Die hier beschriebene passive Radio-Meteorscatter Station dient zur kontinuierlichen, wetterunabhängigen Meteor Beobachtung. Viele Mitglieder “unserer” Amateur-Sternwarte pilgern am Perseiden und Geminiden Meteorstrom-Maximum  zum Schnuppenspechtelplatz “Höhe 1142” in den Alpen.  Aber neben dem gemeinschaftlichen ästhetischen Erlebnis der visuellen Meteorbeobachtung , nur möglich bei günstigen Wetter- und Mondbedingungen, betreibe ich und eine Gruppe in “unserer” Amateur-Sternwarte seit kurzem auch zwei Radio Meteorbeobachtungsstationen, die Tag und Nacht Meteore “hören”.  Jedes  Meteor-Ereignis wird automatisch in einem Logfile notiert, das zugehörige Audiosignal mittels Spektralanalyse automatisch ausgewertet und alles gespeichert.

Ich selbst bin auf diese Möglichkeit von Weltraumechos eher aus Frust über schlechtes Astro-Wetter und Anregung von Kollegen meiner Sternwarte gestoßen.

Ziel ist, Spektralanalysen und Mengen-Statistiken zu den Meteorströmen zur Verfügung zu stellen, und diese zu analysieren. Geplant sind ausserdem folgende Aktivitäten:

  • Empfang von Satellitensignalen, z.B. NOAA
  • Empfang des ISS Funks während der Überflüge
  • Nachweis des interstellaren Wasserstoffs bei 21cm (1420 Mhz)
  • Beobachtung der Sonne und des Mondes
  • Planung eines mit paraboler Empfangsantenne ausgestatten Empfängers um z.B. Pulsare nachzuweisen
  • Korrelation von visueller Beobachtungen mit All-Sky Kameras und Radioastronomie.

Nachfolgendes ist eine verallgemeinerte und verkürzte Zusammenfassung meiner Wiki-Beiträge für die  Vereinssternwarte zu diesem Thema, mit einer spezielle Beschreibung meines parallel laufenden 24×7 Meteor Scatters, dessen Ergebnisse rechts (im Homepage Slider) live oder hier unten betrachtet werden können.

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Passives Radio-Meteorscattering

Meteore, die in der Atmosphäre eindringen, erzeugen im Allgemeinen in einer Höhe von etwa 100 km über der Erdoberfläche Wärme, Licht und Ionisierungsspuren (Meteor trails). Diese Ionisierungsspuren können Radiowellen eines weit entfernten Radiosenders (z. B. Radar, etc.) reflektieren, so dass man einen kleinen Teil des Ursprungssignals empfangen kann. Unsere nachfolgend beschriebene Meteorbeobachtungstation empfängt das Signal des französischen GRAVES Radars auf 143.050-MHz.

Die dazu verwendete passive Radio-Meteorscatter Methode benutzt günstige digitale SDR-Empfänger (Software Defined Radio). Bei Software-Defined Radio ist ein erheblicher Teil des Systems durch Software implementiert. Das hat mehrere Vorteile: geringe Kosten und einfache Entwicklung. SDRs bestehen typischerweise aus einem HF-Front-End mit einem  Vorverstärker (Low Noise Amplifier – LNA) und Analog/Digital-Wandler, die schon ab 20 Euro in Form eines USB Sticks erhältlich sind.

Wie “hören” wir Metore?

Radio Meteorbeobachtung. Quelle: NSA

Das beste Signal zur Detektion von Meteorspuren ist ein kontinuierliches Radarsignal wie es z.B Graves sendet. GRAVES (Grand Réseau Adapté à la Veille Spatiale) ist ein Französisches “radar-based space surveillance system”, wie das amerikanische NAVSPASUR. Die Sendestation in der Nähe der Stadt Dijon, sendet kontinuierlich ein CW-Dauerstrichsignal auf 143,050 MHz, mit einer Sendeleistung im Kilowatt Bereich in vier alternierenden Segmenten. Das  reflektierte oder gestreute Signal  wird durch die ionisierte Meteorspur zu einer höheren oder niedrigeren Frequenzen Doppler-verschoben, je nachdem, ob die Sichtliniengeschwindigkeit (LOS or line of sight) in Richtung des Empfängers oder von diesem weg zeigt. Es wird vom Radio-Meteorscattering Empfänger zu einem Audio-Signal demoduliert (Sinuswelle / hörbarer Ton).  Es ist derselbe akustische Effekt wie bei einer näherkommenden oder sich entfernenden Polizeisirene. Ein SSB-Detektor wird benötigt, um ein Audiosignal mit einer Frequenz bezogen auf die Dopplerverschiebung des Radarechos zu  erzeugen. Dieses Audiosignal kann dann in einem FFT Spektralanalyse Software analysiert werden.  Eine umfassende Beschreibung der Vorgänge findet man hier: “Detection & Analysis of Meteors by RADAR (Using the GRAVES space surveillance transmitter)“ [1].

