Radyo Amatörleri ve Uydular
Radyo amatörleri genellikle LEO (alçak dünya yörüngesi) uyduları ile ilgileniyor olsalar da (çok sayıda LEO uydusunda amatör frekansların kullanılıyor olması sebebiyle), amatörlerin kullandığın orta yörünge ve hatta yüksek yörünge (GEO, dünya ile senkron dönen uydular, örneğin televizyon uyduları) uyduları da mevcuttur.
Resim-1. RTL-SDR ile QO-100 uydusunu dinleme makalesi.
GEO uydulardan en çok ilgi göreni Eshail-2 uydusu üzerine Alman radyo amatörleri tarafından yapılan QO-100 transponderidir. Bu konu ile ilgili çok güzel bir yazıyı şu makalemizde okuyabilirsiniz.
Uydular ve Yörüngeler
Küp uydular genelde 300 Km. özel yörüngede bulunan ISS’nin irtifası kadar ve bazen de 1.000 Km’ye kadar olan irtifalarda yer alırlar. Alçak Dünya Yörüngesi (Low Earth Orbiting-LEO)‘daki uydular, ortalama 1,5 saatlik bir sürede dünya etrafında bir tur dönmektedir. LEO uydular her gün ortalama 11 (onbir) kez üzerimizden geçmekte olup, bunlardan 2 (iki) tanesi yüksek geçiş olmaktadır.
Uydular hareketleri esnasında ufuktan ne kadar çok yükselirler ise uydu üzerinden haberleşmek için o kadar çok zamanımız olmaktadır. Uydular bazen ufukta bir noktadan çok az yükselip birkaç dakika içinde tekrar kaybolurlar. Bazen ise tam üzerimize doğru gelip tam tepemizden geçecek şekilde yükselerek ufkun diğer tarafından kaybolurlar. Bu geçişlere “dik geçiş” adı verilir ve geçiş açısı 90 dereceye yakındır. Yani uydunun geçiş açısı (elevasyon) ne kadar yüksek ise uydu görüşümüzde o kadar uzun süre kalacak demektir.
Uydu sabit bir yörüngede dönüyor olsa da Dünya’nın kendi etrafındaki dönüşü nedeniyle uydunun her geçişteki yer izi de sürekli değişime uğramaktadır. Uydu kuzey kutbu ile güney kutbu arasında dünya etrafında dikine hareket ederken olabildiğince çok güneş görebileceği güneş-senkron yörüngeye yerleştirilmeye çalışılırlar. Bu sayede güneş panelleri sürekli güneş görür ve hu hareketleri neticesinde üzerimizden geçiş açıları (elevasyon ve azimut) sürekli artan ya da azalan bir değişim gösterir.
Yörünge Bilgileri
Gökbilimde yörünge kavramı “bir gökcisminin bir diğerinin kütleçekimi etkisi altında izlediği yol” olarak tanımlanmaktadır. Yörüngelerin matematiksel özelliklerini Alman gökbilimci ve matematikçi Johannes Kepler (1571-1630) incelemiş ve gezegenlerin hareketlerini belirleyen temel kuralları ampirik olarak ortaya koymuştur.
Resim-2. Uydu Yörüngeleri.
Doğru bir uydu izleme çalışması için seçilen uydunun yörünge bilgilerinin ve o uydunun doğru geçiş zamanlarının bilinmesi gerekir. Bunun için kullanılacak yazılımlar sizin için hesaplamaları yapmakta ve görsel olarak sunmaktadır. Bu yazılımlardan “Yazılımlar” bölümünde söz edeceğiz.
Bir çok uydu türü (LEO, MEO, GEO, piko, nano, küp, vb.) vardır. Bu nedenle anlaşılması kolay olması için bu ayrımı yapı tiplerine (mikro, nano, piko vb.) göre değil de, uyduların Dünya’ya olan uzaklık ve konumlarına göre gruplamak işimizi biraz daha kolaylaştıracaktır.
