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Fabrication d'une antenne quadrifilaire (QFH)
Lors de mon tout premier projet de réception d’images satellites, j’avais fait une antenne V-dipôle. Elle a l’avantage d’être très facile à réaliser et d’obtenir des résultats très convaincants.
Le souci, c’est les bandes grises d’interférences que j’ai sur toutes mes images comme par exemple celle-ci.
J’ai essayé énormément de choses afin de les enlever, mais je n’y suis jamais parevenu. J’ai donc décidé de changer d’antenne par une antenne quadrifilaire ou antenne QFH (QuadriFilar Helicoidal). On verra bien si ça résoudra le problème :)
Fonctionnement d’une antenne QFH
L’antenne QFH est composée de 2 boucles hélicoïdales, enroulées autour d’un axe central chacune déphasées de 90° l’une par rapport à l’autre. Plus d’info sur le déphasage ici.
Grâce à ce déphasage, les hélices produisent une polarisation circulaire. Il faut le voir comme la “direction” (du champ électrique) de notre onde.
L’antenne V-dipôle qu’on avait faite a elle une polarisation horizontale, ce qui cause des pertes puisque le signal en provenance des satellites a lui une polarisation circulaire 🌀.
Fabrication de l’antenne
Gardez en tête que votre antenne ressemblera à ça, parce que sur les schémas en 2D on dirait pas forcément :
Théorie
Pour la fabrication de l’antenne, on va se servir de ce calculateur.
Design Frequency : Je mets 137.5MHz puisque je veux recevoir des signaux satellites compris entre 137 et 138MHz.
Conductor Diameter : Je mets 9.5mm car je vais utiliser un tube de cuivre 3/8” soit 9.52mm. En soit, on peut utiliser n’importe quel diamètre, plus gros permet d’élargir la bande passante de l’antenne et éventuellement réduire certaines pertes. Mais ça reste des gains modérés alors prenez ce que vous avez.
Bref, pour tout le reste, on peut laisser par défaut, c’est très bien puis on clique sur Calculate.
De là, on peut en tirer un schéma en à peu près. À noter les -0.5cm sur les 4 brins du haut uniquement afin de laisser de la place entre eux pour les relier.
Bricolage
C’est parti, on va commencer par dresser la liste de ce dont on va avoir besoin (hors outils). En ce qui concerne le cuivre, j’avais déjà des couronnes qu’on utilise pour la climatisation. C’est du cuivre dit recuit, et qui donc est malléable.
Haut de l’antenne
Afin de faciliter le bricolage, j’ai utilisé un manchon PVC qu’on va venir placer au dessus de l’antenne.
Il va falloir faire 4 trous parfaitement perpendiculaires autour de notre manchon. Pour ça, toujours depuis ce site, si on descend plus bas, on a une section bien pratique Generate a drilling template. On la remplit, avec le diamètre extérieur du manchon (58mm) et celui des tubes de cuivre (9.5mm).
Une fois fait, ça nous sort un template à imprimer, on peut découper et garder uniquement la partie Top.
Ensuite, on l’enroule autour de notre tube de PVC. À ce moment, c’est important que le papier fasse pile le tour du tube, même 1mm de décalage pourrait avoir un impact sur l’alignement des 4 tiges de cuivre. Si jamais ça ne fait pas pile le tour, c’est probablement dû à une mauvaise mesure du diamètre.
Bas de l’antenne
Revenons sur la section Generate a drilling template du calculateur. Cette fois-ci, on va prendre le diamètre extérieur du tube PVC (52mm).
⚠️ Attention à ne pas prendre celui du manchon comme pour le haut de l’antenne.
Ensuite, on découpe la partie Bottom de notre template pour l’enrouler autour du tube. Pour savoir à quelle distance il faut le placer, notez sur le template la valeur 695.10mm qui représente la distance que vous devez mesurer en partant des tiges du haut jusqu’au point A. En fait, il s’agit de la distance H2 sur le schéma de l’antenne.