Für den ersten Versuch kann man die Richtantenne Richtung TX Radar (Dijon) stellen, um das Signal über Troposphärische Überreichweiten (Tropo) zu empfangen. Man sollte einen Ton hören mit wechselnder Lautstärke, der etwa alle 4 s mal etwas lauter bzw. leiser wird. Oberhalb einer Frequenz von circa 50 MHz werden Überreichweiten für elektromagnetische Wellen durch die wetterbildenden Schicht der Atmosphäre (Tropo) hervorgerufen.

Wo und wodurch entstehen “143.050MHz Graves Radar” Reflektionen?

Radar Reflektion durch Graves nachempfunden nach Zeichnung. Detection & Analysis of Meteors by RADAR
(Using the GRAVES space surveillance transmitter) von Dr. Morgan

Das Radar hat 4 separate Phased-Array-Antennensysteme, die geneigt sind. Jede Antenne deckt einen Sektor von 45 Grad Azimut ab (Sektor A-D). Das Radar erhellt den südlichen Himmel von 90 Grad bis 270 Grad Azimut und 15-40 Grad Altitude. Ein Sektor wird also 4500 mal in 24 Stunden gescannt. Der horizontale Strahl hat eine Strahlbreite von 7,5 Grad.Wenn ein Sektor näher betrachtet wird, z. B. Sektor D (90 bis 135 Grad) Azimut), kann man sehen, dass der Strahl 6 Schritte von jeweils 7,5 Grad braucht, um diesen Sektor vollständig zu überstreichen. Es dauert 19,2 Sekunden, um durch einen Sektor zu gehen. Ein Schritt eines Abschnitts ist also 3,2 Sekunden. Graves Sourcebook [2]. Die nach Süden gerichteten Radarsignale werden vom Meteorpfad, Flugzeug oder Satellit (bedingt durch die Beschaffenheit des Objektes) in viele Richtungen zerstreut und werden gegebenenfalls in unsere Radio-Meteorscattering Empfangsantenne ankommen. Verkürzt gesagt, “hört” man potentiell alle Ereignisse (Events) im beleuchteten Höhen-Segment 15-40 Grad Altitude von 90 Grad Azimut (Osten) bis 270 Grad Azimut( Westen) mit einem “Ereignishorizont” südlich der GRAVES Radar-Sendstation 47 Grad 20′ N und 5 Grad 30′ E [3]. Events sind im wesentlichen nicht nur Meteore sondern (leider) auch Flugzeuge und Satelliten.

Unsere Beobachtungspunkte liegen 48° 07′ nördliche Breite, 11° 36′ östliche Länge und 48° 09′ nördliche Breite, 11° 35′ östliche Länge. Der Abstand zwischen zwei Breitengraden beträgt immer rund 111 km und wir sind etwa 1° nördlich und natürlich etwa 5° westlich des Graves Radars. Damit scheiden Boliden über dem Englischen Garten aus, aber Meteore etwa 100 km in Richtung Süden, die wir am Südhorizont visuell sehen, könnten unter Berücksichtigung von Erdkrümmung und Hindernissen von Graves beleuchtet werden. Die Echos dieses Radars empfängt man natürlich am Besten, wenn sich die zu beobachtenden Objekte innerhalb dieser Abstrahlwinkel befinden. Ich habe festgestellt, dass auch noch brauchbare Ergebnisse bei +/- 10 ° Überschreitung des Winkels zu erzielen sind. Wichtig ist vor Allen, dass zwischen der Beobachterstation und dem zu beobachtenden Objekt  freies Sichtfeld herrscht. Im relativ freien Süd-Westen empfange ich die Echos schon unter 10 ° Elevation.

