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Collegare una stazione situata a centinaia o migliaia di chilometri attraverso un oggetto grande quanto una scatola che orbita intorno alla Terra a diversi chilometri al secondo è una delle esperienze più affascinanti che il radiantismo moderno possa offrire.

E la cosa sorprendente è che, almeno per alcuni satelliti radioamatoriali in orbita bassa, non servono necessariamente:

• parabole gigantesche;
• amplificatori da kilowatt;
• stazioni professionali;
• apparecchiature costosissime.

Per iniziare possono essere sufficienti:

• un ricetrasmettitore VHF/UHF;
• un’antenna direttiva;
• un programma di tracking;
• un po’ di pratica.

Benvenuti nel mondo dei satelliti radioamatoriali.

Che cos’è un satellite radioamatoriale

Il concetto di base è abbastanza semplice.

Un satellite dotato di payload radioamatoriale può ricevere un segnale proveniente da Terra e ritrasmetterlo su una frequenza differente.

In pratica funziona come un ripetitore.

La differenza fondamentale è che il ripetitore non si trova su una montagna.

Si trova nello spazio.

AMSAT, organizzazione internazionale storicamente impegnata nello sviluppo e nel supporto dei satelliti radioamatoriali, mantiene database, pagine di stato e strumenti dedicati proprio all’attività satellitare amatoriale.

Perché utilizzare un satellite?

Su VHF e UHF la propagazione normale è essenzialmente limitata dalla geometria e dall’orizzonte radio.

Un satellite posto a centinaia di chilometri sopra la superficie terrestre può però vedere contemporaneamente una vasta area.

Due stazioni che non avrebbero alcuna possibilità di collegarsi direttamente possono quindi comunicare attraverso il transponder.

La copertura istantanea viene chiamata:

footprint.

La sua dimensione dipende principalmente dall’altitudine del satellite e dalla geometria del passaggio.

LEO: Low Earth Orbit

Per iniziare ci interessano soprattutto i satelliti in:

LEO — Low Earth Orbit.

Questi satelliti orbitano relativamente vicino alla Terra rispetto ai satelliti geostazionari.

Dal punto di vista dell’operatore questo comporta:

• passaggi relativamente brevi;
• movimento apparente rapido;
• variazioni Doppler;
• necessità di inseguire il satellite;
• footprint che si sposta continuamente.

Il collegamento diventa quindi molto più dinamico rispetto a un normale ponte ripetitore terrestre.

Un satellite non è sempre sopra di noi

Il satellite sorge dall’orizzonte.

Sale progressivamente.

Raggiunge una determinata elevazione massima.

Poi scende nuovamente verso l’orizzonte.

Un passaggio utile può durare soltanto pochi minuti.

Bisogna quindi sapere:

• quando arriverà;
• da quale direzione;
• quale elevazione raggiungerà;
• dove scomparirà.

È il motivo per cui il tracking orbitale è una parte essenziale dell’attività satellitare.

AMSAT mette a disposizione anche strumenti online di previsione dei passaggi basati sulla posizione dell’osservatore.

AOS, LOS e TCA

Tre abbreviazioni diventano rapidamente familiari.

AOS — Acquisition of Signal

È il momento nel quale il satellite emerge dall’orizzonte radio e diventa potenzialmente ricevibile.

LOS — Loss of Signal

È il momento nel quale scende sotto l’orizzonte e scompare.

TCA — Time of Closest Approach

Indica approssimativamente il momento di massimo avvicinamento rispetto alla stazione.

Vicino alla parte centrale del passaggio avremo generalmente l’elevazione maggiore.

Elevazione

L’elevazione viene misurata in gradi.

0° = orizzonte.

90° = satellite esattamente sopra la nostra testa.

Un passaggio a:

5°

può essere difficile per:

• ostacoli;
• edifici;
• montagne;
• maggiore distanza.

Un passaggio da:

60–80°

sarà generalmente molto più favorevole.

Ma presenta anche un problema curioso per le antenne direttive:

il satellite può attraversare rapidamente una grande porzione del cielo.

Azimut

L’azimut indica la direzione orizzontale.

