Прием и декодирование сигналов из космоса Inmarsat и Iridium
Сегодня я покажу, как принимать и декодировать сигналы из космоса. Не так, конечно, как это делают контактеры и любители шапочек из фольги, а на полном серьезе.
Мы будем изучать так называемый L-Band — диапазон частот от 1 до 2 ГГц, который активно используется для коммуникации со спутниками.
Как принимать и декодировать сигналы из космоса
Прием диапазона L-Band не является для радиолюбителей чем-то кардинально новым. Но раньше это было непросто. Нужно было рассчитать и сделать антенну, спаять малошумящий усилитель (потому что сигналы со спутника очень слабы), потом настроить все это. К тому же приборы для этого занятия стоят немалых денег.
Сейчас все стало гораздо проще и дешевле: можно уложиться в 100 долларов за антенну вместе с приемником. Что касается самих спутников, то мы рассмотрим две системы: Iridium и Inmarsat. Они интересны тем, что это действующие системы связи и можно «вживую» посмотреть, как они работают. Более того, для этих систем есть программные декодеры, которые можно запустить, изучить исходники на GitHub.
Железо для приема сигналов Inmarsat и Iridium
Комплект для приема спутниковых сигналов состоит из трех основных компонентов: приемника, антенны и малошумящего усилителя (LNA, Low Noise Amplifier).
Приемник
Начнем с приемника. Есть три основных варианта.
Вариант 1 — RTL-SDR V3
Это уже классика жанра, один из лучших и проверенных недорогих приемников на базе известного RTL-SDR. Приемник обеспечивает работу на частотах до 1,7 ГГц и ширину полосы обзора 2 МГц. Цена приемника около 30 долларов вместе с антенной и мини-штативом (он тоже в хозяйстве пригодится).
RTL-SDR V3
Важно взять именно оригинальную модель: на AliExpress есть более дешевые клоны, но, во-первых, их качество не гарантируется, во-вторых, в приемнике обязательно должна быть возможность подавать питание на антенный вход (bias tee), иначе ничего не заработает.
Вариант 2: Nooelec NESDR SMArTee v2
Этот приемник примерно сопоставим по характеристикам с предыдущим, он имеет неотключаемый bias tee, и для приема спутников это может быть удобно. Желательно выбрать именно вторую версию, потому что у первой меньше максимальный отдаваемый ток (250 мА против 100). Это важно: некоторые LNA (например, Nooelec SAWbird) потребляют порядка 180 мА.
NESDR SMArTee v2
Есть и другая модель Nooelec NESDR SMArt, без Tee в названии, она не подойдет.
Вариант 3 — SDRplay RSPduo
Это более качественный приемник, который обеспечивает ширину полосы приема до 8 МГц, что гораздо удобнее для поиска сигналов. Сам АЦП также имеет большую разрядность (12 бит вместо 8), что лучше для приема слабых сигналов.
SDRplay RSPduo
У RSPduo несколько антенных входов, и он может принимать сигналы от 2 кГц до 2 ГГц. Цена его, впрочем, уже около 250 долларов.
Антенна
Антенны бывают разные, для наших целей лучше всего подходят патч-антенны и параболические антенны. Среди самодельных антенн популярны спиральные: их довольно легко смастерить в домашних условиях. Некоторые используют переделанную антенну от GPS, из которой удаляют полосовой фильтр. В общем, вариантов много. Из того, что можно просто взять и купить без «доработки напильником», можно порекомендовать комплект RTL-SDR Active L-Band 1525–1637 Patch Antenna Set.
RTL-SDR Patch Antenna
Это уже готовая антенна со встроенным усилителем, для начала работы достаточно подключить ее к приемнику и активировать в настройках bias tee, чтобы на антенну было подано питание. Цена антенны — 35 долларов.
Хорошие результаты дает параболическая антенна для Wi-Fi, но она довольно громоздкая.
Направленная параболическая антенна
Хоть эта антенна по документации предназначена для диапазона 2,4 ГГц, но и на 1,7 ГГц она работает хорошо. В ней нет встроенного LNA, его придется докупить отдельно.