Radio-Meteorscattering in der Praxis

Die passive Radio-Meteor forward scatter Methode benutzt günstige digitale USB SDR-Empfänger (Software Defined Radio). Bei Software-Defined Radio ist ein erheblicher Teil des Systems durch Software implementiert. Früher war hierzu teure Hardware notwendig. Das hat mehrere Vorteile: geringe Kosten und einfache Entwicklung. SDR-Empfänger bestehen typischerweise aus einem HF-Front-End mit einem Vorverstärker (Low Noise Amplifier – LNA) und Analog/Digital-Wandler, die bereits ab 20 Euro in Form eines USB Sticks erhältlich sind. Eine Radio Meteorbeobachtungstationen besteht aus mehreren Komponenten;

  • VHF Antenne
  • Software Defined Radio (SDR) Empfänger
  • Spektrumanalysator mit Automatisierung und Logging auf einem Low Power PC mit Fernzugriff.
  • Nachgelagerte Ergebnisauswertung und Präsentation mit Internetpräsenz.

Der Königsweg der Automatisierung erfolgte mittels der frei verfügbaren “Spectrum Lab” Applikation. Spectrum Lab ist eine Software Spektrumanalysator mit Scripting Sprache. Es gibt dzu schon fertige Automatisierungs-Scripts, welche “Conditional Actions for Spectrum Lab” benutzen, sowie nützliche vorgefertigte Konfigurierungs-Dateien, die aber gravierend angepasst und erweitert werden mussten.

Software Defined Radio (SDR) Empfänger Hardware und Antenne

Verschiedene SDR Empfänger kamen in  Frage:

  • Der sehr preisgünstige NooElec NESDR SMArt Dongle [4] hat nur einen 8 Bit AD Wandler alle anderen genannten 12 Bit.
  • Der AirSpy [5] ist eher was für Wasserstofflinie (Milchstraßendurchgänge).Software dazu ist der De-facto  Standard SDR#.
  • Beim FunCube gibt es 2 Versionen, den FunCubeDongel und den FunCubeDongel Pro+, die beide eher für die Kommunikation mit den FunCube Satelliten gedacht waren. Wegen eingeschränkter Bandbreite und Frequenzbereich sind beide für Meteorströme weniger geeignet.
  • Der SDR-Play RSP1 [6] ist für Meteorscattering schon ohne extra Verstärker ein besonders gut geeigneter SDR-Empfänger, der trotzdem noch halbwegs günstig ist.

Gewählt wurde der SDR-Play RSP1 [6]  mit vernünftiger Antenne und gutem Antennenkabel (4 Dipol Yagi-Antenne mit N-Steckern und Aircell-7 Kabel). Als Empfängersoftware  wurde anfangs der SDRsharp 3.0 (SDR#) mit einem Low Cost RTL-SDR Stick, später mit dem 12 Bit SDR-Play RSP1 [6]  die Empfänger Applikation HD SDR benutzt. Es ist sehr wichtig, daß bei der Betriebsart USB (oder LSB) eingestellt wird.  Für SDR-Play ist HDSDR am besten geeignet, da insbesondere der Zugriff auf “Device Control” des SDR-Play zur Einstellung der SW-Filter und Low Noise des Amplifier (LNA) notwendig ist. Amateur-Funker unterdrücken üblicherweise das Rauschen für die ihre Anwendungen. Das ist verständlich, solange man funken möchte, oder zum hören entfernte Funkstationen wie z.B. Flugfunk, Radio FM und DAB. Für Meteorbeobachtung braucht es aber völlig andere Einstellungen mit Vorsicht bei Filtern und ohne automatischer Verstärkung.

Software Defined Radio (SDR) Empfänger Software

HDSDR Einstellungen (1)

In Device Control für den SDR-Play sind die Einstellungen für den IF-Amplifier und Filter wichtig. Typischerweise muß man die Bandbreite im Wasserfall soweit spreizen, daß nur noch etwa 500 hz bis 1 kHz rund um die Trägerfrequenz zu sehen sind. Man muß die Abtastrate für die FFT auf einen Wert zwischen 0,2 und 0,7 Hz einstellen können. Natürlich muss wie mit anderen Dongles auch AGT aus sein. Die Verstärkung im Mixer muss bei HDSDR so hoch sein, daß der Squelch-Zeiger ohne Reflexion knapp in den roten Bereich geht.

Wenn ein Mittelspike (“Center Spike”) , also ein unerwünschtes Signal in der Mitte des eingestellten Frequenzbereiches auftritt,  kann HDSDR kann (wie andere SDRSW auch) diesen Spike unterdrücken. Unter Options/Calibration/DC Removal kann man dazu “High Bypass Auto” 25 HZ  einstellen. Das löst das Problem, aber man sieht in der Mitte noch “Überbleibselrauschen”. Das  kann durch Verschiebung der Mitte und Offset zum Beobachtungsfrequenzbereich verbessert werden.

