Catégorie : Espace

Sep 08

SDRangel : peut-on remplacer dix appareils et logiciels radio par un seul programme ?

SDRangel : un univers radio connecté

Un récepteur, un analyseur de spectre, un scanner, plusieurs décodeurs numériques, un logiciel de poursuite satellite, un correcteur Doppler, une commande de rotor, un émetteur et même un radiotélescope… Habituellement, toutes ces fonctions nécessitent plusieurs appareils ou une collection de logiciels. SDRangel propose de réunir une grande partie de cet univers dans un seul programme.

Mais peut-il réellement devenir le couteau suisse de la station radioamateur ?

SDRangel, le couteau suisse radio

SDRangel, le couteau suisse du radioamateur : réception, émission, décodage, satellites, rotor et radioastronomie réunis dans un même logiciel.

Bien plus qu’un simple logiciel SDR

Au premier abord, SDRangel pourrait être comparé à SDR++, HDSDR ou SDR#. On branche un récepteur SDR, on observe le spectre et le waterfall, puis on sélectionne une fréquence et un mode.

Mais son architecture va beaucoup plus loin.

SDRangel fonctionne avec des « Device Sets », auxquels on ajoute des canaux de réception ou d’émission. À l’intérieur de la bande passante fournie par le SDR, plusieurs canaux peuvent fonctionner simultanément.

Avec un SDR recevant quelques MHz de spectre, on peut donc imaginer écouter une transmission FM tout en surveillant une balise et en décodant un autre signal numérique.

Le logiciel est open source et fonctionne notamment sous Windows, Linux, macOS et Android. Il prend en charge de nombreux matériels : RTL-SDR, Airspy, HackRF, LimeSDR, PlutoSDR, BladeRF, SDRplay, USRP et d’autres interfaces SDR.

La couverture en fréquence ne dépend toutefois pas de SDRangel : c’est le matériel SDR qui détermine les fréquences réellement accessibles.

1 — Un récepteur radio multimode

La première fonction est évidemment celle d’un récepteur.

Avec un SDR approprié, SDRangel permet de recevoir les bandes LF, MF, HF, VHF, UHF et même plusieurs bandes micro-ondes. Les démodulateurs disponibles couvrent les usages classiques comme l’AM, la FM étroite ou large, la SSB et de nombreuses transmissions numériques.

L’intérêt apparaît rapidement : au lieu de considérer le SDR comme un poste possédant un seul VFO, SDRangel exploite réellement le flux I/Q.

Si le SDR fournit 2 MHz de bande instantanée, plusieurs récepteurs virtuels peuvent être placés dans ces 2 MHz.

Un seul dongle peut donc se comporter comme plusieurs récepteurs simultanés, dans les limites de sa bande instantanée et de la puissance du PC.

2 — Un analyseur de spectre… ou presque

SDRangel possède naturellement un spectre et un waterfall, mais il propose également des outils d’analyse beaucoup plus poussés.

On trouve notamment un spectrogramme 2D ou 3D, un oscilloscope temporel et des mesures de puissance, SNR, THD, THD+N, SINAD, SFDR, puissance des canaux adjacents ou encore largeur de bande occupée.

Pour expérimenter sur un émetteur, comparer deux filtres ou observer une modulation, ces fonctions sont particulièrement intéressantes.

Il faut cependant rester prudent : un SDR à quelques dizaines d’euros associé à SDRangel ne devient pas miraculeusement un analyseur de spectre professionnel. Dynamique, précision des niveaux, stabilité et calibration restent celles du matériel utilisé.

3 — Une collection de décodeurs

C’est probablement l’un des domaines dans lesquels SDRangel impressionne le plus.

Le programme dispose de nombreux plugins permettant de recevoir ou décoder des transmissions telles que l’ADS-B des avions, l’AIS maritime, APRS et AX.25, DMR, D-Star, dPMR, FreeDV, FT8, LoRa, M17, RTTY, NAVTEX, POCSAG, radiosondes ou encore certaines transmissions de télévision numérique.

On peut donc passer d’une station APRS à l’observation des avions ADS-B sans changer de programme.

Cela ne signifie pas que SDRangel remplace systématiquement les logiciels spécialisés. Pour pratiquer intensivement le FT8, par exemple, WSJT-X reste beaucoup plus orienté vers l’établissement et la gestion des QSO.

SDRangel propose plutôt un laboratoire multimode universel, là où les autres logiciels sont souvent spécialisés dans une seule famille de transmissions.

4 — Plusieurs radios dans une seule radio

Cette fonction permet de comprendre ce qu’est réellement la SDR.

Imaginons qu’un SDR soit réglé sur 145,000 MHz avec une bande instantanée de 2 MHz.

Dans le spectre disponible, SDRangel peut créer plusieurs canaux indépendants :

  • un canal NFM sur une fréquence ;
  • un autre pour surveiller une balise ;
  • un démodulateur numérique ailleurs ;
  • éventuellement un Frequency Tracker sur un signal de référence.

Chaque canal traite une partie du même flux I/Q.

Nous ne sommes donc plus devant un récepteur possédant un VFO, mais devant une petite banque de récepteurs virtuels.

De l’antenne au logiciel avec SDRangel

De l’antenne à SDRangel : un même SDR peut alimenter plusieurs fonctions de réception, d’analyse et de décodage, et même assurer l’émission avec un matériel compatible.

5 — Un scanner de fréquences

SDRangel dispose également d’un Frequency Scanner.

Le principe du scanner classique consiste généralement à passer rapidement d’une fréquence mémorisée à la suivante pour détecter une activité.

Un SDR ajoute une autre possibilité : lorsque plusieurs fréquences se trouvent déjà dans sa bande instantanée, elles peuvent être observées sans avoir à réaccorder constamment le récepteur.

C’est particulièrement intéressant pour surveiller une portion limitée des bandes VHF ou UHF.

6 — Une véritable station satellite

Voilà une fonction particulièrement intéressante pour les radioamateurs.

Le Satellite Tracker peut calculer les passages des satellites et leur position dans le ciel, afficher leur trajectoire et transmettre les coordonnées à la fonction de commande d’un rotor.

Mais SDRangel peut aller encore plus loin.

Lors de l’acquisition d’un satellite, il peut charger des configurations, démarrer la réception, positionner les fréquences et corriger automatiquement le décalage Doppler.

On arrive alors à une chaîne presque entièrement intégrée :

satellite → calcul de trajectoire → pointage des antennes → correction Doppler → SDR → démodulation.

Autant de fonctions qui nécessitaient autrefois plusieurs logiciels communiquant entre eux.

7 — Il peut même commander les antennes

La fonction Rotator Controller complète naturellement le suivi satellite.

Le Satellite Tracker calcule où se trouve le satellite. Le Rotator Controller transmet les informations au système de rotation afin que l’antenne suive la cible en azimut et, pour un système adapté, en élévation.

Cette architecture n’est d’ailleurs pas limitée aux satellites artificiels.

Nous allons bientôt pointer l’antenne beaucoup plus loin.

8 — SDRangel sait aussi émettre

Un point est parfois oublié lorsqu’on parle de SDRangel : le logiciel n’est pas uniquement destiné à la réception.

Son architecture prévoit des chaînes RX mais également TX.

Avec un SDR bidirectionnel comme certains modèles HackRF, PlutoSDR, LimeSDR ou BladeRF, SDRangel peut produire des signaux modulés et les transmettre au SDR.

On peut ainsi envisager différents modulateurs analogiques ou numériques. Le plugin Packet Modulator, par exemple, permet de produire des trames AX.25 et APRS.

La chaîne devient alors :

microphone ou données → SDRangel → modulation numérique I/Q → SDR → étage RF → antenne.

Mais attention : la possibilité de produire un signal ne dispense absolument pas des précautions habituelles.

Selon l’installation, il faudra prévoir filtrage, amplification, commutation émission/réception et contrôle de la pureté spectrale. Et naturellement respecter les bandes, puissances et modes autorisés par la réglementation radioamateur.

SDRangel peut remplacer le modulateur, pas les indispensables étages RF qui suivent.