Değişik yörüngelerin kullanılması; uydulardan beklenen görev misyonu ve bu uydulardan beklenen faydalı ömür ile doğru orantılıdır. Küp uydular kısa süreli ve özel deneysel görevler için genellikle LEO türü alçak yörüngeye yerleştirilirler, ancak LEO yörüngedeki bir uydunun yeryüzündeki kapsama alanı oldukça düşüktür. Diğer yandan güçlü yerçekiminin etkisi nedeniyle konumlandırma güçlüğü ve bu nedenle yakıt ve enerji harcamaları da bu ömrü kısaltmaktadır. LEO’da minimum seviyede yörüngeye yerleştirilen deneysel uydular bir iki ay içerisinde tutum kaybedip atmosfere girerek yanmaktadır. Bu tür kısa ömürlü uydular daha az maliyetle yaklaşık 300 km. irtifada bulunan UUI’den (ISS) robotik kollarla da fırlatılabilmektedirler.
Üst yörüngelere geçiş de, bir anlamda alçak yörüngeden yüksek yörüngeye geçiş şeklinde tamamlanmaktadır. Buna göre asıl yörüngesine yerleştirilecek uydu, taşıyıcı ile önce LEO’ya daha sonra ise burada ana taşıyıcıdan ayrılarak yardımcı sistemlerle görev yapacağı yörüngeye götürülebilmektedir. Yörüngelerin tanımları ve açıklamaları şu şekildedir.
Tablo 1 –Yörünge Türleri
Resim-3. Yörünge tipleri.
Daha önce de değindiğimiz gibi, en çok çalışma yapılan ve tercih edilen yörünge grubu olan LEO yörünge grubundaki amatör uydulardır. Yörüngelerinde Dünya etrafında yaklaşık 96-100 dakika arasında dönmektedirler. İnsan yapısı uydularla ilgili özel bir istisna olarak Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) öne çıkmaktadır.
Fırlatılacak her uydu için fırlatıcı ve IARU arasında yapılan görüşmeler ve frekans regülasyonu neticesinde kullanacağı band ve frekanslar belirlenmektedir. Bu frekans regülasyonunda kural öncelikle üreticinin bulunduğu ülkede amatör uydu organizasyonlarıdır ki bu konu için Türkiye’de Amatör Uydu Teknolojileri Derneği (TAMSAT) ile iletişime geçilmesi gerekmektedir. Görev özelliğine göre band ve frekans kullanımı band ve frekans planı uyarınca yapılmakta olup, aralık değerleri aşağıda görüldüğü üzeredir.
Resim-4. Haberleşme band ve frekanslar tablosu.
Herhangi bir cismin yörüngeye girdiği hıza “yörünge hızı” denir. LEO yörüngedeki uyduların hızı 680-800 km. yükseklikte ortalama 27.000 km/saat (saniyede 7,5 km/s) civarındadır. Yüksekliğin artmasıyla birlikte yerçekimi etkisi de azalmaktadır.
Uyduların sahip oldukları yüksek hızları ve bu hızı korumaları, yerleştirildikleri yörüngelerinde tutum için gereklidir. Fırlatma araçları ile yörüngeye yerleştirilmeleri esnasında elde edilen bu hız, hava sürtünmesinin olmadığından dolayı uydu ömrü boyunca korunur. En ince detayına kadar hesaplanan yörüngede, bu hızdan daha alçak hızlarda uydu iz üzerinde tutulumunu kaybederek atmosfere hızla girip tıpkı bir meteor gibi yanacak, tersi durumunda ise merkezkaç kuvvetinin etkisiyle de dış uzay boşluğuna doğru savrulacak ve yörünge izini kaybedecektir. Kontrolsüz bir şekilde yörüngesinden çıkabilecek uydunun diğer aktif uydular için her daim bir tehlikeli obje (uzay çöpü) niteliği taşıyacağı aşikardır.
