Satellites COSPAR/SARSAT : LEOSAR, MEOSAR & GEOSAR

COSPAS-SARSAT est composé de trois systèmes complémentaires : LEOSAR (Low-Earth Orbiting Search and Rescue) consiste en six satellites météorologiques à orbite basse traversant les pôles, GEOSAR (Geostationary Search and Rescue) avec cinq satellites en orbite géostationnaire et MEOSAR (Medium-Earth Orbit SAR), consistant en l’ensemble des satellites des systèmes GPS, Galileo et Glonass.

Principe de fonctionnement : Tous ces satellites permettent de recevoir un signal sur la bande de détresse internationale de 406,0 MHz à 406,1 MHz. Dès que possible, le signal est retransmis en bande L à une station de réception au sol (Local User Terminal, LUT). Les signaux de 406 MHz sont mémorisés jusqu’à ce qu’une station de réception sol soit visible.

À partir de la LUT, les informations de détresse sont envoyées par le Centre de Contrôle de Mission (MCC) responsable du satellite qui a reçu les signaux, au MRCC responsable de la zone dans laquelle se trouve la balise ainsi qu’au MRCC référent du pays d’origine de la balise.

MEOSAR Galileo GSAT0211 30-03-2020 09:51 UTC Elévation 87,8° (1,544050-1,544150 GHz)

D’après l’article de Rémi N5CNB et Francois-Xavier N5FXH (Radio-REF décembre 2019).

Le radiotélescope reçoit le signal destiné aux stations LEOLUT et MEOLUT. Vous trouverez-sur ce site la description du système d’alerte, recherche et sauvetage COSPAS-SARSAT.

Cospas-Sarsat : des satellites pour sauver des vies

Peut-on faire de la réception satellite utilement sur une parabole de 10 m bloquée au zénith ? La question n’est pas triviale au premier abord. Petit rappel pour les lecteurs, F4KLO est une parabole de 10m sur monture équatoriale située à la Villette en cours de réhabilitation par l’association Dimension Parabole. Suite à quelques soucis lors de sa remise en fonction, le moteur en déclinaison s’est cassé et la parabole est donc maintenue en position verticale le temps des réparations.

Début octobre, nous avons installé un Raspberry SatNOGS sur le récepteur SDR d’une des sorties du répartiteur quatre voies dans le but d’en tirer des données satellites.

SatNOGS est un réseau global de stations sols de réception satellite radio-amateurs libre et ouvert (faisant partie de la Libre Space Foundation). Il permet d’utiliser des stations sols de bénévoles allant de la station amateur de fabrication OM devant un Raspberry Pi jusqu’à d’autres stations plus impressionnantes comme F4KLO ou OZ7SAT (station https://network.satnogs.org/stations/484 ou station 49).

La spécialité de SatNOGS est les satellites orbites basses (LEO) avec charges radioamateurs, les satellites météo ou la Station Spatiale Internationale (ISS). Ces satellites mettent un peu plus d’une dizaine de minutes pour faire un transit d’horizon à horizon. Le temps pour passer dans le lobe principal de la parabole de 1 à 2 degrés est au plus de 3 minutes. Il faut en outre sélectionner les satellites qui vont passer à plus de 85 degrés d’élévation ce qui réduit les opportunités. Enfin la source est optimisée pour des fréquences autour de la raie H I de l’hydrogène (environ 1.4 GHz). L’IHM (Interface Graphique) Web de SatNOGS permet une utilisation facile de matériel radio à distance, en différé et dans le monde entier.

On peut sélectionner un satellite, une fréquence, un type de modulation/codage, une plage horaire dans le futur et sélectionner parmi toutes les stations pertinentes dans le monde laquelle va recevoir cette communication. Dans notre cas, on ne souhaite que F4KLO. La plage horaire est bornée à 48h en raison de la validité des éléments orbitaux (communément appelés TLE pour Two Line Elements faisant référence au nombre de lignes utilisées pour présenter les éléments orbitaux). En effet, le résidu d’atmosphère présent pour les satellites à cette altitude (LEO), cause une traînée significative au moins pour les plus gros satellites. En outre, il est possible à tout moment d’avoir un changement des paramètres orbitaux du satellite suite à un allumage de ses moteurs [https://www.heavens-above.com/IssHeight.aspx]. Afin de compléter le tableau, la non sphéricité de la Terre ou l’attraction de la lune peut modifier les paramètres orbitaux. La mise à jour des paramètres orbitaux pour tenir compte de la partie naturelle de ces phénomènes s’appelle la propagation.