9 — Et maintenant, transformons-le en radiotélescope !

C’est probablement la fonction la plus inattendue.

SDRangel possède un véritable plugin Radio Astronomy.

Prenons l’expérience désormais accessible à de nombreux radioamateurs : l’observation de l’hydrogène neutre de notre Galaxie.

Celui-ci émet une raie radio autour de :

1420,40575 MHz, soit une longueur d’onde d’environ 21 cm.

Une installation amateur peut être constituée ainsi :

parabole → source 1420 MHz → LNA → filtre → SDR → SDRangel.

Écouter la Voie lactée avec SDRangel

Avec une parabole, un LNA et un SDR, SDRangel permet d’observer la raie HI à 1420,40575 MHz et d’étudier les mouvements de l’hydrogène dans notre Galaxie.

Le signal astronomique étant extrêmement faible, regarder simplement un waterfall ne suffit pas. Il faut accumuler les mesures.

Le spectromètre de SDRangel peut effectuer une intégration temporelle de nombreuses FFT afin d’améliorer la sensibilité. Il propose également des fonctions de calibration et peut afficher les résultats en température de bruit, puissance ou densité de flux.

Plus spectaculaire encore : le spectre peut être affiché non seulement en fréquence, mais également en vitesse radiale.

Pourquoi ?

Parce que les nuages d’hydrogène de notre Galaxie se déplacent par rapport à nous. Leur mouvement décale légèrement la fréquence observée par effet Doppler.

En mesurant ce décalage, on peut donc étudier leurs vitesses.

SDRangel sait travailler avec différents référentiels, notamment topocentrique, barycentrique ou Local Standard of Rest (LSR). Il peut même comparer les observations avec les données du relevé galactique HI LAB.

Nous sommes alors très loin du simple récepteur SDR !

10 — Un Star Tracker pour regarder encore plus loin

La radioastronomie bénéficie d’une autre fonction appelée Star Tracker.

Elle calcule l’azimut et l’élévation des objets célestes et peut transmettre ces informations au Rotator Controller.

Parmi les cibles proposées figurent notamment le Soleil, la Lune, Cassiopeia A, Cygnus A, Taurus A ou Virgo A, ainsi que des régions de référence HI.

Le Star Tracker peut également afficher la ligne de visée à travers la Voie lactée et réaliser des trajectoires de drift scan.

Plus étonnant encore, il peut communiquer avec Stellarium.

SDRangel se présente alors auprès du logiciel de planétarium comme un télescope : on sélectionne une cible céleste et ses coordonnées peuvent être envoyées au système de suivi.

11 — Et pourquoi pas l’EME ?

Les mêmes outils deviennent intéressants pour les communications Terre-Lune-Terre.

Le Star Tracker est explicitement prévu pour des applications de radioastronomie et d’EME.

Il connaît la position de la Lune et peut transmettre son azimut et son élévation au contrôleur du rotor.

Nous pouvons donc imaginer :

Lune → Star Tracker → Rotator Controller → antenne → SDR → analyse/réception.

Une nouvelle fois, plusieurs fonctions traditionnellement réparties entre différents programmes se retrouvent réunies.

Alors, dix appareils dans SDRangel ?

Faisons les comptes :

Fonction traditionnelle SDRangel
Récepteur multimode ✔
Analyseur de spectre ✔
Oscilloscope ✔
Décodeurs numériques ✔
Scanner ✔
Logiciel de suivi satellite ✔
Correction Doppler ✔
Contrôleur de rotor ✔
Émetteur/modulateur ✔ avec SDR TX
Logiciel de radioastronomie ✔
Tracker astronomique/EME ✔

Nous avons même dépassé dix !

Mais il faut interpréter correctement ce tableau. SDRangel remplace les fonctions de nombreux appareils et logiciels, pas nécessairement leur électronique.

Un RTL-SDR reste uniquement un récepteur. Pour émettre, il faudra un SDR possédant une chaîne TX. Pour observer la raie HI, il faudra toujours une parabole, une source adaptée, un LNA et souvent un filtre. Pour émettre quelques dizaines de watts, un étage de puissance et des filtres resteront nécessaires.

La puissance a un prix : la complexité

Pourquoi SDRangel n’a-t-il donc pas remplacé tous les autres programmes SDR ?

Probablement parce que sa formidable polyvalence constitue également son principal défaut pour le débutant.

L’interface et les notions de Device Sets, Channels, Features et plugins demandent un temps d’apprentissage.

SDRangel ressemble finalement moins à un poste radio virtuel qu’à une boîte de Lego RF.

On choisit une source SDR, on ajoute des canaux, des démodulateurs et des fonctions, puis on assemble progressivement sa station.

Cette philosophie peut déconcerter lors du premier lancement. Mais une fois comprise, elle explique pourquoi le programme peut accomplir autant de tâches différentes.

Un véritable laboratoire radio dans le PC

Alors, SDRangel peut-il réellement remplacer dix appareils et logiciels ?

Oui, si l’on parle de leurs fonctions logicielles et de traitement du signal.

Avec le matériel approprié, le même programme peut recevoir une station analogique, surveiller plusieurs fréquences, décoder des transmissions numériques, analyser un signal, suivre un satellite, corriger son Doppler, commander une antenne et produire des signaux en émission.

Et quelques instants plus tard, ce même logiciel peut pointer une parabole vers la Voie lactée et mesurer le déplacement des nuages d’hydrogène grâce à leur raie à 1420 MHz.

C’est probablement la meilleure façon de définir SDRangel : non pas comme un simple logiciel SDR, mais comme un véritable laboratoire radio logiciel.

Pour aller plus loin

  • Site officiel SDRangel : présentation générale, fonctions et téléchargements.
  • Projet SDRangel sur GitHub : code source et documentation du projet.
  • Wiki SDRangel – Quick Start : indispensable pour comprendre Device Sets, Channels et Features.
  • Feature Plugins : documentation des fonctions Satellite Tracker, Star Tracker, Rotator Controller, AFC, etc.
  • Radio Astronomy Plugin : spectromètre, radiomètre, calibration et étude de la raie HI.
  • Star Tracker Plugin : radioastronomie, EME, suivi du Soleil et de la Lune et interface avec Stellarium.
Sep 07

Comment des radioamateurs peuvent-ils mesurer la vitesse d’un vaisseau allant vers la Lune avec un simple signal radio ?

Radioamateurs vers la Lune

Imaginez qu’un vaisseau spatial file vers la Lune en émettant une simple porteuse radio. Depuis la Terre, nous ne voyons évidemment pas sa vitesse. Pourtant, en observant précisément la fréquence de son signal avec un récepteur SDR, nous pouvons déjà mesurer une partie de son mouvement.

Le secret tient en un phénomène bien connu des radioamateurs : l’effet Doppler.

C’est le même principe qui fait glisser la fréquence d’un satellite LEO pendant son passage ou qui intervient dans les liaisons EME. Mais cette fois, nous allons retourner le problème : au lieu de calculer le Doppler pour savoir où régler notre récepteur, nous allons mesurer le Doppler pour calculer la vitesse du vaisseau.

Quand la fréquence devient un compteur de vitesse

Lorsqu’une source radio se rapproche de nous, sa fréquence reçue augmente. Lorsqu’elle s’éloigne, elle diminue.

Pour des vitesses très inférieures à celle de la lumière, nous pouvons écrire :

    \[\Delta f \simeq -f_0\frac{v_r}{c}\]

avec :

  • f0, la fréquence émise ;
  • Δf=fr−f0
  • vr, la vitesse radiale ;
  • c=299 792 458 m/s>, la vitesse de la lumière.

En retournant la formule :

    \[v_r \simeq -c\frac{\Delta f}{f_0}\]

C’est donc remarquablement simple : si nous connaissons précisément la fréquence émise et celle que nous recevons, nous pouvons calculer une vitesse.

La NASA utilise exactement cette propriété pour la navigation spatiale : le Doppler d’une porteuse cohérente permet de déterminer la composante de la vitesse du véhicule suivant la ligne de visée entre celui-ci et la station terrestre.

