Osserviamo via radio le meteore e i detriti spaziali: implementiamo un radar bistatico con GRAVES

Esperimenti Meteor Scatter in VHF @ 143.050 MHz

Una carrellata di misure in occasione delle Perseidi 2015

RADAR BISTATICO per osservare gli oggetti che transitano in cielo a una quota dell’ordine di 100 km: osservazione di tracce meteoriche tramite echi radio-doppler in VHF

Si studia nel dominio della frequenza (spettrogramma) la riflessione di un segnale generato da una potente emittente radio, normalmente non ricevibile per onda diretta, dalle tracce ionizzate di meteore (o altri oggetti) che entrano nell’atmosfera terrestre. Questo radio-eco (che dura da frazioni di secondo a qualche secondo) si manifesta come un improvviso incremento nel livello del segnale ricevuto e si può studiare misurando la sua intensità e il suo doppler-shift in frequenza, ricavando importanti informazioni sul movimento della sorgente che provoca lo scattering.

Il trasmettitore dovrebbe generare una portante stabile e pura come, ad esempio, il segnale radar GRAVES (Francia) che trasmette sulla frequenza di 143.050 MHz, utilizzato per monitorare i detriti spaziali in orbita attorno alla Terra e ricevibile da stazioni situate al centro-nord dell’Italia.

Stazione fissa RAL_meteor Senigallia (AN) – Italy

PASSIVA

Stazione RADAR Graves – France 143.050 MHz ATTIVA

723 km

Il radar GRAVES, attivo dal 2003, è gestito dall’aereonautica militare francese per mappare e catalogare gli oggetti che orbitano nello spazio intorno al nostro pianeta. E’ stato progettato per “vedere” un oggetto spaziale grande almeno dieci centimetri. Il radar trasmette sulla frequenza di 143.050 MHz con una potenza dell’ordine delle decine di kW utilizzando antenne che inviano il segnale verso lo spazio. L’elevata potenza in gioco consente la ricezione degli echi del segnale di Graves (emissione CW continuos wave) anche per riflessione lunare.

GRAVES (Grand Réseau Adapté à la Veille Spatiale) è un radar di sorveglianza spaziale francese.

Regione del cielo «illuminata» dal radar GRAVES.

Distanza fra la stazione attiva e le stazioni passive (fissa e mobile) della configurazione radar bistatico

I principali sciami meteorici

Finalità dell’esperimento:

1. Verificare la realizzabilità e la funzionalità di due differenti stazioni (sono gli elementi passivi della configurazione radar bistatico in VHF basato sull’elemento attivo GRAVES @ 143.050 MHz).

2. Utilizzare tecnologia accessibile ai radioamatori per la costruzione delle stazioni. 3. Conoscere i principi tecnici e fisici che regolano il funzionamento del sistema (Meteor Scatter,

effetti della propagazione radio in VHF, etc…). 4. Sfruttare l’intensa attività dello sciame meteorico delle Perseidi in agosto per verificare il

funzionamento degli strumenti e pianificare dimostrazioni pubbliche affiancate a quelle ottiche. 5. Confrontare le nostre osservazioni con quelle di altri appassionati per verificare eventuali

correlazioni. 6. Testare il funzionamento della stazione fissa come elemento remoto connesso a una rete

amatoriale di osservatori (www.sidmonitor.net), funzionante in continuità 24 h/giorno.

In questa prima fase di test, non sono stati pianificati esperimenti di conteggio degli eventi meteorici con elaborazione di una statistica a lungo termine, ma si è focalizzata l’attenzione sulla qualità di ricezione e di elaborazione del singolo spettrogramma che rappresenta l’evento. Lo scopo del lavoro era quello di ottenere informazioni (immagini spettrali) più dettagliate possibili sulle caratteristiche e sull’evoluzione degli echi meteorici, verificando l’idoneità dei sistemi riceventi per un monitoraggio continuo.

STAZIONE FISSA RAL_meteor - Caratteristiche tecniche: Frequenza operativa: 14.050 MHz (ricezione radio-echi radar GRAVES) Antenna: N. 2 crossed yagi 3 elementi, autocostruita (polarizzazione circolare, puntamento zenith). RX: Super-eterodina 3 conversioni autocostruito

1° OL=DDS 108-124 MHz

2° OL=32 MHz (frequenza fissa) quarzato

3° OL=2 MHz (frequenza fissa) quarzato.

