#15 – Sternenstaub-Detektive: künstliche Objekte

Künstliche Objekte am Sternenhimmel: Ein Leitfaden für DIY-Radioteleskope

Einleitung: Das Universum im Eigenbau empfangen

Die Amateur-Radioastronomie bietet eine einzigartige und faszinierende Möglichkeit, das Universum zu erkunden. Über die Beobachtung natürlicher Radioquellen hinaus ermöglicht sie es Enthusiasten, Signale von künstlichen Objekten im Weltraum mit selbstgebauter Ausrüstung zu empfangen und auszuwerten. Diese Disziplin verbindet die Leidenschaft für Astronomie mit praktischen Ingenieursfähigkeiten und bietet eine direkte, dynamische Verbindung zu aktuellen Raumfahrtmissionen und technologischen Errungenschaften. Es handelt sich um ein intellektuell lohnendes Unterfangen, das zu einzigartigen Beobachtungen und einem tiefen Verständnis der Raumfahrt führen kann.

Die Möglichkeit, sophisticated space communication reception zu betreiben, ist nicht länger ausschließlich großen, gut finanzierten Institutionen vorbehalten. Der Zugang zu Technologie hat sich erheblich demokratisiert. Beispielsweise wurde der Amateurfunksatellit OSCAR 10 mit handelsüblichen Komponenten gebaut.[1] Ein grundlegendes System, das einen Personal Computer nutzt, kann bereits für wenige hundert US-Dollar zusammengestellt werden.[2] Darüber hinaus nutzen Softwarelösungen wie WXtoImg die 16-Bit-Abtastfähigkeiten von Soundkarten, um eine bessere Dekodierung zu ermöglichen, als dies mit teurer, speziell entwickelter Hardware möglich wäre.[3] Die Verbreitung erschwinglicher Software Defined Radios (SDRs) wie dem RTL-SDR [4] senkt die Einstiegshürde weiter. Diese Entwicklung zeigt, dass die Schwelle für die Teilnahme an der Weltraumkommunikation und die Beobachtung des Weltraums erheblich niedriger ist, als gemeinhin angenommen. Der vorliegende Leitfaden zielt darauf ab, praktische Schritte aufzuzeigen, wie diese Zugänglichkeit genutzt werden kann, um mit DIY-Setups greifbare Ergebnisse zu erzielen.

Grundlagen des Amateurfunk-Radioastronomie-Empfangs

Ein DIY-Radioteleskop setzt sich typischerweise aus mehreren Schlüsselkomponenten zusammen. Dazu gehören eine Antenne zum Auffangen der Radiowellen, ein Empfänger – häufig ein Software Defined Radio (SDR) – zur Umwandlung der analogen Radiosignale in digitale Daten, ein Computer zur Signalverarbeitung und schließlich spezialisierte Software zur Dekodierung und Visualisierung der empfangenen Informationen.[5]

Für den erfolgreichen Empfang sind mehrere technische Konzepte von grundlegender Bedeutung:

Frequenzbereiche: Künstliche Objekte senden in spezifischen Frequenzbändern. Wettersatelliten nutzen beispielsweise das 137 MHz-Band [6][7], während Tiefraumsonden oft im S-Band (2.2-2.9 GHz) und X-Band (8.4-8.5 GHz) senden.[8] Diese höheren Frequenzen ermöglichen in der Regel höhere Datenraten und sind weniger anfällig für Störungen.[9] Die Auswahl der Antenne und des Empfängers muss präzise auf den Frequenzbereich des Zielobjekts abgestimmt sein, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Modulation: Die Art und Weise, wie Informationen auf die Funkwelle aufmoduliert werden, variiert stark. Signale können analog moduliert sein, wie beispielsweise das Automatic Picture Transmission (APT)-Format von Wettersatelliten [2][7], oder digital, wie AX.25 oder PSK-31, die bei Amateurfunksatelliten zum Einsatz kommen.[1] Das Verständnis der jeweiligen Modulation ist für die korrekte Dekodierung der empfangenen Daten unerlässlich.
Rauschen (Noise): Das allgegenwärtige Hintergrundrauschen stellt eine der größten Herausforderungen in der Radioastronomie dar. Es kann sowohl von terrestrischen Quellen, wie beispielsweise von Menschen verursachten Störungen [9], als auch von kosmischen Ursprüngen herrühren, wie dem von Karl Jansky entdeckten „Hiss“.[10] Die Fähigkeit, schwache Signale aus diesem Rauschen herauszufiltern und zu verstärken, ist der Kern der Empfangstechnik. Radioastronomen verwenden die Systemrauschtemperatur ($T_s$) als ein praktisches Maß für die Rauschleistung pro Bandbreite.[10]