Convenzionalmente:

0° = Nord;

90° = Est;

180° = Sud;

270° = Ovest.

Un programma di tracking può quindi indicarci, per esempio:

AOS: 235°;

massima elevazione: 47°;

LOS: 52°.

Sappiamo così esattamente come ruotare la nostra antenna.

Gli elementi orbitali

Per prevedere la posizione del satellite il software utilizza dati orbitali aggiornati.

Storicamente vengono utilizzati i TLE — Two-Line Elements.

Poiché l’orbita reale cambia nel tempo, è importante mantenere aggiornati questi elementi.

Un programma con dati vecchi può indicare il satellite in una posizione sbagliata.

Software di tracking

Esistono numerosi strumenti per:

• computer;
• smartphone;
• sistemi automatici.

Le funzioni principali sono sempre simili:

1. inserimento della nostra posizione;
2. aggiornamento dei dati orbitali;
3. selezione del satellite;
4. previsione dei passaggi;
5. visualizzazione di azimut ed elevazione;
6. talvolta correzione Doppler automatica.

Per iniziare non serve necessariamente un sistema sofisticato.

Anche una semplice applicazione sul telefono può essere sufficiente per seguire manualmente un passaggio.

Prima regola: ascoltare

Prima ancora di tentare un QSO dovremmo imparare a ricevere il satellite.

È il metodo più semplice per comprendere:

• tracking;
• Doppler;
• orientamento dell’antenna;
• durata del passaggio;
• fading;
• polarizzazione.

Ricevere bene è già metà del lavoro.

L’attrezzatura minima

Per ascoltare alcuni satelliti VHF/UHF possiamo utilizzare:

• scanner;
• RTX portatile;
• SDR;
• ricetrasmettitore multimodo;
• antenna direttiva.

Perfino una radio portatile può consentire esperimenti interessanti.

Per operare attraverso i transponder occorre naturalmente un apparato compatibile con le modalità e le frequenze previste.

FM oppure transponder lineare?

I satelliti radioamatoriali possono utilizzare diversi tipi di payload.

Due categorie particolarmente comuni sono:

Ripetitore FM

Concettualmente simile a un ponte terrestre.

Esiste:

• una frequenza di uplink;
• una frequenza di downlink.

Una stazione alla volta tende a occupare l’intero canale.

AMSAT considera l’FM satellitare uno dei modi più semplici per iniziare e mantiene un elenco dedicato dei satelliti FM operativi; tale elenco viene aggiornato nel tempo e rimanda alla pagina di stato per sapere se un determinato satellite sia effettivamente disponibile.

Transponder lineare

Non abbiamo un singolo canale FM.

Il satellite trasla una porzione di spettro da una banda all’altra.

Possono quindi essere presenti contemporaneamente diversi QSO in:

• SSB;
• CW.

AMSAT mantiene separatamente anche l’elenco dei satelliti con transponder lineari attivi.

Uplink e downlink

Supponiamo che un satellite utilizzi:

uplink UHF

e

downlink VHF.

La nostra trasmissione sale verso il satellite in UHF.

Il satellite la riceve e la ritrasmette verso Terra in VHF.

Il modo viene spesso indicato mediante lettere associate alle bande.

Per esempio:

V/U

significa, in termini generali:

uplink VHF;

downlink UHF.

È fondamentale verificare sempre la documentazione specifica del satellite.

Il Doppler

Ecco uno degli aspetti più caratteristici.

Il satellite si muove rapidamente rispetto a noi.

Quando si avvicina, la frequenza ricevuta appare leggermente più alta.

Quando si allontana, appare più bassa.

È il Doppler shift.

L’effetto aumenta all’aumentare della frequenza.

Sulle UHF diventa particolarmente evidente.

Le tabelle operative ARISS, per esempio, mostrano come su frequenze intorno ai 437 MHz il Doppler possa raggiungere variazioni dell’ordine di diversi kHz durante il passaggio.

Come correggere il Doppler in FM

Supponiamo di ricevere un downlink UHF nominale a:

437,800 MHz.

All’inizio del passaggio potremmo dover ascoltare leggermente più in alto.

Avvicinandoci al TCA correggeremo verso la frequenza nominale.