Выбор для начинающего любителя спутникового приема довольно прост: приемник RTL-SDR V3 за 30 долларов и RTL-SDR Patch Antenna за 35 долларов. Подключаем все это к ПК и можем принимать радиосигналы. Все обойдется в 65 долларов. Еще за пять баксов можно прикупить удлинитель SMA и трехметровый кабель USB: они пригодятся, если антенна и приемник расположены далеко от компьютера.
А если тебе захочется принимать более слабые сигналы, сетап можно проапгрейдить и поставить антенну побольше, тут предела совершенству нет.
Я все тестировал на таком вот комплекте.
Антенна + SDR-приемник
На этом мы закончим с железом и перейдем к софту. Я не буду рассказывать, как подключить RTL-SDR к компьютеру и как установить SDR# с плагинами, статей про это было достаточно.
Для приема Inmarsat нужно будет установить Virtual Audio Cable, чтобы можно было передавать звук из SDR# в программу-декодер. Для декодирования Iridium мы будем использовать Ubuntu из Windows 10.
Общая информация
Какие сигналы мы вообще собираемся принимать?
Inmarsat — это британская компания, которая использует группировку из тринадцати геостационарных спутников, расположенных на орбите 35 786 км. Спутники геостационарные, то есть они вращаются синхронно с Землей. Для приема их сигнала знать точное время пролета не нужно: они всегда на одном месте относительно поверхности Земли (в отличие от спутников NOAA).
Компания Inmarsat предоставляет разные сервисы передачи данных, текстовых сообщений, телефонии. Это актуально там, где нет «обычного» покрытия, — в авиации, на флоте. Подробнее можно посмотреть на официальном сайте. Часть данных шифруется, часть передается в открытом виде.
Покрытие Inmarsat
Как видишь, зоной приема охвачена фактически вся поверхность Земли. Однако геостационарные спутники расположены над экватором, и на самых северных широтах прием может быть затруднен.
Американская компания Iridium использует другой подход: 66 спутников летают на низкой орбите — 781 км над поверхностью Земли, количество спутников рассчитано так, чтобы в любой момент над каждой точкой было как минимум три спутника.
Покрытие Iridium
Чем больше уровень сигнала со спутника, тем лучше связь в северных широтах, зато и стоимость обслуживания спутниковой группировки, вероятно, выше. Как и Inmarsat, Iridium предоставляет сервисы передачи данных, сообщений и голоса.
На этом мы закончим с теорией и перейдем к практике: посмотрим, какие декодеры доступны для обеих систем.
Обе системы связи действующие и используются в том числе и в России. Так что статью УК РФ 138 «Нарушение тайны переписки, телефонных переговоров, почтовых, телеграфных или иных сообщений» никто не отменял. Принимать и анализировать какие-либо радиосигналы не запрещено, но публикация или хранение декодированных сообщений может преследоваться по закону. Также из юридических соображений я не буду писать здесь конкретные значения частот, хотя, в общем-то, это не секрет и находится в интернете за пять минут.
Прием сигналов Inmarsat
Как ты помнишь, спутники компании Inmarsat геостационарные. Поэтому первым делом ищем направление на спутник, для чего можно воспользоваться сайтом dishpointer.com. Выбираем свое местоположение, находим один из спутников Inmarsat и получаем угол и высоту спутника, куда нужно будет направить антенну.
Пример скриншота DishPointer
Я пробовал разные программы для Android, но не подошла ни одна из них — некоторые обвешаны рекламой, во многих есть только спутники для ТВ, но нет поддержки Inmarsat. В итоге сайт DishPointer оказался самым удобным решением. Кстати, для приема желательно открытое небо: если спутник закрыт домами, то сигнала может не быть.
Затем подключаем приемник RTL-SDR с антенной и вводим команду rtl_biast -d 0 -b 1 для подачи напряжения на антенный выход RTL-SDR. Без подачи питания антенна не заработает.
