INMARSAT

Letecká doprava je jednoznačně radiově nejaktivnější služba a to nejen po stránce hlasových komunikací, ale také datových přenosů. O letecké dopravě a letecké komunikaci na jiných pásmech, než na lokálních VKV kmitočtech, jsem psal již několikrát. Jednu stránku letecké komunikace jsem ovšem vynechal a to z důvodu toho, že jsem se k této přijímací technice poměrně dlouho „rozhoupával“. Jedná se o satelitní komunikaci přes stacionární družice INMARSAT v pásmu L (1545 MHz).

Úvodní slovo – trocha historie

Když se řekne INMARSAT, mnozí z vás si jistě vzpomenou, že tento termín slyšeli v souvislosti s námořní dopravou a postupým mizením provozu pobřežních stanic z krátkovlnných pásem. Historie námořní satelitní komunikace sahá poměrně daleko do minulosti. Když přeskočím dřevní doby před a po druhé světové válce, probíhala komunikace plujících plavidel po mořích a oceánech zásadně pomocí analogových radiostanic v pásmu dlouhých až krátkých vln. Komunikace probíhala jak telegraficky (morseovou abecedou), tak později doplněnou o fónii v režimu SSB (Single Side Band). V přístavech se používaly a stále používají VKV radiostanice, ale jakmile loď zmizí za radiový horizont, není možné VKV používat.

Jak známo komunikace a kvalita spojení v pásmech pod 30 MHz jsou přímo závislé na podmínkách šíření v ionosféře, sluněčních cyklech a také samozřejmě na počasí.  To, že je radiová komunikace v námořní dopravě na KV neudržitelná, bylo jasné. Bylo tedy potřeba vytvořit systém komunikace minimálně závislý na počasí a šíření v ionosféře. Jako zajímavým řešením se objevila v pozdních 70 letech možnost použití stacionárních komunikačních družic. Tehdy se tyto družice používaly pro přenos TV signálů, ale také pro vojenské účely.

V druhé půlce 70 let vznikla nezisková organizace IMO (International Maritime Organisation), která měla za cíl standardizovat námořní provoz včetně radiové komunikace. Ve spolupráci s leteckou mezinárodní institucí ICAO (International Civil Aviation Organisation) vznikla na konci 70 let autorita s označením IMSO (International Maritime Satellite Organisation). Během jejího působení v roce 1976 byly na oběžnou dráhy „vystřeleny“ první družice s označením MARISAT F1-F3. Tyto družice pracovaly v nám známém vojenském pásmu UHF 230-400 MHz (pro spojení lodí U.S.NAVY), v L-pásmu 1,5 GHz a C pásmu 4-6 GHz. Pásmo C bylo speciálně určené pro trvalé spojení mezi přístavy po celém světě a USA. Jednalo se tehdy o první skutečně spolehlivé 24hodinové spojení mezi loděmi a pevninou. Družice MARISAT byly postupně odstaveny z provozu v 90 letech a poslední dokonce až po více jak 30 letech provozu v roce 2008.

Na začátku 80 let byla IMSO přetransformována do komerční verze mezinárodní družicové společnosti, nám již známé společnosti INMARSAT (International Maritime Satellite). Pod její vlajkou byly v první polovině 80 let na oběžnou dráhu země usazeny družice s označením MARECS (Maritime European Communication Satellite) ve verzi A,B2 (první verze B byla zničena při startu nosné rakety) a C. Ty pracovaly v pásmu L a C. Tyto družice na oběžné dráze stále jsou, ale již jsou mimo provoz.

Na počátku 90 let byly vypuštěny družice již pod označením INMARSAT 2F1-2F4 a k nim byly ještě v polovině 90. let doplněny družice INMARSAT 3F1-3F5. Celá soustava družic již měla globální pokrytí. Satelity byly ovšem rozděleny do regionů.

