#15 – Sternenstaub-Detektive: künstliche Objekte

Künstliche Objekte am Sternenhimmel: Ein Leitfaden für
DIY-Radioteleskope Einleitung: Das Universum im Eigenbau empfangen

Die Amateur-Radioastronomie bietet eine einzigartige und
faszinierende Möglichkeit, das Universum zu erkunden. Über die
Beobachtung natürlicher Radioquellen hinaus ermöglicht sie es
Enthusiasten, Signale von künstlichen Objekten im Weltraum mit
selbstgebauter Ausrüstung zu empfangen und auszuwerten. Diese
Disziplin verbindet die Leidenschaft für Astronomie mit
praktischen Ingenieursfähigkeiten und bietet eine direkte,
dynamische Verbindung zu aktuellen Raumfahrtmissionen und
technologischen Errungenschaften. Es handelt sich um ein
intellektuell lohnendes Unterfangen, das zu einzigartigen
Beobachtungen und einem tiefen Verständnis der Raumfahrt führen
kann.


Die Möglichkeit, sophisticated space communication reception zu
betreiben, ist nicht länger ausschließlich großen, gut
finanzierten Institutionen vorbehalten. Der Zugang zu Technologie
hat sich erheblich demokratisiert. Beispielsweise wurde der
Amateurfunksatellit OSCAR 10 mit handelsüblichen Komponenten
gebaut.[1] Ein grundlegendes System, das einen Personal Computer
nutzt, kann bereits für wenige hundert US-Dollar zusammengestellt
werden.[2] Darüber hinaus nutzen Softwarelösungen wie WXtoImg die
16-Bit-Abtastfähigkeiten von Soundkarten, um eine bessere
Dekodierung zu ermöglichen, als dies mit teurer, speziell
entwickelter Hardware möglich wäre.[3] Die Verbreitung
erschwinglicher Software Defined Radios (SDRs) wie dem RTL-SDR
[4] senkt die Einstiegshürde weiter. Diese Entwicklung zeigt,
dass die Schwelle für die Teilnahme an der Weltraumkommunikation
und die Beobachtung des Weltraums erheblich niedriger ist, als
gemeinhin angenommen. Der vorliegende Leitfaden zielt darauf ab,
praktische Schritte aufzuzeigen, wie diese Zugänglichkeit genutzt
werden kann, um mit DIY-Setups greifbare Ergebnisse zu erzielen.
Grundlagen des Amateurfunk-Radioastronomie-Empfangs

Ein DIY-Radioteleskop setzt sich typischerweise aus mehreren
Schlüsselkomponenten zusammen. Dazu gehören eine Antenne zum
Auffangen der Radiowellen, ein Empfänger – häufig ein Software
Defined Radio (SDR) – zur Umwandlung der analogen Radiosignale in
digitale Daten, ein Computer zur Signalverarbeitung und
schließlich spezialisierte Software zur Dekodierung und
Visualisierung der empfangenen Informationen.[5]


Für den erfolgreichen Empfang sind mehrere technische Konzepte
von grundlegender Bedeutung:



Frequenzbereiche: Künstliche Objekte senden in
spezifischen Frequenzbändern. Wettersatelliten nutzen
beispielsweise das 137 MHz-Band [6][7], während Tiefraumsonden
oft im S-Band (2.2-2.9 GHz) und X-Band (8.4-8.5 GHz) senden.[8]
Diese höheren Frequenzen ermöglichen in der Regel höhere
Datenraten und sind weniger anfällig für Störungen.[9] Die
Auswahl der Antenne und des Empfängers muss präzise auf den
Frequenzbereich des Zielobjekts abgestimmt sein, um optimale
Ergebnisse zu erzielen.


Modulation: Die Art und Weise, wie Informationen auf die
Funkwelle aufmoduliert werden, variiert stark. Signale können
analog moduliert sein, wie beispielsweise das Automatic Picture
Transmission (APT)-Format von Wettersatelliten [2][7], oder
digital, wie AX.25 oder PSK-31, die bei Amateurfunksatelliten
zum Einsatz kommen.[1] Das Verständnis der jeweiligen
Modulation ist für die korrekte Dekodierung der empfangenen
Daten unerlässlich.


Rauschen (Noise): Das allgegenwärtige
Hintergrundrauschen stellt eine der größten Herausforderungen
in der Radioastronomie dar. Es kann sowohl von terrestrischen
Quellen, wie beispielsweise von Menschen verursachten Störungen
[9], als auch von kosmischen Ursprüngen herrühren, wie dem von
Karl Jansky entdeckten „Hiss“.[10] Die Fähigkeit, schwache
Signale aus diesem Rauschen herauszufiltern und zu verstärken,
ist der Kern der Empfangstechnik. Radioastronomen verwenden die
Systemrauschtemperatur ($T_s$) als ein praktisches Maß für die
Rauschleistung pro Bandbreite.[10]



