Aproximace Dopplerova posunu kmitočtu
 

Aproximace Dopplera

Dopplerův posun kmitočtu je způsoben vzájemným pohybem satelitu vůči pozorovateli. Rychlost satelitu je vysoká a Dopplerův posun kmitočtu není zanedbatelný. Metodám s exaktním výpočtem Dopplera se věnuji na konci článku. Zde pouze zmíním, že i když provedeme exaktní výpočet Dopplerova posunu, vždy jde o aproximaci. Kmitočet TX se řídí v intervalu pollingu, který může mít hodnoty od stovek ms do několika sekund. Výpočet okamžitého Dopplerova posunu se provádí v intervalu stovek ms až několika sekund. A Dopplerův posun se může měnit o desítky Hz/s.

Po dosažení AOS (Acquisition of Signal, získání signálu) se k nám satelit přibližuje a přijímaný kmitočet je nejvyšší. Doppler, tj. maximální posuv kmitočtu od dosažení AOS pomalu klesá.

Doppler klesá nejrychleji kolem bodu, kdy se k nám satelit maximálně přiblížil (Minimum Distance). V tomto bodě je posun kmitočtu nulový. Při dalším přibližování k bodu LOS (Loss of Signal, ztráta signálu) se satelit vzdaluje, Doppler stále klesá, je záporný, tedy přijímaný kmitočet je nižžší.

Většina programů pro predikci drah nám nějakou formou poskytuje informaci o Doppleru.
Například program TLEscope zobrazuje pro uvažovaný satelit a daný oblet v okně Doppler Shift Analysis průběh Dopplerova posunutí v závislosti na čase - viz ilustrační obrázek vpravo s typickou klesající křivkou (zrcadlové S) Dopplerova posunu.

Jedna z prvních myšlenek spočívala v tom, že jsem se pokusil tvar křivky aproximovat lomenou čarou.

 

A opět máme více možností, jak se k aproximaci postavit. Já jsem vycházel z principu použití maximálně dvou nastavovacích prvků:

1. Jedním nastavuji inkrement, o který se při každé akci pollingu, tedy například každou sekundu sníží Dopplerův posun o několik Hz. V příkladu vpravo o 7 Hz (viz NumericUpDown komponenta s červeným číslem).

2. Druhým (tlačítkem) lze spustit aproximaci lomené čáry před bodem Minimum Distance nebo po dosažení bodu AOS (podle verze).

   

Lze použít jen jeden ovládací prvek, pouze nastavování inkrementu v Hz. Inkrement představuje sklon čáry, podle které klesá Dopplerův posun lineárně s časem. Při použití této metody slyšíme, když je korekce posunu pomalejší nebo rychlejší, než je třeba. Na ovládací prvek ukážeme kolečkem myši a inkrement upravíme.

 


Z pohledu uživatele by se zdálo, že aproximace podle první metody dává vyšší komfort obsluhy. Uvědomme si, že zásah do sklonu čáry (do hodnoty inkrementu) dělá program přibližně po jedné minutě. V druhém případě si sklon čáry měníme snadno, a to v případě, kdy je to třeba. Já jsem vyzkoušel obě metody aproximace a musí říct, že druhá, na obsluhu zdánlivě složitější metoda vyhovuje mé mentalitě a mým dovednostem víc.

K aproximaci Dopplera lomenou čarou

Zde uvádím data z konkrétního obletu satelitu RS-44 v době trvání 20 minut. Z vypočtené křivky vidíme, že ke stavu, kdy budeme slyšet svůj hlas na stále stejné frekvenci, musíme během přeletu satelitu snižovat kmitočet podle křivky "Vypočtený Doppler" asi o 23 kHz. To bychom se naklikali, pokud bychom frekvenci snižovali s krokem 100 Hz, že? Resp. takovou změnu bychom nenaklikali s tak malým krokem. Občas bychom se ve spektru RX hledali s krokem 500 Hz. Tedy žádný komfort a bez ladicího kolečka spíš utrpení.