• AOR-W (Atlantic Ocean Region – West)
• AOR-E (Atlanic Ocean Region – East)
• IOR (Indian Ocean Region)
• POR (Pacific Ocean Region)

V druhé polovině prvního desetiletí pak byly vypuštěny první satelity s vysokorychlostními transpodéry s TCP/IP architekturou datového přenosu s označením BGAN – INMARSAT 4F1-4F4 a po roce 2013 byla vypuštěna i pátá generace družic 5F1 (GX1) až 5F5 (GX5), které pracují již v pásmu Ka (27 GHz) a slouží jako gigabitová síť pro leteckou dopravu a plánuje se touto sítí umožnit širokopásmové připojení k internetu na palubách letících letadel.

Družice prvních generací byly vybaveny lineárními transpondéry a přenášely tak jak hlasovou komunikaci, tak i telegrafickou komunikaci, ale i  jednoduché digitální přenosy typu FAX, RTTY. Součástí satelitního komunikačního systému byla i možnost telefonování pomocí speciálních satelitních telefonních terminálů. V amatérských podmínkách byla pro příjem těchto družic potřeba parabola, vhodný zářič, předzesilovač a především komunikační přijímač pro pásmo 1,5 GHz.

Druhá generace družic z devadesátých let INMARSAT B již byla vybavena digitálními transpondéry pro přenos digitálních dat i digitálních hlasových služeb s rychlostmi 6 – 65 kbit/s. Tyto družice sice ještě vysílají, ale nejsou již aktivně používány.

V současnosti jsou používány družice INMARSAT C (třetí a čtvrtá generace) pro přenos digitálních dat jak námořní služby (bývalý SeaMail systému PACTOR používaný na krátkých vlnách), tak v současnosti velký rozmach zažívající data letecké dopravy. Jelikož velký rozmach zažívá v letecké dopravě systém CPDLC (Controlled Pilot Data Link Communication) a to především při letech na transoceánských tratích, jsou družice INMARSAT používány pro přenos těchto dat, ale i hlasových služeb. Provoz přes tyto satelity je tedy velmi čilý a stojí za to jeho příjem vyzkoušet.

Triviální příjem družic INMARSAT

Na internetu naleznete spoustu návodů na různě jednoduché či složitější přijímací antény pro pásmo L, na kterém mají družice INMARSAT sestupové linky. Já jsem se k tomu dostal tak, že jsem zvolil metodu nejlevnějšího a nejzákladnějšího typu příjmu. V podstatě stačí následující sestava:

• RTL-SDR přijímač nebo starší širokopásmový přijímač s možností příjmu all mode v pásmu 1530-1550 MHz
• GPS anténa za cca 100 Kč (Pozor ! Nepotřebujete celý přijímač, ale jen externí anténu !)

Pokud vlastníte přijímač AirSpy, nebo mutace RTL-SDR, která disponuje volitelným připojením napájení 5V pro externí předzesilovač, máte z poloviny vyhráno. Stačí vám jen koupit GPS anténu v jakémkoliv krámu s autodoplňky a můžete si hrát. Pokud nemáte možnost anténu napájet přímo z přijímače, je nutné pořídit si ještě T-napáječ (například od firmy TEROZ).

Druhá věc, kterou je potřeba udělat, je potřeba odstranit pásmový filtr přímo z GPS antény. Jelikož mají malé GPS antény v sobě zesilovač, tak aby se zesilovalo jen požadované pásmo 1575 MHz, je v anténách instalovaný SAW filtr. Jelikož satelity INMARSAT pracují na nižsích kmitočtech, musíte tento filtr odstranit nebo „překlemovat“ drátkem. Interní zesilovač pak funguje širokopásmově. V praxi to ale znamená, že se může GPS anténa v blízkosti LTE vysílačů zahlcovat, ale vzhledem k malému zisku samotné keramické antény, to nebudete muset pravděpodobně řešit.

GPS anténu je vhodné umístit na kus plechu, vytvoříte ji tak reflektor a zem. Rozdíl v úrovních signálů s a bez totoho reflektoru jsou velmi markantní. U GPS antén typu Patch není výrazná směrovost (stačí vám natočení správným směrem, nemusíte příliš řešit přesnost natočení a elevace), ale je poměrně důležité natočení antény kolem vlastní osy. Satelity INMARSAT používají pravotočivou polarizaci (RHCP). Patch antény jsou velmi zkrácené RHCP antény a u nich se již projevuje úhel natočení antény na výsledné síle přijímaného signálu.