Der Aufbau eines DIY-Radioteleskops ist eine Übung in der Systemintegration. Die vorliegenden Informationen zeigen, dass ein erfolgreicher Empfang nicht von einer einzelnen Komponente abhängt, sondern von einer sorgfältig aufeinander abgestimmten Kette von Geräten. Für den Tiefraumempfang ist beispielsweise eine Kombination aus Schüssel, Feed, rauscharmer Verstärker (LNA) und Downconverter erforderlich.[8] Ein Heimbausystem kann eine TV-Schüssel, einen Signalstärken-Detektor, eine Schnittstelle, eine Soundkarte und Software umfassen.[5] Die Diskussion über Rauschen und dessen Einfluss auf die Signalerkennung unterstreicht, dass jeder Teil des Systems, von der Antenne bis zur Software, zur Gesamtleistung beiträgt.[10] Dies erfordert ein ganzheitliches Denken über das eigene Setup und das Verständnis, wie jede Komponente interagiert und zur endgültigen Signalqualität beiträgt, anstatt sich nur auf einzelne Teile zu konzentrieren. Dieser Ansatz ist entscheidend für die Fehlerbehebung und Leistungsoptimierung.

Künstliche Objekte für Amateur-Radioteleskope

Der Sternenhimmel ist nicht nur von natürlichen Himmelskörpern bevölkert, sondern auch von einer wachsenden Zahl künstlicher Objekte, die für Amateur-Radioastronomen zugänglich sind. Während übliche TV-/Radio- und Militärsatelliten hierbei außer Acht gelassen werden, liegt der Fokus auf Objekten, die für die astronomische Wissenschaft von Bedeutung sind oder spannende Möglichkeiten für den Amateurfunk bieten.

3.1 Wettersatelliten (NOAA APT)

Die NOAA-Wettersatelliten (National Oceanic and Atmospheric Administration) sind polumlaufende Satelliten, die kontinuierlich Wetterbilder im Automatic Picture Transmission (APT)-Format zur Erde senden. Sie stellen aufgrund ihrer relativ starken Signale und der Verfügbarkeit von Open-Source-Software einen idealen und beliebten Einstiegspunkt für Amateure dar.[2][6][7][11]

Diese Satelliten senden im 137 MHz-Band. Das Signal ist ein analoger 2400 Hz AM-Subträger, der auf einen 137 MHz-RF-Träger frequenzmoduliert wird, mit einer Bandbreite von etwa 34 kHz.[2][6][7] Bei der Wiedergabe über Lautsprecher erzeugt das Signal einen charakteristischen „Tick-Tock“-Klang.[2] Die effektive Strahlungsleistung (ERP) dieser Satelliten beträgt typischerweise etwa 37 dBm, was 5 Watt entspricht.[7]

Die folgende Tabelle listet die aktiven NOAA APT Satelliten und ihre Empfangsparameter auf, die für den direkten Start des Empfangs unerlässlich sind und dem DIY-Enthusiasten konkrete, umsetzbare und präzise Informationen liefern:

Tabelle 1: Aktive NOAA APT Satelliten und Frequenzen

Satellit	Frequenz (MHz FM)	Modulation	Bandbreite (kHz)	Typische ERP (Watt / dBm)	Hinweise
NOAA 15	137.6200	FM (AM-Subträger)	34	5 W / 37 dBm	Aktiv, beliebter Einstieg
NOAA 18	137.9125	FM (AM-Subträger)	34	5 W / 37 dBm	Aktiv
NOAA 19	137.1000	FM (AM-Subträger)	34	5 W / 37 dBm	Aktiv

Das Verfolgen von Satelliten und der Empfang ihrer Sendungen ist äußerst lohnend und vermittelt ein Gefühl der direkten Interaktion mit den Raumfahrzeugen über uns.[2] Die niedrige Einstiegshürde, kombiniert mit der Tatsache, dass für reine Empfangsstationen keine Amateurfunklizenz erforderlich ist [2], und der sofortigen, greifbaren Ausgabe von Wetterbildern, bietet eine äußerst befriedigende Erfahrung. Dieser schnelle Erfolg kann das Vertrauen erheblich stärken und zur weiteren Erforschung komplexerer Radioastronomieprojekte ermutigen. NOAA APT-Empfang ist somit ein idealer Ausgangspunkt für Anfänger in der DIY-Radioastronomie, da er ein kostengünstiges, rechtlich zugängliches und visuell ansprechendes Projekt bietet, das sofortiges Feedback liefert und somit das Engagement des Podcast-Publikums fördert.

3.2 Amateurfunksatelliten (OSCARs & CubeSats)

Amateurfunksatelliten, oft als OSCARs (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio) bezeichnet, dienen lizenzierten Funkamateuren für Sprach- (FM, SSB) und Datenkommunikation (AX.25, Paketfunk, APRS). Derzeit befinden sich über 18 voll funktionsfähige Amateurfunksatelliten im Orbit, die als Repeater, lineare Transponder oder digitale Store-and-Forward-Relais fungieren können.[1]