Mesurer la vitesse vers la Lune par Doppler

Le décalage Doppler d’un signal radio permet de mesurer la vitesse radiale d’un vaisseau par rapport à la station terrestre.

Faisons le calcul sur 436,4 MHz

Imaginons un vaisseau transmettant une porteuse sur :

    \[f_0=436,400000\;MHz\]

Notre SDR indique seulement :

    \[436,395000\;MHz\]

Le signal est donc décalé de :

    \[\Delta f=-5000\;Hz\]

Appliquons notre formule :

    \[v_r=-299\,792\,458\times \frac{-5000}{436\,400\,000}\]

Nous obtenons :

    \[v_r\simeq3435\;m/s\]

soit environ :

    \[\boxed{v_r\simeq3,44\;km/s}\]

Autrement dit, un déplacement de seulement 5 kHz sur notre waterfall correspond ici à une vitesse radiale de plus de 12 000 km/h !

À 436,4 MHz, les ordres de grandeur deviennent faciles à retenir :

Doppler mesuré Vitesse radiale
1 Hz 0,687 m/s
10 Hz 6,87 m/s
100 Hz 68,7 m/s
500 Hz 344 m/s
1 kHz 687 m/s
5 kHz 3,44 km/s

Un SDR capable de suivre précisément une porteuse étroite devient donc un étonnant petit « radar de vitesse », même à plusieurs centaines de milliers de kilomètres.

Mesure Doppler SDR et vitesse radiale

Sur le waterfall SDR, le déplacement de la porteuse révèle le Doppler et permet d’en déduire la vitesse radiale du vaisseau.

Attention : nous ne mesurons pas toute la vitesse

Il existe cependant un piège important.

Le Doppler ne donne pas directement la vitesse réelle du vaisseau dans l’espace. Il donne sa vitesse radiale, c’est-à-dire la composante de sa vitesse suivant l’axe reliant la station au vaisseau.

Imaginez un véhicule traversant votre champ de vision de gauche à droite. Il peut se déplacer très vite tout en ne se rapprochant presque pas de vous. Son Doppler sera alors faible.

Pour un engin spatial, c’est exactement pareil.

La NASA rappelle d’ailleurs que les mouvements observés combinent la trajectoire du vaisseau, la rotation quotidienne de la Terre et son mouvement autour du Soleil. Pour un engin évoluant près de la Lune, il faut naturellement ajouter la dynamique du système Terre-Lune.

Mais notre station terrestre bouge elle aussi !

À Viry-Châtillon comme ailleurs, notre antenne n’est jamais réellement immobile.

La Terre effectue un tour sur elle-même en environ 24 heures. À l’équateur, cette rotation correspond à une vitesse tangentielle d’environ 465 m/s. Sous nos latitudes françaises, elle reste de plusieurs centaines de mètres par seconde.

Selon l’heure et la direction du vaisseau, une partie de cette vitesse se projette sur notre ligne de visée.

Il faut donc distinguer :

    \[v_{\text{relative}} = v_{\text{vaisseau}}-v_{\text{station}}\]

puis considérer la projection de cette différence suivant la direction station-vaisseau.

Pour une première expérience pédagogique, mesurer le Doppler brut est déjà passionnant. Pour déterminer réellement une trajectoire, il faut en revanche connaître précisément la position de la station et modéliser ses mouvements.

Encore faut-il connaître exactement la fréquence émise

Voici probablement la principale difficulté pour une station amateur.

Un émetteur annoncé sur 436,400 MHz n’émet pas nécessairement exactement sur 436 400 000 Hz.

Son oscillateur peut varier avec :

  • la température ;
  • son vieillissement ;
  • sa tension d’alimentation ;
  • la qualité de sa référence de fréquence.

Et notre propre SDR possède lui aussi une erreur.

Supposons une erreur de seulement 1 ppm à 436,4 MHz :

    \[436\,400\,000\times10^{-6}=436,4\;Hz\]

Or 436 Hz représentent déjà environ :

    \[300\;m/s\]

d’erreur apparente sur la vitesse !

Une mesure sérieuse nécessite donc une référence stable : TCXO de bonne qualité, OCXO ou, mieux encore, GPSDO fournissant par exemple une référence 10 MHz au SDR.

Les réseaux professionnels vont beaucoup plus loin. Le Deep Space Network utilise des références extrêmement stables et des liaisons cohérentes afin de détecter des variations Doppler inférieures au hertz sur des porteuses de plusieurs gigahertz.

Une expérience que les radioamateurs ont réellement réalisée

Tout cela pourrait sembler théorique. Pourtant, les radioamateurs l’ont déjà fait autour de la Lune.

Le microsatellite chinois DSLWP-B, également connu sous le nom de Longjiang-2 puis Lunar-OSCAR 94, a été placé en orbite lunaire en mai 2018. Il émettait notamment des signaux dans la bande radioamateur des 70 cm.

Des stations terrestres ont enregistré ses transmissions à 435,4 et 436,4 MHz et utilisé leur Doppler pour étudier son mouvement.

L’expérience révèle d’ailleurs exactement le problème que nous venons d’évoquer : lors du traitement des observations sur 436,4 MHz, Daniel Estévez a dû prendre en compte un décalage d’environ −250 Hz de l’émetteur lui-même.

Cela montre qu’il faut séparer :

    \[\text{Doppler observé} = \text{Doppler réel} + \text{erreur émetteur} + \text{erreur récepteur} +\ldots\]

Et si plusieurs radioamateurs écoutent simultanément ?

L’expérience devient encore plus intéressante lorsque deux stations éloignées enregistrent simultanément le même vaisseau.

C’est ce qui a été réalisé avec DSLWP-B entre la station de Shahe, près de Pékin, et le radiotélescope de Dwingeloo aux Pays-Bas.

Les deux stations, séparées d’environ 7 250 km, ont effectué des enregistrements synchronisés par GPS. Les différences de temps et de fréquence entre les deux observations ont ensuite été corrélées.

Le résultat permettait d’obtenir notamment une mesure de delta-vitesse particulièrement précise.

Nous entrons alors dans le domaine du VLBI — Very Long Baseline Interferometry.

Lors d’une expérience ultérieure, des transmissions de DSLWP-B d’environ 30 minutes ont même permis d’exploiter la phase accumulée de la porteuse. La dérivée temporelle de cette différence de phase fournit une information de delta-vitesse extrêmement sensible.

Voilà qui dépasse largement la simple observation d’une trace sur un waterfall !

Comment tenter l’expérience dans une station amateur ?

Le principe d’une chaîne de réception reste pourtant très familier :

antenne → LNA → SDR → ordinateur

Pour améliorer la précision, nous ajouterons :

GPSDO → référence de fréquence du SDR

Nous pouvons ensuite :

  1. enregistrer le signal en IQ ;
  2. mesurer précisément la fréquence de sa porteuse ;
  3. répéter cette mesure régulièrement ;
  4. calculer le Doppler Δf(t);
  5. convertir celui-ci en vitesse radiale r ;
  6. tracer cette vitesse en fonction du temps.

Un waterfall permet déjà de visualiser le phénomène, mais l’enregistrement IQ permet d’effectuer ensuite des mesures beaucoup plus fines par traitement numérique.

Mesurer la vitesse d’un vaisseau vers la Lune

Une station amateur équipée d’une antenne directive, d’un LNA, d’un SDR et d’une référence GPSDO peut mesurer le Doppler d’un vaisseau et en déduire sa vitesse radiale.

GNU Radio et Python sont parfaitement adaptés à cette expérimentation. Pour aller plus loin, un logiciel de mécanique orbitale tel que GMAT permet de calculer le Doppler théorique puis de le comparer aux observations. C’est d’ailleurs cette méthode qui a été utilisée lors des expériences VLBI amateurs avec DSLWP-B.

Du simple waterfall à la détermination d’une orbite

Une seule mesure Doppler ne permet évidemment pas de connaître la position complète d’un vaisseau dans l’espace.

Mais imaginons maintenant que nous enregistrions des centaines ou des milliers de mesures pendant plusieurs heures, puis que d’autres stations fassent la même chose depuis différentes régions du globe.