Na internetu lze koupit dokonce i speciální PATCH anténu pro INMARSAT, která má v sobě již dokonce laděný zesilovač na 1542 MHz. Tato varianta je také zajímavá, ale počítejte s investicí cca 30 USD oproti pár korunám za GPS anténu. Výsledek ale dle videí, které jsem zahlédl na internetu, není nijak výrazně lepší, než upravená GPS anténa za pár korun.

Pokud vše poskládáte (já jsem pro testovací účely použil starší jednoduchý stativ na fotoaparát) a bude vše fungovat, v pásmu 1541 MHz by jste měli vidět na spektrální analyzátoru úzkopásmové datové linky. V tento moment už můžete zkusit tuto anténu různě otáčet po horizontu a zkoušet, jaké signály zaslechnete z jakých směrů. Jelikož jsou družice umístěny INMARSAT na geostacionární dráze, může být pro vás velkou pomůckou směry kam směřují paraboly satelitních antén sousedů. V našich končinách lze velmi dobře zachytit družice určené pro region IOR (Indický oceán a blízký východ) a AOR-E (Atlantský oceán – východní svazek). Každá družice používá drtivou většinou jiné kmitočty transponderů, takže i podle kmitočtů můžete bez problému identifikovat, kterou družici máte v dosahu.

Dekodéry datových přenosů

Družice INMARSAT můžete dekódovat v podstatě dvěma nekomerčními programy. Letecký provoz je možné dekódovat programem JAERO a námořní digitální provoz je možné dekódovat softwarem SKYTALE-C. Tyto programy nejsou momentálně aktivně vyvíjené, ale jsou k dispozici ve stabilních verzích, takže jsou použitelné bez problémů. Existují samozřejmě ještě komerční verze dekódovacích programů, ale ty jsou většinou určeny pro profesionální vládní a armádní použití za profesionální ceny, takže pro našince nedostupné.

JAERO

Tento software je poměrně jednoduchý na ovládání. Pro dekódování dat se používá zvuková karta počítače, takže buď přivedete zvuk z přijímače do vstupu PC a nebo v případě SDR použijete virtuální zvukovou kartu. Samotný program vyžaduje jen zvolit příslušný typ datového přenosu (program neumí autoklasifikaci signálu, takže musíte zvolit přenosovou rychlost ručně) a program automaticky doladí kmitočet tónu a synchronizuje data. Na základní obrazovce pak vidíte již dekódovaná data.

Program umí dekódovat datové linky 600bps, 1200bps i rychlé 10500 kbit. Dále umí dekódovati poziční ADS-C data (bursty) z C pásma a umí je dokonce přeložit do formátu BaseStation, takže si můžete pozice letadel zobrazit i pomocí známého programu Virtual Radar Server. Software JAERO umí dekódovat i hlasový přenos (8400 bps) kódovaný pomocí AMBE kodeku, musíte si ale do softwaru zkopírovat zkompilované DLL knihovny.

SKYTALE-C

Je speciálně určen pro námořní datové linky. Ačkoliv je připraven i pro dekódování leteckého provozu, není v něm bohužel kompletně implementován. Zajímavostí tohoto programu je, že autoři zpracovali do programu SDR SHARP plugin, který umí data demodulovat a poslat po lokálním portu přímo do zobrazovacího programu. K dispozici je ale i extra demodulátor pro případ, kdy máte přijímač připojený externí zvukovou kartou. Tento prográmek vám opět data rozluští a pošle po lokální adrese do vizualizátoru. Mimochodem samozný GUI je velmi povedený. Je zde perfektně zpracované třídění dat dle určení a priorit, vizualizace map, pokud dekódujete informační bulletin pro nějakou konkrétní oblast apod. Program tedy umí luštit jak NGC kanály (informační bulletiny pro lodě), tak i mailové kanály družic LES (Land Earth Station).