Die Amateurfunksatelliten-Gemeinschaft hat maßgeblich zur Weiterentwicklung der Satellitenkommunikation beigetragen. Zu den bemerkenswerten Errungenschaften gehören der Start des ersten Satelliten-Sprach-Transponders (OSCAR 3) und die Entwicklung hochmoderner digitaler „Store-and-Forward“-Nachrichtenübertragungstechniken.[1][12] Funkamateure sind seit den 1960er Jahren aktiv in die Raumfahrt involviert und konstruieren kleine bis mittelgroße Nutzlasten, die als „Piggyback-Loads“ auf kommerziellen oder wissenschaftlichen Satelliten installiert werden.[13] Besonders populär sind dabei CubeSats, standardisierte, würfelförmige Satelliten mit einer Kantenlänge von 10 cm, die als Nutzlasten ins All gebracht werden.[13]

Ein frühes und wegweisendes Beispiel war OSCAR 1, der 1961 als erster Amateurfunksatellit als sekundäre Nutzlast gestartet wurde. Trotz seiner kurzen Lebensdauer von nur 22 Tagen war OSCAR 1 ein großer Erfolg, da über 570 Funkamateure in 28 Ländern ihre Beobachtungen an das Projekt OSCAR meldeten.[1] Viele LEO-OSCARs (Low Earth Orbit) nutzen Frequenzmodulation (FM) und können mit handelsüblichen Amateurfunkgeräten empfangen werden; sie werden oft als „FM LEOs“ oder „FM Birds“ bezeichnet.[1] Ein herausragendes Beispiel für einen geostationären Amateurfunksatelliten ist Es’hail 2 / QO-100, der seit 2018 in Betrieb ist und eine Abdeckung von Brasilien bis Thailand bietet. Dieser Satellit verfügt über Transponder im 2.4 GHz (Uplink) und 10.4 GHz (Downlink) Bereich.[1]

Die Aktivitäten im Amateurfunk sind weit mehr als nur ein Hobby; sie stellen eine bedeutende, oft wegweisende Kraft in der Entwicklung von Raumfahrttechnologien dar. Die Tatsache, dass OSCAR 10 mit handelsüblichen Komponenten von einem Elektronikfachgeschäft gebaut wurde [1], unterstreicht den innovativen DIY-Geist, der oft der professionellen Einführung von Technologien vorausgeht. Die Existenz eines geostationären Amateurfunksatelliten wie Es’hail 2 / QO-100 mit seiner weitreichenden Abdeckung [1] verdeutlicht das Potenzial für eine globale, gemeinschaftsgetragene Infrastruktur. Dies zeigt, wie Beiträge von Amateuren, selbst in kleinem Maßstab, Teil eines größeren, wirkungsvollen globalen Netzwerks sein können, das die Grenzen der Satellitenkommunikation verschiebt und die internationale Zusammenarbeit fördert.

3.3 Tiefraumsonden und wissenschaftliche Missionen

Der Empfang von Signalen von Tiefraumsonden ist ein faszinierendes, jedoch äußerst anspruchsvolles Feld, das fortgeschrittene Ausrüstung und Fachkenntnisse erfordert. Dennoch haben engagierte Hobbyisten bewiesen, dass es mit „bescheidenen Systemen“ möglich ist, Trägersignale von Sonden zu empfangen.[8] Beispiele hierfür sind der Empfang von Bepi-Colombo aus einer Entfernung von 15.2 Millionen Kilometern mit einer 1.2m-Schüssel und der JUNO-Raumsonde aus 616.4 Millionen Kilometern Entfernung mit einer 3.5m-Schüssel.[8]

Tiefraumsonden senden typischerweise im S-Band (2.2-2.9 GHz) und X-Band (8.4-8.5 GHz).[8] Diese höheren Frequenzen werden bevorzugt, da sie weniger Störungen aufweisen und höhere Datenraten für die Übertragung wissenschaftlicher Daten ermöglichen.[8][9] Der Schlüssel zum Erfolg beim Empfang dieser extrem schwachen Signale liegt in der Verwendung sehr großer und hochdirektionaler Antennen, die präzise auf die Sonde ausgerichtet sind.[9] Trotz der relativ geringen Sendeleistung der Sonden (z.B. Voyager mit 23 Watt [9]) ermöglichen große Empfangsantennen, wie die 70m-Schüsseln des NASA Deep Space Network (DSN) [8], und extrem empfindliche rauscharme Verstärker (LNAs) den Empfang der schwachen Signale.

Ein entscheidender Faktor ist die Doppler-Verschiebung: Da sich Tiefraumsonden und die Erde ständig relativ zueinander bewegen, zeigen die empfangenen Signale eine sich ändernde Frequenzverschiebung.[8] Eine präzise Korrektur dieser Verschiebung, oft basierend auf orbitalen Vorhersagen, ist für den Empfang und die Verfolgung unerlässlich und dient auch als wichtiger Indikator für die Herkunft des Signals.[8][14]

Die folgende Tabelle bietet eine Übersicht über anspruchsvolle, aber potenziell erreichbare Ziele für ambitionierte Amateure im Bereich der Tiefraum-Radioastronomie. Sie liefert wichtige technische Details, die für die Planung und den Versuch des Empfangs dieser fernen Objekte unerlässlich sind:

Tabelle 2: Ausgewählte Tiefraumsonden und Empfangsparameter für Amateure

Sonde	Status	Typische Frequenz (GHz)	Empfangbarkeit für Amateure	Anmerkungen
Voyager 1/2	Aktiv	8.4 (X-Band)	Sehr schwierig, Trägersignal	Benötigt große Schüssel (25m Dwingeloo), präzise Doppler-Korrektur [9][14]
JUNO	Aktiv	8.4 (X-Band)	Extrem anspruchsvoll	Empfang mit 3.5m Schüssel bei 616.4 Mio. km Entfernung dokumentiert [8]
Bepi-Colombo	Aktiv	8.4 (X-Band)	Anspruchsvoll	Empfang mit 1.2m Schüssel bei 15.2 Mio. km Entfernung dokumentiert [8]
OSIRIS-REx	Aktiv	8.445 (X-Band)	Anspruchsvoll	Empfang bei 249.88 Mio. km dokumentiert [8]
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)	Aktiv	8.439 (X-Band)	Anspruchsvoll	Empfang bei 131.11 Mio. km dokumentiert [8]
STEREO-A	Aktiv	8.443 (X-Band)	Anspruchsvoll (einfacher bei Erdnähe)	Signale bei Erdnähe stark genug für Demodulation/Dekodierung auf kleinen Schüsseln [8]
Tianwen-1	Aktiv	8.4 (X-Band)	Anspruchsvoll (einfacher bei Erdnähe)	Signale kurz nach Start stark genug für Demodulation/Dekodierung auf kleinen Schüsseln [8]

Die „Grenzen des Machbaren“ für Amateure verschieben sich kontinuierlich durch technologischen Fortschritt und die Hartnäckigkeit der Gemeinschaft. Obwohl der Empfang von Tiefraumsonden als „herausfordernd“ beschrieben wird, ist er für Hobbyisten mit „bescheidenen Systemen“ möglich.[8] Die erstaunlichen Beispiele des Empfangs von JUNO aus über 600 Millionen Kilometern Entfernung mit einer 3.5m-Schüssel, während die NASA 70m-Schüsseln für denselben Zweck verwendet [8], unterstreichen die bemerkenswerten Leistungen, die durch engagierte Anstrengung und Einfallsreichtum möglich sind. Dies verschiebt die wahrgenommenen Grenzen dessen, was Amateur-Equipment erreichen kann, und hebt die kontinuierliche Innovation innerhalb der Hobbyisten-Gemeinschaft hervor. Die Erwähnung von Tianwen-1 und STEREO-A, deren Signale bei Erdnähe stark genug für die Demodulation und Dekodierung auf kleinen Schüsseln waren [8], bietet zudem zugänglichere „Fenster“ in den Tiefraumempfang für Amateure. Dies inspiriert fortgeschrittene Amateure, indem es aufzeigt, dass selbst Signale von wirklich fernen, wissenschaftlich bedeutsamen Objekten erreichbar sind, wenn auch mit erheblichem Aufwand, spezialisierter Ausrüstung und präzisen Techniken. Es positioniert den Tiefraumempfang als das ultimative Ziel für DIY-Radioastronomen und demonstriert das Potenzial für bemerkenswerte persönliche Erfolge.

3.4 Weitere interessante Objekte (z.B. ISS)

Neben Wettersatelliten und Tiefraumsonden gibt es weitere künstliche Objekte mit wissenschaftlichem Bezug, die für Amateure empfangbar sind. Die Internationale Raumstation (ISS) ist ein prominentes Beispiel. Sie sendet regelmäßig verschiedene Signale, darunter Amateurfunk-Relais für Sprachkommunikation und Slow-Scan Television (SSTV)-Bilder, die von Amateuren empfangen und dekodiert werden können.[2][11] Obwohl die ISS primär für bemannte Raumfahrt und wissenschaftliche Experimente im Erdorbit dient, bieten ihre Funksignale eine direkte Verbindung zur aktuellen Raumfahrt. Die ISS umkreist die Erde in etwa 400 km Höhe [11] und ist aufgrund ihrer häufigen Überflüge und der Nutzung von Amateurfunkfrequenzen im Bereich von 144-146 MHz und 430-440 MHz [11] ein zugängliches Ziel. Die Vielfalt der Beobachtungsmöglichkeiten, die sich Amateuren hier bietet, erweitert den Horizont der zugänglichen Ziele und verbindet das Hobby direkt mit menschlichen Unternehmungen im Weltraum, was eine zusätzliche Ebene des Engagements schafft.

Hardware und Software für den Empfang und die Auswertung

Der Aufbau eines DIY-Radioteleskops erfordert eine sorgfältige Auswahl und Integration von Hardware- und Softwarekomponenten. Die Modularität und Anpassungsfähigkeit sind dabei Kernprinzipien. Ein DIY-Radioteleskop ist kein festes, monolithisches Gerät, sondern ein modulares System, das schrittweise aufgebaut, aufgerüstet und angepasst werden kann. Dieser Ansatz fördert das Experimentieren, ermöglicht eine schrittweise Investition und vertieft das Verständnis für die Rolle jeder Komponente, was perfekt zur DIY-Philosophie passt.