Nous disposons progressivement de suffisamment de contraintes pour rechercher quelle trajectoire explique le mieux toutes ces observations.

C’est le principe de la détermination d’orbite.

La NASA décrit cette méthode comme l’ajustement d’un modèle de trajectoire aux mesures accumulées de distance et de Doppler. Plus les observations sont nombreuses et réparties dans le temps et géographiquement, plus le modèle peut être contraint.

Les observations amateurs de DSLWP-B ont précisément montré jusqu’où cette approche pouvait aller : des mesures Doppler réalisées par des amateurs ont servi à déterminer et à vérifier son orbite lunaire.

Quelques hertz qui nous renseignent à 400 000 km

C’est probablement ce qu’il faut retenir de cette expérience.

Notre SDR ne « voit » ni le vaisseau ni sa vitesse. Il mesure simplement une fréquence.

Pourtant :

    \[\boxed{\text{fréquence}\rightarrow\text{Doppler}\rightarrow \text{vitesse radiale}\rightarrow\text{trajectoire}}\]

Avec une antenne adaptée, un récepteur stable, une bonne référence de fréquence et un peu de traitement numérique, une station radioamateur peut donc réaliser à son échelle une véritable expérience de navigation spatiale par radio.

Et la prochaine fois qu’une fine ligne inclinée traversera le waterfall de votre SDR, regardez-la autrement : ce n’est pas seulement une fréquence qui bouge. C’est peut-être directement le mouvement d’un objet dans l’espace que vous êtes en train de mesurer.

Pour aller plus loin

Sep 06

La Lune fait-elle bouger votre fréquence ? Comprendre le Doppler EME

Doppler EME, la Lune et votre fréquence

Le Doppler EME peut déplacer un signal radio de quelques centaines de hertz à plusieurs dizaines de kilohertz selon la bande utilisée. Lors d’une liaison Earth-Moon-Earth, notre signal parcourt environ 768 000 km aller-retour, mais il ne revient pas nécessairement sur la fréquence où nous l’avons émis.

Imaginons que notre station transmette précisément sur 2 320,100 MHz en direction de la Lune. Environ 2,5 secondes plus tard, l’écho revient. Pourtant, sur le waterfall, il peut apparaître plusieurs kilohertz plus haut ou plus bas.

Notre oscillateur aurait-il dérivé ? La Lune aurait-elle changé notre fréquence ?

Non. Le responsable est l’effet Doppler.

L’effet Doppler : la sirène d’ambulance version radio

Nous connaissons tous cet effet avec une ambulance : le son paraît plus aigu lorsqu’elle s’approche et plus grave lorsqu’elle s’éloigne.

Le même phénomène existe avec les ondes radio.

Pour une vitesse très inférieure à celle de la lumière, le décalage de fréquence peut être approximé par :

    \[\Delta f \simeq f_0 \frac{v_r}{c}\]

où :

  •     \[f_0\]

    est la fréquence du signal ;

  •     \[v_r\]

    la vitesse radiale entre les deux objets ;

  •     \[c\]

    la vitesse de la lumière, soit environ

        \[299\,792\,458\ \text{m/s}\]

    .

Le mot radiale est important. Ce n’est pas la vitesse totale de déplacement qui compte, mais uniquement sa composante suivant l’axe reliant la station à la Lune.

Pourtant, ma station ne bouge pas !

À première vue, notre antenne EME est solidement installée dans le jardin. Pourtant, elle se déplace à grande vitesse.

La Terre tourne sur elle-même. À l’équateur, un point de sa surface parcourt environ 1 670 km/h. Sous nos latitudes françaises, cette vitesse est moindre, mais reste de plusieurs centaines de kilomètres par heure.

Pendant ce temps, la Lune se déplace autour de la Terre à environ 1 km/s.

La géométrie Terre-Lune évolue donc continuellement.

Le Doppler observé dépend notamment :

  • de la position géographique de la station ;
  • de l’heure ;
  • de la position de la Lune dans le ciel ;
  • de la fréquence utilisée ;
  • de la position de la station correspondante.

Voilà pourquoi le locator Maidenhead renseigné dans un logiciel comme WSJT-X est particulièrement important en EME.

Doppler en écho Terre–Lune–Terre

En EME, les mouvements relatifs de la Terre et de la Lune provoquent un décalage Doppler du signal à l’aller comme au retour.

Avec son propre écho, le Doppler intervient deux fois

Supposons maintenant que nous cherchions notre propre écho lunaire.

Le signal quitte la Terre, atteint la Lune puis revient vers notre station.

Dans une représentation simplifiée, le décalage Doppler est donc subi à l’aller puis au retour :

    \[\Delta f_{\text{écho}} \simeq 2 f_0 \frac{v_r}{c}\]

Prenons une vitesse radiale instantanée de seulement :

    \[v_r=200\ \text{m/s}\]

À 144 MHz :

    \[\Delta f \simeq 2\times144\times10^6 \times\frac{200}{299\,792\,458}\]

soit environ :

    \[\boxed{192\ \text{Hz}}\]

Passons maintenant à 2 320 MHz :

    \[\Delta f \simeq 2\times2,320\times10^9 \times\frac{200}{299\,792\,458}\]

Nous obtenons environ :

    \[\boxed{3\,095\ \text{Hz}}\]

Plus de 3 kHz de décalage pour exactement la même vitesse !

Le Doppler augmente donc directement avec la fréquence.

Plus nous montons en fréquence, plus le problème devient sérieux

Les valeurs exactes dépendent évidemment de la géométrie Terre-Lune, mais les ordres de grandeur montrent rapidement l’importance du phénomène.

Bande EME Doppler maximal, ordre de grandeur
144 MHz ~440 Hz
432 MHz ~1,3 kHz
1 296 MHz ~4 kHz
2,3 GHz ~7 kHz
5,7 GHz ~18 kHz
10 GHz ~30 kHz
24 GHz plusieurs dizaines de kHz

Le Doppler EME selon la fréquence

En EME, le décalage Doppler augmente avec la fréquence : de quelques centaines de hertz à 144 MHz à plusieurs dizaines de kilohertz en SHF.

À 144 MHz, quelques centaines de hertz restent relativement faciles à visualiser.

À 2,3 GHz, nous pouvons déjà chercher notre correspondant plusieurs kilohertz trop loin.

À 10 GHz, ignorer le Doppler peut signifier regarder plusieurs dizaines de kilohertz à côté du signal !

Et la fréquence continue de bouger

Une complication supplémentaire apparaît : le Doppler n’est pas fixe.

La Lune traverse le ciel et la composante radiale de la vitesse de notre station évolue continuellement. Le décalage peut donc augmenter, diminuer ou changer de signe.

On parle alors de Doppler rate, c’est-à-dire la vitesse d’évolution du décalage, exprimée par exemple en Hz/minute.

Sur un waterfall, un signal suffisamment long peut donc apparaître légèrement incliné.

Autrement dit, connaître le Doppler à 21 h 00 ne signifie pas qu’il sera identique quelques minutes plus tard.

La Lune ne décale pas seulement le signal : elle l’élargit

Voici un deuxième phénomène particulièrement intéressant.

La Lune n’est pas un miroir ponctuel. Son diamètre est d’environ 3 475 km et les ondes sont réfléchies par différentes zones de sa surface.

Or toutes ces zones ne présentent pas exactement la même vitesse radiale par rapport à nos stations.

Les différentes composantes réfléchies reviennent donc avec des décalages Doppler légèrement différents.

Le résultat est un élargissement spectral du signal appelé notamment libration spreading.

Il faut donc distinguer deux choses :

Doppler shift : déplacement de l’ensemble du signal.

Doppler spread : élargissement du signal autour de sa fréquence centrale.

Et, là encore, l’effet devient de plus en plus important lorsque la fréquence augmente.

Doppler et libration lunaire en EME

En EME, l’écho lunaire est à la fois décalé par l’effet Doppler, élargi par la libration et soumis à une dérive au cours du temps.

Ce que l’on observe réellement sur le waterfall

Imaginons une porteuse extrêmement fine envoyée vers la Lune.