Enfin, l’utilisation de l’IHM Web pour la vérification systématique de tous les satellites permettant une passe culminant suffisamment haut peut s’avérer fastidieuse (15 minutes/jour). Le projet SatNOGS de la Libre Space Foundation met à disposition l’outil en ligne de commande satnogs-auto-scheduler [https://gitlab.com/librespacefoundation/satnogs/satnogs-auto-scheduler] permettant, sur la base d’une liste pondérée de satellites et d’émissions radios, de proposer et programmer jusqu’aux prochaines 48h d’une station particulière. L’outil peut se paramétrer afin de ne conserver que les passages culminant à plus d’une élévation choisie (85 degrés pour F4KLO) et il réalise si nécessaire le téléchargement des TLE à jours sur les sites de CALPOLY, de l’AMSAT et de CELESTRAK. Les satellites Cospas-Sarsat disponibles sont : Sarsat-7 (NOAA-15), Sarsat-11 (Metop-A), Sarsat-12 (NOAA-19), Sarsat-13 (Metop-B). Cospas-14 (Meteor-M 2-2) est en cours de test en avril 2020. Sarsat-10 (NOAA-18) est arrêté. Ce site donne la liste des satellites MEOSAR actifs. Celui-ci est complémentaire pour le status des satellites Galiléo.

L’utilisation du “scheduleur” a permis d’obtenir une moisson d’observations de qualité optimale de signaux SARSAT afin de tenter l’utilisation ou le développement d’un décodeur. Le projet ne fournit en effet pas de décodeur pour ce type de données. Les différents formats disponibles pour les signaux sont, dans ce cas une démodulation FM au format wav, et dans tous les cas une démodulation IQ au format entier low-endian 16 bits.

33591 – NOAA 19
Station 484 – DParabole
Observer n5fxh
Transmitter SARSAT L-Band
Frequency 1544.500 MHz
Encoding FM
Timeframe 2019-10-06 05:39:12
2019-10-06 05:42:12
Max 82.0°
29499 – METOP-A
Station 484 – DParabole
Observer E. Martin Pizzi
Transmitter SARSAT L-Band
Frequency 1544.500 MHz
Encoding FM
Timeframe 2020-01-21 19:52:51
2020-01-21 19:56:15
Rise 151.0°
Max 79.0°

En suivant les liens des satellites pour aller sur le site des observations il est possible de télécharger les fichiers sonores au format .ogg lisible avec le logiciel libre Audacity.

Pour écouter les enregistrements il faut cliquer sur la boîte Audio

Il est également possible de visualiser et écouter l’enregistrement du passage en cliquant sur Audio dans la partie de l’image au-dessus de la « chute d’eau » (Waterfall). Attention le téléchargement est très long.

Signal audio de la balise du satellite

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

Les satellites météo défilants NOAA arrivent en fin d’exploitation. La liste des satellites en activité peut être consulté sur cette page. Les satellites SARSAT sont en cours de remplacement par une seconde génération de détecteurs à bord des satellites GPS à plus haute altitude, GLONASS et GALILEO et certains satellites géostationnaires (GEOSAR).

Le WebSDR F4KLO a été reprogrammé dans la bande des satellites Galiléo à orbites moyennes (vers 24 000 Km), METOP et NOAA, satellites à orbites basses, équipés de transpondeurs LEOSAR en bande L. Résultat il est possible de visualiser les passages de ces satellites et d’écouter les transpondeurs. Les MEOSAR émettent également en bande L. Les satellites GPS et Glonass émettent dans une bande de +/- 100 KHz autour de 1544,9 MHz de fréquence centrale et les Galileo se sont vus réservés +/- 100 KHz autour de 1544,100 MHz. en pratique seule la portion de 1544,050 à 1544,150 est utilisée. Les GPS émettent en polarisation circulaire droite RHCP, Galileo et Glonass émettent en polarisation circulaire gauche LHCP. Afin de bien visualiser les signaux des satellites avec le navigateur sur le WebSDR il faut régler « View » dans la boîte « Waterfall views » sur « strong sigs ».

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

Les orbites des satellites GPS (Galiléo) étant à 23 238 Km d’altitude, les vitesses relatives de défilement sont plus réduites et les balises sont donc affectées d’un effet Doppler moindre. Le glissement en fréquence par effet Doppler des Ces satellites étant à 800-1000 Km d’altitude ont des vitesses radiales beaucoup plus rapides. En effet, selon la formule reliant l’altitude d’un satellite et sa vitesse, dans le cas d’une orbite circulaire, plus l’altitude est haute plus la vitesse est faible. La vitesse sur une orbite circulaire à 800-1000 km est de 7,46-7,35 km/s alors qu’à 28 000 km la vitesse orbitale est de « seulement » 3,41 km/s !

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

Réception des satellites GPS et Galiléo

N5FXH utilise le SDR de la station SatNOGS de Dimension Parabole pour procéder à des mesures quantitatives sur la réception des transpondeurs des satellites MEOSAR. Le but recherché est d’estimer le diagramme de gain de l’antenne du radiotélescope et également l’orientation précise de l’antenne.