Dopo il passaggio al punto più vicino scenderemo progressivamente.

Una memoria radio può quindi essere preparata con diversi canali.

Per esempio, concettualmente:

AOS → +10 kHz;

poi +5 kHz;

centro → nominale;

poi −5 kHz;

LOS → −10 kHz.

I valori reali dipendono dalla frequenza e dal satellite.

Perché sulle VHF il problema è minore

Lo spostamento Doppler è proporzionale alla frequenza.

A 145 MHz sarà quindi molto inferiore rispetto a 435 MHz.

È il motivo per cui, nei satelliti V/U, spesso è soprattutto il lato UHF a richiedere correzioni frequenti.

Full duplex: un enorme vantaggio

Una stazione satellitare ideale dovrebbe consentire di:

trasmettere e contemporaneamente ascoltare il proprio downlink.

Questo prende il nome di:

full duplex.

È estremamente utile perché possiamo verificare immediatamente:

• se stiamo realmente entrando nel satellite;
• qualità del segnale;
• Doppler;
• modulazione;
• eventuale sovrapposizione con altre stazioni.

Trasmettere senza riuscire ad ascoltare il proprio segnale può invece portarci a occupare il transponder senza sapere se il collegamento stia funzionando correttamente.

Due radio oppure una?

Possiamo ottenere il full duplex attraverso:

• due apparati separati;
• un ricetrasmettitore satellitare full duplex;
• configurazioni SDR;
• combinazioni di apparati.

Una radio può trasmettere sull’uplink.

L’altra ascolta il downlink.

È una soluzione molto efficace per imparare.

Attenzione alla desensibilizzazione

Quando trasmettiamo su una banda e riceviamo contemporaneamente sull’altra, il nostro stesso segnale può saturare il ricevitore.

Il problema dipende da:

• radio;
• frequenze;
• antenne;
• filtri;
• potenza.

Nei setup più evoluti possono essere necessari:

• filtri passa-banda;
• notch;
• duplexer;
• separazione fisica.

L’antenna

Per iniziare con satelliti LEO, una delle soluzioni più pratiche è una piccola direttiva portatile.

Per esempio:

• Yagi VHF/UHF;
• antenna crossed-Yagi;
• antenna log-periodica dual-band progettata per uso satellitare.

Tenendola in mano possiamo seguire manualmente il satellite.

È molto più semplice di quanto sembri.

Guadagno sì, ma non troppo

Una grande antenna direttiva possiede maggior guadagno.

Ma presenta anche un fascio più stretto.

Per un principiante può essere più facile utilizzare una piccola Yagi:

• meno guadagno;
• beamwidth più largo;
• inseguimento meno critico.

Per i satelliti LEO relativamente forti è spesso un ottimo compromesso.

Polarizzazione

Durante il passaggio l’orientamento relativo fra satellite e antenna terrestre cambia continuamente.

Il segnale può quindi subire variazioni dovute a:

• polarizzazione;
• rotazione del satellite;
• multipath;
• geometria.

Con un’antenna lineare portatile possiamo semplicemente ruotarla attorno al proprio asse cercando il massimo segnale.

Può sembrare rudimentale.

Funziona sorprendentemente bene.

Il fading improvviso

State ascoltando il satellite con segnale fortissimo.

Tre secondi dopo quasi scompare.

Ruotate l’antenna di 90°.

Il segnale ritorna.

Non è necessariamente un guasto.

Potrebbe essere semplicemente un cambiamento della polarizzazione relativa.

È una delle prime cose che si imparano operando manualmente.

La ISS: una stazione radio nello spazio

La International Space Station ospita da molti anni apparecchiature radioamatoriali nell’ambito del progetto ARISS.

Le modalità disponibili possono cambiare a seconda delle attività operative, degli eventi programmati e delle esigenze della stazione.

ARISS pubblica quindi pagine specifiche con stato e frequenze correnti.

Frequenze ARISS attualmente pubblicate

Alla data di aggiornamento di questo articolo, ARISS indica per le attività radioamatoriali della ISS, fra le altre:

Voice downlink mondiale:
145,800 MHz

Voice uplink Regione ITU 1:
145,200 MHz

VHF packet:
145,825 MHz

VHF/UHF voice repeater uplink:
145,990 MHz con tono 67 Hz

VHF/UHF repeater downlink:
437,800 MHz.