Sans mouvement, elle devrait revenir pratiquement au même endroit.

Dans la réalité, elle peut revenir :

  • décalée de plusieurs kilohertz ;
  • légèrement élargie ;
  • avec une fréquence qui dérive ;
  • avec des fluctuations rapides d’amplitude.

Ce dernier phénomène participe au libration fading, bien connu des opérateurs EME.

À haute fréquence, la Lune transforme donc notre belle raie théorique en un signal beaucoup plus complexe.

Heureusement, WSJT-X fait les calculs

Effectuer continuellement tous ces calculs serait particulièrement fastidieux. C’est pourquoi WSJT-X intègre les paramètres astronomiques nécessaires aux communications EME.

Dans View → Astronomical Data, on trouve notamment :

  • Az / El : azimut et élévation de la Lune ;
  • SelfDop : Doppler de son propre écho ;
  • DxDop : Doppler concernant la liaison avec la station DX ;
  • Width : largeur Doppler estimée ;
  • Delay : délai de propagation Terre-Lune-Terre.

Le logiciel connaît notre position grâce au locator et calcule continuellement l’évolution de la géométrie Terre-Lune.

En mode Echo, WSJT-X peut également aider à détecter son propre écho lunaire et afficher différentes informations telles que le Doppler, la largeur et le rapport signal/bruit.

Une fréquence constante… sur la Lune !

Une solution particulièrement élégante utilisée en EME est appelée CFOM : Constant Frequency On Moon.

Le principe consiste à imaginer un observateur installé sur la surface lunaire.

Chaque station terrestre corrige sa fréquence de façon à ce que cet observateur fictif reçoive toujours le signal sur la même fréquence.

La fréquence terrestre bouge donc volontairement afin que la fréquence soit constante dans le référentiel lunaire.

WSJT-X propose plusieurs stratégies de correction Doppler adaptées aux situations EME, dont Full Doppler to DX Grid, Own Echo et Constant Frequency on Moon.

Le logiciel peut ainsi piloter la fréquence du transceiver pour suivre automatiquement l’évolution du Doppler.

Et Q65 dans tout cela ?

Les modes numériques utilisés en EME doivent eux aussi tenir compte de l’environnement spectral particulier de la liaison lunaire.

C’est notamment le cas de Q65, aujourd’hui très utilisé pour les signaux extrêmement faibles.

À titre indicatif, WSJT-X recommande différentes sous-variantes suivant les bandes :

Bande Mode souvent adapté
144 MHz Q65-60A
432 MHz Q65-60B
1 296 MHz Q65-60C
2,3 GHz Q65-60C
3,4 / 5,7 GHz Q65-60D
10 GHz Q65-60D ou E
≥ 24 GHz Q65-60E

L’espacement des tonalités augmente avec les variantes, ce qui permet notamment de mieux s’accommoder de l’élargissement Doppler rencontré sur les bandes les plus élevées.

Alors, où est mon écho à 2 320,100 MHz ?

Nous pouvons maintenant répondre à notre question initiale.

Si nous émettons sur 2 320,100 MHz, notre écho ne reviendra pas nécessairement sur 2 320,100 MHz.

Selon la position de la Lune et celle de notre station, il pourra se trouver plusieurs kilohertz au-dessus ou au-dessous, tout en dérivant lentement.

La valeur exacte ne peut donc pas être donnée simplement à partir de la fréquence : elle doit être calculée pour un lieu, une date et une heure déterminés.

C’est précisément ce que fait WSJT-X.

À 144 MHz, le Doppler peut encore sembler n’être qu’une petite complication. À 1,3 GHz, il devient important. À 2,3 GHz et au-dessus, il fait véritablement partie de l’exploitation de la station.

La Lune ne modifie donc pas réellement la fréquence de notre émetteur. Mais avec près de 768 000 km de trajet aller-retour, la mécanique céleste suffit à faire bouger notre signal de plusieurs kilohertz.

Et lorsqu’on cherche un signal situé parfois plus de 20 dB sous le bruit, mieux vaut savoir exactement où regarder !

Pour aller plus loin

WSJT-X User Guide — documentation officielle de WSJT-X, avec les fonctions EME, les données astronomiques et les corrections Doppler :
https://wsjtx.github.io/wsjtx/guide-full.html

ARRL Handbook — EME — chapitre technique consacré aux communications Terre-Lune-Terre, au Doppler et aux phénomènes de libration :
https://wsjt.sourceforge.io/Hbk_2010_Ch30_EME.pdf

Joe Taylor K1JT — Lunar Echoes — article technique consacré à l’analyse des échos lunaires :
https://wsjt.sourceforge.io/LunarEchoes_QEX.pdf

Bob Atkins KA1GT — Constant Frequency On Moon — excellente explication du principe CFOM et de son intérêt en EME :
https://bobatkins.com/radio/CFOM.html

Août 28

Tempête solaire G2 : que va-t-il vraiment se passer sur nos bandes radio ?

Tempete solaire

Le Soleil s’agite à nouveau et, pour les radioamateurs, cela signifie souvent une propagation inhabituelle. Le 25 août 2026, la région solaire active AR4513, alors bien orientée vers la Terre, a produit une puissante éruption de classe M6.9, accompagnée de plusieurs éjections de masse coronale (CME). L’événement a provoqué un blackout radio de niveau R2 et les CME associées pourraient provoquer une tempête géomagnétique G2 lors de leur arrivée sur Terre.

R2 et G2 : deux phénomènes à ne pas confondre

Le blackout R2 intervient presque immédiatement après l’éruption. Les rayons X émis par le Soleil atteignent la Terre en environ huit minutes et augmentent brutalement l’ionisation de la haute atmosphère. Résultat : les signaux HF peuvent être fortement absorbés sur la face éclairée de notre planète.

La CME, elle, est un immense nuage de plasma qui met plusieurs jours à parcourir les 150 millions de kilomètres séparant le Soleil de la Terre.

Lorsqu’elle rencontre la magnétosphère terrestre, elle peut déclencher une tempête géomagnétique. Un niveau G2 correspond à un indice Kp de 6. La NOAA indique alors notamment que la propagation HF peut subir du fading aux hautes latitudes.

Du Soleil à la Terre : éruption, CME et perturbation de l'ionosphère

Nos bandes HF vont-elles disparaître ?

Non ! Une tempête G2 ne signifie absolument pas un silence radio généralisé.

Sur 80 et 40 mètres, on pourra observer davantage de bruit, de fading et des conditions plus variables. Sur 30 et 20 mètres, les liaisons DX empruntant des trajets proches des régions polaires risquent d’être les plus perturbées.

Les bandes 17, 15, 12 et 10 mètres peuvent également devenir très changeantes : une belle ouverture DX peut apparaître puis disparaître rapidement.

C’est justement l’intérêt de l’événement : observer en temps réel comment l’ionosphère réagit à l’activité solaire.

Et si les VHF devenaient intéressantes ?

Une forte activité géomagnétique peut également favoriser la propagation aurorale. Les bandes 50 MHz et surtout 144 MHz méritent alors une écoute attentive en direction du nord.

Les signaux réfléchis ou diffusés par la région aurorale prennent un aspect très particulier. En CW, la note devient rauque et soufflée ; en SSB, les voix peuvent être fortement déformées. Les modes numériques classiques sont souvent moins efficaces à cause de l’étalement Doppler.

Propagation aurorale

Que faut-il surveiller ?

Trois paramètres sont particulièrement intéressants : l’indice Kp, la vitesse du vent solaire et surtout le Bz du champ magnétique interplanétaire. Un Bz orienté durablement vers le sud favorise le couplage avec le champ magnétique terrestre et peut intensifier la tempête.

Une G2 n’est donc pas une catastrophe pour nos bandes : c’est plutôt un formidable laboratoire grandeur nature pour le radioamateur.

Pour suivre l’événement : NOAA Space Weather Prediction Center

Août 28

ERMINAZ : trois satellites de poche pour recevoir des images SSDV depuis l’espace

Banniere ERMINAZ : trois satellites

Après avoir découvert sur F5KEE la SSDV et son fonctionnement, passons maintenant à une application particulièrement intéressante de cette technique : recevoir des images directement depuis de minuscules satellites en orbite.