4.1 Empfangshardware für Amateure

Software Defined Radios (SDRs) bilden das Herzstück vieler moderner Amateur-Radioteleskope. Sie sind kostengünstig, flexibel und ermöglichen die Verarbeitung eines breiten Spektrums von Frequenzen. Empfehlenswerte Modelle für den Einstieg und fortgeschrittene Anwendungen sind der preiswerte RTL-SDR sowie leistungsfähigere Optionen wie Airspy, HackRF, BladeRF, LimeSDR und PlutoSDR. Diese Geräte sind in der Lage, Radio-Basisbänder aufzuzeichnen, die später dekodiert werden können.[4]

Die Wahl der Antenne ist entscheidend und hängt stark vom Frequenzbereich des Zielobjekts ab:

Für Wettersatelliten im 137 MHz-Band: Eine Right-Hand Circularly Polarized (RHCP) Quadrifilar Helical Antenna (QFH) ist ideal. Sie ist auf die zirkulare Polarisation der NOAA-Satelliten abgestimmt und bietet eine breite Strahlbreite, was den Empfang auch bei niedrigen Elevationen erleichtert.[7]
Für höhere Frequenzen (z.B. S-Band, X-Band für Tiefraumsonden): Parabolantennen sind unerlässlich, um die notwendige Verstärkung und Richtwirkung zu erzielen. Eine alte C-Band (4-8 GHz) Satelliten-TV-Antenne von einigen Metern Durchmesser kann als kostengünstige Basis dienen.[5][15]

Zusätzliche Komponenten zur Signaloptimierung sind oft unerlässlich, insbesondere für schwache Signale:

Low-Noise Amplifier (LNA): Ein LNA ist entscheidend, um die sehr schwachen Signale direkt an der Antenne zu verstärken und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, bevor das Signal über längere Kabelwege an den Empfänger gelangt. Dies ist besonders wichtig für den Tiefraumempfang.[8]
Downconverter: Für sehr hohe Frequenzen wie das X-Band (8.4-8.5 GHz) ist oft ein Downconverter erforderlich. Dieser wandelt das Hochfrequenzsignal in einen niedrigeren Frequenzbereich um, der von handelsüblichen SDRs oder Empfängern verarbeitet werden kann.[8]
Satelliten-Signalstärken-Detektor (für TV-Schüsseln): Ein kommerzieller Satelliten-Signalstärken-Detektor kann zur ersten, groben Ausrichtung einer Parabolantenne auf bekannte starke Quellen (wie die Sonne) verwendet werden, um eine maximale Signalstärke zu erzielen.[5]

4.2 Dekodierungs- und Visualisierungssoftware

Die Verfügbarkeit leistungsstarker Open-Source-Software ist ein großer Vorteil für die Amateur-Radioastronomie, da sie teure kommerzielle Lösungen oft überflüssig macht.

SatDump: Dies ist eine äußerst vielseitige, generische Software zur Satellitendatenverarbeitung, die sich als umfassende Lösung etabliert hat. Sie deckt alle notwendigen Schritte vom rohen Satellitensignal bis zum fertigen Produkt ab.[4]
- Funktionen: SatDump unterstützt eine breite Palette von SDRs (wie RTL-SDR, Airspy, HackRF, BladeRF, LimeSDR, PlutoSDR etc.) und ist in der Lage, Radio-Basisbänder direkt vom SDR aufzuzeichnen. Es kann Daten von über 90 verschiedenen Satelliten und sogar Raumsonden dekodieren und verarbeiten. Zu den unterstützten Live-Dekodierungsformaten gehören APT, LRPT, HRPT, LRIT und HRIT. Die Software bietet Bild- und Daten-Dekodierung von Satelliten wie NOAA, Meteor-M, GOES, Elektro-L und Metop. Ein besonderes Merkmal ist die Ausgabe von kalibrierten und georeferenzierten L1b-Produkten (z.B. Meeresoberflächentemperatur), die direkt für wissenschaftliche Anwendungen genutzt werden können. SatDump ermöglicht auch die Projektion von Satellitenbildern auf Karten und die Überlagerung mit anderen Instrumenten. Es verfügt über einen Scheduler und eine Rotatorsteuerung für automatisierte Satellitenstationen.[4][16]
- Installation und Nutzung: SatDump ist als Windows-Installer und in täglichen „Nightly Builds“ auf GitHub verfügbar.[16] Nach der Installation können Benutzer ihre Bodenstationskoordinaten eingeben, minimale Elevationswinkel für gewünschte Durchgänge festlegen und erweiterte Einstellungen für spezifische Satelliten konfigurieren. Die „Multi Mode“-Funktion ermöglicht das gleichzeitige Erfassen mehrerer Satellitendurchgänge, und SatDump kann das SDR automatisch starten und stoppen. Die Frequenz wird von SatDump basierend auf der gewählten Satellitenkonfiguration automatisch eingestellt.[16]
WXtoImg: Obwohl WXtoImg als „Abandonware“ bezeichnet wird, ist es eine weit verbreitete und effektive Software zur Dekodierung von APT- und WEFAX-Signalen von Wettersatelliten.[3]
- Funktionen: WXtoImg ist ein vollautomatischer APT- und WEFAX-Wettersatelliten-Dekoder. Die Software unterstützt Aufnahme, Dekodierung, Bearbeitung und Anzeige auf den meisten Windows-, Linux- und Mac OS X-Versionen. Sie bietet Echtzeit-Dekodierung, Kartenüberlagerungen, erweiterte Farbverbesserungen, 3D-Bilder, Animationen, Multi-Pass-Bilder, Projektionstransformationen (z.B. Mercator), Textüberlagerungen, automatisierte Webseiten-Erstellung, Temperaturanzeige und GPS-Schnittstellen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft ist die Nutzung der 16-Bit-Abtastfähigkeiten von Soundkarten, um eine bessere Dekodierung zu ermöglichen als mit teurer, speziell entwickelter Hardware.[3]
- Hardware-Integration: WXtoImg kann mit einem kostengünstigen RTL-SDR-Empfänger oder durch einfaches Anschließen eines 137-138 MHz FM-Kommunikationsempfängers, Scanners oder Wettersatellitenempfängers an eine Soundkarte verwendet werden.[3]
Weitere Software-Optionen: Neben SatDump und WXtoImg gibt es weitere Dekodierungssoftware wie MultiPSK, apt-decoder, noaa-apt, SatSignal, SDRangel und aptdec.[7] Für die grafische Darstellung der Signalstärke über die Zeit ist Radio-SkyPipe eine ausgezeichnete kostenlose Software, die die Soundkarte des Computers zur Messung der eingehenden Signalstärke nutzt.[5]

