustration video du système MEOSAR.

Quelques documents utiles :

https://www.cospas-sarsat.int/images/content/articles/Cospas-Sarsat-Report_FR_reduced_size_Jan_2019.pdf

https://eduscol.education.fr/localisation/phys/systemes_loc_recepteurs/cospas_sarsat.htm

https://ww.cospas-sarsat.int/images/stories/SystemDocs/Current/SD42-DEC16-Rev.1%20(FR).pdf

https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Meteorological_missions/MetOp/SARP-3

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/cospas-sarsat

https://radiotelescopelavillette.wordpress.com/