Yapay uyduların tümü hareket ekmek zorundadır. Bu tamamen uydunun yerleştirildiği yörüngenin türü ile ilgilidir. Çanak antenlerin konumunun değiştirilmemesi veya TV uyduları gibi eşzamanlı (GEO) yörüngedeki uydular nedeniyle bunlar sabit konumdaymış gibi algılansa da aslında Dünya çevresinde 24 saatte bir dönmektedir. “Sabitlik” kavramı pratikte; uydunun Dünya ile aynı açıda dönüş yaptığı için gözlemciye göre uydu konumunun değişmemesi (sabit kalması) olarak adlandırılmıştır.
LEO yörüngedeki uydular faydalı kullanım ömürleri sonunda kontrollü bir şekilde yörünge dışına çıkarma (de-orbit) işlemi ile kendi etrafında takla atması sağlanarak dengesi ve dolayısıyla tutumu bozulur. Bir süre sonra da atmosfere hızla girerek yanar ve yok olur.
Tipik yörünge yükseklikleri baz alındığında LEO’daki uydular her 96-100 dakikada bir Dünya etrafında tur atarlarken, GEO’daki uydular bu turu 24 saatte tamamlarlar. GEO’daki uydular LEO’dakilere nazaran daha büyük hacimli ve genelde pahalı sistemlerdir. İçlerinde itici/konumlandırıcı mini itici motorlar için belirli miktarda yakıt barındırırlar.
Uydu yörüngesindeki sapmalar, periyodik olarak yılın belirli zamanlarında veya ihtiyaç duyulduğunda uydu çevresinde bulunan minik iticilerin çok kısa zaman aralıklarında ateşlenmesi ile giderilir. Bu iticilerin kullanımı da doğal olarak yakıtın harcanmasına ve zamanla de bitmesine sebep olmaktadır.
Kontrol edilebilir bu tür bir uydu sistemi, teknolojik gelişim ve fayda ömrü de düşünüldüğünde 10-12 yıl arasında veya biraz daha uzun sürelerde görevini sürdürmesi mümkündür. Depolanmış yakıtın kritik seviyeye düşmesi ve uydunun da faydalı ömrünü doldurduğuna karar verilmesi ile birlikte; uydu yer kontrol istasyonundan gönderilen komutlarla uydu kalan son yakıtını kullanarak motorlarını son bir kez daha ateşler. Ateşleme ile birlikte uydu yörüngesinden çıkar ve sonsuza kadar kalacağı “uydu mezarlığı” olarak da tabir edilen bir üst yörüngeye yerleşir. Uydu mezarlığı yörüngesine ulaştığında milyon dolarlık bu araçların aslında tüm sistemleri faal ve çalışıyordur ancak artık Yer’den kontrolsüzdür ve görevi sonlandırılmıştır.
Doppler Nedir?
Uydu vericisinin alıcı ve verici frekans değeri aslında hiç değişmemesine (sabit kalmasına) rağmen, yerden takip edilmeye çalışıldığında Uplink/Downlink frekansındaki değişimin sebebi doppler etkisidir. Bu kayma etkisi sağlıklı bir haberleşme için hem uyduyu dinlemede (RX/Downlink) hem de uyduya göndermede (TX/Uplink) önemli bir ayrıntıdır. Bu sebeple önce doppler etkisinin sebebinin ne olduğunu anlaşılması ve nasıl tolere edileceğinin belirlenmesi gerekmektedir.
Doppler etkisi (veya Doppler kayması), adını ünlü bilim insanı ve matematikçi Christian Andreas Doppler’den almakta olup, kısaca dalga özelliği gösteren herhangi bir fiziksel varlığın frekans ve dalgaboyunun hareketli (yakınlaşan veya uzaklaşan) bir gözlemci tarafından farklı zaman veya konumlarda farklı algılanması olayıdır. Aslında Doppler Etkisi’nde “etkilenen” asıl fiziksel değişken dalga boyudur. Elbette dalga boyu ile frekans ters orantılı olduğundan gözlemciye göre dalga kaynağının frekansı da değişiyor gibi görünür.