HDSDR Einstellungen (2)

Im SpektumLab kann  die “Null Velocity Line” zwischen 1000 und 1300 Hz kalibriert werden. Per Definition ist das Mitte, also 143.050 MHz Radarfrequenz +-Bandbreite/2 , da wir ja den Doppler Effekt als Semi-Frequenzmodulation (Einseitenbandmodulation-Modus SSB, engl.: single-sideband modulation) mit USB oder LSB demodulieren.  Eingestellt im Beispiel ist bei HDSR LO 0143.047.500, Tune 143.048.662, Mitte 143.050 MHz.

Während Spectrum Lab mit dem FunCube Pro Dongle 2.0 problemlos sofort läuft, erfordert die Kalibrierung der Trigger etc. mit Low-Cost Dongels oder anderen Dongles etwas “try und error” .  Da der FunCube Pro Dongle 2.0 als externe Soundkarte erkennt, passten frei verfügbaren Scripts gut. In letzterem Fall muss mit “Funcube Donge Pro+ Control” die Frequenz eingestellt werden.

Spectralanalyzer mit Automatisierung und Logging auf einem Low Power PC

Das Analyseprogramm SpectrumLab [7] empfängts das Audiosignal über Audio-Loop von Empfänger-Applikationen wie z.B. HDSDR, SDRsharp 3.0 (SDR#).

Beispiel Konfigurationen 24/7d Meteor Scatter Überwachung mit Lowpower PC OrbSmart als Meteorscatter im Betrieb – kleine Box unten, externer Bildschirm mit HDMI

Die 24/7d Meteor Scatter Überwachung erfolgt von einem Lowpower PC. Beim einem Mini-PC sind ein paar Energieeinstellungen zu beachten: Bildschirm nicht nach x Minuten ausschalten, Festplatte nicht nach x Minuten ausschalten, nie in den Ruhezustand gehen, USB-Ports nicht nach x Minuten drosseln.

Eine Lösung aus der Box für Heimbetrieb ist mit dem Orbsmart AW-06/8 Plus Windows 10 (64-Bit) Low Power Mini PC schon erfolgreich im 24X7 Betrieb. [8] Der Intel Atom “Cherry Trail” X5-Z8350 Quadcore CPU / 2GB RAM / 32GB int. Speicher Lowpower PC hat einen extrem niedrigen Stromverbrauch, ein vollwertiges Windows 10 Home (64-Bit) bereits installiert und das Autostart-Feature (direktes Hochfahren nach Stromzufuhr) ist besonders nützlich.
Wenn man beide Displays ausschaltet (die man ja im bildschirmlosen Dauerbetrieb nicht braucht), sinkt der gesamte CPU Verbrauch für den AutoMeteorScatter auf 30%. Da sind gute Reserven z.B. für eine kleine All-Sky Camera vorhanden.

Zur Verbindung zum Spectrum Lab zur Analyse und Automatisierung benötigten beide Empfänger eine SW- oder HW-Audio-Loop, d.h. das Eingangsignal im “Spectrum Lab” ist abhängig von der spezifischen Soundkarte und div. Lautstärkereglern. Dazu wird auf dem genannten Low Power Mini PC als Audioloop-Software die gut geeignete und frei erhältliche Audio Virtual Cable Software eingesetzt. Die Software kann von 44 kHz bis 96kHZ Samplingfrequenz arbeiten. [9]

Ein Spectrum Lab Script legt im wesentlichen pro Event ab dem Triggerpunkt ein Capture des Spectrum Lab Wasserfalls, ein Screenshot mit HDSDR auf dem Bild, ein Audiofile und einen Log-Eintrag ab. Alle Dateien werden hier auf einer SD Karte gespeichert. Events sind Meteore, aber können aber eben auch “False Events” sein. Massnahmen wurden getroffen aber manuelle Sichtung ist immer noch empfohlen,

Radio-Meteorscattering Ergebnisauswertung

Die Daten der Radio Meteorbeobachtungsstationen können vielseitig ausgewertet werden:

  • Visuelle Auswertung der Spektralanlyse (Captures)
  • Akustische Auswertung der Rohdaten (Audiofiles)
  • Statistische Auswertung der Logging Daten (Logfiles)
  • Nachgelagertes Plotting.

Im Dauerbetrieb interessiert uns das Diagramm mit der Meteor-Fallrate je Stunde des Tages oder eine Langzeitbeoachtung. Derzeit wertet ein Python-Skript alle 60 Minuten die Events des aktuellen Tages aus. Der OrbSmart Lowpower Mini-PC läuft 24×7 und speichert alles auf eine SD-Karte.