Signalstärke und Empfangbarkeit: Berechnung und Abschätzung

Die Fähigkeit, schwache Signale aus dem Hintergrundrauschen zu extrahieren, ist zentral für die Radioastronomie. Für Amateure ist es entscheidend, die Machbarkeit eines Empfangsversuchs abzuschätzen. Dies kann durch die Anwendung von Prinzipien der Link-Budget-Analyse und der Friis-Übertragungsgleichung erfolgen.

5.1 Die Friis-Übertragungsgleichung

Die Friis-Übertragungsgleichung ist ein grundlegendes Werkzeug in der Telekommunikationstechnik, das die am Empfängerterminal verfügbare Leistung mit der am Senderterminal eingespeiste Leistung in Beziehung setzt.[17][18] Sie berücksichtigt Verluste durch die sphärische Ausbreitung des Signals über die Distanz (Freistrahlverlust) sowie die Gewinne der Sende- und Empfangsantennen.[17]

Die Gleichung lautet in ihrer gebräuchlichsten Form:

$P_r = P_t \cdot G_t \cdot G_r \cdot \left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2$

Wobei:

$P_r$: Die am Empfänger verfügbare Leistung.[18]
$P_t$: Die in die Sendeantenne eingespeiste Leistung.[18]
$G_t$: Der Antennengewinn der Sendeantenne (bezogen auf einen isotropen Strahler, dBi).[18]
$G_r$: Der Antennengewinn der Empfangsantenne (bezogen auf einen isotropen Strahler, dBi).[18]
$\lambda$: Die Wellenlänge des Funksignals ($\lambda = c/f$, wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $f$ die Frequenz ist).[18]
$R$: Die Entfernung zwischen Sende- und Empfangsantenne.[18]

Der Term $(\frac{\lambda}{4\pi R})^2$ wird als Freistrahlverlustfaktor (Free-Space Path Loss, FSPL) bezeichnet und quantifiziert die Signalabschwächung aufgrund der Ausbreitung im freien Raum.[17][19] Diese Gleichung ist unter idealisierten Bedingungen anwendbar, wie sie in der Satellitenkommunikation mit vernachlässigbarer atmosphärischer Absorption oft gegeben sind.[18]

5.2 Abschätzung der Empfangbarkeit für Amateure

Die NASA gibt für ihr Deep Space Network (DSN) die empfangene Signalstärke an, die mit 70m-Schüsseln erzielt wird (z.B. -131 dBm [8]). Um dies auf eine kleinere Amateur-Schüssel umzurechnen, kann man die Friis-Gleichung vereinfachen oder die Antennengewinne skalieren.

Der Antennengewinn einer Parabolantenne ist proportional zum Quadrat ihres Durchmessers ($G \propto D^2$). Wenn die NASA eine 70m-Schüssel ($D_{NASA}$) verwendet und ein Amateur eine 3.5m-Schüssel ($D_{Amateur}$), dann ist das Verhältnis der Gewinne:

$\frac{G_{Amateur}}{G_{NASA}} = \left(\frac{D_{Amateur}}{D_{NASA}}\right)^2$

Für eine 3.5m-Schüssel im Vergleich zu einer 70m-Schüssel ergibt sich:

$\frac{G_{Amateur}}{G_{NASA}} = \left(\frac{3.5 \text{ m}}{70 \text{ m}}\right)^2 = \left(\frac{1}{20}\right)^2 = \frac{1}{400}$

In Dezibel (dB) ausgedrückt:

$\Delta G_{dB} = 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{1}{400}\right) \approx -26 \text{ dB}$

Das bedeutet, dass die 3.5m-Schüssel einen um etwa 26 dB geringeren Gewinn hat als die 70m-Schüssel. Wenn die NASA beispielsweise ein Signal mit -131 dBm empfängt [8], würde eine ideale 3.5m-Amateurantenne ein Signal von etwa -131 dBm – 26 dB = -157 dBm empfangen. Die Forschung bestätigt, dass eine ideale 3.5m-Amateurantenne kaum -152 dBm erreichen würde [8], was die Größenordnung der Abschätzung bestätigt.

