Recevoir un satellite amateur sur 10 GHz : quelle station faudra-t-il pour 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.
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 !
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.
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.
