SDR-Transceiver Amateurfunk per geostationärem Satellit

16. November 2018, Cape Canaveral, Florida, USA, 5:46 Uhr Ortszeit: Start der Trägerrakete Falcon 9 von SpaceX, mit dem Satelliten Es’hail-2 als Nutzlast.
16. November 2018, Cape Canaveral, Florida, USA, 5:46 Uhr Ortszeit: Start der Trägerrakete Falcon 9 von SpaceX, mit dem Satelliten Es’hail-2 als Nutzlast.

Per Software gesteuerte Transceiver (SDR) eignen sich auch für Funkamateure. Auf der Basis des SDR-Entwicklungsmoduls von Analog Devices lässt sich beispielsweise eine Funkstation für die Kommunikation mit geostationären Satelliten realisieren.

Funkamateuren bietet sich seit Neuestem ein weiterer Weg zur unterbrechungsfreien weltweiten Kommunikation. Mithilfe eines neuen geostationären Satelliten ist es jetzt möglich, ein Drittel der Erdoberfläche zu erreichen. Allerdings ist für die Kommunikation mit dem Satelliten spezielle Ausrüstung erforderlich, denn die genutzten Frequenzen weichen von jenen ab, die verwendet werden, wenn die Funksignale von der Ionosphäre reflektiert werden sollen.

Das neue Software-Defined-Radio-Konzept (SDR) für Funk-Transceiver bietet hier gleich mehrere Vorteile: zu nennen sind unter anderem die Möglichkeit der flexiblen Rekonfiguration und die Fähigkeit, auf einen Blick das gesamte interessierende Frequenzband zu beobachten.

Geostationärer Satellit für den Amateurfunk

Der Nachrichtensatellit »Es’hail-2« [1] des in Katar beheimateten Satellitenunternehmens Es’hailSat wurde im Jahr 2018 von Cape Canaveral aus in den Weltraum geschickte. Er stellt Fernseh-, Sprach-, Internet-, Unternehmens- und Regierungs-Kommunikationsdienste für Europa, den Nahen Osten, Afrika und weitere Gebiete zur Verfügung. Seit Februar 2019 in Betrieb, befindet er sich in einer geostationären Umlaufbahn über Zentralafrika. Aus einer Höhe von rund 36.000 km erstreckt sich sein Einzugsgebiet von Brasilien bis Malaysia und von den Färöer-Inseln bis in die Antarktis (Bild 1).

Die 2010 gegründete Firma Es’hailSat mit Sitz in Doha, Katar, ist Eigner und Betreiber von Satelliten für Rundfunkunternehmen sowie kommerzielle und staatliche Anwendungen. Um die Entwicklung der Raumfahrttechnik in Katar voranzutreiben, initiierte Es’hailSat die Entwicklung neuer Technik für die Qatar Amateur Radio Society (QARS), eine nationale gemeinnützige Organisation für Funkamateure, in Zusammenarbeit mit der internationalen gemeinnützigen Organisation AMSAT (Amateur Satellite Corporation).

Die AMSAT entwickelt, baut, arrangiert, startet und betreibt Satelliten für die Nutzung durch Funkamateure. Zur AMSAT gehören nationale Zweigorganisationen in verschiedenen Ländern wie etwa AMSAT Germany (AMSAT-DL), die sich im Dezember 2012 im Namen der QARS beteiligten. Dank dieser Zusammenarbeit war es möglich, den Satelliten Es’hail-2 mit zwei speziellen Transpondern auszustatten, mit deren Hilfe erstmals Amateurfunk über einen geostationären Satelliten möglich ist. So können Teilnehmer auf dem vom Satelliten aus sichtbaren Teil der Erdoberfläche über eine einzige Funkstrecke miteinander in Verbindung treten.