Man kann die Screenshots des Wasserfalldiagramms aber auch noch weiter klassifizieren: Verwendet wird die simplifizierte Anwendung des Klassifizierungsschemas aus dem eingangs erwähnten Dokument hier: “Detection & Analysis of Meteors by RADAR (Using the GRAVES space surveillance transmitter)“ [1].

Klassische kurze einfache Echos sind typisch für eine unterdichte Meteor Trail Formation („under dense meteor trail“). Die überwiegende Mehrheit der empfangenen Echos ist von diesem Typ und werden durch Partikel mit einer Masse kleiner als 10-3g erzeugt. Echo mit Geschwindigkeitsänderung sind  typisch für einen Meteoriten, der abbremst oder zerbricht. Der Trail dauert einige Sekunden (abhängig von der Empfindlichkeit des Geräts) und die Frequenzänderung ist einige hundert Hz. Mit der Doppler-Shift-Formel kann man die LOS Geschwindigkeit berechnen, mit welcher der Meteor zuerst erfasst wurde. Gelegentlich werden einige Sekunden lange Echos ohne LOS Geschwindigkeit beobachtet. Diese Echos sind oft intensiver und deuten auf eine starke Ionisierung hin, d.h. eine überdichte Meteorspur („over dense meteor trail“), die von einem Partikel mit einer Masse größer als 10-3g erzeugt wurde. Während der Beobachtung wurden oft ‘L’-förmige Echos aufgezeichnet. Die Form des Geschwindigkeitsprofils lässt vermuten, dass ein herannahender Meteor sehr schnell abbremst, aber dass es noch genügend Ionisation gibt, um ein stationäres Echo mit Null LOS-Geschwindigkeit für ein paar Sekunden zu erzeugen. In der Regel werden während einer Beobachtungsperiode auch komplexe Echos aufgezeichnet. Sie zu interpretieren, stellt eine Herausforderung dar. Die Formen sind sehr variabel, aber es gibt einige gemeinsame Merkmale. Es sind wohl Bruchstücke mit verschiedenen Frequenzen (Geschwindigkeiten). In vielen Echos mit signifikanter LOS-Geschwindigkeit zum Beobachter, die von schnell abbremsenden Meteoren erzeugt werden, treten  Interferenzen der Reflektionen von unterschiedlichen Trail-Segmenten auf.

Visuelle Auswertung des Audio Signals durch Spectrum Lab FFT

Captures von Events werden mit Schwellwerten automatisch von SpectrumLab erzeugt und nachträglich visuell ausgewertet.  SDR-Play und NooElec NESDR SMArt Dongle arbeiten mit VB-Audio Virtual Cable, aber mit einer Anpassung in der Empfindlichkeit der SpectrumLab Scripts (abgestimmt auf Soundkarte) haltensich  die ‘false positives’ in Grenzen. Eine automatische Statistik geben die Rohevents nicht her, aber automatische Bilder durchaus.

Als Beispiel sind eine grössere Anzahl von Captures und Auswertungen unter “Data & Results VSWrk ” [10] zu finden.

Visuelle Auswertung des Audio Signals durch HDSDR Empfänger FFT

Das SpecLab Script wurde weiter angepasst, so dass es parallel zu SpecLab Capture, ein HDSDR Screen Shot bei jedem Event erzeugt. Das HDSDR präsentiert in Rot/Grün/Weiss auf Blau. Besonders bei schönen großen Meteor Echos und zum Test ist ein Parallel-Capture SpecLab und HDSDR interessant. HDSDR wurde so eingestellt, dass nur das Upper AF Display gezeigt wird. So laufen beide Wasserfall Diagramme mit minimaler CPU Last (30%). Zum Screen Shot wird nun die “exec” Direktive im SpecLab verwendet und NirCmd aufgerufen, ein kleines DOS-Befehlszeilenprogramm, mit dem man nützliche Aufgaben ausführen kann, ohne eine Benutzeroberfläche anzuzeigen [11].

Dabei ist der SpectrumLab Wasserfall primär, der HDSDR Wasserfall kann durchaus asynchron (z.B. langsamer) laufen, Receiverfrequenz (RF) statt Audiofrequenz (AF ) oder beides zeigen.