Zisková anténa

Když si budete hrát s upravnou GPS anténou a provoz vás zaujme, dříve nebo později narazíte na limit zisku antény. Limity ovlivňující příjem jsou v podstatě dvě. GPS antény jsou typu patch. Ty sice splňují potřebu pravotočivé polarizace antény (RHCP), ale s velmi širokým přijímacím diagramem a velmi malým ziskem. Vše vlastně závisí na kvalitě a zapojení interního předzesilovače, který musí zesílit jen to málo, co dopadne na minimání plochu antény. Zkrátka a dobře s GPS anténou můžete spolehlivě dekódovat signály jen určitých družic a za určitých podmínek, ostatní uvidíte slabě na vodopádu, ale nemáte šanci je dekódovat. Druhý problém je v nestabilitě příjmu signálů během dne. Když lovíte družice „nad hlavou“ problém není tak markantní, ale poklud se snažíte dekódovat satelity nad obzorem, dochází již efektům úniku signálu kvůli driftování družic. Rozdíly jsou někdy tak velké, že například u datové linky dosáhnete SNR 10dB což vám bohatě stačí pro dekódování dat a během půl hodiny vám signál poklesne a SNR je náhle jen 3dB, aniž by jste cokoliv dělali s anténou, napájením nebo přijímačem. Dostanete se tak do situace, že můžete některé satelity dekódovat jen v určitou denní nebo noční dobu. Jediným řešením je lepší anténa.

Opět na internetu najdete spoustu návodů od velkých patch antén, přes šroubovicové antény typu helical až po parabolické antény. Pokud nemáte k dispozici zahradu nebo nějaké extra místo pro instalaci paraboly a rotátoru, budete stejně jako já odkázáni na patch nebo šroubovicové antény. Já jsem šel cestou helical (šroubovicové) antény. Postupný výzkum a vývoj zde popisovat rozhodně nebudu, nemá to význam, ale chtěl vypíchnout několik důležitých poznatků, pokud se rozhodnete postavit si také ziskovou anténu na INMARSAT.

1. Zapomeňte na patch antény typu ořezaný plošný spoj nebo hliníkové čtverečky – je to o tochu lepší než upravené GPS anténa, ale zisk vám na některé satelity nebo potlačení driftování to stačit stejně nebude.
2. Pozor na návody na stavbu šroubovicových antén určených do parabol – mají otočenou polarizaci, protože parabola otáčí RHCP na LHCP, pokud anténu budete stavět, ověřte si, jak je polarizovaná. Útlum signálu nesprávnou polarizací je v řádech desítek dB.
3. Volba zesilovače je také důležitý prvek. Počítejte s tím, že s velkou anténou výrazně vzrostou nároky na odolnost zesilovače obzvlášť, pokud se nacházíte ve městě nebo blízko vysílačů v pásmu 1800 nebo 2100 MHz. Na internetu je možné koupit přímo laděné zesilovače se SAW filtry pro pásmo 1542 MHz, to je mnohem lepší volba, než obyčejný satelitní zesilovač, který se vám může velmi rychle zahltit.
4. Čím delší helical anténu máte v plánu stavět (viděl návod až na 6m dlouhou :-)) tím vám sice vzroste zisk, ale výrazně se tím zúží přijímací úhel a budete mnohem více závislí na přesném nasměrování antény k družici. Já jsem zvolil rozumný kompromis 15 závitů, což je cca 50cm dlouhá anténa – má dobrý zisk a je bez problému skladná i samonosná v případě trvalé instalace.

Pokud se rozhodnete pro stavbu delší helical antény, pravděpodobně narazíte jako já, na špatnou odolnost zesilovačů a jednoznačnou nutnost doplnění o filtr. Na internetu jsem našel prodejce klasických filtrů do DPS pro INMARSAT. Pořizovací cena je cca 200 Kč plus poštovné, ale výsledek stojí za to. Můžete pak klidně anténu používat přímo pod vysílači mobilních operátorů a vše funguje bez problému.

Výsledkem použití ziskové antény jsou signály SNR 20 dB i více na pomalých linkách a SNR 12 dB na širokých linkách. To je dostatečná zisková rezerva i pro případ, kdy satelity oddriftují a úrovně signálů klesnou. Mám tak vyzkoušený příjem dat z námořního EGC kanálu po celý den bez přerušení.