Viele Amateurfunk-Satelliten tragen eine OSCAR-Nummer (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio) und können von lizenzierten Funkamateuren kostenlos für die Sprach- und Datenkommunikation genutzt werden. Bisher wurden diese Satelliten in tiefen Erdumlaufbahnen (Low Earth Orbit – LEO) und hochelliptischen Orbits (HEO) positioniert. Allen diesen Satelliten gemeinsam ist, dass sie mit den terrestrischen Antennen verfolgt werden müssen, wenn sie für wenige Minuten über den Horizont treten. Sobald sie wieder hinter dem Horizont verschwinden, bricht die Kommunikation zusammen.

Satelliten in geostationären Orbits haben demgegenüber den Vorteil, dass sie sich von der Erde aus gesehen immer an derselben Position befinden. Die terrestrischen Antennen müssen folglich nicht nachgeführt werden, um diese Satelliten zu nutzen.
Infolge der großen Entfernung von 36.000 km ergeben sich jedoch neue Herausforderungen, die mit den Verlusten im freien Raum, der Zielgenauigkeit der Antenne und der Latenz zusammenhängen – immerhin benötigt das Funksignal etwa 250 ms von einem erdgestützten Sender zum Satelliten und zur anderen Station auf der Erde.

Der Satellit Es’hail-2 trägt die Bezeichnung OSCAR100, weil es sich bei ihm um den hundertsten Satelliten handelt, der von Funkamateuren genutzt werden kann. Drew Glasbrenner (KO4MA), VP Operations bei der AMSAT, sieht OSCAR100 als Anfang: »Möge der hundertste OSCAR-Satellit der Leitstern auf dem Weg zu künftigen Amateurfunk-Satelliten und Datenübertragungen im geostationären Orbit und darüber hinaus sein!«

Zugang zu Es’hail-2

Funkamateure nutzen Satelliten schon seit Jahren. Traditionell wurden hierfür analoge Frequenzumsetzer verwendet, die die empfangenen und gesendeten Signale in die Amateurfunkbänder der Transceiver (und zurück) umsetzten. Die von den Satelliten verwendeten Uplink- (von der Erde zum Satelliten) und Downlink-Frequenzen (vom Satelliten zur Erde) übersteigen gelegentlich die Fähigkeiten der verfügbaren Transceiver.

Es’hail-2 verfügt über zwei Transponder, nämlich einen für Narrowband- (NB) und einen weiteren für Wideband-Übertragungen (WB). In diesem Abschnitt wird der NB-Transponder betrachtet. Da seine verfügbare Bandbreite nur 250 kHz beträgt, müssen zur Bereitstellung mehrerer Kanäle bestimmte Modulationstechniken angewandt werden. Die meistverwendeten analogen Modulationsarten sind die Telegrafie – Morse-Code, auch als Continuous-Wave-Übertragung, CW, bezeichnet – und Telefonie – Sprachübertragung oder Einseitenbandmodulation (SSB – Single Side Band).

Die Uplink-Kommunikation erfolgt mit 2,4 GHz (13-cm-Band) rechtszirkular polarisiert  (Right Hand Circular Polarization, RHCP), die Downlink-Kommunikation dagegen mit 10,45 GHz (3-cm-Band) mit horizontaler (H) oder vertikaler (V) Polarisation. Funkamateure haben das Privileg, mit hinreichend Leistung und hohem Antennengewinn als lizenzierte Funkbetreiber im 13-cm-Band (2.300 MHz bis 2.450 MHz) senden zu dürfen. Die genaue Nutzung ist in Bandplänen der einzelnen Länder festgelegt.

Dieses Amateurfunkband überschneidet sich mit dem zivilen Funkfrequenzband von 2.400 MHz bis 2.500 MHz, das ein Bestandteil der ISM-Bänder (Industrial, Scientific, Medical) ist. Zu den populärsten nicht-lizenzierten Funkdiensten des ISM-Bands gehören WLAN und Bluetooth. Genaueres zu den beiden Transpondern von Es’hail-2 geht aus Bild 2 hervor.