Pokud si prohlédneme křivku "Inkrement v Hz/s", pak zjistíme, že ve 3 minutě přeletu nastavíme 3 Hz/s, ale v 7 minutě už 15 Hz/s, v 9 minutě 35 Hz/s, v 10 už 55 Hz/s, v 11 minutě (kolem bodu Minimum Distance) bude dokonce téměř 70 Hz/s a potom už budeme inkrement snižovat, ve 14 minutě už bude menší, než 30 Hz/min, v 17 bude menší, než 10 Hz/minutu. Nastavování inkrementu tedy nevyžaduje, abychom dělali změny v rychlém sledu. Ale automatické řízení to není. Přesto je toto jednoduché řízení použitelné. Na panoramatickém přijímači máme přehled, TX je laděn v souběhu a Dopplerův posun dokážeme s přiměřeně častými zásahy kompenzovat. Kontrolér za mě vykoná "rychlou" práci, tedy bude každou sekundu snižovat kmitočet vysílače, ale na mě nechá poměrně pomalou, tedy občasnou volbu inkrementu (jak rychle se bude kmitočet snižovat). A výhodou pro mě je, že v kontroléru je o jeden ovládací prvek méně.

   

Exaktní výpočet posunu kmitočtů podle Dopplera

Bohužel, nenašel jsem žádný dostupný program, který by dovedl Dopplera rozumně řídit. Nejvíc se mé představě přiblížil program SatTrack. Program má hezké rozhraní - viz obrázek dole, základní nastavení se provádí jednoduše a přehledně. Program se nemusí nikam instalovat. Program si však psal autor OZ9AAR pro vlastní potřebu.
Z tohoto důvodu je program navržen tak, že umí spolupracovat pouze přes CI-V rozhraní s transceiverem Icom IC-9700 a pravděpodobně také s IC-910.

Co mě na programu zaujalo? Autor navrhl algoritmus tak, že Dopplerův posun vysílače TX je přesně, tj. z TLE dat, lokátoru a času počítán tak, aby náš vysílač vysílal tak, že přijímač transpondéru satelitu přijímá přesně na námi nastavenom kmitočtu. Vysílač transpondéru rovněž vysílá na stále stejném kmitočtu. Kdy to považuji za výhodné? Pokud pracuji na FM satelitu. Vysílám přesně a poslouchám také na správném kmitočtu. To, že ten kmitočet nám na vstupu RX jede nám nevadí. FM satelit vysílá na jediném kmitočtu a signál nám vždy na vstupu RX jede. Naštěstí je právě tohle na panoramatickém RX snadno a jednoduše zvládnutelné. U synchronizovaného IC-9700 je VFO v RX rovněž podle přesného výpočtu laděné a RX poslouchá tam, kde má. Pro FM ideální.

Bohužel, na lineárním transpondéru se mi tohle nehodí. Jsem prostě zvyklý ladit na vysílači TX celý Doppler (pro uplink i downlink) tak, abych poslouchal na kmitočtu, který po pásmu downlinku nejede.

Podobně, jako autor hezkého a přehledného SatTrack jsem na internetu vhodný software nenašel, proto jsem se rozhodl, že se pustím do vlastní procedury s exaktním výpočtem Dopplerova posunu pro použití na lineárních převaděčích a vybavím si touto funkcionalitou svůj kontrolér.

Exaktní výpočet posunu kmitočtu podle Dopplera s využitím programu Gpredict

Program Gpredict se pro mě stal programem první volby při práci s LEO satelity. Stručný popis programu jsem popsal v tomto článečku, na konci je odstavec o používání Radio Control a pár informací o tom, jak si komunikaci s Gpredict prvotně vyzkoušet například z terminálu Herkules. Proto jsem do Kontroléru doplnil objekty a algoritmy pro připojení ke Gpredict. Jedná se o funkcionalitu s využitím Hamlib daemona, o algoritmus komunikace s daemonem a o algoritmy na přepočítání Dopplerova posunu podle "nejlepší možné praxe" pro práci na lineárních převaděčích a o některé objekty pro monitorování a sledování kompenzace Dopplerova posunu TX při příjmu na stále stejném kmitočtu RX. Zatím si s tím hraju, zkouším, vysílám.

