Eigentlich ist mit folgendem Video schon (fast) alles auf witzige Weise gesagt...
Los geht's mit dem Reigen von Themen, die ich in den kommenden Monaten zum Thema Amateurfunk, im Speziellen Amateurfunk über Satellit, zum Besten geben möchte. Etwa 20 Themen habe ich in Vorbereitung. Und hie und da habe ich ein Geistesblitz, der den Weg in mein Backlog findet. Wenn Euch das Thema gefällt, weitere Fragen dazu habt oder ein Feedback geben möchtet - schreibt es mir bitte in den Kommentar. Ich bin gespannt. Aber kommen wir zum Thema. Wohl jenes, zu welchem mich die meisten Fragen erreichen.
Dopplereffket korrigieren, aber wie?
Was würde wohl Christian Doppler heute sagen, wenn er sehen würde, was man mit seiner Entdeckung von 1842 heute in Medizin und Forschung alles nachweisen und entdecken kann. Ok, die Temposünder haben weniger Freude daran. Dafür hat der es der Einsatz im Doppler-Radar schon viele Menschen vor Unwettern rechtzeitig gewarnt. Der wissenschaftliche experimentelle Nachweis zu seiner Entdeckung erfolgte bereits 1945 mittels einem Trompeter auf einem Dampfzug. Was in der Akustik gilt, gilt auch für Licht und somit auch für uns Funkamateure.
Es ist wohl eines der zentralen Merkmale im Amateurfunkdienst über Satellit, welcher uns am Meisten beschäftigt: Der Dopplereffekt. Ja sogar auf QO-100, aber dazu später mehr.
Der Dopplereffekt ist die Frequenzveränderung zwischen Quelle und Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen. Das heisst, dass mindestens einer von den Beiden in Bewegung sein muss. Jeder kennt es aus dem Strassenverkehr: Nähert sich ein Feuerwehrauto mit eingeschalteter Sirene, dann ist der Klang der Sirene höher, als wenn das Heulen der Sirene sich vom Beobachter entfernt. Eine vereinfachte Formel dazu lautet: f=f0*v/c.
Während die Sirene also immer dieselbe Tonfolge sendet (In der Schweiz ist es übrigens die Tonfolge cis-gis) nimmt der Empfänger auf Grund von Geschwindigkeit, Distanz und Richtung die tatsächliche Frequenz anders wahr.
Etwas merkwürdig für Laien, aber für uns Funkamateure ein sehr wichtiger Aspekt, ist folgendes: Bei mehreren Empfänger, die gleichzeitig den Referenzton von verschiedenen Positionen aus empfangen, fällt die empfangene Frequenz jeweils unterschiedlich aus. Jeder Empfänger empfängt eine, auf seine Parameter bezogen, andere Frequenz.
Beispiel:
Die Raumstation ISS fliegt über Zentral-Europa von Westen Richtung Osten und befindet sich, weil wir uns ja sogerne als Mittelpunkt von Europa sehen, über der Schweiz. Die Referenzfrequenz F0, welche die ISS aussendet, ist 145.800 MHz
Für einen Funkamateur in Spanien bewegt sich die ISS von ihm weg. Er wird zu diesem Zeitpunkt die ISS ca. 145.797 MHz hören. Bei den russischen Funkamateuren ist sie erst hinter dem Horizont aufgegangen. Sie hören die ISS ca auf 145.803 MHz. Die HB9 Stationen dürfen sich für einen ganz kurzen Moment darüber freuen, dass sie die ISS ganz kurz auf 145.800 hören. Das gilt aber auch für die Station auf Sardinien und in Bremen auch. Auch für sie ist es der moment mit dem kürzesten Abstand zur ISS (TCA). Eine Station in London wird aber bereits die ISS leicht unter 145.800 hören, da sie sich von ihr entfernt. Umgekehrt in Griechenland: Hier liegt sie leicht drüber, da sicht die ISS sich leicht gegen sie bewegt.