Der Aufbau eines DIY-Radioteleskops ist eine Übung in der
Systemintegration. Die vorliegenden Informationen zeigen, dass
ein erfolgreicher Empfang nicht von einer einzelnen Komponente
abhängt, sondern von einer sorgfältig aufeinander abgestimmten
Kette von Geräten. Für den Tiefraumempfang ist beispielsweise
eine Kombination aus Schüssel, Feed, rauscharmer Verstärker (LNA)
und Downconverter erforderlich.[8] Ein Heimbausystem kann eine
TV-Schüssel, einen Signalstärken-Detektor, eine Schnittstelle,
eine Soundkarte und Software umfassen.[5] Die Diskussion über
Rauschen und dessen Einfluss auf die Signalerkennung
unterstreicht, dass jeder Teil des Systems, von der Antenne bis
zur Software, zur Gesamtleistung beiträgt.[10] Dies erfordert ein
ganzheitliches Denken über das eigene Setup und das Verständnis,
wie jede Komponente interagiert und zur endgültigen
Signalqualität beiträgt, anstatt sich nur auf einzelne Teile zu
konzentrieren. Dieser Ansatz ist entscheidend für die
Fehlerbehebung und Leistungsoptimierung.
Künstliche Objekte für Amateur-Radioteleskope

Der Sternenhimmel ist nicht nur von natürlichen Himmelskörpern
bevölkert, sondern auch von einer wachsenden Zahl künstlicher
Objekte, die für Amateur-Radioastronomen zugänglich sind. Während
übliche TV-/Radio- und Militärsatelliten hierbei außer Acht
gelassen werden, liegt der Fokus auf Objekten, die für die
astronomische Wissenschaft von Bedeutung sind oder spannende
Möglichkeiten für den Amateurfunk bieten.
3.1 Wettersatelliten (NOAA APT)

Die NOAA-Wettersatelliten (National Oceanic and Atmospheric
Administration) sind polumlaufende Satelliten, die kontinuierlich
Wetterbilder im Automatic Picture Transmission (APT)-Format zur
Erde senden. Sie stellen aufgrund ihrer relativ starken Signale
und der Verfügbarkeit von Open-Source-Software einen idealen und
beliebten Einstiegspunkt für Amateure dar.[2][6][7][11]


Diese Satelliten senden im 137 MHz-Band. Das Signal ist ein
analoger 2400 Hz AM-Subträger, der auf einen 137 MHz-RF-Träger
frequenzmoduliert wird, mit einer Bandbreite von etwa 34
kHz.[2][6][7] Bei der Wiedergabe über Lautsprecher erzeugt das
Signal einen charakteristischen „Tick-Tock“-Klang.[2] Die
effektive Strahlungsleistung (ERP) dieser Satelliten beträgt
typischerweise etwa 37 dBm, was 5 Watt entspricht.[7]


Die folgende Tabelle listet die aktiven NOAA APT Satelliten und
ihre Empfangsparameter auf, die für den direkten Start des
Empfangs unerlässlich sind und dem DIY-Enthusiasten konkrete,
umsetzbare und präzise Informationen liefern:
Tabelle 1: Aktive NOAA APT Satelliten und Frequenzen
SatellitFrequenz (MHz FM)ModulationBandbreite (kHz)Typische ERP
(Watt / dBm)HinweiseNOAA 15137.6200FM (AM-Subträger)345 W / 37
dBmAktiv, beliebter EinstiegNOAA 18137.9125FM (AM-Subträger)345 W /
37 dBmAktivNOAA 19137.1000FM (AM-Subträger)345 W / 37 dBmAktiv

Das Verfolgen von Satelliten und der Empfang ihrer Sendungen ist
äußerst lohnend und vermittelt ein Gefühl der direkten
Interaktion mit den Raumfahrzeugen über uns.[2] Die niedrige
Einstiegshürde, kombiniert mit der Tatsache, dass für reine
Empfangsstationen keine Amateurfunklizenz erforderlich ist [2],
und der sofortigen, greifbaren Ausgabe von Wetterbildern, bietet
eine äußerst befriedigende Erfahrung. Dieser schnelle Erfolg kann
das Vertrauen erheblich stärken und zur weiteren Erforschung
komplexerer Radioastronomieprojekte ermutigen. NOAA APT-Empfang
ist somit ein idealer Ausgangspunkt für Anfänger in der
DIY-Radioastronomie, da er ein kostengünstiges, rechtlich
zugängliches und visuell ansprechendes Projekt bietet, das
sofortiges Feedback liefert und somit das Engagement des
Podcast-Publikums fördert.
3.2 Amateurfunksatelliten (OSCARs & CubeSats)

Amateurfunksatelliten, oft als OSCARs (Orbiting Satellite
Carrying Amateur Radio) bezeichnet, dienen lizenzierten
Funkamateuren für Sprach- (FM, SSB) und Datenkommunikation
(AX.25, Paketfunk, APRS). Derzeit befinden sich über 18 voll
funktionsfähige Amateurfunksatelliten im Orbit, die als Repeater,
lineare Transponder oder digitale Store-and-Forward-Relais
fungieren können.[1]