Courbure des tubes
On peut placer les coudes (sans les fixer) aux extrémités de nos 4 longues tiges et les positionner sur le haut ou le bas de l’antenne, n’importe. On peut à la limite légèrement serrer les coudes aux tubes si jamais ça glisse trop histoire de faire notre courbure tranquillement.
Pour la courbure, plusieurs techniques existent mais dans mon cas, j’ai fait la courbure à la main selon ce principe :
⚠️ MAIS ATTENTION, les signaux satellites qu’on veut recevoir ont une polarisation circulaire DROITE (RHCP). Ça veut dire qu’il faut courber nos tubes dans le sens antihoraire quand on regarde depuis le haut.
Quand on est satisfait de sa courbure, on peut fixer définitivement les coudes aux tubes. J’avais la chance d’avoir accès à de l’abrasure forte qui est plus simple et plus rapide que la soudure à l’étain.
L’eau sur le cuivre sert à le refroidir pour éviter que la chaleur se propage et fasse fondre le PVC 🥵.
À la place de cette technique, on peut aussi serrer fort les coudes avec le tuyau, le contact ne sera pas parfait mais ça peut dépanner.
Balun
À présent, nous allons réaliser 2 trous en haut du tuyau afin de faire un balun.
En effet, le signal est converti en courant dans un sens dans une des branches et dans l’autre sens dans l’autre branche. On dit alors que le courant est symétrique dans l’antenne.
Mais dans un câble coaxial, le courant n’est transmis QUE dans le centre du câble et donc dans un seul sens. Le courant est alors asymétrique. La tresse extérieure est reliée à la masse et agit comme isolant afin d’éviter que le câble se comporte comme une antenne (et aussi pour protéger le signal).
Bref, si on ne fait rien, une partie du signal reçue va aller à la masse ce qui provoque de grosse pertes. Ainsi, on vient placer un balun pour balenced->unbalanced ou dit autrement symétrique->asymétrique qui vient régler ce souci.
On parle de balun 1:1. Le premier 1 représente l’impédance du côté symétrique donc l’antenne (50Ω) et le deuxième celle du côté asymétrique donc le câble (50Ω). Dans un balun 1:1, ces 2 impédances sont égales.
Les 4 tours ne sont pas une règle absolue mais semblent être une bonne balance pour les ondes VHF
Câblage
Il existe plusieurs méthodes pour raccorder les tiges mais voici un schema des liaisons à respecter :
D’abord, on fait des petits trous au bout des tiges du cuivre et on les lime.
Ensuite, on peut faire le câblage comme sur le schéma. Je l’ai fais sans soudure en torsadant les câbles entre eux et en les serrant bien à l’aide de colliers de serrage.
L’idéal reste quand même la soudure mais pour des signaux comme ceux des NOAA et METEOR, ça fera l’affaire.
J’ai représenté le courant en provenance de l’âme du câble en rouge et celui en provenance de la tresse en bleu.
On peut ensuite fermé le dessus pour protéger le câblage de la pluie.
Installation
J’ai fais un petit trou en bas du tube pour y faire sortir le câble, ça évite de l’écraser lorsque l’on pose l’antenne à plat.
Pour la placer le plus haut possible, j’ai rajouté une longueur de tube PVC. Je n’avais pas de manchon pour les relier, donc j’ai mis un té.
Et voilà l’antenne fièrement installée en haut de mon toit.
Tests
Sortons notre testeur d’antenne pour voir ces performances. Bien que les valeurs soient surtout utiles dans le cas où l’on souhaite émettre, elles nous permettent quand même de voir si notre antenne est bien calibrée.
Le VSWR est à 1.487 est vraiment pas mal pour une antenne QFH faite à la main. Tant que c’est <1.5, on peut considérer que l’antenne est bien calibrée.
L’impédance à 46.21Ω est très bien aussi, puisque qu’elle match à peu près les 50Ω de notre câble.
Et enfin, voici ce qu’on peut tirer de cette antenne :
Concernant la problématique de départ, mes images ne contiennent (presque) plus aucune interférences ! Vous pouvez d’ailleurs voir la différence sur ma station à partir du 15/10, date à laquelle, j’ai changé d’antenne.
