TinyGS — twoja własna naziemna stacja satelitarna

Budowa własnej stacji naziemnej w domowych warunkach z ogólnodostępnych i co najważniejsze, tanich części to ciekawy pomysł na kolejny projekt. Jest to również okazja, żeby wiele się nauczyć oraz odkryć nowe hobby. W tym wpisie opowiem trochę o tym, dlaczego warto zainteresować się satelitami korzystającymi z technologii LoRa oraz jak za to wszystko się zabrać.

Czym jest TinyGS?

TinyGS to otwarta sieć naziemnych stacji satelitarnych, które nasłuchują satelity komunikujące się za pomocą technologii LoRa. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala na przekazywanie informacji na bardzo dużą odległość przy niskim zapotrzebowaniu na energię. Dzięki temu nie ma nic nadzwyczajnego w tym, że z Polski jesteśmy w stanie odebrać sygnał nadany przez satelitę, który znajduje się np. nad Afryką.

Co ma na celu nasłuchiwanie satelitów?

Satelity uczestniczące w projekcie są budowane przez uczelnie oraz prywatne firmy. Badają one różne zjawiska lub zachowania konkretnych rozwiązań technologicznych w przestrzeni kosmicznej. Samo zbudowanie satelity i umieszczenie go na orbicie to jedna sprawa, ale zebrane dane trzeba przekazać na Ziemię. Właśnie w tym zadaniu pomagają uczestnicy TinyGS.

Rozmieszczenie i utrzymanie setek stacji odbiorczych na wszystkich kontynentach dla pojedynczych uniwersytetów lub firm jest niewykonalne. Jeżeli jednak wiele osób na całym świecie będzie utrzymywać chociaż jedną małą stację, plan staje się realny. Na tej idei opiera się cały projekt. My otrzymujemy możliwość nasłuchiwania oraz poszerzania swojej wiedzy, a twórcy satelitów mogą zebrać o wiele więcej danych. Dzięki uczestnictwu w TinyGS mamy swój mały wkład w rozwój naprawdę ciekawych technologii, które w przyszłości mogą odegrać istotną rolę.

Wiele osób na grupie TinyGS zadaje pytanie czy trzeba mieć jakieś pozwolenia lub licencje żeby nasłuchiwać satelity. Otóż w Polsce możemy nasłuchiwać satelity (i nie tylko) bez żadnych zezwoleń i licencji.

Jakie dane przekazują satelity?

Większość odbieranych pakietów to dane telemetryczne z informacjami o stopniu naładowania baterii, temperaturze, numerze identyfikacyjnym itd. Czasami satelity służą jako przekaźnik. Zdarza się że niektóre osoby wysyłają krótki komunikat tekstowy do satelity, który jest następnie nadawany z powrotem na Ziemię. Dzięki temu można odebrać taki komunikat tysiące kilometrów od nadawcy. Jako ciekawostkę dodam, że raz udało mi się odebrać część zdjęcia, ale niestety z błędem.

Występują sytuacje, że system nie jest w stanie rozkodować pakietu. Zauważyłem że takie pakiety są najczęściej wysyłane nad miejscami, gdzie satelity zostały zbudowane. Podejrzewam że są to specyficzne dane przeznaczone wyłącznie dla twórców.

Budowa własnej stacji

Przez rok wykonałem już trzy iteracje mojej stacji — od totalnej prowizorki do całkiem przyzwoicie wyglądającej konstrukcji. Za każdym razem starałem się dobierać tanie rozwiązania. Dodam też, że na starcie nie miałem lutownicy, tak więc uwzględniam tutaj wszystko, dosłownie od podstaw.

W tej części opiszę praktyczne aspekty budowania własnej stacji. Po informacje dotyczące wgrywania oprogramowania oraz dodawania stacji do systemu odsyłam do aktualizowanej na bieżąco wiki projektu.