Vzhled kontroléru - viz obrázek vpravo

V menu jsou dvě položky, Dopp Start a Dopp Stop. Tím lze zapnout a vypnout automatické řízení posunu kmitočtu podle Dopplera.

Po zapnutí řízení začne algoritmus počítat aktuálně potřebnou hodnotu inkrementu. Tuto hodnotu můžeme sledovat v okně ovládacího prvku vedle nápisu Doppler.

 

   

Ergonomii při provozu na LEO satech považuji za důležitou. Proto jsem zkoušel více metod, abych se dopracoval k obsluze stanice podle metod nejlepší možné praxe. A nevyhnulo se to ani ovládacím prvkům, symbolům na nich. Co se mi osvědčilo:
- exaktně podle modelů SGP4/SDP4 počítám každou sekundu Dopplerův posun;
- každou sekundu počítám inkrement Dopplera proti předchozímu stavu;
- korekci TX provádím každou sekundu přes CI-V rozhraní;
- volím si druh korekce, například jen pro uplink, úplnou, pro uplink i downlink na straně TX;
- pro lineární transpondery preferuji úplnou korekci na straně TX;
- pro FM transpondéry volím korekci pro TX (uplink) a RX (downlink) tak, aby na vstupu satelitu byl
  kmitočet přesně v kanálu a na RX byl dolaďován automticky.

Když se mi zdálo, že už vím, které ovládací prvky potřebuji a které ne, udělal jsem okno kontroléru menší. Jako kontrolér pro LEO sat mi vyhovuje. Lze na něm nastavit: komunikační port pro rádio, přepínat všechny módy, vypnout/zapnout kompresor, vypnout/zapnout poll, zobrazit okno pro volbu satelitu, zapnout/vypnout automatický tracking podle Dopplera, přepínat rychle mezi módy RTTY a LSB. Ve spodní řádce lze volit mezi různými způsoby korekce podle Dopplera (prvek s fialovou číslicí 5), sledovat inkrement (nebo ručně nastavovat při Doppler_Stop). Vpravo jsou 4 tlačítka pro okamžité skokové změny kmitočtu TX. Tato ergonomie se vyvíjela spolu se setupem a čas ukázal, že vyhovuje mé mentalitě i zručnosti nejvíc.

   

 

Můj kontrolér využívá hamlib knihovny rigctld.exe

Proceduru SendHamLib vidíte vpravo. Vytvoří se TCP klient, vytvoří se stream a následují procedury pro odesílání zpráv s povelem do Gpredict a na příjem zpráv z Gpredict, které se ukládají do proměnné OdpovedGpr.

Kontrolér periodicky, s intervalem 1 sekundy, posílá dotaz na aktuální referenční hodnotu frekvence do Gpredict.

Jde o referenční hodnotu, protože se ptám na hodnotu frekvence přepočtené vzhledem k referenčnímu 100 MHz oscilátoru. Přesně to dělám ke kmitočtu 99.990 000 MHz.

Algoritmus si pamatuje referenční hodnotu a zeptá se na aktuální. Rozdíl je Dopplerův posun referenčního kmitočtu 100 MHz.

Pro pochopení souvislostí doporučuji přečíst můj článek o Gpredict, ve kterém jsou podrobnosti o komunikaci s Hamlib a podrobnosti, jak Gpredict nastavit, spustit a testovat.

Závěr

Vyzkoušel jsem kontroléry s různým vzhledem (více provedení), s různými algoritmy pro řízení Dopplera, od přímého řízení z Gpredict, s uplatněním více různých metod aproximací, až k poloautomatickému řízení s možností ručních zásahů. Vypustil jsem snad jen manuální řízení, to s kontrolérem "bez kolečka" jednoduše nejde. Vybral jsem si takové provedení, které pro SSB lineární transpondéry na LEO satech vyhovuje mé mentalitě i ostatním vlastnostem setupu (výborný duplexní provoz). To považuji za výhodu, když si program tvořím sám.


 

TU 73 Míra, ok1ufc

2026