Event-Klassifizierung im Detail

Alle nachfolgende Beispiele stammen von den Leoniden um das Maximum im November 2017, etwa Donnerstag bis Samstag, dem 18. November. Denn dann erreichten die Sternschnuppen-Schauer ihr Maximum. Informationen von leoniden.net zufolge ging das Sternbild des Löwen allerdings erst nach Mitternacht auf, am höchsten steigt der Radiant (Ausgangspunkt des Meteorstroms) kurz vor der Morgendämmerung. Nur in diesem Zeitraum besteht waren es mit hoher Wahrscheinlichkeit Leoniden. Die von mir verwendete Klassifizierung ist eine simplifizierte Anwendung des Klassifizierungsschemas aus “Detection & Analysis of Meteors by RADAR (Using the GRAVES space surveillance transmitter)“ [1].

Kurze Echos – under dense meteor trail

Kurzes Echo

Klassisches kurzes einfaches Echo. Die Linie bei ca. 1300 Hz markiert Null-LOS-Geschwindigkeit. Dies ist typisch für einen unterdichten Meteor Trail Formation (under dense meteor trail). In diesem Fall hat der Meteor entweder keine LOS-Geschwindigkeit oder existiert für so einen kurzen Zeit mit einer Dichte, die eine gute Reflexion bewirkt, dass man keine Geschwindigkeitsänderung beobachtete. Die überwiegende Mehrheit der empfangenen Echos ist von diesem Typ und werden durch Partikel mit einer Masse kleiner als 10-3g erzeugt.

 

 

 

 

 

Geschwindigkeitsänderungen – Decelerating Trails

Geschwindigkeitsänderung

Typisch für einen Meteoriten, der seine Geschwindigkeit ändert. Der Trail dauert einige Sekunden (abhängig von der Empfindlichkeit des Geräts)und die Frequenzänderung ist einige hundert Hz. Mit der Doppler-Shift-Formel kann man die LOS Geschwindigkeit berechnenen, mit der der Meteor zuerst erfasst wird. Ein eher niedriger Wert lässt vermuten, dass entweder die Spur in einem beträchtlichen Winkel gebildet wurde oder wahrscheinlicher, dass der Empfänger nicht empfindlich genug ist, um die noch schwache ionisierte Spur zu Beginn seiner Bildung bei hoher Geschwindigkeit zu erfassen.

Lange Echos – over dense meteor trail

Gelegentlich werden einige Sekunden lang Echos ohne LOS Geschwindigkeit beobachtet.Diese Echos neigen dazu, intensiver zu sein und deuten auf eine starke Ionisierung hin, d.h. eine überdichte Meteorspur (over dense meteor trail),die von einem Partikel mit einer Masse größer als 10-3g erzeugt wurde.

L-shaped echoes –  ‘L’-förmige Echos

L-Form Echo

Während der Beobachtung der Leonidenbeobachtungen wurden von mir viele ‘L’-förmige Echos beobachtet. Die Form des Geschwindigkeitsprofils lässt vermuten, dass ein herannahender Meteor sehr schnell abbremst,aber dass es noch genügend Ionisation gibt, um ein stationäres Echo mit Null LOS-Geschwindigkeit für ein paar Sekunden zu erzeugen.

 

 

 

Multiple Branch Echoes -komplexe Echos

In der Regel werden während einer Beobachtungsperiode auch komplexe Echos aufgezeichnet. Sie zu interpretieren stellt eine Herausforderung dar. Die Formen sind sehr variabel, aber es gibt einige gemeinsame Merkmale. Es gibt wohl Bruchstücke mit verschiedene Frequenzen (Geschwindigkeiten). Sie starten zu einem definierten Zeitpunkt, verblassen und können wieder auf der gleichen Frequenz erscheinen oder als für einige Sekunden gemeinsam. Es keine singulare Erklärung für diese Formen anzunehmen. Wahrscheinlich ist  es eine Mischung von Prozessen, die zu diesen Mustern beitragen. Zum Beispiel kann der Meteor ‘aufbrechen’ und Ionisationsbereiche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erzeugen, die sich wieder trennen.

Diffracted Echoes – Interferenzen durch Überlagerungen

Erklärung von Interferenzen. Quelle: Detection & Analysis of Meteors by RADAR (Using the GRAVES space surveillance transmitter) von Dr. Morgan