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Réception automatique d'images satellites NOAA
Pour tout curieux souhaitant débuter dans le milieu de la SDR, recevoir des images satellites en fabriquant sa propre antenne est un excellent point de départ pour acquérir des bases en radiofréquence. On va pousser ce projet un peu plus loin en faisant en sorte que ces images satellites se récupèrent automatiquement.
Compréhension du projet
Qui sont les NOAA ?
Les satellites NOAA sont des satellites météorologiques américains situés à une altitude d’environ 850km. Pour comparer, l’ISS est à environ 400km.
À ce jour, il y en a 3 qui vont nous intéresser :
Leur fréquence étant publique, n’importe qui avec le matériel adéquat peut recevoir leurs images. Ils ne sont plus en période d’exploitation mais tant que la NASA considère qu’ils ne sont pas un danger, ils continuent de les laisser tourner.
Orbite héliosynchrone
Ces satellites ont une orbite circulaire qui les font passer d’un pôle à l’autre de la Terre. Ce sont des orbites dites polaire et plus précisément héliosynchrone. Mais pour plus d’infos sur les différents types d’orbites, tu peux cliquer ici.
Ils se présentent toute l’année sous le même angle par rapport au Soleil :
Ainsi, comme la Terre tourne sur elle même, le satellite peut balayer toute sa surface. Grâce à des logiciels ou sites web, on peut calculer ses orbites et prévoir le passage de chacun par rapport à des coordonnées géographiques. Ils passent à peu près 2 fois par jour au-dessus d’une même zone.
Par exemple, voici une liste de prédictions au dessus de la ville où est installée mon antenne:
Transmission APT
Les NOAA ne prennent pas directement des photos de la Terre. Ils utilisent un radiomère à balayage qui effectue un scan comme le ferait un scanner papier à une vitesse de 2 lignes par seconde, donc c’est lent.
Pour cela ils vont utiliser le mode APT (Automatic Picture Transmission). Il date de 1960 et seules ces 3 satellites l’utilisent encore. La qualité n’est que de 4km pour 1 pixel.
Voici un exemple d’image transmise que j’ai reçu avec ce système :
La transmission est composée de deux canaux d’images, des informations télémétriques et des données de synchronisation.
Le premier canal (image de gauche) d’image est pris avec un capteur dans les longueurs d’onde visibles. (Un autre capteur peut être utilisé en fonction de la quantité de nuages).
Le second canal (image à droite) utilise un capteur infrarouge.
La bande à gauche de chaque image sont des données de synchronisation. Comme les ondes peuvent faire des rebonds dans l’atmosphère ou sur d’autres obstacles, elles peuvent ne pas arriver dans le bon ordre jusqu’à l’antenne, donc ces bits de données sont là pour les remettre dans le bon ordre et être sûr qu’on reçoive le scan correctement.
Les 2 bandes à droite de chaque image sont des données télémétriques. Il s’agit d’informations envoyés concerant le satellite ainsi que des données pour la météo (c’est à ça qui sert après tout).
Toutes ces données vont être envoyées ligne par ligne à l’horizontal.
Avant d’être diffusées, les images recoivent des corrections géométriques permettant ainsi d’être exempt de la distorsion causée par la courbure de la Terre (car oui, la Terre n’est pas plate).
Ainsi, avec ces deux images capturées, on peut obtenir d’autres types d’image. Par exemple, voici une image thermique générée par les deux images précédentes :
C’est grâce à ce genre d’image que les personnes dans la météorologie seront à même de prédire le temps qu’il va faire ⛈️.
Fonctionnement d’une antenne et SDR
Pour récupérer leur images, il va nous falloir une antenne ainsi qu’un récepteur SDR.
Ainsi, je vous recommande de lire les 2 articles que j’ai fais, le premier pour comprendre comment on choisit une antenne en fonction de la fréquence qu’on veut écouter.
Le second qui explique ce qu’est la SDR (Software Defined Radio).