Um ein Signal überhaupt messen zu können und es nicht im Hintergrundrauschen verschwinden zu lassen, muss die empfangene Signalstärke über dem Rauschpegel des Empfangssystems liegen. Funkamateure verwenden oft das RST-System (Readability-Signal Strength-Tone), um die Signalstärke zu bewerten, wobei S9 typischerweise als 50 µV am Empfängereingang definiert ist und jede S-Einheit eine 6 dB-Änderung der Signalstärke darstellt.[20] Für digitale Signale ist die Bitfehlerrate (BER) und die Empfängerempfindlichkeit entscheidend.[19] Der „Fade Margin“, die Differenz zwischen der empfangenen Signalstärke und der Empfängerempfindlichkeit, sollte mindestens 15 dB betragen, um Signalabschwächungen durch verschiedene Faktoren zu überstehen.[19]

Die Berechnung der Systemrauschtemperatur ($T_s$) ist ebenfalls wichtig.[10] Ein kommerzieller Satelliten-Signalstärken-Detektor kann eine Anzeige der Signalstärke liefern und die Frequenz eines Audiotons variieren, um die Ausrichtung der Schüssel zu erleichtern.[5] Für eine genauere Kalibrierung kann die Antenne auf eine bekannte Quelle wie die Sonne ausgerichtet werden, um die maximale Signalstärke zu ermitteln.[5]

Das Bochumer Radioteleskop: Ein Beispiel für Amateur-Erfolge

Das Bochumer Radioteleskop, auch bekannt als Bochum Observatory oder Kap Kaminski, ist ein Forschungsinstitut in Bochum, Deutschland, das sich auf Radioastronomie und Umweltforschung konzentriert.[21] Es hat eine lange Geschichte in der Verfolgung von Raumfahrzeugen, beginnend mit dem Empfang des Sputnik-Signals im Jahr 1957.[21] Das Observatorium wurde zu einem wichtigen Ort in Westdeutschland für aktuelle Nachrichten und Informationen über den Weltraum.[21]

Das Institut besitzt mehrere Antennensysteme zum Empfang von Daten von geostationären und umlaufenden Satelliten sowie interplanetaren Raumfahrzeugen.[21] Die größte Struktur ist ein 40 Meter hohes Radom, das eine 20m-Parabolantenne vor dem Wetter schützt.[21] Diese Antenne mit einem Gesamtgewicht von über 220 Tonnen kann sowohl Daten empfangen als auch senden.[21]

Ein aktuelles und bemerkenswertes Beispiel für die Fähigkeiten des Bochumer Radioteleskops ist die Verfolgung des IM-1 Odysseus Mondlanders von Intuitive Machines. Das Observatorium hat Live-Updates des IM-1-Datenstroms geteilt, der eine Frequenz-Signalstärke-Anzeige mit dem Peak des Hauptfahrzeugsenders umfasste.[22] Insbesondere wurde die Zündung des Triebwerks des Mondlanders im Radiospektrum erkannt.[22] Dies war ein kritischer Schritt, da ein Methalox-Triebwerk noch nie über dem niedrigen Erdorbit hinaus getestet worden war und dieses spezielle Triebwerk noch nie vollständig im Vakuum getestet wurde (nur der Zünder wurde getestet).[22] Die Beobachtungen des Bochumer Observatoriums, die die Reichweitendaten des Landers bestätigten, waren von großer Bedeutung, insbesondere da die Triebwerksaktivierung aufgrund von Problemen mit den Bodenstationen, die zu Unterbrechungen führten, verzögert wurde.[22] Die Fähigkeit, solche Ereignisse unabhängig zu verfolgen und zu bestätigen, unterstreicht die wichtige Rolle, die auch größere Amateur- oder halbprofessionelle Observatorien in der Raumfahrtbeobachtung spielen können.