Lista zakupów

Na początek szczegółowa lista kosztów (ceny aktualne na dzień pisania artykułu). Czy da się to zrobić taniej? Jasne, szczególnie jeżeli dysponujemy narzędziami, akumulatorkami z innych projektów itp. Podane tutaj koszty to dość skrajny przypadek gdzie stratujemy praktycznie od zera.

• płytka LilyGo TTGO LoRa32 (433MHz) - 130 zł

• antena

  • kabel instalacyjny - 10 zł
  • 3x gniazdo SMA kwadratowe montażowe - 36 zł
  • 2x przedłużka SMA - 28 zł

• zasilanie

  • 4x akumulatorki Li-Ion 18650 o pojemności 3400mAh - 100 zł
  • koszyk na akumulatorek - 2 zł
  • ładowarka do akumulatorków - 30 zł
• puszka natynkowa - 4 zł

• maszt

  • kantówka strugana - 6 zł
  • drążek drewniany - 4 zł
  • 4x kątownik - 16 zł
  • wkręty do drewna - 3 zł
  • gwoździe - 2 zł
  • trytyki - 3 zł

• narzędzia i inne materiały

  • stacja lutownicza - 63 zł
  • cyna do lutowania - 26 zł
  • trzecia ręka - 16 zł

Całkowity koszt budowy stacji: 479 zł

Serce stacji

Pierwszą i najważniejszą rzeczą jaką powinniśmy kupić jest płytka ESP32 z modułem LoRa. Dobrze żeby płytka miała mały wyświetlacz OLED. Polecam płytkę LilyGo TTGO LoRa32. TinyGS posiada do niej pełne wsparcie. Pełną listę wspieranych płytek można znaleźć tutaj. Szczegółowe porównanie można obejrzeć na kanale Anderasa Spiessa. Płytkę najłatwiej sprowadzić prosto z Chin, dlatego warto uzbroić się w cierpliwość.

Pamiętaj żeby kupić płytkę z modułem działającym na częstotliwości 433 MHz! Wszystkie aktywne satelity nadają właśnie na tej częstotliwości. W innym przypadku nie odbierzesz żadnego sygnału.

Antena

Bez dobrej anteny nasza stacja nie będzie w stanie nic odebrać. Do płytki LoRa zwykle dorzucana jest mała antenka, ale nie da sobie rady w naszym zastosowaniu. Odpadają także wszelkie anteny od routerów.

Możemy tutaj pójść w dwa rozwiązania. Albo kupujemy gotową antenę, albo budujemy własną. Polecam pójść drugą drogą, ponieważ jest to najciekawsza część projektu.

Pod uwagę warto wziąć miejsce w którym będzie stała nasza stacja. Jeżeli to bardziej otwarta przestrzeń, to warto zainteresować się antenami dookolnymi, które zbierają sygnał z każdego kierunku. W przypadku gdy jesteśmy ograniczeni, ponieważ antena będzie stała np. na balkonie to możemy postawić na antenę kierunkową, która jak sama nazwa wskazuje, będzie odbierać sygnał lepiej z konkretnej strony.

Na start śmiało mogę polecić:

• 1/4 wave Ground Plane — prosta antena dookolna. Całość składa się z dosłownie z pięciu odpowiednio przyciętych kawałków druta. Jeden z nich jest połączony bezpośrednio z złączem, a pozostałe są uziemione i służą jako przeciwwaga. Konkretne wymiary elementów można policzyć za pomocą tego kalkulatora. Polecam również ten filmik z dokładniejszym omówieniem zagadnienia anten oraz szczegółami budowy tej konkretnej konstrukcji.

• Moxon - bardzo prosta antena kierunkowa. Tutaj także dostępny jest wygodny kalkulator. Jest to antena, którą używam już dłuższy czas i świetnie spisuje się na balkonie. Składa się z trzech elementów. Pierwszy z nich jest połączony bezpośrednio ze złączem (1), drugi z uziemieniem (2), a ostatni nie jest bezpośrednio przyłączony (3). Przymocowanie ostatniego elementu może sprawiać kłopot, ale jest na to prosty sposób. Wystarczy zastosować przycięty pusty wkład od długopisu, w który włożymy końcówki poszczególnych elementów (w moim przypadku drut ma 2,5 mm średnicy i wszystko idealnie się trzyma).