Mise en place du projet
Partie matérielle
Fabrication de l’anntenne
Pour ce projet, j’ai décidé de partir sur une antenne V-dipôle qui sera placée horizontalement. De fait, son diagramme de rayonnement sera dirigé vers le ciel. Ça permet aussi de grandement réduire les interférences en provenance des signaux terrestres polarisés veriticalement.
Malgré tout ça, ce n’est pas l’antenne optimale pour ce projet (à cause de sa polarisation) mais ça reste la plus simple à construire donc on va partir là dessus pour débuter. Si non, on pourrait directement partir sur une antenne QFH.
Les signaux APT sont très résistants donc au final, même avec une antenne non parfaite, on recevra quand même des trucs, le plus important, c’est surtout d’avoir un ciel dégagé avec l’antenne placée le plus haut possible.
Comme vu sur les cours des antennes, pour qu’elle soit résonnante à la fréquence de 137MHz, on peut faire le calcul suivant : λ=300/137≈2.18m.
On va faire une antenne demi-onde donc elle devra faire une longueur de 2.18/2 soit 1.09m.
De plus, comme on fait un dipôle, on va devoir diviser à nouveau par 2 pour avoir la longueur de chaque pôle. Donc 1.09/2≈0.54. On sait à présent que chaque pôle devra faire 54cm pour être efficace au 137MHz.
Afin d’avoir une impédance de 50Ω, l’angle formé par les 2 pôles doit être de 120°.
Le raccordement entre les pôles et le câble se fait avec un domino. On relie la tige centrale du câble à l’un, et la tresse autour du câble à l’autre. On peut analyser ses performances avec un testeur d’antenne.
Le deux valeurs à prendre en compte sont
L’impédance -> R (Ω) qui est de 58Ω donc pas les 50Ω idéales mais relativement proche donc c’est cool.
Le rapport d’onde stationnaire -> VSWR qui doit être au plus proche de 1. Et là, 2.8, c’est pas terrible.
Les premiers résultats n’étant pas très convaincant, je décide d’enlever le domino et de plutôt venir souder les parties entre elles pour que le contact se fassent au mieux. Je récupère à la déchetterie une vieille antenne TV pour caravane qui me permet de facilement régler l’orientation des pôles pour ajuster l’impédance de l’antenne. Et voici le résultat final :
Le VSWR est très proche de 1 ce qui est vraiment pas mal pour le coup.
L’impédance de 42Ω n’est pas parfaite mais reste tout à fait correct.
Placement et Orientation
Une antenne dipôle n’est pas omnidirectionelles et il va falloir la placer correctement. Les NOAA avec leur orbite polaire arrive soit par le nord soit par le sud. Par conséquant, on doit orienter l’antenne dans l’une de ses directions, n’importe laquelle. Si on la place vers le nord alors que le satellite arrivait par le sud, on aura juste à retourner l’image. :)
Voilà le rendu final de l’antenne sur le toit orienté plein sud dans mon cas :
Évidemment, la parabole et l’antenne râteau n’ont rien à voir pour ce projet.
Raspberry
Pour ce projet, j’utilise un Raspberry 4 model B qui tourne sur Raspbian lite OS en 64-bits. Il n’aura pas d’interface graphique afin d’éviter toutes fréquences parasites provoquées par la consommation du CPU et de la RAM à cause des composants graphiques.
Ce dernier sera placé dans les combles dans un tupperware pour le protéger de la poussière. Pour le récepteur SDR, j’utilise la clé RTL-SDR V4. Elle sera reliée à l’antenne par 5m de câble coaxial TV de récup, mais c’est mieux de prendre un bon câble style du RG58.
Filtre
Bien que la clé SDR a pour rôle d’enregistrer dans la fréquence qu’on lui demande, elle n’est pas parfaite et il y aura toujours des signaux parasites autour. Pour régler ce problème, on peut être tenté par utiliser un LNA (Low Noise Amplicator). Il va nous permettre de filtrer et amplifier les signaux dans une gamme de fréquence bien spécifique. Par exemple, pour ce projet, il faudrait un LNA 137MHz comme celui-ci.
Il est important de le placer au plus prêt de l’antenne, afin d’amplifier le signal dès que possible. Ainsi, on est sur que le signal ne se perde pas durant le trajet.
