Samstag, 18. Oktober 2014

Graves - Französisches Radar für LEO Satelliten

Das GRAVES Radar ist eine Einrichtung des frz. Militärs und dient der Identifikation und Beobachtung niedrig umlaufender Satelliten.

Der Sender des GRAVES-Radars befindet sich in der Nähe von Dijon (JN27SI), etwa 280km Luftlinie von hier (Herxheim, JN49CD) entfernt. Das Radar sendet ein CW Signal auf 143.050 kHz aus, dabei wird ungefähr im Sekundenrhytmus zwischen 4 Antennen umgeschaltet. Die Strahlrichtungen der vier großen Antennenarrays sind ostwärts, süd-östlich, süd-westlich und in westlicher Richtung. Wahrscheinlich wird recht hohe Sendeleistung verwendet, das direkte Signal ist hier meistens leise zu zu hören.





Das Radar dient dazu, die Bahnen niedrig fliegender Satelliten zu vermessen. Die erfassten Höhen liegen laut Wikipedia zwischen 400 und 1000km. Das Besondere dieses Radarsystemes ist, das es mit nur einem Sende- und einem Empfangsstandort auskommt und trotzdem die Satellitenbahnen recht genau vermessen kann. Das geht vermutlich dadurch, das am Empfangsstandort die Phasenlage und Verzögerungen der empfangenen Signale zwischen verschiedenen Antennen erfasst wird, und dann mit viel Rechenleistung daraus eine Höhe, Richtung und Geschwindigkeit berechnet wird. Details dazu sind nicht bekannt.

Die Reflektionen der Satelliten sind in Nord-West-Europa wohl in weiten Bereichen gut aufzunehmen. Wenn man mal ein paar Minuten aufzeichnet und sich das dann mit einem Spektrogramm anguckt, dann sieht das so aus:


Der dargestellte Zeitraum im Bild oben beträgt ca. 15 Minuten, die Breite des Spektrums ca. 1 kHz. Man sieht bei 1407 Hz eine einzige gerade, senkrechte Linie, das ist das Troposignal des Radars, das direkt empfangen wird. Der Empfänger steht dabei auf 143.049 MHz CW, mit einem recht breiten 3.6kHz Filter.

Die reflektierten Signale sind natürlich Doppler-verschoben. Wenn ich das richtig interpretiere sind Signale rechts des Original-Signales in der Frequenz höher, d.h. das reflektierende Objekt bewegt sich auf den Empfänger zu. Dabei wird von der Gesamtbewegung natürlich nur die Radialgeschwindigkeit wahrgenommen. Signale links der (zugegebenermaßen hier kaum sichtbaren) senkrechten Linie des Tropo-Signales sind Reflektionen von sich entfernenden Objekten. Bei allen Dopplerverschiebungen müsste man bei Berechnungen bedenken, dass das Signal zweimal verschoben wird - zum Ersten die hinlaufende Welle vom Sender zum Satelliten, zum Zweiten die reflektierte Welle vom Satelliten zum Empfänger. Dabei können die beiden Komponenten der Verschiebung unterschiedlich sein, da sich die Radialgeschwindigkeiten umlaufender Objekte je nach Standort erheblich unterscheiden können.


Ausschnittsvergrößerung aus dem ersten Bild. Die rote Linie im Bild oben ist das direkt empfangene Troposignal. Alles rechts der roten Linie sind Satelliten deren Radialgeschwindigkeit in Bezug auf den Empfängerstandort positiv ist, sie bewegen sich auf den Empfänger zu. Links der roten Linie sind die Signal von sich entfernenden Satelliten zu sehen. Je weiter das Signal von der Originalfrequenz entfernt ist, desto größer ist die Geschwindigkeit. Je weiter rechts das Signal erscheint, desto schneller nähert sich das Objekt an, je weiter links es erscheint desto schneller entfernt sich die Signalquelle.
Die Neigung der Spur ist die Veränderung der Geschwindigkeit. Eine senkrecht verlaufende Linie bedeutet gleichbleibende Geschwindigkeit, eine Neigung von oben rechts nach unten links (und rechts der Originalfrequenz) bedeutet eine langsam werdendere Annährungsgeschwindigkeit, links der Originalfrequenz eine Zunahme der Geschwindigkeit bei zunehmender Distanz.