Die Amateurfunksatelliten-Gemeinschaft hat maßgeblich zur
Weiterentwicklung der Satellitenkommunikation beigetragen. Zu den
bemerkenswerten Errungenschaften gehören der Start des ersten
Satelliten-Sprach-Transponders (OSCAR 3) und die Entwicklung
hochmoderner digitaler
„Store-and-Forward“-Nachrichtenübertragungstechniken.[1][12]
Funkamateure sind seit den 1960er Jahren aktiv in die Raumfahrt
involviert und konstruieren kleine bis mittelgroße Nutzlasten,
die als „Piggyback-Loads“ auf kommerziellen oder
wissenschaftlichen Satelliten installiert werden.[13] Besonders
populär sind dabei CubeSats, standardisierte, würfelförmige
Satelliten mit einer Kantenlänge von 10 cm, die als Nutzlasten
ins All gebracht werden.[13]


Ein frühes und wegweisendes Beispiel war OSCAR 1, der 1961 als
erster Amateurfunksatellit als sekundäre Nutzlast gestartet
wurde. Trotz seiner kurzen Lebensdauer von nur 22 Tagen war OSCAR
1 ein großer Erfolg, da über 570 Funkamateure in 28 Ländern ihre
Beobachtungen an das Projekt OSCAR meldeten.[1] Viele LEO-OSCARs
(Low Earth Orbit) nutzen Frequenzmodulation (FM) und können mit
handelsüblichen Amateurfunkgeräten empfangen werden; sie werden
oft als „FM LEOs“ oder „FM Birds“ bezeichnet.[1] Ein
herausragendes Beispiel für einen geostationären
Amateurfunksatelliten ist Es’hail 2 / QO-100, der seit 2018 in
Betrieb ist und eine Abdeckung von Brasilien bis Thailand bietet.
Dieser Satellit verfügt über Transponder im 2.4 GHz (Uplink) und
10.4 GHz (Downlink) Bereich.[1]


Die Aktivitäten im Amateurfunk sind weit mehr als nur ein Hobby;
sie stellen eine bedeutende, oft wegweisende Kraft in der
Entwicklung von Raumfahrttechnologien dar. Die Tatsache, dass
OSCAR 10 mit handelsüblichen Komponenten von einem
Elektronikfachgeschäft gebaut wurde [1], unterstreicht den
innovativen DIY-Geist, der oft der professionellen Einführung von
Technologien vorausgeht. Die Existenz eines geostationären
Amateurfunksatelliten wie Es’hail 2 / QO-100 mit seiner
weitreichenden Abdeckung [1] verdeutlicht das Potenzial für eine
globale, gemeinschaftsgetragene Infrastruktur. Dies zeigt, wie
Beiträge von Amateuren, selbst in kleinem Maßstab, Teil eines
größeren, wirkungsvollen globalen Netzwerks sein können, das die
Grenzen der Satellitenkommunikation verschiebt und die
internationale Zusammenarbeit fördert.
3.3 Tiefraumsonden und wissenschaftliche Missionen

Der Empfang von Signalen von Tiefraumsonden ist ein
faszinierendes, jedoch äußerst anspruchsvolles Feld, das
fortgeschrittene Ausrüstung und Fachkenntnisse erfordert. Dennoch
haben engagierte Hobbyisten bewiesen, dass es mit „bescheidenen
Systemen“ möglich ist, Trägersignale von Sonden zu empfangen.[8]
Beispiele hierfür sind der Empfang von Bepi-Colombo aus einer
Entfernung von 15.2 Millionen Kilometern mit einer 1.2m-Schüssel
und der JUNO-Raumsonde aus 616.4 Millionen Kilometern Entfernung
mit einer 3.5m-Schüssel.[8]


Tiefraumsonden senden typischerweise im S-Band (2.2-2.9 GHz) und
X-Band (8.4-8.5 GHz).[8] Diese höheren Frequenzen werden
bevorzugt, da sie weniger Störungen aufweisen und höhere
Datenraten für die Übertragung wissenschaftlicher Daten
ermöglichen.[8][9] Der Schlüssel zum Erfolg beim Empfang dieser
extrem schwachen Signale liegt in der Verwendung sehr großer und
hochdirektionaler Antennen, die präzise auf die Sonde
ausgerichtet sind.[9] Trotz der relativ geringen Sendeleistung
der Sonden (z.B. Voyager mit 23 Watt [9]) ermöglichen große
Empfangsantennen, wie die 70m-Schüsseln des NASA Deep Space
Network (DSN) [8], und extrem empfindliche rauscharme Verstärker
(LNAs) den Empfang der schwachen Signale.


Ein entscheidender Faktor ist die Doppler-Verschiebung: Da sich
Tiefraumsonden und die Erde ständig relativ zueinander bewegen,
zeigen die empfangenen Signale eine sich ändernde
Frequenzverschiebung.[8] Eine präzise Korrektur dieser
Verschiebung, oft basierend auf orbitalen Vorhersagen, ist für
den Empfang und die Verfolgung unerlässlich und dient auch als
wichtiger Indikator für die Herkunft des Signals.[8][14]