Importante: queste frequenze e soprattutto la modalità effettivamente attiva devono essere sempre ricontrollate sulle pagine ARISS prima dell’uso.

Il cross-band repeater della ISS

Quando attivo, il ripetitore cross-band consente di:

trasmettere verso la ISS in VHF;

ricevere il downlink in UHF.

Dal punto di vista operativo si comporta quindi come un incredibile ripetitore FM che vola a centinaia di chilometri sopra la Terra.

Lo stato ARISS corrente indica il sistema del modulo Columbus con apparecchiatura Kenwood dedicata e pubblica separatamente la modalità operativa attuale.

Posso parlare direttamente con un astronauta?

Qui nasce una delle convinzioni più diffuse.

Ricevere la ISS non significa automaticamente poter parlare con un astronauta.

Gli astronauti possono effettuare collegamenti radioamatoriali in determinate occasioni e ARISS organizza anche contatti educativi.

Ma la maggior parte dell’attività quotidiana di un radioamatore attraverso il repeater riguarda collegamenti fra stazioni terrestri mediante il ripetitore della ISS.

La ISS agisce quindi da ponte radio nello spazio.

Packet radio dalla ISS

ARISS pubblica inoltre frequenze dedicate alle attività packet.

Questo permette sperimentazioni con:

• APRS;
• packet;
• digipeating;
• ricezione dati.

Prima di trasmettere è sempre necessario verificare lo stato operativo aggiornato del sistema.

SSTV dalla ISS

Uno degli eventi più spettacolari consiste nella trasmissione di immagini SSTV — Slow Scan Television.

Durante eventi programmati la ISS trasmette immagini che possono essere ricevute con apparecchiature relativamente semplici.

ARISS pubblica gli eventi SSTV e, nelle campagne dedicate, specifica frequenza e modalità utilizzata; per gli eventi riportati nelle proprie pagine viene normalmente indicata la ricezione attorno a 145,800 MHz con il modo SSTV previsto per quella specifica attività.

Cosa serve per ricevere SSTV

Una configurazione semplice può comprendere:

• ricevitore VHF;
• antenna;
• computer o smartphone;
• decoder SSTV.

Riceviamo l’audio.

Il software riconosce i toni.

Progressivamente sullo schermo compare l’immagine.

Per un radioamatore alle prime esperienze con lo spazio è un’attività fantastica perché non richiede trasmissione.

Lavorare un satellite FM

Supponiamo di aver scelto un satellite FM operativo.

Passo 1 — Controlliamo lo stato

Non basta che il satellite compaia nel nostro software.

Il transponder potrebbe:

• essere spento;
• essere temporaneamente inattivo;
• avere problemi;
• funzionare soltanto in determinate condizioni.

AMSAT mantiene una pagina di stato aggiornata attraverso segnalazioni operative degli utenti.

Passo 2 — Verifichiamo uplink e downlink

Mai trasmettere basandoci su una frequenza ricordata a memoria.

Verifichiamo sempre:

• frequenze;
• tono CTCSS;
• modalità;
• eventuali restrizioni.

Passo 3 — Calcoliamo il passaggio

Cerchiamo preferibilmente un passaggio con buona elevazione.

Passo 4 — Prepariamo le memorie Doppler

Soprattutto sul lato UHF.

Passo 5 — Usciamo all’aperto

Un balcone chiuso da edifici non è ideale.

Cerchiamo una buona visuale del cielo lungo la traiettoria prevista.

Passo 6 — Iniziamo ascoltando

Durante l’AOS puntiamo l’antenna verso la direzione prevista.

Cerchiamo il downlink.

Passo 7 — Seguiamo il satellite

Muoviamo lentamente antenna e frequenza.

Passo 8 — Soltanto quando riceviamo bene, proviamo a trasmettere

Questa è una regola eccellente:

se non riusciamo a sentire bene il satellite, evitiamo di trasmettere alla cieca.

Come effettuare un QSO FM

I passaggi sono brevi e il canale può essere affollato.