Na materiał do antenty polecam miedź. Jej największą zaletą jest łatwość lutowania oraz możliwość swobodnego nadawania kształtu. Dodatkowo bardzo łatwo ją dostać. Wystarczy kupić kilka metrów kabla instalacyjnego i zdjąć z niego izolacje. Sama miedź nie musi być idealnie prosta. Małe zgięcia nie wpływają zbytnio na jakość anteny. Dwa lub trzy metry kabla powinno wystarczyć na kilka projektów.

Antenę trzeba przyłączyć do stacji. Najprościej będzie zaopatrzyć się w gniazdo SMA (taki rodzaj złącza mają płytki LoRa) w wersji kwadratowej montażowej. Jeżeli wcześniej nie lutowałeś, to dokup kilka sztuk na zapas. Przy okazji do koszyka warto dorzucić jeszcze dwa kable-przedłużki SMA, żeby móc połączyć płytkę z anteną.

Poszczególne elementy anteny należy przylutować do gniazda. Z tego powodu trzeba zakupić cały potrzebny do tego zestaw: stacje lutowniczą, cynę do lutowania oraz opcjonalnie “trzecią rękę”. Nie trzeba kupować zestawu z górnej półki, ponieważ tego lutowania jest naprawdę mało. Do tego rodzaju projektów wystarczy typowo amatorski sprzęt.

Zasilanie

Kwestie zasilania stacji możemy rozwiązać również na kilka sposobów. Pierwszym sposobem jest zapewnienie stałego zasilania np. ze zwykłej ładowarki do telefonu. Płytki używane do budowania stacji mają zwykle gniazdo microUSB. Jedyny problem jest taki, że należy wyprowadzić zasilanie na zewnątrz budynku.

Drugim sposobem jest wykorzystanie baterii lub akumulatorków. Układ powinien być zasilany napięciem 3,3V. W mojej stacji użyłem akumulatorków Li-Ion 18650 o pojemności 3400mAh. Jeden akumulatorek o takiej pojemności starcza na ok. 33 godziny działania stacji. Potrzebujemy także koszyczek na akumulatorek oraz specjalną ładowarkę.

Przy zakupie akumulatorków należy być ostrożnym. Zbyt tanie akumulatorki mają przekłamane parametry. Osobiście korzystam z zabezpieczonych akumulatorków firm Xtar oraz LiitoKala. Po roku ciągłego używania w mrozie oraz upałach nic złego się z nimi nie stało i nadal są sprawne.

Trzeci sposób to wykorzystanie paneli słonecznych lub wiatraków do generowania prądu, który następnie będzie akumulowany. Nie jestem jednak przekonany czy w miesiącach jesienno-zimowych panele dałyby radę uzbierać wystarczającą nadwyżkę energii. Kolejnym problemem jest ładowanie akumulatorków w skrajnych temperaturach (mróz, mocny upał). Zgodnie ze specyfikacją nie jest to wskazane przy akumulatorkach Li-Ion, które wcześniej kupiłem.

Obudowa

Kiedy mamy przygotowaną płytkę, antenę oraz zasilanie, to możemy zabrać się za złożenie tego w całość. Musimy jednak zadbać o odpowiednią obudowę. Nasza konstrukcja musi być odporna na warunki atmosferyczne, w szczególności na deszcz i wilgoć.