Теперь можно запускать софт. Частоты несложно найти самостоятельно. Если все было сделано правильно, то, когда ты направишь антенну в небо, ты увидишь на экране SDR# сигналы спутников.
Scytale-C
Для начала мы рассмотрим плагин для SDR#, который создал человек с ником Scytalec. Scytale-C позволяет декодировать сообщения, которые были переданы через спутники Inmarsat. Программа состоит их двух частей: самого плагина, который устанавливается в SDR#, и отдельного декодера QuickUI.
Плагин Scytale-C должен быть активен и при правильной настройке будет показывать статус Locked и фазовое созвездие BPSK.
Прием сигналов в SDR#
Теперь запускаем Quick-UI, программа может показывать как содержимое пакетов в JSON, так и декодированные сообщения.
Декодирование сообщений в Quick-UI
JAERO
Вторая полезная программа — JAERO. Она ориентирована на прием сообщений ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System), которые предназначены для воздушных судов и передаются через спутники Inmarsat.
JAERO работает через Virtual Audio Cable, так что в настройках SDR# нужно будет указать соответствующее устройство для вывода звука. Для приема сообщений нужно выбрать сигнал в JAERO, при нормальном декодировании должно появиться фазовое созвездие QPSK, как показано на рисунке.
Декодирование сообщений в JAERO
JAERO позволяет декодировать разные сигналы, не только текстовые, но и голосовые. Желающие могут изучить возможности программы самостоятельно.
На этом мы закончим с Inmarsat и перейдем к приему сигналов Iridium.
Прием сигналов Iridium
Прием Iridium — немного более мудреная тема, формат самих сигналов гораздо сложнее. Спутники Iridium передают сигналы в виде коротких пакетов на различных частотах, для наглядности можно показать скриншот приемника SDRplay с шириной полосы 4 МГц.
Сигналы Iridium
Сложность приема Iridium для большинства пользователей состоит в том, что декодер gr-iridium можно скомпилировать только в Linux. Мы воспользуемся тем, что в Windows 10 штатно можно установить Ubuntu из Microsoft Store. Сам декодер работает из командной строки, так что перед его запуском целесообразно посмотреть спектр с помощью SDR# и запомнить частоту, на которой видно больше всего сигналов.
Другая сложность: ширина полосы спектра, в которой передаются сигналы Iridium, превышает 2 МГц, предоставляемые RTL-SDR. Так что часть пакетов мы неизбежно пропустим. В идеале нам нужен более широкополосный приемник, например SDRplay или HackRF. Но мы все же посмотрим, как это работает с RTL-SDR.
Для этого нужно совершить несколько действий.
1. Запустим Ubuntu, скомпилируем и установим нужные компоненты. Декодер Iridium состоит из двух отдельных компонентов — gr-iridium и iridium-toolkit. Инструкция по компиляции и установке есть на странице GitHub.
Источник
Что нам хотят сообщить: какие сигналы приходят из космоса и кто их издает
Большинство сигналов из глубокого космоса имеют естественное происхождение, их источником служат звезды, планеты, галактики, туманности, черные дыры и многие другие объекты, но ряд сигналов выделяется среди остальных и может иметь искусственное происхождение, их источником могут быть инопланетные формы жизни. Рассказываем подробнее о таких случаях.
О каких сигналах идет речь?
О тех, которые можно поймать через существующие телескопы и радары. Например, радиотелескоп по диапазону частот занимает начальное положение среди астрономических инструментов для исследования электромагнитного излучения (более высокочастотными являются телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения).
Радиоволны без проблем могут путешествовать в космическом пространстве, их испускают многие небесные тела. Например, наша галактика Млечный Путь издает шипящие шумы.
В июле 2006 года исследователи запустили метеорологический зонд из Колумбийского центра исследовательских аэростатов NASA в городе Палестин, штат Техас. Ученые искали следы нагревания от звезд первого поколения в верхних слоях атмосферы, на высоте 36,5 км, где она переходит в безвоздушное пространство.