Il QSO deve quindi essere essenziale.

Tipicamente scambieremo:

• nominativo;
• locator;
• eventualmente nome;
• rapporto breve.

Esempio concettuale:

“IZ1XXX, JN44…”

L’altra stazione risponde.

Confermiamo.

Fine.

Non è il momento ideale per un QSO di venti minuti sul tempo meteorologico.

Grid Locator

Nel mondo satellitare è molto comune scambiare il Maidenhead Locator.

Per esempio:

JN44

o più precisamente:

JN44AB.

Permette di identificare rapidamente la posizione geografica della stazione.

Non monopolizzare il satellite

Un satellite FM dispone essenzialmente di un unico canale.

Durante un passaggio possono esserci operatori da:

• Italia;
• Francia;
• Germania;
• Spagna;
• Europa orientale;
• Nord Africa.

Tutti vedono lo stesso satellite.

Un singolo operatore che effettua lunghi QSO può impedire agli altri di utilizzarlo.

La buona pratica è quindi:

• chiamate brevi;
• passaggi rapidi;
• potenza minima necessaria;
• lasciare spazio agli altri.

Il problema della potenza

Utilizzare troppa potenza non è sinonimo di bravura.

Con un satellite FM relativamente forte possono bastare pochi watt e una buona antenna.

Aumentare inutilmente la potenza può:

• peggiorare la desensibilizzazione;
• rendere più difficile il full duplex;
• creare interferenze;
• dominare il transponder.

Il principio dovrebbe essere sempre:

la minima potenza necessaria per ottenere un collegamento affidabile.

I transponder lineari

Qui il gioco diventa ancora più interessante.

Un transponder lineare riceve una porzione di spettro e la ritrasmette su un’altra banda.

Possiamo quindi avere contemporaneamente:

• diversi QSO SSB;
• CW;
• segnali stretti.

AMSAT elenca separatamente i satelliti lineari attualmente utilizzabili e le rispettive bande di uplink e downlink.

Transponder invertente

Molti transponder lineari sono inverting.

Ciò significa che:

frequenza uplink aumenta → frequenza downlink diminuisce.

Inoltre:

LSB uplink può corrispondere a USB downlink.

La gestione del Doppler diventa quindi più complessa rispetto all’FM.

CAT e correzione automatica

Nei setup più sofisticati possiamo utilizzare un software che:

• calcola la posizione;
• controlla il rotore;
• comanda la radio via CAT;
• corregge continuamente il Doppler.

L’operatore può così concentrarsi sul QSO.

È una delle evoluzioni naturali della stazione satellitare.

Rotori azimut/elevazione

Per una stazione fissa possiamo installare antenne direttive comandate da un sistema:

AZ/EL

ovvero:

azimut;

elevazione.

Il software segue automaticamente il satellite durante il passaggio.

È una soluzione molto elegante, soprattutto per:

• transponder lineari;
• telemetria;
• weak signal;
• sperimentazione automatizzata.

Pre-amplificatore da palo

Sul downlink UHF, una lunga discesa di coassiale può introdurre diversi dB di perdita.

Installare un LNA vicino all’antenna può migliorare notevolmente la ricezione.

Bisogna però proteggerlo durante la trasmissione.

Possibili soluzioni includono:

• sequencer;
• relè RF;
• duplexer;
• sistemi di commutazione;
• preamplificatori con protezione integrata.

Filtri

In una stazione full duplex i filtri possono diventare fondamentali.

Servono per evitare che il trasmettitore VHF saturi il ricevitore UHF o viceversa.

Possiamo utilizzare:

• filtri passa-banda;
• passa-basso;
• passa-alto;
• notch.

Il problema dipende molto dall’hardware utilizzato.

SDR e satelliti

Un SDR rappresenta un eccellente strumento didattico.

Possiamo visualizzare l’intero downlink di un transponder lineare.

Vediamo:

• beacon;
• stazioni;
• variazioni Doppler;
• banda passante.

È un modo straordinariamente intuitivo per comprendere cosa stia accadendo.

Ricevere la telemetria

Molti CubeSat trasmettono dati di telemetria.