In vielen Echos, die von schnell abbremsenden Meteoren erzeugt werden,die also eine signifikante LOS-Geschwindigkeit zum Beobachter haben, zeigt die Frequenz / Zeit-Wasserfallspur ein regelmäßiges Signalvariationsmuster. Die Regelmäßigkeit des Verblassens des Signals kann ein Hinweis auf den beteiligten Mechanismus sein. Es ist wahrscheinlich, dass die Incident Sendersignale einer lange ionisierte Spur sich überlagern (Interferenzen). Empfangene Signale, die von Meteorspuren reflektiert werden, unterliegen dadurch oft erheblichen Schwankungen in der Stärke. Dafür gibt es zwei Hauptgründe, die beide darauf zurückzuführen sind, dass mehr als eine Reflexion an der Antenne empfangen wird, manchmal in Phase, und zu dem Signal addiert wird und zu anderen Zeiten gegenphasig und ausgelöscht wird. Grund ist eine Lamda/2 Beziehung zwischen Signalen von unterschiedlichen Trail-Segmenten die sich periodisch überlagern, Das empfangene Signal(t) ist dabei eine Welle mit abnehmender Amplitude und die Frequenz eine Funktion der Meteorgeschwindigkeit. Diese lamda/2 Segmente werden als sogenannte “Fresnelzonen” angesehen, also bestimmte räumliche Bereiche zwischen Sende- und Empfangsantenne. Genauer beschrieben ist das hier: [6]

Störungen

Satellitespuren Quelle VSWEinige Echos müssen aussortiert werden, z.B. solche, die von Satelliten oder Flugzeugen erzeugt werden. Eine gute Beschreibung dazu findet sich hier: “How to detect flying or orbiting
objects with SDR technology and
the GRAVES radar” [12].

Eine bessere Bestimmung des Signal zu Noise durch Rollover-Mittelung des Grundrauschens ist notwendig. Klare Kriterien und Schwellwerte wurden definiert und genau(er) gemessen  um Störungen zu kategorisien (und als Störung zu loggen).Bei Störungen ist ein regelmässiges 3,2 Sekunden Raster zu erwarten, gemessen wurden bei unseren Störungen aber um die 4 Sekunden.

Auch lange Reflexionen können empfangen werden, wenn sich z.B. der Mond (oder etwas anderes) regelmässig innerhalb des Radar-Abtastbereichs befindet.

Fliegende oder Satelliten Objekte Quelle http://www.sidmonitor.net/gallery/meteor.pdf

Es ist dann  möglich, 12 Stunden lang Reflektionen zu empfangen.  Das Bild zeigt eine Mondreflexion, bei der bereits beschriebene Strahler klar beobachtet werden kann. Das Moonbounce-Signal liegt bei 1160Hz. Man sieht das 19,2 Sekunden Scanmuster und auch die 3,2 Sekunden Schritte des Umschaltens des Antennenazimuts.Das direkte Signal liegt bei 1040Hz. Beobachter ist 450 km nördlich des Radars (JO21QK). Man sieht auch eine Reflexion eines vorbei ziehenden Satelliten.

Allerdings gibt es auch regelmässigeInterferenzmuster als gültiges Event, wie vorangehend beschrieben. Dazu misst man Intensitätsprofile mit IRIS, das wir auch für Photometrie einsetzen. Hier ist die Periode zwischen den Störungen und Richtung zu untersuchen.

Während meiner Beobachtungen fielen mir Echos von weiteren „unbekannten“ Flugobjekten (UFOs) auf, die nach Internet Recherchen einen ähnlichen Kurvenverlauf wie die ISS hatten. Das sind mit hoher Wahrscheinlichkeit andere loworbit Satelliten mit größeren Volumen. Ich habe daraufhin mal die Keplerdaten der NOAA- und Iridium-Satelliten herunter geladen. Weitere interessante Beobachtungen wären, wenn ich meine Antenne in Richtung des 50 km entfernten Münchner Flughafens drehte. Hier sollte man teilweise sogar denStart- und Landezyklus der Maschinen verfolgen können, z.B. wenn sich alle 2 min ein Kurve zeigte, die in der Nähe der Trägerfrequenz begann bzw. dort endet.

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Was ich im Moment noch analysiere, sind Einstrahlungen. m.E. von Relaisstationen (siehe Bilder eben).  Mein post-processing Python Skript sortiert diese für die Statistik zwar aus, aber Meteore gleich mit.

Statistische Auswertung der Logfiles

Pro Metor wird ein Eintrag im Logfile event_logYYYYMMDD.csv vorgenommen. Das Logfile ist im CSV Format (kommaseparierte Werte) und zeigt Datum, Uhrzeit, laufende Nummer, Signalstärke (dB), Rauschen (dB), Dauer (ms) und Frequenz (Hz) des empfangenen Signals sowie weitere Details. Das Logging wird laufend verbessert.   Um daraus eine verlässliche Statistik zu erstellen,ist manuelle Plausibilisierung mit visuellen und akustischen Aufnahmen nötig.