Avec ERMINAZ-1U, ERMINAZ-1V et ERMINAZ-1X, AMSAT-DL prépare en effet une petite constellation expérimentale destinée notamment aux radioamateurs. Et lorsque l’on dit petite, le terme est parfaitement adapté : chacun de ces satellites appartient à la famille des PocketQubes 1P, soit un cube d’environ 5 × 5 × 5 cm pour une masse de l’ordre de 250 grammes.

Malgré ces dimensions minuscules, ils embarquent de quoi réaliser de nombreuses expériences radio. Voyons ce qu’ils vont faire et, surtout, comment nous pourrons recevoir leurs images en SSDV.

ERMINAZ : trois satellites gros comme une petite boîte

Le projet ERMINAZ est développé autour d’AMSAT-DL avec la participation de plusieurs partenaires du monde spatial et radioamateur.

Les trois satellites ERMINAZ-1U, 1V et 1X doivent être placés sur une orbite basse, prévue autour de 500 km, avec une inclinaison voisine de 97,6°. Cette orbite quasi polaire permettra aux satellites de survoler régulièrement une grande partie du globe.

Le lancement est actuellement prévu à bord du lanceur RFA One, depuis le centre spatial de SaxaVord, dans les îles Shetland.

Le projet ne consiste cependant pas simplement à mettre trois balises radio en orbite. ERMINAZ a été pensé comme une véritable plate-forme d’expérimentation radioamateur et éducative.

Trois satellites pour expérimenter

L’un des intérêts de la mission est de pouvoir travailler sur plusieurs bandes.

Les fréquences publiées actuellement par AMSAT-DL sont notamment :

ERMINAZ-1U : 435,775 MHz
ERMINAZ-1V : 145,965 MHz
ERMINAZ-1X : 435,500 MHz

Ces valeurs devront naturellement être vérifiées à l’approche du lancement, les coordinations et configurations opérationnelles pouvant encore évoluer.

Pour les radioamateurs, cette diversité est intéressante. Elle permettra notamment de comparer la réception d’un PocketQube sur 2 mètres et 70 centimètres, avec des différences sensibles concernant les antennes, le Doppler ou encore le bilan de liaison.

La constellation ERMINAZ

ERMINAZ-1U, 1V et 1X : trois PocketQubes de seulement 5 cm de côté destinés à l’expérimentation radioamateur. Depuis une orbite d’environ 500 km, ils permettront notamment de recevoir télémétrie, données numériques et images SSDV sur les bandes VHF et UHF.

Beaucoup de radio dans seulement 125 cm³ !

Malgré leur taille, les ERMINAZ doivent proposer plusieurs services et expériences.

On trouve notamment une balise CW, de la télémétrie numérique, des transmissions suivant les recommandations CCSDS, un digipeater, une fonction mailbox Store & Forward et, ce qui va particulièrement nous intéresser ici, la transmission d’images SSDV.

Les satellites serviront également à expérimenter différentes modulations numériques.

Parmi les modes envisagés figurent GFSK, GMSK, BPSK et QPSK, avec des débits pouvant aller approximativement de 9 600 à 38 400 bit/s suivant la modulation utilisée.

Différents formats de trames pourront également être expérimentés, parmi lesquels CCSDS, AX.25 et IEEE 802.15.4.

ERMINAZ devient ainsi bien davantage qu’une simple balise : c’est un petit laboratoire de communications numériques placé en orbite.

Une caméra et des images SSDV

C’est probablement l’expérience la plus spectaculaire pour l’amateur qui débute dans la réception satellite.

Le satellite prend une image avec sa caméra. Mais contrairement à la SSTV analogique, il ne transforme pas directement les lignes de l’image en tonalités audio.

Avec la SSDV — Slow Scan Digital Video — l’image suit un chemin complètement numérique :

Caméra → image JPEG → encodeur SSDV → paquets numériques → émetteur radio

Comment une image SSDV descend du satellite

Le parcours complet d’une image SSDV avec ERMINAZ : la photographie est compressée en JPEG, découpée en paquets SSDV puis transmise par radio. Au sol, notre station reçoit et démodule ces paquets avant de les réassembler pour reconstruire progressivement l’image originale.

Au sol, nous réalisons exactement le chemin inverse :

Antenne → récepteur → démodulation → paquets SSDV → décodeur → image JPEG

C’est donc très différent de la SSTV traditionnelle.

Pourquoi découper l’image en petits morceaux ?

Une liaison avec un satellite en orbite basse est loin d’être parfaite.

Le signal peut subir du fading, des parasites ou simplement devenir trop faible lorsque le satellite approche de l’horizon. Une antenne mal orientée peut également provoquer quelques secondes de mauvaise réception.

Envoyer simplement un fichier JPEG complet serait donc assez risqué.

SSDV contourne le problème en découpant l’image en petits paquets indépendants.

Dans l’implémentation SSDV classique, un paquet possède une longueur de 256 octets. Il contient non seulement une partie de l’image, mais également différentes informations permettant au décodeur de savoir à quelle image et à quelle position correspondent les données reçues.

Et si nous perdons quelques paquets ?

C’est là que SSDV devient particulièrement intéressante.

Imaginons que le satellite transmette :

1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8

Notre station reçoit :

1 – 2 – 3 – ❌ – 5 – 6 – ❌ – 8

Nous avons perdu les paquets 4 et 7.

Cela ne signifie pas nécessairement que toute l’image est perdue. Le décodeur peut reconstruire les parties correctement reçues et laisser apparaître des défauts aux endroits correspondant aux données manquantes.

Plus nous recevons de paquets, plus l’image devient complète.

Le format SSDV classique peut également utiliser une correction d’erreurs Reed-Solomon, permettant de récupérer certains paquets comportant des erreurs.

C’est exactement le genre de technique particulièrement bien adapté à une liaison radio avec un petit satellite.

Plusieurs stations pour reconstruire une image

SSDV possède encore un avantage particulièrement séduisant pour le monde radioamateur.

Imaginons trois stations :

F5KEE reçoit les paquets 1, 2, 4 et 6.
Une autre station reçoit 1, 3, 4 et 5.
Une troisième reçoit 2, 3, 5 et 6.

Individuellement, aucune ne possède tous les paquets.

Mais en regroupant leurs réceptions, nous obtenons :

1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6

L’image peut alors être beaucoup mieux reconstruite.

Ce principe de réception collaborative est déjà largement utilisé dans le monde des ballons stratosphériques SSDV. Pour ERMINAZ, il faudra toutefois attendre la publication de la chaîne opérationnelle définitive avant de savoir précisément comment seront centralisées et exploitées les images reçues par les différentes stations.

Une image SSDV malgré les paquets perdus

La SSDV reste exploitable même lorsque certains paquets sont perdus pendant la liaison satellite. Chaque station peut recevoir des fragments différents de l’image ; en regroupant les paquets provenant de plusieurs radioamateurs, il devient possible de reconstruire une image beaucoup plus complète.

Quelle station faudra-t-il ?

Bonne nouvelle : il ne faudra pas nécessairement disposer d’une station satellite extrêmement sophistiquée pour commencer les expérimentations.

Une station pourra typiquement comporter :

une antenne VHF/UHF, éventuellement directive, un SDR, un ordinateur et les logiciels nécessaires à la poursuite du satellite, à la correction du Doppler et au décodage des transmissions numériques.

Pour les signaux les plus faibles, une antenne Yagi associée à un LNA placé près de l’antenne apportera évidemment un avantage important.

Le véritable défi viendra probablement davantage de la réception correcte des transmissions numériques à haut débit que de la seule détection de la balise.

Une fois les paquets récupérés, ils pourront être traités afin d’extraire la télémétrie ou de reconstruire progressivement les images SSDV.

Des satellites minuscules, mais un formidable terrain d’expérimentation

ERMINAZ illustre parfaitement l’évolution actuelle des satellites radioamateurs.

Dans un cube de seulement cinq centimètres de côté, il devient possible d’intégrer un ordinateur de bord, des capteurs, une caméra et un système radio capable d’expérimenter plusieurs modulations numériques.