Die folgende Tabelle bietet eine Übersicht über anspruchsvolle,
aber potenziell erreichbare Ziele für ambitionierte Amateure im
Bereich der Tiefraum-Radioastronomie. Sie liefert wichtige
technische Details, die für die Planung und den Versuch des
Empfangs dieser fernen Objekte unerlässlich sind:
Tabelle 2: Ausgewählte Tiefraumsonden und Empfangsparameter für
Amateure SondeStatusTypische Frequenz (GHz)Empfangbarkeit für
AmateureAnmerkungenVoyager 1/2Aktiv8.4 (X-Band)Sehr schwierig,
TrägersignalBenötigt große Schüssel (25m Dwingeloo), präzise
Doppler-Korrektur [9][14]JUNOAktiv8.4 (X-Band)Extrem
anspruchsvollEmpfang mit 3.5m Schüssel bei 616.4 Mio. km Entfernung
dokumentiert [8]Bepi-ColomboAktiv8.4 (X-Band)AnspruchsvollEmpfang
mit 1.2m Schüssel bei 15.2 Mio. km Entfernung dokumentiert
[8]OSIRIS-RExAktiv8.445 (X-Band)AnspruchsvollEmpfang bei 249.88
Mio. km dokumentiert [8]Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)Aktiv8.439
(X-Band)AnspruchsvollEmpfang bei 131.11 Mio. km dokumentiert
[8]STEREO-AAktiv8.443 (X-Band)Anspruchsvoll (einfacher bei
Erdnähe)Signale bei Erdnähe stark genug für
Demodulation/Dekodierung auf kleinen Schüsseln [8]Tianwen-1Aktiv8.4
(X-Band)Anspruchsvoll (einfacher bei Erdnähe)Signale kurz nach
Start stark genug für Demodulation/Dekodierung auf kleinen
Schüsseln [8]

Die „Grenzen des Machbaren“ für Amateure verschieben sich
kontinuierlich durch technologischen Fortschritt und die
Hartnäckigkeit der Gemeinschaft. Obwohl der Empfang von
Tiefraumsonden als „herausfordernd“ beschrieben wird, ist er für
Hobbyisten mit „bescheidenen Systemen“ möglich.[8] Die
erstaunlichen Beispiele des Empfangs von JUNO aus über 600
Millionen Kilometern Entfernung mit einer 3.5m-Schüssel, während
die NASA 70m-Schüsseln für denselben Zweck verwendet [8],
unterstreichen die bemerkenswerten Leistungen, die durch
engagierte Anstrengung und Einfallsreichtum möglich sind. Dies
verschiebt die wahrgenommenen Grenzen dessen, was
Amateur-Equipment erreichen kann, und hebt die kontinuierliche
Innovation innerhalb der Hobbyisten-Gemeinschaft hervor. Die
Erwähnung von Tianwen-1 und STEREO-A, deren Signale bei Erdnähe
stark genug für die Demodulation und Dekodierung auf kleinen
Schüsseln waren [8], bietet zudem zugänglichere „Fenster“ in den
Tiefraumempfang für Amateure. Dies inspiriert fortgeschrittene
Amateure, indem es aufzeigt, dass selbst Signale von wirklich
fernen, wissenschaftlich bedeutsamen Objekten erreichbar sind,
wenn auch mit erheblichem Aufwand, spezialisierter Ausrüstung und
präzisen Techniken. Es positioniert den Tiefraumempfang als das
ultimative Ziel für DIY-Radioastronomen und demonstriert das
Potenzial für bemerkenswerte persönliche Erfolge.
3.4 Weitere interessante Objekte (z.B. ISS)

Neben Wettersatelliten und Tiefraumsonden gibt es weitere
künstliche Objekte mit wissenschaftlichem Bezug, die für Amateure
empfangbar sind. Die Internationale Raumstation (ISS) ist ein
prominentes Beispiel. Sie sendet regelmäßig verschiedene Signale,
darunter Amateurfunk-Relais für Sprachkommunikation und Slow-Scan
Television (SSTV)-Bilder, die von Amateuren empfangen und
dekodiert werden können.[2][11] Obwohl die ISS primär für
bemannte Raumfahrt und wissenschaftliche Experimente im Erdorbit
dient, bieten ihre Funksignale eine direkte Verbindung zur
aktuellen Raumfahrt. Die ISS umkreist die Erde in etwa 400 km
Höhe [11] und ist aufgrund ihrer häufigen Überflüge und der
Nutzung von Amateurfunkfrequenzen im Bereich von 144-146 MHz und
430-440 MHz [11] ein zugängliches Ziel. Die Vielfalt der
Beobachtungsmöglichkeiten, die sich Amateuren hier bietet,
erweitert den Horizont der zugänglichen Ziele und verbindet das
Hobby direkt mit menschlichen Unternehmungen im Weltraum, was
eine zusätzliche Ebene des Engagements schafft.
Hardware und Software für den Empfang und die Auswertung

Der Aufbau eines DIY-Radioteleskops erfordert eine sorgfältige
Auswahl und Integration von Hardware- und Softwarekomponenten.
Die Modularität und Anpassungsfähigkeit sind dabei
Kernprinzipien. Ein DIY-Radioteleskop ist kein festes,
monolithisches Gerät, sondern ein modulares System, das
schrittweise aufgebaut, aufgerüstet und angepasst werden kann.
Dieser Ansatz fördert das Experimentieren, ermöglicht eine
schrittweise Investition und vertieft das Verständnis für die
Rolle jeder Komponente, was perfekt zur DIY-Philosophie passt.
4.1 Empfangshardware für Amateure