W trakcie stopniowego ulepszania stacji przetestowałem kilka rozwiązań:

• woreczek z suwakiem — rozwiązanie zdecydowanie najtańsze i najprostsze. Woreczki z suwakiem znajdziemy praktycznie w każdym supermarkecie. Wystarczy włożyć do środka płytkę z akumulatorami, zrobić małe nacięcie, przez które wyprowadzimy kabelek do anteny, zamknąć suwak i uszczelnić nacięcie taśmą izolacyjną. Dzięki suwakowi w łatwy sposób możemy wymieniać baterie, a sam woreczek bez problemu posłuży przez kilka miesięcy. Najsłabszym punktem jest oczywiście nacięcie. Podczas upalnych dni taśma zaczyna się odklejać. Myślę, że jest to jednak świetne rozwiązanie, żeby przetestować swoją konstrukcję przed ostatecznym montażem.
• plastikowy pojemnik na żywność — kolejny produkt codziennego użytku, który może nam posłużyć jako obudowa. Koniecznie wybierz pojemnik ze szczelnym zamknięciem, najlepiej o dość cienkich ściankach, ponieważ będzie trzeba zrobić nacięcie. Przez nacięcie należy przeprowadzić kabelek od anteny, co może nie być takie proste, ponieważ plastik potrafi się ukruszyć. Nacięcie trzeba odpowiednio zabezpieczyć np. klejem na gorąco lub klejem cyjanoakrylowym. To rozwiązanie podobało mi się najmniej, ale jeżeli masz zbędny pojemnik pod ręką, to możesz spróbować tego rozwiązania.
• puszka natynkowa — najbardziej “profesjonalne” rozwiązanie w zestawieniu. Dużą zaletą puszki jest to, że bardzo łatwo jest przez nią przeciągnąć kabel od anteny przez membranę. Dodatkowo puszka ma różne otwory i zaczepy, które pozwalają w wygodny sposób ją zamontować. Istotną sprawą jest wybranie puszki, która będzie wodoszczelna (IP44 powinno być już ok). Puszka o wymiarach 80x80x40 mm zmieści w sobie płytkę oraz koszyczek z jednym akumulatorkiem 18650.

Maszt

Ostatnią kwestią jest przymocowanie obudowy wraz z anteną. Tutaj wiele zależy od tego, w jakim miejscu chcemy postawić naszą stację oraz jaką antenę wybraliśmy. W moim przypadku postawiłem na banalne rozwiązanie. Za maszt wziąłem kantówkę, a podstawę zrobiłem z czterech kątowników. Do tego kilka wkrętów do drewna, gwoździe oraz trytytki. Sposobów jest wiele, wystarczy rozejrzeć się w sklepie budowlanym i dobrać coś do swoich warunków.

W oczekiwaniu na pierwszy sygnał

Po uruchomieniu stacji ponownie należy uzbroić się w cierpliwość. Na podglądzie stacji możemy sprawdzić, w jakich godzinach konkretne satelity będą w naszym zasięgu. Jeżeli jednak satelita przeleciał nad naszym domem i nie odebraliśmy żadnego sygnału, to nie należy się martwić. Istnieje wiele różnych czynników, od których zależy to, czy sygnał zostanie poprawnie odebrany m.in. warunki pogodowe, ułożenie satelity, zakłócenia w pobliżu naszego domu. Różne satelity nadają z różną mocą oraz w różnym interwale. Niektóre z nich, mimo że są nadal wspierane, nie nadają już sygnału.

W dniu publikacji tego wpisu najlepiej wyczekiwać na satelitę Norby. Jego sygnał jest najmocniejszy, a przy naładowanych bateriach dodatkowo wzmacniany. Tego satelitę można bez większego problemu odebrać nawet z odległości 2500 km.

Trochę trudniej jest złapać FEES z powodu mniejszej mocy nadawania. Kilka satelitów FossaSat jest również aktywna. Jako jedyne nadają na komercyjnych częstotliwościach (401 MHz), ale anteny skalibrowane pod częstotliwość ~433MHz potrafią odebrać również takie sygnały, tylko że z gorszą skutecznością. Przy sprzyjających okolicznościach można odebrać izraelskiego satelitę Sattla-2B.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że ten wpis zainteresował Cię tematyką amatorskich stacji naziemnych i zachęcił do spróbowania swoich sił. Jest to bardzo miła odskocznia, która pozwala dorzucić swój mały wkład w rozwój technologii kosmicznych. Powodzenia w budowaniu własnej stacji!

Źródło schematu anteny Ground Plane oraz Moxon.