Uydu haberleşme sistemlerinde herkes tarafından sıklıkla teleffuz edilen “delay” “gecikme” kavramı da kullanılan yörünge ile doğrudan ilgilidir. Mesafe uzadıkça RF sinyallerinin boşlukta yapacağı yolculuğunda süresi uzayacaktır ve dolayısı ile farklı yörüngelerdeki uydular üzerinden gerçekleşen iletişim süreleri de birbirinden farklı olacaktır.
Uydudan Yer’e gönderilen sinyalin dalgaboyunun değişmesi sonucunda, yerdeki takipçi operatörün anteni aracılığı ile cihazına birim zamanda ulaşan enerji miktarını değişmektedir. Bu durum, elektromanyetik dalganın frekansındaki değişim olarak algılanır. Kabaca bir hesapla uydu sinyalinin anlık konumda Yer’deki operatörün antenine ne kadar zamanda ulaştığını (geciktiğini) hesaplayalım;
- Işık Hızı : Saniyede 300.000 Km.
- Uydu Yüksekliği : 800 Km.
- Sinyalin Yer’e Varış Zamanı: 800/300.000=0,0026 sn.
- (Benzer bir hesap GEO – 36.000Km – yörüngesi için yapıldığında oldukça yüksek bir değer çıkmaktadır)
Görüldüğü üzere LEO uydulardaki delay önemsenmeyecek kadar küçüktür, bu anlamda haberleşmenin gerçek zamanlı olacağı söylenebilir. Ancak bu hesaba doğrudan katmadığımız ve asıl doppler etkisinin oluşmasına neden olan bir diğer faktör ise uydunun sahip olduğu yüksek hızdır. LEO Uydular saniyede yaklaşık 7,3 Km hızla hareket etmektedir. Bu hız yaklaşan bir uydunun 144 MHz’de (2 metre dalgaboyu) için oluşturacağı doppler yaklaşık 10Khz olacaktır.
Resim-5. Doppler Miktarının Hesaplanması.
Sabit uydu frekansının, Yer’deki gözlemci operatörün cihazında/izleme yazılımındaki frekans alanındaki değişimi, Yer’den uyduya çıkış (Uplink) esnasında da ise tersi bir etkiye neden olmaktadır. Bu durumda uydunun alıcı sistemi doppler etkisine maruz kaldığı için Yer’den gönderilen sabit frekansı takip edemez. Otomatik izleme sistemleri bu kaymayı tolere edecek şekilde gönderme (Uplink-TX) frekansınızı kaydırır.
Bilgisayar kontrollü cihazlarda bu işlem otomatik olarak tolere edilir. Bilgisayar hem rotor sistemini kontrol ederek antenlerin uygun azimuth ve elevasyon yüksekliğinde kalmasını hem de alma (Downlink–RX) ve gönderme (Uplink-TX) frekansının değişmesini sağlamaktadır.
Mevcut Amatör Uydular-Alçak Dünya Yörüngesi (LEO)
İzlediğimiz amatör uydular yapılış ve kendilerinde beklenen görevlere göre değişik haberleşme sistem ve modları kullansa da öne çıkan seçenekler genellikle şunlardır;
- İşaretçi (beacon sinyalleri ve bazı basit telemetre verileri için) sürekli taşıyıcı dalga (Carrier Wave-CW),
- Resim aktarma için yavaş taramalı televizyon (Slow Scan TV-SSTV ve ISS’de HamVideo Digital TV 2395 MHz)
- Sayısal radyo modları (PSK31, GMSK, AFSK, APRS),
- Tek (Digitalker) veya çift yönlü (QSO) ses haberleşmesi, bazı işaretçi (beacon) uygulamaları (genellikle FM modunda).
Bunların dışında özendirme, deneysel ve özel çalışma altında çok kısa süreli, genellikle de Uluslararası Uzay İstasyonu’ndan bırakılan basit yapılı çalışmalarda mevcuttur. Bunlara örnek olarak içinde haberleşme sistemi bulunan SuitSat adı verilen boş astronot elbisesinin uzay boşluğuna bırakılması örnek olarak gösterilebilir.