⚠️ Mais attention, l’efficacité d’un filtre dépendra de pleins de facteurs compelxes. Car même si le signal du NOAA sera amplifié, le bruit parasite le sera aussi. Et dans mon cas, pour l’avoir testé, ça ne change vraiment rien d’avoir un filtre donc je ne recommande pas d’investir dedans.
Partie logicielle
Afin de tester toute notre chaîne matérielle, on peut d’abord brancher notre récepteur SDR à un ordinateur avec un logiciel comme SatDump et tenter de récupérer un signal manuellement. J’en ai fais un guide juste ici.
Si tout fonctionne, en théorie on pourrait s’arrêter là pour le projet, mais pour aller plus loin, on va faire en sorte d’automatiser tout ça pour avoir un site qui contiendra toutes nos images récupérées 🖼️.
Github
Pour ce projet, j’ai décidé d’utiliser ce dépôt Git qui va grandement nous être utile.
Pour l’installer, on le git clone sur le Raspberry, puis on édite le fichier config/settings.yml pour y mettre nos coordonnées géographiques ainsi que d’autres paramètres selon nos besoins.
Voici quelques exemples de paramètres que j’ai changé :
# Les coordonnées de où est installée votre antenne.
latitude: 37.2387771634851
longitude: -115.80047482064876
altitude: 1360
# Le logiciel satdump est plus récent et plus efficace.
noaa_decoder: 'satdump'
meteor_decoder: 'satdump'
# Le signal au début et la fin du passage est très faible ce qui crée pas mal de bruit sur notre image. On peut alors rogner ces parties pour avoir une meilleure image.
noaa_crop_toptobottom: true
# Perso, j'aime bien avoir une image naturelle sans les frontières et grilles.
noaa_map_crosshair_enable: false
...
noaa_map_grid_degrees: 0.0
...
noaa_map_country_border_enable: false
...
noaa_map_state_border_enable: false
On a plus qu’à lancer l’installation en exécutant le script ./install_and_upgrade.sh (ça prend du temps) et nous voilà avec un site web affichant tous les passages prévus des satellites, un enregistrement qui se lance automatiquement et une page Capture avec l’ensemble des images récupérées. Super pratique !
Accès à distance
Après l’installation, un serveur web nginx est créé en localhost sur le Raspberry accessible donc que depuis le réseau local.
Si vous avez un nom de domaine et que vous souhaitez accéder à votre site depuis n’importe où, vous pouvez associer votre site à l’adresse IP de votre box internet. Grâce au tool GitHub, on a la possibilité de générer des certificats HTTPS très facilement pour améliorer la sécurité du site. Vous pouvez consulter ce guide pour en savoir plus. Dans mon cas, ma station est accessible depuis ici.
Prédiction
Pour prédire le passage des satellites, on a un cronjob qui va se lancer chaque jour à 00h00. Il va s’occuper d’aller chercher les TLE (Two Lines Elements) des satellites en ligne. Il s’agit d’une représentation standardisée des paramètres orbitaux des objets en orbite terrestre. C’est grâce à ces paramètres que l’on va pouvoir prédire à quelle heure un satellite va passer au dessus d’un point donné.
Une fois récupérée, on a une base de données à jour contenant la position des satellites qui nous intéressent.
Ainsi, on peut faire appel à l’outil predict qui va prédire le passage des satellites en sa basant sur les TLE, et sur la position géographique du fichier setting.yml. Ce dernier va nous donner un intervalle durant laquelle le satellite va passer en nous indiquant l’élévation maximale du passage.