Pour nous, radioamateurs, l’intérêt est considérable.

Nous ne nous contenterons pas d’entendre un « bip » provenant de l’espace. Nous pourrons observer les signaux sur le waterfall, mesurer leur Doppler, décoder la télémétrie, étudier différentes modulations et surtout transformer une succession de petits paquets radio en une véritable photographie prise depuis l’orbite.

Et c’est probablement ce qui résume le mieux ERMINAZ : trois satellites de poche qui pourraient devenir un formidable laboratoire radio à 500 km au-dessus de nos antennes.

Pour aller plus loin

AMSAT-DL — ERMINAZ
https://amsat-dl.org/erminaz/

IARU — Coordination ERMINAZ
https://iaru.amsat-uk.org/formal_detail.php?serialnum=968

AMSAT-DL — Coordination des fréquences et modes numériques
https://amsat-dl.org/en/erminaz-iaru-frequency-coordination-is-completed/

Dépôt technique ERMINAZ
https://gitlab.com/amsat-dl/erminaz/erminaz-1-org

Station sol ERMINAZ
https://gitlab.com/DL4PD/erminaz-groundstation

SSDV — implémentation de référence
https://github.com/fsphil/ssdv

UKHAS — Guide SSDV
https://ukhas.org.uk/doku.php?id=guides:ssdv

Août 27

Recevoir un satellite amateur sur 10 GHz : quelle station faudra-t-il pour GOLF-TEE ?

Banniere GOLF-TEE

Après QO-100, les radioamateurs pourraient bientôt avoir une nouvelle occasion d’expérimenter les 10 GHz depuis l’espace. Mais cette fois, pas question de pointer tranquillement une parabole vers un satellite géostationnaire et de ne plus y toucher : avec GOLF-TEE, il faudra suivre un CubeSat traversant le ciel en quelques minutes !

Alors, faudra-t-il une installation digne d’une station spatiale ? Pas forcément. Une partie du matériel utilisé pour QO-100 pourrait même constituer un excellent point de départ.

GOLF-TEE : un laboratoire radioamateur en orbite

GOLF-TEE, pour Greater Orbit, Larger Footprint – Technology Exploration Environment, est un CubeSat 3U développé dans le cadre du programme GOLF d’AMSAT.

L’objectif dépasse la simple mise en orbite d’un nouveau relais radioamateur. GOLF-TEE doit permettre de tester plusieurs technologies destinées aux futures missions AMSAT : contrôle d’attitude trois axes, systèmes d’alimentation, communications multibandes et surtout un transpondeur SDR de nouvelle génération.

Parmi les expérimentations prévues figure une sortie en bande X, autour de 10 GHz, alimentée par différentes bandes radioamateurs. AMSAT envisage notamment des expériences 2,4 GHz → 10 GHz et 5 GHz → 10 GHz, ainsi que des transmissions numériques pouvant atteindre un débit de l’ordre de 1 Mbit/s.

Le projet étant encore en développement, fréquences, modes et caractéristiques définitives pourront évoluer.

500 km : seulement quelques minutes pour écouter

Contrairement à QO-100, GOLF-TEE doit évoluer en orbite basse, autour de 500 à 550 km selon les informations publiées jusqu’à présent.

À cette altitude, une révolution autour de la Terre prend environ 95 minutes, soit une quinzaine d’orbites par jour. Cela ne signifie évidemment pas quinze passages quotidiens au-dessus de notre station.

Lors d’un excellent passage, le satellite restera théoriquement visible d’un horizon à l’autre pendant environ 12 minutes. En pratique, pour une réception confortable sur 10 GHz, nous chercherons plutôt à travailler au-dessus de 10 ou 20° d’élévation.

Il restera alors typiquement 5 à 8 minutes réellement favorables.

comparaison visuelle QO-100 GEO / GOLF-TEE LEO, avec antenne fixe contre poursuite AZ/EL

Contrairement à QO-100, pratiquement immobile dans le ciel, GOLF-TEE évoluera en orbite basse et devra être poursuivi en azimut et en élévation. À environ 500 km d’altitude, un passage complet dure une douzaine de minutes, dont seulement 5 à 8 minutes particulièrement favorables à la réception sur 10 GHz.

Autrement dit : il faudra être prêt !

Une parabole, mais de quelle taille ?

À 10 GHz, la petite longueur d’onde permet d’obtenir beaucoup de gain avec une antenne relativement compacte.

À titre indicatif, avec un rendement raisonnable :

  • 40 cm : environ 30 dBi ;
  • 60 cm : environ 34 dBi ;
  • 80 cm : environ 36 dBi ;
  • 1 m : environ 38 dBi.

Une parabole de 60 à 80 cm semble donc constituer un excellent point de départ pour expérimenter.

Mais attention au piège : augmenter le diamètre augmente le gain, mais réduit également l’ouverture du faisceau. Une parabole d’un mètre recevra davantage de signal, mais demandera un pointage beaucoup plus précis.

Le choix de l’antenne sera donc un compromis entre gain et facilité de poursuite.

Peut-on recycler une station QO-100 ?

Bonne nouvelle : en réception, une partie importante de l’installation pourrait être familière aux utilisateurs de QO-100.

La chaîne pourrait ressembler à ceci :

Parabole → LNB 10 GHz → fréquence intermédiaire → SDR → ordinateur

Un LNB PLL utilisé pour QO-100 constitue donc une piste intéressante. Sa fréquence intermédiaire pourra être reçue par un RTL-SDR, SDRplay, Airspy ou un autre récepteur SDR compatible.

Il faudra toutefois attendre les caractéristiques définitives du signal GOLF-TEE avant de déterminer précisément la bande passante et le matériel nécessaire, particulièrement pour les expériences numériques à haut débit.

La stabilité devient importante

À 10 GHz, une petite erreur de l’oscillateur local du LNB provoque un décalage important de la fréquence reçue.

Les amateurs de QO-100 connaissent déjà le problème : température extérieure, échauffement du LNB et qualité de son oscillateur peuvent provoquer une dérive gênante.

Trois solutions sont envisageables : utiliser un bon LNB PLL, remplacer ou améliorer sa référence par un TCXO, ou employer une référence externe extrêmement stable provenant d’un GPSDO.

Pour les modes numériques étroits, cette dernière solution sera particulièrement intéressante.

Le Doppler : plusieurs centaines de kHz !

Voici une différence spectaculaire avec QO-100.

Un satellite LEO se déplace à environ 7,5 km/s. Sur 10 GHz, sa vitesse radiale peut provoquer un décalage Doppler dépassant 200 kHz en début et en fin de passage.

Le signal pourra donc parcourir plusieurs centaines de kilohertz sur le waterfall pendant le passage !

waterfall pédagogique montrant le signal 10 GHz traversant plusieurs centaines de kHz pendant un passage

À 10 GHz, l’effet Doppler devient spectaculaire : lors d’un passage favorable de GOLF-TEE, le signal peut se décaler de plus de 200 kHz à l’approche du satellite, passer près de sa fréquence nominale autour de l’élévation maximale, puis se retrouver décalé de plus de 200 kHz dans l’autre sens lorsqu’il s’éloigne. Une correction Doppler automatique du SDR permettra de conserver le signal dans la bande de réception pendant tout le passage.

Heureusement, cette variation est parfaitement prévisible. À partir des données orbitales du satellite, un logiciel de poursuite peut calculer simultanément sa position et la correction Doppler à appliquer au SDR.

Le véritable défi : suivre la parabole

C’est probablement là que GOLF-TEE sera beaucoup plus exigeant que QO-100.

Notre parabole devra être installée sur un système motorisé azimut/élévation (AZ/EL). Un logiciel comme GPredict pourra calculer la position du satellite, tandis qu’un contrôleur commandera les moteurs.