Yörüngede bulunan Amatör Uyduların durumları ile ilgili güncel bilgilere The Radio Amateur Satellite Organization (AMSAT)‘ın sayfasından buradaki linki kullanarak ulaşabilirsiniz. Bu sayfada aşağıdakine benzer bir görüntü göreceksiniz;
Resim-6. Uydu geçişleri tablosu.
Sol tarafta aşağıya doğru son duyulan uyduların isimleri yer almaktadır, bu uydu ile ilgili detaylı bilgi (frekansı, yörüngesi, taşıdığı yük vb.) almak istiyorsanız üzerine klikleyebilirsiniz.
Uydunun yanında ise son bir haftada bu uyduyu duyanların raporladığı bilgiler yer almaktadır. Mavi kutucuklar içinde yer alan sayılar uydunun transponderinin aktif olduğunu raporlayan kişi sayısını, sarı kutucuklar içindeki sayılar beacon sinyalini kaç kişinin raporladığını, kırmızı rakamlar uydudan sinyal alınamadığını kaç kişinin raporladığını belirtir. Bu kutucuklar üzerine farenizi getirdiğinizde daha detaylı olarak kimlerin raporlama yaptığını da görebilirsiniz.
Yazı Dizisi İndeksi
1. Bölüm – Amatör Uydu Haberleşmesi – Giriş
Amatör uydu haberleşmesi konusunda genel bilgiler ve giriş yazısı.
3. Bölüm – Amatör Uydu İzleme İstasyonu Konumu ve Bileşenleri
Yazı dizisinde anlatılan ve kurulması hedeflenen yer istasyonu için ihtiyaçlar (gereksinimler).
4. Bölüm – Amatör Telsiz Cihazı Özellikleri
Uydu haberleşmesi için kullanılabilecek amatör telsizlerin genel özellikleri ve kullanılabilecek telsiz cihazları için öneriler.
5. Bölüm – Bilgisayar ve Yazılımlar
Amatör uydu takip yazılımları ve bu yazılımların çalıştırılabileceği temel bilgisayar özellikleri, bilgisayar programlarının amatör uydu izleme ve takip çalışmalarındaki kullanımı.
6. Bölüm – Anten Rotor Kontrol Arabirimi
Yönlü antenlerin kumanda işleminin hangi donanımlar ve yazılımlar yardımı ile yapılabileceği ve bunların istasyon için kullanımı.
7. Bölüm – Modem ve Ses Arayüzleri
Sayısal haberleşme yapabilmek amacıyla kullanılabilecek modemler ve bilgisayar-telsiz ses uyumlandırma cihazları.
8. Bölüm – Güç ve Alıcı Amplifikatörleri
Alıcı antene ulaşan zayıf sinyallerin ön yükseltmesini yaparak iletim hattında (koaksiyel kablo) oluşacak zayıflamaların da etkisini azaltmak amacı ile kullanılan ön yükselteçler (preamplifikatörler) ve uydu çalışmalarında nadiren ihtiyaç duyulan ancak Ay yansıtması ya da meteor çalışmaları gibi yüksek güç gerektirecek çalışmalarda kullanabilecek güç yükselteçleri.
9. Bölüm – Antenler ve Anten Kulesi
Amatör uydu çalışmaları için kullanılabilecek farklı yapıda ve polarizasyon özelliklerine sahip antenler ve bu antenlerin anten kulelerine montajı, bölüm kapsamında anten birleştirme ve güç bölme amacıyla kullanılan birleştirici/bölücü elemanlar.
10. Bölüm – Örnek Bir Amatör Uydu İzleme İstasyonu Kurulumu ve Bağlantılar
Önceki bölümlerde anlatılan tüm bileşenlerin bir istasyon için nasıl bir araya getirileceği, bağlantılarının nasıl yapılacağı, bu bağlantılar yapılırken nelere dikkat edilmesi gerektiği.