Вместо этого они услышали необычный радиогул. Он шел из далекого космоса, и исследователи до сих пор не знают наверняка, что стало его причиной и где находится его источник.
Кто может издавать эти сигналы?
Когда звезда взрывается и умирает, она может превратиться в быстро вращающуюся нейтронную звезду. Астрономы считают, что те из них, которые находятся в зоне сильного магнитного поля, могут излучать подобные странные сигналы.
Еще одно возможное объяснение — это столкновение двух нейтронных звезд.
По словам астронома из Монреаля Шрихарша Тендукара, эта версия работает только для неповторяющихся космических сигналов, поскольку в процессе столкновения звезды разрушаются. Большинство зафиксированных телескопами за последнее десятилетие радиовсплесков — как раз единичные.
Однако два обнаруженных сигнала повторятся снова и снова, и им придется найти иное объяснение.
Блицар — это гипотетический тип космических объектов, предложенный как одно из объяснений происхождения быстрых радиоимпульсов.
Быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая не выдерживает собственного веса, резко сжимается и превращается в черную дыру.
Есть версия, что радиовсплески излучает нейтронная звезда, падающая в черную дыру. Или сама черная дыра, резко уменьшающаяся в размерах. Или темная материя при столкновении с черной дырой.
Хотя многие уверены, что радиосигналы имеют исключительно природное происхождение, кое-кто полагает, что они могут быть доказательством существования внеземных форм жизни.
Какие необычные всплески фиксировали ученые?
Это сильный узкополосный радиосигнал, зарегистрированный доктором Джерри Эйманом 15 августа 1977 года во время работы на радиотелескопе «Большое ухо» в Университете штата Огайо. Прослушивание радиосигналов проводилось в рамках проекта SETI. Характеристики сигнала (полоса передачи, соотношение сигнал/шум) соответствовали (в некоторых интерпретациях) теоретически ожидаемым от сигнала внеземного происхождения.
Пораженный тем, насколько точно характеристики полученного сигнала совпадали с ожидаемыми характеристиками межзвездного сигнала, Эйман обвел соответствующую ему группу символов на распечатке и подписал сбоку «Wow!» («Ого-го!»). Эта подпись и дала название сигналу.
Обведенный код 6EQUJ5 описывает изменение интенсивности принятого сигнала во времени. Каждая строка на распечатке соответствовала 12-секундному интервалу (10 секунд собственно прослушивания эфира и 2 секунды последующей компьютерной обработки).
Определение точного местоположения источника сигнала на небе было затруднено тем обстоятельством, что радиотелескоп «Большое ухо» имел два облучателя, ориентированных в несколько различных направлениях. Сигнал был принят только одним из них, но ограничения способа обработки данных не позволяют определить, какой же именно облучатель зафиксировал сигнал. Таким образом, существуют два возможных значения прямого восхождения источника сигнала.
Ожидалось, что сигнал будет зарегистрирован дважды — по разу каждым из облучателей — но этого не произошло. Последующий месяц Эйман пытался вновь зарегистрировать сигнал с помощью «Большого уха», но безуспешно.
Радиосигнал SHGb02+14a — обнаруженный в марте 2003 года участниками проекта SETI@home и на то время являвшийся лучшим кандидатом на искусственное происхождение, за все время работы программы поиска внеземной жизни SETI.
Источник наблюдался три раза общей длительностью около 1 минуты на частоте 1420 МГц, на которой водород, самый распространенный элемент во Вселенной, поглощает и испускает энергию. Ученые из SETI@home изучают данную часть радиоспектра, так как некоторые астрономы утверждают, что инопланетные сигналы могут быть обнаружены именно на этой частоте.
Есть целый ряд особенностей этого сигнала, которые привели к большому скептицизму относительно его внеземного искусственного происхождения. Источник находился между созвездиями Рыб и Овна, где в пределах 1 000 световых лет отсутствуют звезды. Частота сигнала менялась очень быстро — от 8 до 37 Гц/с.