Niveaux de réception du transpondeur MEOSAR (bande passante 100 KHz en vert)
Lissage de l’amplitude RMS du signal du transpondeur au cour du passage
L’analyse fine du signal traduit une périodicité de 0,4 secondes

La puissance RMS du signal du satellite varie lentement lors du passage du satellite à proximité du zénith (élévation supérieure à 85 degrés) en raison du diagramme de rayonnement de l’antenne du radiotélescope (angle d’ouverture de ~1 degré à 3dB sur 1,5 GHz). La périodicité rapide du niveau de signal analysé montre un pic tous les 100 000 échantillons. La fréquence d’échantillonnage étant 250 K/s, la périodicité est donc de 0,4 secondes. Ceci correspond à une fréquence de (1/0,4) * 60 = 150 par minute. Nous pensons que cela pourrait traduire la rotation du satellite sur son axe. La dépolarisation du signal reçu par le dipôle source de l’antenne expliquerait les variations rapides de niveau du signal.

diagramme de réception bimodal de deux satellites LEOSAR et MEOSAR
Toulouse 1 9C6000000000001FranceA Orbitography beacon (LEOSAR)
Toulouse 2 9C634E2AB509240FranceA Orbitography beacon (LEOSAR)
Les balises orbitographiques en France à Toulouse.

Les satellites géostationnaires GEOSAR couvrent la plus grande étendue de surveillance des balises de détresse. La réception nécessite des antennes paraboliques correctement orientées qui ont le gain nécessaire pour recevoir ces satellites à 36 000 Km. Avantage, pas de glissement de fréquence par effet Doppler et visibilité permanente. Malheureusement le radiotélescope ne peut pas être utilisé pour les recevoir tant que l’antenne est verrouillée au zénith.

La constellation GEOSAR : A partir de 1994, des satellites géostationnaires complètent la constellation COSPAS-SARSAT. L’Océan Indien est actuellement couvert par le satellite indien de télécommunications INSAT-2A, l’Océan Atlantique par le satellite américain GOES-8, l’Océan Pacifique par le satellite GOES-9, l’Europe et l’Afrique par Météosat 8 (le satellite MSG lancé en 2002 par l’ESA et devenu opérationnel depuis 2004).

La configuration système GEOSAR comprend 4 géostationnaire des satellites situés à environ 36 000 km au-dessus de l’équateur à différentes lignes de longitude, donne une empreinte instantanée de l’ensemble des terres surface nominalement entre 700 Nord et 700 Sud.

A la différence des LEOSAR les satellites GEOSAR assurent une couverture continue d’une grande partie de la Terre entre 700 Nord et 700 Sud avec une capacité d’alerte à proximité immédiate, mais ils ne peuvent pas déterminer l’emplacement de l’événement de détresse, parce qu’ils sont fixes par rapport à la terre de sorte qu’ils ne peuvent pas utiliser des techniques de traitement Doppler. L’emplacement de l’événement de détresse doit être :

  • acquis par la balise à travers un GPS interne ou un système de position externe, par exemple un satellite GPS ou GLONASS, et codé dans le message de balise, ou
  • dérivé, avec des retards possibles, du système LEOSAR.

Ci-dessous les zones de visibilité des satellites de la constellation GEOSAR.

Couverture des satellites GEOSAR et GEOLUT (décembre 2016)

Les satellites GEOSAR sont gérés par les stations GEOLUT. Tant que l’antenne du radiotélescope est immobilisée au Zenith il n’est pas possible de la diriger vers un des satellites géostationnaires qui sont visibles selon des angles proches de 29° au-dessus de l’horizon.

Les GEOSAR recoivent, comme ceux des deux autres familles, les balises de détresse en 406 MHz. Ils émettent en bande L sur 1544,5 MHz avec une polarisation circulaire droite RHCP afin de ne pas interférer avec les signaux des LEOSAR. Les stations GEOLUT vérifient la validité des messages des balises 406 MHz retransmises par les GEOSAR au moyen du code auto correcteur BCH de 21 bits (bits 86 à 106) qui protègent les bits 25 à 85 du premier champ de données protégés PDF1. Les messages longs comportent des éléments supplémentaires. Se référer aux documents C/S T.001 et C/S T.009.

L’émission des satellites centrée sur 1544,5 MHz est modulée linéairement en phase. La balise Processed Data Stream (PDS), est codée en Biphase NRZ-L à 2400 bauds avec un index de modulation 0,39 (SARR-1) et 0,35 (SARR-2). (cf. figure 2.3 et 2.4 dans document C/S T.003).

Ce site comporte toute la documentation (en anglais) sur le système COSPAS-SARSAT. Cliquer sur la flèche de l’onglet « Please select a Document Type » et sélectionner C/S T.000 Series Technical pour ensuite obtenir le document de votre choix.

Le site de F1AFZ liste une série de logiciels de poursuite de satellites.

Orbitron est très utilisé sous Windows. Il faut mettre à jour la liste des satellites SARSAT en sélectionnant les sources des éléments képleriens (TLE) en tapant sur la touche <échap>. Fichier sarsat.txt.

Il existe également le logiciel Gpredict de Alex OZ9AEC. Pour Linux, Windows. Sur GitHub 121 ou SourceForge 46. Le binaire exécutable pour les systèmes Debian sont disponibles sur PPA 18 ou Debian Unstable 9. Pour Mac OS X essayer MacPorts 10.

Voici une illustration video du système MEOSAR.

Une évolution réellement motivante de SatNOGS qui pourrait permettre de tirer le meilleur de la parabole F4KLO serait de pouvoir recevoir des transmissions de sondes ayant quitté le voisinage immédiat de la Terre (MMS2-3, Chandrayan-2, SOHO, cf https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html).