Un exemple de la commande lancée manuellement :
> nugget@noaa:~ $ predict -p "NOAA 15" -t /home/nugget/.config/satdump/satdump_tles.txt
1714330922 Sun 28Apr24 19:02:02 0 173 192 17 358 3297 35014 * 0.000000
1714331020 Sun 28Apr24 19:03:40 7 175 196 23 359 2648 35014 * 0.000000
1714331117 Sun 28Apr24 19:05:17 15 178 200 29 0 2017 35014 * 0.000000
1714331212 Sun 28Apr24 19:06:52 29 185 204 35 2 1446 35014 * 0.000000
1714331299 Sun 28Apr24 19:08:19 49 202 208 40 4 1030 35014 * 0.000000
1714331365 Sun 28Apr24 19:09:25 64 248 211 43 5 886 35014 * 0.000000
1714331410 Sun 28Apr24 19:10:10 59 293 213 46 6 919 35014 * 0.000000
1714331461 Sun 28Apr24 19:11:01 45 318 215 49 7 1079 35014 * 0.000000
1714331532 Sun 28Apr24 19:12:12 29 331 218 53 9 1423 35014 * 0.000000
1714331618 Sun 28Apr24 19:13:38 17 337 222 58 12 1937 35014 * 0.000000
1714331713 Sun 28Apr24 19:15:13 8 341 226 63 16 2543 35014 * 0.000000
1714331810 Sun 28Apr24 19:16:50 1 343 230 69 21 3185 35014 * 0.000000
1714331830 Sun 28Apr24 19:17:10 0 344 230 70 23 3314 35014 * 0.000000
Ici, on demande les prédictions du satellite NOAA 15 en précisant un fichier TLE à jour. L’élévation est indiqué par la 5ème colonne.
On voit que le prochain passage aura lieu entre 19:02 (première ligne) et 19:17 (dernière ligne) et que l’élévation maximale aura lieu à 19:09 (6ème ligne) et sera de 64°.
Traitement du signal
Mais au final, qu’est ce qu’on enregistre, des images ? Et bien non. En réalité, l’enregistrement consiste en la récupération d’un fichier audio !
La commande principale ressemble à ça :
./satdump live noaa_apt --source $receiver --samplerate $samplerate $ppm_correction --frequency "${NOAA_FREQUENCY}e6" --sdrpp_noise_reduction $gain_option $GAIN $crop_topbottom --start_timestamp $PASS_START --save_wav $finish_processing --timeout $CAPTURE_TIME
On va pas rentrer dans les détails de chacun des arguments mais cette commande permet d’enregistrer le signal et de le traiter en même temps afin de convertir le signal audio en une image. Vous trouverez des infos sur les arguments ici et ici.
Récupération des images
Une fois tout le traitement terminé, satdump va appliquer un traitement sur l’image reçue selon ce que l’on a mis comme paramètres dans le fichier settings.yml. Ainsi, il va pouvoir en générer plusieurs, comme des images en couleurs ou en vision thermique. Ces dernières étant disponible depuis la section captures de votre site.
Voici un exemple de la même image de NOAA 19 reçue mais avec un traitement différent :
Comme vous pouvez le voir, il y a pas mal de bandes en plein milieu, ce sont des interférences dues à mon antenne qui n’est pas parfaite. J’y travaille afin d’avoir une image parfaitement nette.
Les images que je récupère sont disponibles sur ma station juste ici.
Suite et Améliorations
METEOR
Si vous avez tout correctement configuré, vous avez dû voir qu’il y a 2 autres satellites appelés METEOR qui sont récupérés. Ce sont aussi des satellites météos qui émettent sur les 137MHz. C’est pour cela qu’avec le même matériel que pour les NOAA, vous pouvez les recevoir. Plus d’infos sur ces satellites russes ici.
HRPT
En réalité, ces satellites peuvent envoyer de plus belles images que ça. On l’a dit, mais le protocole APT date de 1960 alors que ces satellites ont été envoyés dans les années 2000. En fait, c’est juste pour une question de rétro-compatibilité avec de vieux équipements. Mais sinon, les météorologues vont utiliser un protocole plus récent, le HRPT ( High-Resolution Picture Transmissions). Les NOAA envoient avec ce mode sur des fréquences plus hautes, 1700MHz. Leur réception demande plus de connaissance et surtout une antenne tout autre. Il s’agit de la suite logique de ce projet afin d’avoir des images toujours plus belles car là où l’APT nous donnait du 4km/pixel, l’HRPT nous donne du 1km/pixel. C’est comme passé d’un écran FULL HD à de la 4K :)
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