Software Defined Radios (SDRs) bilden das Herzstück vieler
moderner Amateur-Radioteleskope. Sie sind kostengünstig, flexibel
und ermöglichen die Verarbeitung eines breiten Spektrums von
Frequenzen. Empfehlenswerte Modelle für den Einstieg und
fortgeschrittene Anwendungen sind der preiswerte RTL-SDR sowie
leistungsfähigere Optionen wie Airspy, HackRF, BladeRF, LimeSDR
und PlutoSDR. Diese Geräte sind in der Lage, Radio-Basisbänder
aufzuzeichnen, die später dekodiert werden können.[4]


Die Wahl der Antenne ist entscheidend und hängt stark vom
Frequenzbereich des Zielobjekts ab:


Für Wettersatelliten im 137 MHz-Band: Eine Right-Hand
Circularly Polarized (RHCP) Quadrifilar Helical Antenna (QFH) ist
ideal. Sie ist auf die zirkulare Polarisation der NOAA-Satelliten
abgestimmt und bietet eine breite Strahlbreite, was den Empfang
auch bei niedrigen Elevationen erleichtert.[7]

Für höhere Frequenzen (z.B. S-Band, X-Band für
Tiefraumsonden): Parabolantennen sind unerlässlich, um die
notwendige Verstärkung und Richtwirkung zu erzielen. Eine alte
C-Band (4-8 GHz) Satelliten-TV-Antenne von einigen Metern
Durchmesser kann als kostengünstige Basis dienen.[5][15]



Zusätzliche Komponenten zur Signaloptimierung sind oft
unerlässlich, insbesondere für schwache Signale:



Low-Noise Amplifier (LNA): Ein LNA ist entscheidend, um
die sehr schwachen Signale direkt an der Antenne zu verstärken
und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, bevor das
Signal über längere Kabelwege an den Empfänger gelangt. Dies
ist besonders wichtig für den Tiefraumempfang.[8]


Downconverter: Für sehr hohe Frequenzen wie das X-Band
(8.4-8.5 GHz) ist oft ein Downconverter erforderlich. Dieser
wandelt das Hochfrequenzsignal in einen niedrigeren
Frequenzbereich um, der von handelsüblichen SDRs oder
Empfängern verarbeitet werden kann.[8]


Satelliten-Signalstärken-Detektor (für TV-Schüsseln):
Ein kommerzieller Satelliten-Signalstärken-Detektor kann zur
ersten, groben Ausrichtung einer Parabolantenne auf bekannte
starke Quellen (wie die Sonne) verwendet werden, um eine
maximale Signalstärke zu erzielen.[5]

4.2 Dekodierungs- und Visualisierungssoftware

Die Verfügbarkeit leistungsstarker Open-Source-Software ist ein
großer Vorteil für die Amateur-Radioastronomie, da sie teure
kommerzielle Lösungen oft überflüssig macht.



SatDump: Dies ist eine äußerst vielseitige, generische
Software zur Satellitendatenverarbeitung, die sich als
umfassende Lösung etabliert hat. Sie deckt alle notwendigen
Schritte vom rohen Satellitensignal bis zum fertigen Produkt
ab.[4]


Funktionen: SatDump unterstützt eine breite Palette
von SDRs (wie RTL-SDR, Airspy, HackRF, BladeRF, LimeSDR,
PlutoSDR etc.) und ist in der Lage, Radio-Basisbänder
direkt vom SDR aufzuzeichnen. Es kann Daten von über 90
verschiedenen Satelliten und sogar Raumsonden dekodieren
und verarbeiten. Zu den unterstützten
Live-Dekodierungsformaten gehören APT, LRPT, HRPT, LRIT und
HRIT. Die Software bietet Bild- und Daten-Dekodierung von
Satelliten wie NOAA, Meteor-M, GOES, Elektro-L und Metop.
Ein besonderes Merkmal ist die Ausgabe von kalibrierten und
georeferenzierten L1b-Produkten (z.B.
Meeresoberflächentemperatur), die direkt für
wissenschaftliche Anwendungen genutzt werden können.
SatDump ermöglicht auch die Projektion von
Satellitenbildern auf Karten und die Überlagerung mit
anderen Instrumenten. Es verfügt über einen Scheduler und
eine Rotatorsteuerung für automatisierte
Satellitenstationen.[4][16]


Installation und Nutzung: SatDump ist als
Windows-Installer und in täglichen „Nightly Builds“ auf
GitHub verfügbar.[16] Nach der Installation können Benutzer
ihre Bodenstationskoordinaten eingeben, minimale
Elevationswinkel für gewünschte Durchgänge festlegen und
erweiterte Einstellungen für spezifische Satelliten
konfigurieren. Die „Multi Mode“-Funktion ermöglicht das
gleichzeitige Erfassen mehrerer Satellitendurchgänge, und
SatDump kann das SDR automatisch starten und stoppen. Die
Frequenz wird von SatDump basierend auf der gewählten
Satellitenkonfiguration automatisch eingestellt.[16]




WXtoImg: Obwohl WXtoImg als „Abandonware“ bezeichnet
wird, ist es eine weit verbreitete und effektive Software zur
Dekodierung von APT- und WEFAX-Signalen von
Wettersatelliten.[3]