OUT banda-base audio: 0-48 kHz (I+Q) Acquisizione: Scheda audio esterna Creative Sound Blaster 24 bit – 96 KHz sample rate. Software: Spectrum Lab (free by DL4YHF). Il sistema è stato concepito per operare con continuità 24h/giorno ed è remotizzabile. Dato che la stazione è installata in località urbana-industriale, il ricevitore è stato curato per ottimizzare l’immunità alle interferenze esterne e ai segnali fuori banda (Banda RX: 140-146 MHz): importante filtraggio all’ingresso.

Antenne utilizzate per le stazioni mobile e fissa

L’antenna per la stazione fissa (installata sul tetto di un edificio industriale) è composta da 2 Yagi incrociate (ciascuna con 3 elementi), orientate verticalmente. Le antenne della stazione fissa sono utilizzabili singolarmente e indipendentemente, oppure accoppiate in vario modo. Per questa applicazione sono state accoppiate in modo da ricevere una polarizzazione circolare. La stazione mobile utilizza una singola Yagi installata sul tetto di un’autovettura tramite supporto orientabile.

Elemento base delle stazioni riceventi

Il ricevitore è stato costruito utilizzando moduli e componenti disponibili in laboratorio. I principali requisiti di progetto riguardano la minimizzazione dei disturbi e delle interferenze fuori-banda, l’ottimizzazione della selettività in banda all'ingresso del sistema e fra gli stadi di conversione. Totale schermatura dell'elettronica in modo da sfruttare le ottime caratteristiche di “silenziosità” della scheda audio di acquisizione (esterna al PC).

Prototipo del ricevitore sviluppato per la stazione fissa.

Eventi interessanti che si sono verificati verso la fine di luglio, in corrispondenza dell’incremento di attività dei radio-echi (rispetto alla media degli eventi sporadici) che annuncia il picco dello sciame Perseidi 2015.

Registrazioni effettuate dalla stazione fissa RAL_meteor (Senigallia – ANCONA).

Df=280 Hz

Dt=20 sec.

Dt=25 sec.

Df=150 Hz

Df=180 Hz Df=290 Hz

Dt7 sec. Radio-meteore notevoli registrate immediatamente prima dello sciame delle Perseidi 2015

E’ molto interessante e istruttiva la panoramica delle forme degli echi meteorici: dall’evoluzione delle tracce è possibile stimare la dimensione dell’oggetto, la sua velocità di ingresso in atmosfera, la distribuzione dei venti in quota…

Evento meteorico complesso registrato dalla stazione fissa

Dt=80 sec.

Df=90 Hz

Le impostazioni del software di acquisizione degli spettrogrammi (Spectrum Lab) sono state sperimentate e ottimizzate in modo da visualizzare i dettagli dei singoli eventi, anche quelli più deboli. Questo aiuta a comprendere la varietà dei fenomeni osservati, creando un catalogo che sarà utile per discriminare la loro origine e natura (distinzione fra riflessioni da tracce ionizzate da meteore, riflessioni da aerei e satelliti…).

Riflessione meteorica in presenza di intenso rumore di fondo.

Dt=95 secondi

Le immagini forniscono un’idea sulla varietà dei fenomeni osservati e sul contenuto informativo degli spettrogrammi che si possono registrare con i sistemi descritti.

Eventi rilevanti registrati il 12 Agosto 2015 (Perseidi) dalla stazione fissa (le immagini hanno identica scala).

15 secondi/div

Df=300 Hz

Dt=60 secondi

Portante del radar GRAVES

Eco meteorico

Scarica atmosferica

Portante del radar GRAVES

Portante del radar GRAVES

Aereo in transito

Aereo in transito

Aereo in transito ?

Questo radar bistatico rileva gli echi radio di un oggetto (di adeguate dimensioni) che transita a circa 100 km di quota, «illuminato» dalla portante del radar GRAVES: aerei, satelliti artificiali civili e militari, ISS, detriti spaziali, riflessioni lunari… L’identificazione degli oggetti non è banale. Sono osservabili anche interessanti effetti della propagazione in VHF. Le precedenti registrazioni mostrano come la portante del radar GRAVES non sia normalmente ricevibile, data la distanza. Eccezionalmente, e per brevi periodi di tempo in funzione della propagazione, le nostre stazioni ricevono il segnale di GRAVES.