La station devient alors :

Données orbitales → logiciel → rotor AZ/EL → parabole

et parallèlement :

logiciel → correction Doppler → SDR

Une difficulté supplémentaire apparaîtra lors des passages proches du zénith : le satellite pourra changer d’azimut extrêmement rapidement. Le rotor devra donc être suffisamment rapide et précis.

chaîne complète parabole → LNB → SDR → PC, avec la correction Doppler

Architecture possible d’une station de réception GOLF-TEE sur 10 GHz : une parabole de 60 à 80 cm montée sur rotor AZ/EL alimente un LNB ou downconverter stable, puis un SDR. L’ordinateur assure simultanément la réception, la correction du Doppler et le pilotage automatique de la parabole à partir de la position calculée du satellite.

À quoi pourrait ressembler une station GOLF-TEE ?

Pour commencer, nous pourrions imaginer une parabole de 60 à 80 cm, un LNB PLL suffisamment stable, un SDR et un ordinateur.

Pour une station réellement automatisée, ajoutons un rotor AZ/EL pilotable par ordinateur et la correction automatique du Doppler.

Enfin, la station de l’expérimentateur exigeant pourrait employer un LNB ou downconverter référencé par GPSDO, un SDR offrant une bande passante importante et un système de poursuite entièrement automatique.

Tout cela peut déjà être préparé avant même le lancement.

Un nouveau terrain d’expérimentation

GOLF-TEE pourrait finalement être beaucoup plus intéressant techniquement que ne le laisse penser la simple mention « réception 10 GHz ».

Avec QO-100, nous avons appris à recevoir des signaux micro-ondes provenant de l’espace. Avec un satellite LEO comme GOLF-TEE, il faudra ajouter la poursuite rapide, le calcul orbital et la correction Doppler.

La difficulté ne sera donc pas seulement d’entendre un signal faible.

Il faudra être au bon endroit, dans la bonne direction et sur la bonne fréquence… pendant les quelques minutes où le satellite sera au-dessus de nous.

Pour aller plus loin

Août 27

Un transceiver de 144 MHz à 6 GHz dans un satellite : découvrons le SDR Gen 2 d’AMSAT

Banniere GEN2

Imaginez un satellite radioamateur capable de fonctionner en VHF, UHF, 1,2 GHz, 2,4 GHz ou 5,6 GHz, de transmettre en CW, SSB, FM, FT8 ou SSTV et même d’évoluer après son lancement grâce au logiciel.

C’est précisément la philosophie du SDR Gen 2, actuellement développé par AMSAT. Une véritable « radio à tout faire » destinée aux futurs satellites Fox-Plus et GOLF.

Une radio qui tient dans un CubeSat

Développé notamment par Ray Roberge, WA1CYB, le SDR Gen 2 est un transceiver/transpondeur programmable reposant sur la technologie SDR — Software Defined Radio.

Le défi est considérable : AMSAT veut intégrer cette radio dans l’encombrement disponible d’un CubeSat 1U, tout en assurant une couverture continue de 144 MHz à 6 GHz.

Cela permet de couvrir directement plusieurs bandes bien connues des radioamateurs :

  • VHF : 144 MHz ;
  • UHF : 430 MHz ;
  • 900 MHz ;
  • bande L : autour de 1,2 GHz ;
  • bande S : autour de 2,4 GHz ;
  • bande C : autour de 5,6 GHz.

Et AMSAT ne compte pas s’arrêter là.

De 144 MHz jusqu’à… 10 GHz

Le SDR Gen 2 couvre directement les fréquences jusqu’à 6 GHz, mais AMSAT prévoit également une conversion permettant d’atteindre 10 GHz. C’est ce que l’organisation appelle parfois la capacité « Five & Dime », en référence aux bandes 5 et 10 GHz.

Nous entrons alors véritablement dans le domaine des micro-ondes, avec la possibilité d’expérimenter des liaisons plus larges et des transmissions de données rapides.

spectre 144 MHz → 6 GHz → 10 GHz, avec VHF/UHF/L/S/C/X

Le SDR Gen 2 d’AMSAT couvre en continu les fréquences de 144 MHz à 6 GHz, englobant les principales bandes satellites radioamateurs VHF, UHF, L, S et C. Une conversion RF supplémentaire doit permettre d’étendre ses possibilités jusqu’à la bande X, autour de 10 GHz.

Sur le projet GOLF-TEE, AMSAT travaille justement sur un transpondeur SDR multibande pouvant recevoir sur les bandes V, U, L, S ou C et utiliser une liaison descendante en 10 GHz.

Five & Dime

Le concept « Five & Dime » du SDR Gen 2 ouvre la voie aux liaisons satellites radioamateurs dans les micro-ondes. Le SDR couvre directement les fréquences jusqu’à 6 GHz, tandis qu’une conversion RF permet d’envisager une liaison descendante autour de 10 GHz, notamment pour les futures missions GOLF d’AMSAT. De telles fréquences offrent davantage de bande passante et permettent d’expérimenter des transmissions numériques à plus haut débit.

Une radio définie par logiciel

Le véritable intérêt du SDR Gen 2 n’est pourtant pas sa couverture en fréquence, mais sa programmabilité.

Dans un transpondeur traditionnel, une grande partie de la fonction radio est déterminée par l’électronique. Avec un SDR, le signal est numérisé et une partie importante du traitement est effectuée par logiciel.

schéma fonctionnel pédagogique du SDR Gen 2, de l'antenne au traitement GNU Radio

Principe de fonctionnement du SDR Gen 2 d’AMSAT : après la chaîne RF large bande, les signaux sont convertis en données numériques puis traités par la plateforme embarquée. Le logiciel, notamment à travers GNU Radio, permet de définir différentes fonctions radio — répéteur, transpondeur, modes numériques ou transmission de données — sans devoir concevoir une électronique spécifique pour chaque usage.

Le SDR Gen 2 s’appuie notamment sur GNU Radio, environnement open source bien connu des expérimentateurs SDR.

Résultat : la même plateforme peut potentiellement remplir des fonctions très différentes sans devoir redessiner toute la chaîne radio.

CW, SSB, FT8, FM, SSTV…

AMSAT annonce une impressionnante variété de modes : CW, SSB, FT8, NBFM, SSTV, FSTV/ATV, auxquels pourront s’ajouter différents modes numériques.

Un même matériel pourrait donc devenir un transpondeur vocal, transporter des données ou servir à différentes expérimentations numériques.

C’est un changement important : plutôt que d’envoyer dans l’espace une radio conçue pour une fonction très précise, on envoie une plateforme radio reconfigurable.

Et les transmissions rapides ?

Les différentes publications d’AMSAT utilisent plusieurs unités pour caractériser les performances envisagées. L’état du projet publié en août 2026 indique notamment un débit descendant minimal de 1 Msps. D’autres communications AMSAT ont évoqué 1 Mbps, voire jusqu’à 1 MBps.

Attention à ne pas les confondre : échantillons par seconde, bits par seconde et octets par seconde ne représentent pas la même chose. Les performances définitives dépendront également du mode utilisé et de la configuration retenue pour chaque mission.

Un projet ouvert

Autre caractéristique particulièrement intéressante pour les radioamateurs : AMSAT prévoit que le matériel comme le logiciel soient open source.

Le projet ne concerne donc pas seulement quelques ingénieurs développant une boîte noire destinée à être lancée dans l’espace. Il pourrait également devenir une formidable plateforme d’expérimentation pour la communauté radioamateur.

Bientôt dans l’espace ?

Le SDR Gen 2 est encore en développement. Il ne faut donc pas chercher aujourd’hui son signal dans le ciel.

AMSAT prévoit cependant cette architecture pour ses futurs programmes Fox-Plus et GOLF. Le projet GOLF est particulièrement ambitieux puisqu’il doit contribuer au retour d’AMSAT vers des orbites plus élevées et donc des zones de couverture beaucoup plus importantes.

Avec SDR Gen 2, le satellite radioamateur pourrait ainsi progressivement devenir ce que nos stations terrestres sont déjà en train de devenir : un ordinateur auquel on ajoute des antennes et dont une grande partie de la radio est définie par logiciel.

Et lorsque ces satellites travailleront couramment à 5 ou 10 GHz, il faudra aussi commencer à repenser sérieusement… nos stations satellites au sol !

Pour aller plus loin