Funktionen: WXtoImg ist ein vollautomatischer APT-
und WEFAX-Wettersatelliten-Dekoder. Die Software
unterstützt Aufnahme, Dekodierung, Bearbeitung und Anzeige
auf den meisten Windows-, Linux- und Mac OS X-Versionen.
Sie bietet Echtzeit-Dekodierung, Kartenüberlagerungen,
erweiterte Farbverbesserungen, 3D-Bilder, Animationen,
Multi-Pass-Bilder, Projektionstransformationen (z.B.
Mercator), Textüberlagerungen, automatisierte
Webseiten-Erstellung, Temperaturanzeige und
GPS-Schnittstellen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft ist die
Nutzung der 16-Bit-Abtastfähigkeiten von Soundkarten, um
eine bessere Dekodierung zu ermöglichen als mit teurer,
speziell entwickelter Hardware.[3]


Hardware-Integration: WXtoImg kann mit einem
kostengünstigen RTL-SDR-Empfänger oder durch einfaches
Anschließen eines 137-138 MHz FM-Kommunikationsempfängers,
Scanners oder Wettersatellitenempfängers an eine Soundkarte
verwendet werden.[3]




Weitere Software-Optionen: Neben SatDump und WXtoImg
gibt es weitere Dekodierungssoftware wie MultiPSK, apt-decoder,
noaa-apt, SatSignal, SDRangel und aptdec.[7] Für die grafische
Darstellung der Signalstärke über die Zeit ist Radio-SkyPipe
eine ausgezeichnete kostenlose Software, die die Soundkarte des
Computers zur Messung der eingehenden Signalstärke nutzt.[5]

Signalstärke und Empfangbarkeit: Berechnung und Abschätzung

Die Fähigkeit, schwache Signale aus dem Hintergrundrauschen zu
extrahieren, ist zentral für die Radioastronomie. Für Amateure
ist es entscheidend, die Machbarkeit eines Empfangsversuchs
abzuschätzen. Dies kann durch die Anwendung von Prinzipien der
Link-Budget-Analyse und der Friis-Übertragungsgleichung erfolgen.
5.1 Die Friis-Übertragungsgleichung

Die Friis-Übertragungsgleichung ist ein grundlegendes Werkzeug in
der Telekommunikationstechnik, das die am Empfängerterminal
verfügbare Leistung mit der am Senderterminal eingespeiste
Leistung in Beziehung setzt.[17][18] Sie berücksichtigt Verluste
durch die sphärische Ausbreitung des Signals über die Distanz
(Freistrahlverlust) sowie die Gewinne der Sende- und
Empfangsantennen.[17]


Die Gleichung lautet in ihrer gebräuchlichsten Form:


$P_r = P_t \cdot G_t \cdot G_r \cdot \left(\frac{\lambda}{4\pi
R}\right)^2$


Wobei:


$P_r$: Die am Empfänger verfügbare Leistung.[18]

$P_t$: Die in die Sendeantenne eingespeiste Leistung.[18]

$G_t$: Der Antennengewinn der Sendeantenne (bezogen auf einen
isotropen Strahler, dBi).[18]

$G_r$: Der Antennengewinn der Empfangsantenne (bezogen auf
einen isotropen Strahler, dBi).[18]

$\lambda$: Die Wellenlänge des Funksignals ($\lambda = c/f$,
wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $f$ die Frequenz ist).[18]

$R$: Die Entfernung zwischen Sende- und Empfangsantenne.[18]



Der Term $(\frac{\lambda}{4\pi R})^2$ wird als
Freistrahlverlustfaktor (Free-Space Path Loss, FSPL) bezeichnet
und quantifiziert die Signalabschwächung aufgrund der Ausbreitung
im freien Raum.[17][19] Diese Gleichung ist unter idealisierten
Bedingungen anwendbar, wie sie in der Satellitenkommunikation mit
vernachlässigbarer atmosphärischer Absorption oft gegeben
sind.[18]
5.2 Abschätzung der Empfangbarkeit für Amateure

Die NASA gibt für ihr Deep Space Network (DSN) die empfangene
Signalstärke an, die mit 70m-Schüsseln erzielt wird (z.B. -131
dBm [8]). Um dies auf eine kleinere Amateur-Schüssel umzurechnen,
kann man die Friis-Gleichung vereinfachen oder die
Antennengewinne skalieren.


Der Antennengewinn einer Parabolantenne ist proportional zum
Quadrat ihres Durchmessers ($G \propto D^2$). Wenn die NASA eine
70m-Schüssel ($D_{NASA}$) verwendet und ein Amateur eine
3.5m-Schüssel ($D_{Amateur}$), dann ist das Verhältnis der
Gewinne:


$\frac{G_{Amateur}}{G_{NASA}} =
\left(\frac{D_{Amateur}}{D_{NASA}}\right)^2$


Für eine 3.5m-Schüssel im Vergleich zu einer 70m-Schüssel ergibt
sich:


$\frac{G_{Amateur}}{G_{NASA}} = \left(\frac{3.5 \text{ m}}{70
\text{ m}}\right)^2 = \left(\frac{1}{20}\right)^2 =
\frac{1}{400}$


In Dezibel (dB) ausgedrückt:


$\Delta G_{dB} = 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{1}{400}\right)
\approx -26 \text{ dB}$


Das bedeutet, dass die 3.5m-Schüssel einen um etwa 26 dB
geringeren Gewinn hat als die 70m-Schüssel. Wenn die NASA
beispielsweise ein Signal mit -131 dBm empfängt [8], würde eine
ideale 3.5m-Amateurantenne ein Signal von etwa -131 dBm – 26 dB =
-157 dBm empfangen. Die Forschung bestätigt, dass eine ideale
3.5m-Amateurantenne kaum -152 dBm erreichen würde [8], was die
Größenordnung der Abschätzung bestätigt.