Possiamo quindi:

• ricevere beacon;
• decodificare pacchetti;
• osservare parametri del satellite;
• contribuire ad attività di citizen science.

Non tutto il radiantismo satellitare consiste nel fare QSO.

Una parte importante riguarda proprio:

ricezione, analisi e sperimentazione.

Controllare sempre lo status

Un satellite che oggi funziona può domani:

• essere spento;
• entrare in safe mode;
• perdere una batteria;
• terminare la missione;
• cambiare configurazione.

Per questo motivo è meglio non pubblicare una “lista eterna dei satelliti attivi”.

AMSAT mantiene una pagina globale di stato e liste aggiornate di satelliti FM, lineari e digipeater proprio perché la situazione cambia nel tempo.

Un satellite può funzionare per decenni

Un caso storico affascinante è AMSAT-OSCAR 7.

Fu progettato negli anni Settanta con una vita prevista relativamente breve, ma è rimasto celebre per la sua sorprendente longevità operativa e per il ritorno in servizio dopo un lungo periodo di silenzio. AMSAT continua a documentarne payload e storia.

È una meravigliosa dimostrazione di quanto l’ingegneria radioamatoriale possa lasciare tracce durature nello spazio.

Prima stazione satellitare: configurazione suggerita

Per chi parte da zero, una configurazione razionale potrebbe essere:

RTX VHF/UHF dual band

piccola Yagi portatile dual band

smartphone con tracking

cuffie

5 W iniziali.

Nient’altro.

Prima impariamo a ricevere.

Poi proviamo alcuni passaggi.

Solo successivamente pensiamo a:

• full duplex;
• seconda radio;
• preamplificatori;
• rotori;
• antenne incrociate;
• SDR.

Una progressione ideale

Livello 1

Ricevere beacon e satelliti FM.

Livello 2

Seguire manualmente il Doppler.

Livello 3

Ricevere ISS.

Livello 4

Ricevere SSTV quando programmata.

Livello 5

Primi QSO FM.

Livello 6

Full duplex.

Livello 7

Transponder lineari SSB/CW.

Livello 8

Tracking automatico.

Livello 9

Telemetria, SDR e sperimentazione avanzata.

In questo modo ogni nuovo componente della stazione risolve un problema che abbiamo già imparato a riconoscere.

L’errore peggiore del principiante

Comprare immediatamente:

• rotore;
• due grandi Yagi;
• preamplificatori;
• interfacce;
• computer;
• SDR;
• amplificatore.

E poi non riuscire a ricevere il primo satellite perché il programma utilizza elementi orbitali sbagliati.

L’attività satellitare si impara molto meglio iniziando in maniera semplice.

Una radio.

Un’antenna in mano.

Il cielo.

Il momento del primo passaggio

Quando ascolterete per la prima volta il downlink emergere dal rumore mentre il satellite sale dall’orizzonte, capirete immediatamente perché tanti radioamatori si appassionano a questa attività.

Il segnale aumenta.

Muovete l’antenna.

Correggete il Doppler.

Le stazioni iniziano ad apparire.

E improvvisamente vi rendete conto che quelle voci non stanno arrivando da un ripetitore sulla collina.

Il segnale che state ascoltando è appena salito nello spazio ed è tornato sulla Terra.

Conclusioni

L’attività satellitare rappresenta una straordinaria sintesi di molte discipline radioamatoriali:

• antenne;
• propagazione;
• meccanica orbitale;
• Doppler;
• elettronica RF;
• software;
• modi digitali;
• operating practice.

E soprattutto ha una caratteristica bellissima:

si può iniziare con pochissimo.

Non serve costruire immediatamente una stazione da centro spaziale.

Per i primi esperimenti possono essere sufficienti un portatile, una piccola direttiva e qualche minuto trascorso sotto il cielo.

Poi, inevitabilmente, arriveranno:

il secondo ricevitore;

il NanoVNA;

il preamplificatore;

il rotore;

le antenne incrociate;

il computer.

Perché il radiantismo funziona così.

Si inizia cercando un piccolo satellite con un’antenna in mano.

E qualche mese dopo ci si ritrova a progettare una stazione automatizzata che insegue oggetti nello spazio.