Rechtliche Aspekte des Satellitenempfangs in Deutschland

Die rechtliche Lage des Empfangs von Satellitensignalen in Deutschland ist ein wichtiger Punkt für Amateur-Radioastronomen. Grundsätzlich gilt, dass der reine Empfang von Funksignalen in Deutschland ohne Lizenz erlaubt ist, solange die empfangenen Inhalte nicht für Dritte bestimmt sind und nicht weitergegeben werden.[2][23]

Erlaubter Empfang:
- Wettersatelliten (NOAA APT): Der Empfang von NOAA-Wettersatelliten im Bereich von 137-139 MHz ist explizit legal und sogar erwünscht.[11][23] Diese Satelliten senden Bilddaten als Töne, die frei empfangbar sind.[11]
- Amateurfunkbänder und ISS: Das Mithören von Amateurfunkbändern, einschließlich der Signale der Internationalen Raumstation (ISS) und von Amateurfunksatelliten, ist ebenfalls legal und erwünscht.[11][23] Die Amateurfunkbänder liegen im Bereich von 144-146 MHz und 430-440 MHz.[11] Für den aktiven Sendebetrieb in diesen Bändern ist jedoch eine Amateurfunklizenz (z.B. Klasse E für Satellitenfunk) erforderlich, die nach einer Prüfung bei der Bundesnetzagentur erworben werden kann.[11][24][25]
- Öffentliche Rundfunkdienste: Der Empfang von öffentlichen Rundfunksignalen (Radio, TV) ist selbstverständlich erlaubt.[23][26]
- Wissenschaftliche Satelliten und Erdbeobachtung: Die Bundesnetzagentur erwähnt in ihren Aufgabenbereichen auch die Satellitenkommunikation für meteorologische Satelliten und Erdbeobachtung zu staatlichen oder wissenschaftlichen Zwecken.[27] Der Empfang dieser Signale zum Zwecke der Beobachtung und Analyse im Rahmen der Amateur-Radioastronomie ist in der Regel unproblematisch, solange keine Dekodierung von verschlüsselten oder privaten Daten erfolgt.
Nicht erlaubter Empfang und Weitergabe:
- Nicht für die Allgemeinheit bestimmte Kommunikation: Das Abhören von BOS-Funk (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben wie Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste), Flugfunk, Seefunk oder anderen privaten Kommunikationen ist in Deutschland nicht erlaubt.[23] Selbst wenn man versehentlich eine solche Übertragung empfängt, ist es strengstens verboten, deren Inhalt oder sogar deren Existenz Dritten gegenüber offenzulegen.[23]
- Verschlüsselte oder private Daten: Die Dekodierung von Signalen, die nicht für die allgemeine Öffentlichkeit bestimmt sind (z.B. verschlüsselte militärische oder kommerzielle Satellitenkommunikation), ist ebenfalls nicht erlaubt. Die Bundesnetzagentur regelt die Frequenzzuteilung und -nutzung in Deutschland sehr streng.[24][28]

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Behörden in der Regel nicht feststellen können, was eine Person empfängt, es sei denn, es handelt sich um eine Nebenfolge einer anderen, möglicherweise illegalen Handlung.[23] Solange der Empfang nur zur eigenen Information und zum Hobby dient und die erhaltenen Informationen nicht weitergegeben werden, ist man in der Regel auf der sicheren Seite.[23]

Schlussfolgerung

Die Amateur-Radioastronomie bietet eine einzigartige Brücke zwischen leidenschaftlichem Hobby und wissenschaftlicher Erkundung. Die Möglichkeit, künstliche Objekte am Sternenhimmel mit selbstgebauten Radioteleskopen zu empfangen und auszuwerten, ist nicht nur technisch faszinierend, sondern auch ein Ausdruck der zunehmenden Demokratisierung des Zugangs zum Weltraum.

Von den zugänglichen NOAA-Wettersatelliten, die sofortige visuelle Ergebnisse liefern und somit einen idealen Einstiegspunkt darstellen, über die vielseitigen Amateurfunksatelliten, die als Inkubatoren für neue Kommunikationstechnologien dienen, bis hin zu den anspruchsvollen, aber erreichbaren Tiefraumsonden, die die Grenzen des Machbaren für Amateure immer weiter verschieben – das Spektrum der Beobachtungsmöglichkeiten ist breit und inspirierend.

Der Erfolg in diesem Feld beruht auf einem ganzheitlichen Systemverständnis, das die Auswahl der richtigen Hardware (SDRs, spezialisierte Antennen, LNAs, Downconverter) mit der Nutzung leistungsstarker Open-Source-Software (SatDump, WXtoImg) kombiniert. Die Fähigkeit, die benötigte Signalstärke abzuschätzen und die physikalischen Grenzen des Empfangs zu verstehen, ist dabei ebenso entscheidend wie die Kenntnis der rechtlichen Rahmenbedingungen, die den reinen Empfang in Deutschland weitgehend erlauben.

Das Beispiel des Bochumer Radioteleskops, das Triebwerkszündungen einer Mondsonde verfolgte, verdeutlicht das Potenzial auch größerer Amateur- oder halbprofessioneller Einrichtungen, unabhängige und wertvolle Beiträge zur Raumfahrtbeobachtung zu leisten. Insgesamt zeigt sich, dass die Amateur-Radioastronomie ein dynamisches Feld ist, das kontinuierlich neue Möglichkeiten für Entdeckungen und technologische Innovationen bietet und Enthusiasten dazu ermutigt, aktiv am Puls der Raumfahrt teilzuhaben.

Quellenverzeichnis

Source: https://g.co/gemini/share/9a843a6b1cb3

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