STAZIONE MOBILE RAL_meteor Caratteristiche tecniche: Frequenza operativa: 14.050 MHz (radar GRAVES) Antenna: Yagi 3 elementi orientabile, autocostruita RX: SDR AIRSPY (24-1800 MHz) Software: SDR# (free). Grazie alla flessibilità del ricevitore SDR e alla sua compattezza, questa attrezzatura è stata utilizzata per le dimostrazioni pubbliche "sul campo", in parallelo alle osservazioni ottiche. L'antenna è stata costruita con un supporto orientabile che si può appoggiare sul tetto di un'autovettura. E’ essenziale l'accordo dell'antenna e una corretta impostazione dei parametri del software.

Caratteristiche del ricevitore SDR commerciale utilizzato.

Software SDR#: impostazioni dei parametri del ricevitore e della FFT per la corretta rappresentazione degli spettrogrammi.

Poiché il software SDR# non consente il salvataggio automatico degli spettrogrammi, si è utilizzato uno dei tanti programmi free di salvataggio automatico e temporizzato dello schermo del PC come, ad esempio, AutoScreenCap: per non perdere alcun evento durante il periodo di attività delle Perseidi, si è impostato il salvataggio automatico delle schermate ad intervalli di tempo regolari, compatibili con il flusso di dati FFT dello spettrogramma. Le schermate sono salvate con immagini .JPG.

Lo scopo di questo lavoro non è il conteggio e/o la classificazione statistica degli eventi meteorici, ma verificare l’idoneità di due differenti sistemi riceventi nel rappresentare (e registrare) i particolari dell’evoluzione delle tracce dei radio-echi in uno spettrogramma.

Dt=56 secondi

In questa mappa sono riportate le posizioni geografiche (in riferimento al radar GRAVES) delle stazioni che hanno monitorato, più o meno continuativamente, l’attività meteorica via radio. Non tutte le stazioni erano attive contemporaneamente: sono indicate quelle che hanno partecipato ai seguenti esperimenti.

Stazione passiva fissa Stazione passiva mobile

Stazione passiva fissa

Stazione passiva fissa

Stazione attiva @ 143.050 MHz

Schema della configurazione radar bistatico con GRAVES (elemento attivo) e stazioni italiane del centro-nord (elementi passivi).

Ho utilizzato le immagini degli

spettrogrammi registrati da

Vainer Orlando in occasione

delle Perseidi 2015 per

confrontarli con le mie analoghe

registrazioni.

Nonostante la differenza

temporale dovuta alla

mancanza di sincronizzazione

dei PC, sembrano evidenti le

correlazioni fra gli eventi

registrati dalle due postazioni

distanti.

Lo scopo di questo lavoro è

quello di evidenziare la forma e

l'evoluzione della traccia

ionizzata prodotta dall'impatto

dei meteoriti con l'atmosfera.

Nonostante la distanza e le differenze tecniche fra le stazioni (e fra gli orologi dei PC), negli spettrogrammi si riconoscono agevolmente le «firme» degli eventi registrati.

60 s

La registrazione radio principale è quella di Daniele Caccia. I particolari associati con l'evento più intenso mostrato in figura (le differenze

temporali sono dovute alla mancanza di sincronizzazione degli orologi dei PC) sono due registrazioni indipendenti effettuate dal sottoscritto

dalla stazione fissa e dalla stazione mobile.

Interessanti possibilità di studio possono svilupparsi da un monitoraggio coordinato (e sincronizzato...) di eventi meteorici fra stazioni distanti.

Occorre considerare la differente posizione degli assi tempo-frequenza negli spettrogrammi.

Relazioni possibili fra osservazioni visuali di meteore (Perseidi 2015) effettuate da Giorgio De Luca a Barbiana -

FIRENZE - IT) e osservazione radio (il sottoscritto a Senigallia - ANCONA - IT).

Evento notevole post-Perseidi… 7 ottobre 2015

Questo grosso bolide meteorico è stato registrato dalla stazione radio del Planetario di Venezia alle 06h04m08s UT dello scorso 7 ottobre 2015. Gli impulsi trasmessi sulla frequenza 143,05 MHz dal radar francese Graves sono stati riflessi verso terra dagli strati atmosferici ionizzati dal meteoroide, e quindi ricevuti dalla stazione di Venezia per ben 98 secondi (evento descritto da Enrico Stomeo).

Lo stesso bolide «visto» dalla nostra stazione fissa.

Grazie per l'attenzione