Das Logfile ist im CSV Format (kommaseparierte Werte) und zeigt Datum, Uhrzeit, Laufende Nummer, Signalstärke(dB), Rauschen(dB, Dauer (ms) und Frequenz(Hz) des empfangenen Signals sowie weitere Details.  Das Logging wird laufend verbessert.

Jede Stunde wird ein Plot erzeugt und abgelegt. Ergebnisse des laufenden 24×7 Meteor Scatters, können hier live betrachtet werden.

Pro Metor wird ein Eintrag im Logfile event_logYYYYMMDD.csv vorgenommen. Das Logfile ist im CSV Format (kommaseparierte Werte) und zeigt Datum, Uhrzeit, laufende Nummer, Signalstärke (dB), Rauschen (dB), Dauer (ms) und Frequenz (Hz) des empfangenen Signals sowie weitere Details. Das Logging wird laufend verbessert. Periodisch werden mit unserem nachgelagerten Python-Skript automatisch Plots erzeugt und abgelegt. Einige Echos müssen aussortiert werden, z.B. solche, die von Satelliten oder Störungen stammen. Auch sehr lange Reflexionen können empfangen werden, wenn sich z.B. der Mond (oder etwas anderes) regelmäßig innerhalb des Radar-Abtastbereichs befindet und reflektiert. Wir arbeiten daran, solche Störungen ebenfalls automatisiert via Skript heraus zu filtern.

Akustische Auswertung “Triggered Audio Recoder”

Zusätzlich zu der in Spectrum Lab implementierten “normalen” Wave-Datei-Logging-Routine werden die empfangenen Audio-Streams in Datendateien gespeichert, wenn ein bestimmter Signalpegel (Schwellwert) überschritten wurde:

  • ein “interessantes” Signal ist im Spektrum erschienen
  • eine gewisse Zeit ist vergangen, seit einem anderen Event
  • ein Meteor wurde bemerkt,den wir speichern möchten,
    nachdem das Ereignis tatsächlich stattgefunden hat.

Der letzte Punkt ist ein Anwendungsfall, bei dem sich der “Triggered Audio Recoder” anbot. Er puffert ohne die Festplatte zu beschäftigen und beginnt erst Daten aus dem Puffer auf die Festplatte zu schreiben, wenn der Recorder (z.B. aus dem Skript) ausgelöst wird. Ein einfacher Befehl im rec.trigger = 1 im Script setzt das Trigger-Flag des Recorders. Die Aufzeichnung beginnt, einschließlich der Vor-Trigger-Historie.
: REM set the recorder’s trigger-flag. Recording starts, including the pre-trigger history. Je Event wird so der empfangene Audio-Stream automatisiert in 20s Wavedateien gespeichert, wenn ein bestimmter Signalpegel (Schwellwert) überschritten wurde.

Ausblick

Die Bestrebungen gehen in die Richtung, wie man mit einfachen Amateurfunkmitteln Echos vom Mond, von Raumschiffen, Satelliten und Meteoriten empfangen kann. Einen ausgezeichneter Bericht gibt es von DK5EC, Karl Schmidt, Königswinter [14]. Eigene Erfahrungen sind dazu, waren eher unerwünschte Signale im 24×7 Betrieb.

EME-Echo des Graves-Radars

Um gute Echos des Graves-Radar vom Mond zu bekommen, oder diese zu vermeiden , sollte man folgendes
beachten: stärkste Empfangsergebnisse, wenn der Mond in Richtung SO, S, SW sowie Elevation 15…40 Grad steht.

EIE-Signale über die Raumstation ISS (Erde-ISS-Erde)

Dies ist geplant, da eine Sat-Ausrüstung dafür noch nicht zwingen notwendig ist. Meine 2m-Yagi mit der Hand nachführbar sollte unterm Dach oder Garten ggf. auch genügen.

Fazit

MeteorSchauer2018

Zwei passive Radio-Meteorscatter Stationen laufen nun seit zwei Monaten stabil 24hx7d mit einem Low PowerMini PC, SDR Play Empfänger und einer  144MHz WY204 2m 4-Element Yagi-Antenne. Es gibt mittlerweile eine Mail-Gruppe und alle Ereignisdaten werden in einer extern zugängliche Daten-Cloud (Repository) abgelegt. Eine erweiterte Internet Präsenz ist geplant. Nun warten wir gespannt auf die Ergebnisse beim Geminidenmaximum. Nachtrag 13.12.2017 Das Wetter machte nur Radiobeobachtung möglich und Graves war 10 Stunden abgeschaltet.