Если причиной изменения частоты стал эффект Доплера, то это означало бы, что источник находится на планете, вращающейся почти в 40 раз быстрее, чем Земля (для сравнения, передатчик, установленный на Земле, менял бы частоту со скоростью около 1,5 Гц/с).
Помимо этого, при первичном обнаружении сигнала каждый раз его частота соответствовала 1 420 МГц, в то время как сигнал с изменяющейся частотой должен обнаруживаться на разных частотах в пределах ее колебания.
BLC-1 — кандидат в радиосигналы проекта SETI, потенциально исходящий с экзопланеты Проксима Центавра b. Сигнал имеет частоту 982,002 МГц. Сдвиг в его частоте соответствует орбитальному движению Проксимы b.
Радиосигнал был зарегистрирован в течение 30 часов наблюдений, проведенных Breakthrough Listen в обсерватории Паркса в Австралии в апреле и мае 2019 года. Об обнаружении сигнала объявлено в декабре 2020 года. По состоянию на декабрь 2020 года последующие наблюдения снова не смогли обнаружить сигнал, что необходимо для подтверждения того, что сигнал был техносигнатурой.
- «Интригующий сигнал» от Проксимы Центавра
Астрономы, которые находятся в поисках радиосигналов от инопланетных цивилизаций, обнаружили «интригующий сигнал» со стороны Проксимы Центавра, ближайшей к Солнцу звездной системы.
Сигнал представляет собой узкий луч радиоволн 980 МГц, обнаруженный в апреле и мае 2019 года на телескопе Parkes в Австралии. Сигнал зафиксировали только один раз. Эта частота важна, потому что, как указывает Scientific American, именно в этой полосе радиоволн обычно отсутствуют сигналы от искусственных кораблей и спутников.
The Guardian со ссылкой на источник, имеющий доступ к данным об этом сигнале, сообщает, что это первый серьезный кандидат на инопланетную связь после Wow-сигнала. Но Guardian предупреждает, что этот сигнал «вероятно, тоже имеет земное происхождение».
Сигналы и правда могут быть связаны с внеземной жизнью?
Точно неизвестно, однако их поиски продолжаются. Например, проект SETI был организован для того, чтобы искать внеземную цивилизацию. Некоторые астрономы давно считают, что планет во Вселенной так много, что даже если малая их часть пригодна для жизни, то тысячи или даже миллионы планет должны быть обитаемыми.
Однако со временем реалистические оценки числа цивилизаций значительно упали и выросло число скептиков (см.: Уравнение Дрейка, Парадокс Ферми). При этом последние достижения астрономии и физики укрепили представление о существовании многих планетных систем, пригодных для жизни как таковой.
Существует два подхода к поискам внеземного разума:
- Искать сигналы внеземных цивилизаций. Рассчитывая на то, что собратья по разуму также будут искать контакт. Основных проблем данного подхода три: что искать, как искать и где искать.
- Посылать так называемый «сигнал готовности». Рассчитывая на то, что кто-то будет искать этот сигнал. Основные проблемы данного подхода фактически аналогичны проблеме подхода первого, за исключением меньших технических проблем.
В новой работе ученые предложили искать «световые» следы внеземных цивилизаций. Так, например, они предлагают регистрировать освещенность ночной стороны экзопланет, (например, светом городов). Предполагая, что орбита планеты эллиптическая, астрономы показали, что можно измерить вариацию блеска объекта и обнаружить, освещена ли его темная сторона. При этом, правда, ученые предполагают, что светимость темной стороны сравнима со светимостью дневной (у Земли эти величины отличаются на пять порядков).
Кроме этого, ученые намерены искать яркие объекты в поясах Койпера вокруг других звезд с последующим спектральным анализом их излучения. Астрономы полагают, что такой анализ позволит определить природу освещения — естественное оно или искусственное. Ученые подчеркивают, что все предложенные варианты нереализуемы с помощью существующей техники. Вместе с тем, по их мнению, телескопы нового поколения, как, например, американский «Джеймс Вебб», вполне могут справиться с описанными в работе задачами.
Источник