Mit anderen Worten: Die Frequenzänderung ist am stärksten bei einem Überkopf-Durchflug. Fliegt ein Satellit nur flach über den Horizont, ist die Frequenzänderung klein. Aber immer gilt: Bewegt sich der Satellit zum Beobachter, dann ist die Frequenz höher. Beim Entfernen ist sie tiefer.
Man kann natürlich das Ganze noch etwas komplexer gestalten:
Unter Umständen sind die Empfänger zusätzlich ebenfalls in Bewegung, was wiederum eine Geschwindigkeitsänderung zur Folge hat und somit die empfangene Frequenz sich zusätzlich ändert. Oder nochmals eine andere Herausforderung: Wie sollen zwei Satelliten miteinander kommunizieren, wenn sie in absolut unterschiedlichen Bahnen zueinander fliegen...
Die Bedeutung für uns Funkamateure:
Zuerst müssen wir uns bewusst sein, dass die Frequenzänderung sich proportional zur Frequenz ändert.
Ein Satellit in 750km Höhe hat auf 145 Mhz einen maximalen Dopplereffekt von ca, 3.5 kHz. Auf 435 MHz beträgt der Doppler Effekt bereits 10,5 kHz. Auf 1296 Mhz kämpfen wir bereits mit ca. 31 kHz Frequenzveränderung.
Bei den Satelliten arbeiten wir in über 90% der Fälle gleichzeitig auf 2 unterschiedlichen Frequenzbändern. Was die Herausforderung noch etwas mehr steigert.
Umgang in der Praxis
Um es vorweg zu nehmen: Es gibt kein richtig oder falsch. Aber man kann es ganz falsch machen..
Fangen wir zuerst bei den FM-Satelliten an. Hier wurde das Operating vereinfacht, indem man für einen Satelliten ca. 6 Frequenzpaarungen im Funkgerät abspeichert, welche den Dopplereffekt für den Überflug berücksichtigen. (In meinen Vortragsfolien von 2007 hatte ich solche Beispiel-Tabellen auf Seite 44 integriert)
FM kann man diesbezüglich schon als geduldige Modulationsart bezeichnen. Liegt man 1 kHz neben der Frequenz, ist das Signal immer noch verständlich (wird aber bereits durch die Filterflanken gedämpft).
Das animierte GIF stammt aus meinen Vortragsfolien von 2008. Obwohl es den Satelliten nicht mehr gibt, stimmt es im Grundsatz immer noch.
In der Animation wird aber eines Deutlich: Die TX-Frequenz beginnt zuerst tief und steigt danch. Also genau umgekehrt zum Empfang. In den Erklärungen oben sind wir immer davon ausgegangen, dass der Satellit die Quelle der Aussendung ist. Im Uplink, wenn wir von der zum Satelliten senden, ist auf einmal der Satellit der Beobachter. Da der Satellit selbst keine Dopplerkorrektur durchführen kann - und schon gar nicht auf unterschiedliche Benutzer, ist es in der Verantwortung der Bodenstation, sich dem Satelliten anzupassen.
In CW/SSB ist es schon etwas schwieriger: Während wir beim FM-Satelliten gezwungen sind, die Dopplerkorrektur auf den Satelliten auszurichten, lässt uns ein Linear-Transponder Platz für
unterschiedliche Methoden. Diese sollte man jedoch mit Bedacht einsetzen, damit man andere Stationen nicht allzu sehr in die Quere kommt (nicht vermeidbar).
Das Bild hier veranschaulicht schön die Effekte, wenn unterschiedliche Stationen verschiedene Methoden zur Korrektur des Doppler-Effekts verwenden. Gegenseitiges QRM ist unvermeidlich. Denn die
unterschiedlichen Methoden haben durchaus ihre Berechtigung.