Sofern die Spur die Original-Frequenz kreuzt, ist die größte Annäherung erreicht, danach entfernt sich das Objekt meistens wieder. Allerdings gibt es auch Ausnahmen, rechts sind zwei Spuren zu sehen die zunächst nur leicht geneigt sind, d.h. die Annäherungsgeschwindigkeit  ist nahezu konstant. Dann spingt die Richtung der Spur um, das Signal steigt in der Frequenz wieder an. Dabei bleibt das Signal rechts der roten Linie, d.h. die Signalquelle bewegt sich weiterhin auf den Empfänger zu, allerdings mit zunehmender Beschleunigung. Etwas später dann endet die Beschleunigung und die Annäherung verlangsamt sich wieder.
Diese Spurverläufe sind so oft zu beobachten, das es sich dabei um ein natürlich vorkommendes Phänomen bestimmter Bahnen handeln muss, und nicht um eine aktive Bahnveränderung der Satelliten. Dazu haben die Dinger doch viel zu wenig Treibstoff an Bord. Ich vermute das diese Spuren durch Reflektionen stark geneigter Bahnverläufe entstehen.


Alle paar Sekunden hört man deutlich schnell veränderliche Signale, in der Frequenz abfallend. Das sind Reflektionen von Meteoriten, die in die Erdatmosphäre eintreten und beim Abbremsen verglühen. Dadurch ensteht ein Kanal an ionisiertem Gas, das für einige Sekunden sehr gut die Funkwellen reflektiert. Also das, was wir Funkamateure bei "Meteorscatter" ausnutzen... So werden die Signale nun sichtbar.



Rechts wieder die zeitlich (vertikal) stark gespreizten Spuren der umlaufenden Satelliten, links der Bildmitte eine breitere horizontale Spur. Dies ist die Reflektion eines Meteoriten, der in die Erdatmosphäre eingetreten ist. Diese Signale dauern nur ein bis zwei Sekunden, selten mehr.

Weitere geplante Versuche sind mit einem SDR mit einem sehr breiten ZF-Filter geplant. In einem Text zum GRAVES Radar heisst es das Signale in bis zu 10kHz Abstand von der Originalfrequenz aufzunehmen seien. Das geht mit einem herkömmlichen Empfänger mit schmalem ZF-Filter natürlich nicht, daher ein SDR mit breiterem Filter.

Die Aufnahmen wurden mit einem Icom IC-7400 gemacht (Pre-Amp an, NR aus, CW (USB)), als Antenne wurde eine 7-elem Yagi mit ca. 10dBD Gewinn verwendet. Dazu ein Soundkarteninterface um die NF aufzuzeichen (mit parecord bei 44.1kHz Samplerate), das Programm zur Darstellung der Aufzeichnung ist Baudline, ein hervorragendes Programm zur Auswertung von Sonagrammen (freeware, closed source).

Hier noch ein paar Bilder:


Oben ein sehr schnell verlaufendes Signal, die Änderung beträgt ca. 2775 Hz in 55.2 Sekunden. Ich nehme an das es sich hier um einen ziemlich niedrig fliegenden Satelliten handelt, oder vielleicht war es auch die ISS. Das muss ich mal mit einer Bahnvorhersage der ISS vergleichen. Den Mond soll man übrigens auch sehr schön sehen können...

Die Strichelung der Signale ergibt sich übrigens aus dem Umschalten des Sendesignales zwischen den 4 Antennen. So werden Satelliten nur alle paar Sekunden 'beleuchtet'.


Hier ein Meteorit rechts der Originalfrequenz und ziemlich lange zu hören. Rechts der Originalfrequenz heisst: das Objekt sich auf den Empfängerstandort zubewegt und wurde stark abgebremst.



Hier nochmal eine längere Aufzeichnung über fast 2 Stunden. Es ist doch jede Menge los da oben am Satellitenhimmel...

1 Kommentar:

  1. Herzlichen Glückwunsch Uber, übersetzte ich einige seiner Arbeit über Graves, interessant.
    Ich mache auch vor ein paar Tagen habe ich mich auf die Reflexionen der Meteore auf Graves ziemlich weit von mir gewidmet.
    Gruß und ich verlängern Grüße cordilai
    hier ist der Link zu meinem Blog!

    http://valdicorniameteo.blogspot.it/2015/03/conteggio-e-analisi-ricezione.html

    Es tut mir leid für die Sprache, nicht die Deutschen wissen, und ich völlig benutzt Google Translator!
    73 de Daniele
    I5-5387FI

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