Methode 1: Uplink-Korrektur:
Aus der Zeit, als die Transceiver noch nicht durch einen Computer automatisch gesteuert wurden, hat sich in Europa etabliert, immer die Uplink-Frequenz zu korrigieren und Downlink-Frequenz stehen zu lassen. Sie verfolgt den Ansatz, dass wenn man eine Station CQ rufen hört, seine Uplink-Frequenz so anpasst, dass man auf der selben RX-Frequenz wie der QSO-Partner ist. Je nachdem wie die Flugbahn zu den beiden Funkstationen verläuft, wird früher oder später die Downlinkfrequenz ebenfalls korrigiert. Ein Wandern auf dem Transponder ist so unvermeidlich.
Methode 2: Immer das höhere Band korrigieren:
Anders handhaben es unsere Kollegen aus Nord-Amerika: Hier lautet die Empfehlung, immer im höheren Band den Dopplereffekt zu korrigieren. Inzwischen hat sich diese Methode auch da und dort in Europa eingeschlichen, was natürlich immer wieder zu gegenseitigem QRM führt. Mit dieser Methode ist wird die "Wanderung" auf dem Transponder trotz manueller Bedienung minimiert. Die Gefahr von gegenseitigen Störungen ist geringer.
Methode 3: Transponder optimiert, Frequenz zum Satelliten korrigieren:
Mit dieser Methode wird quasi einen fixen Platz auf dem Transponder beim Satelliten eingenommen. Nur mit sehr viel Übung ist dies manuell zu bewerkstelligen. Daher ist diese Methode nur sinnvoll praktikabel, wenn die Transceiver mit dem Rechner entsprechend gesteuert werden. Doch mit dieser Methode haben die meisten Stationen auf dem Transponder platz und es kommt zu wenig Störungen.
Was ist nun richtig?
Ich denke jede Methode hat seine Berechtigung. Es kommt halt immer darauf an, ob man zu Hause im Shack oder unterwegs auf einer DX-Pedition ist. Auch, ob man einen speziellen Satelliten-TRX einsetzt oder mit zwei getrennte Geräte arbeitet. Daher gibt es kein Richtig oder Falsch. Meine persönliche Regel: Derjenige, der CQ ruft, gibt die Methodik vor - das ist Hamspirit.
Und so richitg falsch geht es auch: Keine Dopplerkorrektur.
Dies erlebe ich oft bei der ISS. Vor allem bei den AX.25 Aussendungen. Keine Dopplerkorretur ist nur möglich, wenn die ISS sich im TCA befindet. Nur durch diese Methode wird sehr viel QRM erzeugt.
Achja, die Frage ist ja noch offen: Was hat das mit QO-100 zu tun? Ein geostationärer Satellit "bewegt" sich relativ zum Beobachter gar nicht und hat ja kein Dopplereffekt?
Nun - mancher Nutzer war schon erstaunt, dass sein GPS geloggtes Equipment plötzlich bis zu 100Hz neben der sonst üblichen Soll-Frequenz liegt. Es ist Tatsache, dass auch bei geostationäre Satelliten hin und wieder ihre Position die Position korrigiert werden muss, oder sie leicht driften. Sei es durch den Strahlungsdruck der Sonne oder durch die Anziehung durch Sonne und Mond (Dazu mehr in einem späteren Blog). Aber auch, weil sich ein ausgedienter Satellit nicht mehr kontrollieren lässt und durch den Gürtel der geostationären Satelliten wandert. Hier besteht hohe Kollisionsgefahr und ein Ausweichmanöver wird notwendig. (Man nennt diese Satelliten bezeichnenderweise Zombisat) Daniele Estevez hat durch Messung der Bake von QO-100 ein Orbitalmanöver von Es'hail-2 nachweisen können.
Quellen:
Christian Doppler bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Christian_Doppler
Christian Doppler Fond mit Jubiläum zu 150 Jahre Doppler-Effekt: https://www.christian-doppler.net/
AMSAT NA Beginner Guide: https://www.amsat.org/wordpress/wp-content/uploads/2014/01/Work_FM_Sats-20131010.pdf
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