Um ein Signal überhaupt messen zu können und es nicht im
Hintergrundrauschen verschwinden zu lassen, muss die empfangene
Signalstärke über dem Rauschpegel des Empfangssystems liegen.
Funkamateure verwenden oft das RST-System (Readability-Signal
Strength-Tone), um die Signalstärke zu bewerten, wobei S9
typischerweise als 50 µV am Empfängereingang definiert ist und
jede S-Einheit eine 6 dB-Änderung der Signalstärke darstellt.[20]
Für digitale Signale ist die Bitfehlerrate (BER) und die
Empfängerempfindlichkeit entscheidend.[19] Der „Fade Margin“, die
Differenz zwischen der empfangenen Signalstärke und der
Empfängerempfindlichkeit, sollte mindestens 15 dB betragen, um
Signalabschwächungen durch verschiedene Faktoren zu
überstehen.[19]


Die Berechnung der Systemrauschtemperatur ($T_s$) ist ebenfalls
wichtig.[10] Ein kommerzieller Satelliten-Signalstärken-Detektor
kann eine Anzeige der Signalstärke liefern und die Frequenz eines
Audiotons variieren, um die Ausrichtung der Schüssel zu
erleichtern.[5] Für eine genauere Kalibrierung kann die Antenne
auf eine bekannte Quelle wie die Sonne ausgerichtet werden, um
die maximale Signalstärke zu ermitteln.[5]
Das Bochumer Radioteleskop: Ein Beispiel für Amateur-Erfolge

Das Bochumer Radioteleskop, auch bekannt als Bochum Observatory
oder Kap Kaminski, ist ein Forschungsinstitut in Bochum,
Deutschland, das sich auf Radioastronomie und Umweltforschung
konzentriert.[21] Es hat eine lange Geschichte in der Verfolgung
von Raumfahrzeugen, beginnend mit dem Empfang des Sputnik-Signals
im Jahr 1957.[21] Das Observatorium wurde zu einem wichtigen Ort
in Westdeutschland für aktuelle Nachrichten und Informationen
über den Weltraum.[21]


Das Institut besitzt mehrere Antennensysteme zum Empfang von
Daten von geostationären und umlaufenden Satelliten sowie
interplanetaren Raumfahrzeugen.[21] Die größte Struktur ist ein
40 Meter hohes Radom, das eine 20m-Parabolantenne vor dem Wetter
schützt.[21] Diese Antenne mit einem Gesamtgewicht von über 220
Tonnen kann sowohl Daten empfangen als auch senden.[21]


Ein aktuelles und bemerkenswertes Beispiel für die Fähigkeiten
des Bochumer Radioteleskops ist die Verfolgung des IM-1 Odysseus
Mondlanders von Intuitive Machines. Das Observatorium hat
Live-Updates des IM-1-Datenstroms geteilt, der eine
Frequenz-Signalstärke-Anzeige mit dem Peak des
Hauptfahrzeugsenders umfasste.[22] Insbesondere wurde die Zündung
des Triebwerks des Mondlanders im Radiospektrum erkannt.[22] Dies
war ein kritischer Schritt, da ein Methalox-Triebwerk noch nie
über dem niedrigen Erdorbit hinaus getestet worden war und dieses
spezielle Triebwerk noch nie vollständig im Vakuum getestet wurde
(nur der Zünder wurde getestet).[22] Die Beobachtungen des
Bochumer Observatoriums, die die Reichweitendaten des Landers
bestätigten, waren von großer Bedeutung, insbesondere da die
Triebwerksaktivierung aufgrund von Problemen mit den
Bodenstationen, die zu Unterbrechungen führten, verzögert
wurde.[22] Die Fähigkeit, solche Ereignisse unabhängig zu
verfolgen und zu bestätigen, unterstreicht die wichtige Rolle,
die auch größere Amateur- oder halbprofessionelle Observatorien
in der Raumfahrtbeobachtung spielen können.
Rechtliche Aspekte des Satellitenempfangs in Deutschland

Die rechtliche Lage des Empfangs von Satellitensignalen in
Deutschland ist ein wichtiger Punkt für Amateur-Radioastronomen.
Grundsätzlich gilt, dass der reine Empfang von Funksignalen in
Deutschland ohne Lizenz erlaubt ist, solange die empfangenen
Inhalte nicht für Dritte bestimmt sind und nicht weitergegeben
werden.[2][23]



Erlaubter Empfang:


Wettersatelliten (NOAA APT): Der Empfang von
NOAA-Wettersatelliten im Bereich von 137-139 MHz ist
explizit legal und sogar erwünscht.[11][23] Diese
Satelliten senden Bilddaten als Töne, die frei empfangbar
sind.[11]


Amateurfunkbänder und ISS: Das Mithören von
Amateurfunkbändern, einschließlich der Signale der
Internationalen Raumstation (ISS) und von
Amateurfunksatelliten, ist ebenfalls legal und
erwünscht.[11][23] Die Amateurfunkbänder liegen im Bereich
von 144-146 MHz und 430-440 MHz.[11] Für den aktiven
Sendebetrieb in diesen Bändern ist jedoch eine
Amateurfunklizenz (z.B. Klasse E für Satellitenfunk)
erforderlich, die nach einer Prüfung bei der
Bundesnetzagentur erworben werden kann.[11][24][25]


Öffentliche Rundfunkdienste: Der Empfang von
öffentlichen Rundfunksignalen (Radio, TV) ist
selbstverständlich erlaubt.[23][26]


Wissenschaftliche Satelliten und Erdbeobachtung: Die
Bundesnetzagentur erwähnt in ihren Aufgabenbereichen auch
die Satellitenkommunikation für meteorologische Satelliten
und Erdbeobachtung zu staatlichen oder wissenschaftlichen
Zwecken.[27] Der Empfang dieser Signale zum Zwecke der
Beobachtung und Analyse im Rahmen der
Amateur-Radioastronomie ist in der Regel unproblematisch,
solange keine Dekodierung von verschlüsselten oder privaten
Daten erfolgt.




Nicht erlaubter Empfang und Weitergabe:


Nicht für die Allgemeinheit bestimmte Kommunikation:
Das Abhören von BOS-Funk (Behörden und Organisationen mit
Sicherheitsaufgaben wie Polizei, Feuerwehr,
Rettungsdienste), Flugfunk, Seefunk oder anderen privaten
Kommunikationen ist in Deutschland nicht erlaubt.[23]
Selbst wenn man versehentlich eine solche Übertragung
empfängt, ist es strengstens verboten, deren Inhalt oder
sogar deren Existenz Dritten gegenüber offenzulegen.[23]


Verschlüsselte oder private Daten: Die Dekodierung
von Signalen, die nicht für die allgemeine Öffentlichkeit
bestimmt sind (z.B. verschlüsselte militärische oder
kommerzielle Satellitenkommunikation), ist ebenfalls nicht
erlaubt. Die Bundesnetzagentur regelt die Frequenzzuteilung
und -nutzung in Deutschland sehr streng.[24][28]





Es ist wichtig zu verstehen, dass die Behörden in der Regel nicht
feststellen können, was eine Person empfängt, es sei denn, es
handelt sich um eine Nebenfolge einer anderen, möglicherweise
illegalen Handlung.[23] Solange der Empfang nur zur eigenen
Information und zum Hobby dient und die erhaltenen Informationen
nicht weitergegeben werden, ist man in der Regel auf der sicheren
Seite.[23]
Schlussfolgerung

Die Amateur-Radioastronomie bietet eine einzigartige Brücke
zwischen leidenschaftlichem Hobby und wissenschaftlicher
Erkundung. Die Möglichkeit, künstliche Objekte am Sternenhimmel
mit selbstgebauten Radioteleskopen zu empfangen und auszuwerten,
ist nicht nur technisch faszinierend, sondern auch ein Ausdruck
der zunehmenden Demokratisierung des Zugangs zum Weltraum.


Von den zugänglichen NOAA-Wettersatelliten, die sofortige
visuelle Ergebnisse liefern und somit einen idealen
Einstiegspunkt darstellen, über die vielseitigen
Amateurfunksatelliten, die als Inkubatoren für neue
Kommunikationstechnologien dienen, bis hin zu den
anspruchsvollen, aber erreichbaren Tiefraumsonden, die die
Grenzen des Machbaren für Amateure immer weiter verschieben – das
Spektrum der Beobachtungsmöglichkeiten ist breit und
inspirierend.


Der Erfolg in diesem Feld beruht auf einem ganzheitlichen
Systemverständnis, das die Auswahl der richtigen Hardware (SDRs,
spezialisierte Antennen, LNAs, Downconverter) mit der Nutzung
leistungsstarker Open-Source-Software (SatDump, WXtoImg)
kombiniert. Die Fähigkeit, die benötigte Signalstärke
abzuschätzen und die physikalischen Grenzen des Empfangs zu
verstehen, ist dabei ebenso entscheidend wie die Kenntnis der
rechtlichen Rahmenbedingungen, die den reinen Empfang in
Deutschland weitgehend erlauben.


Das Beispiel des Bochumer Radioteleskops, das Triebwerkszündungen
einer Mondsonde verfolgte, verdeutlicht das Potenzial auch
größerer Amateur- oder halbprofessioneller Einrichtungen,
unabhängige und wertvolle Beiträge zur Raumfahrtbeobachtung zu
leisten. Insgesamt zeigt sich, dass die Amateur-Radioastronomie
ein dynamisches Feld ist, das kontinuierlich neue Möglichkeiten
für Entdeckungen und technologische Innovationen bietet und
Enthusiasten dazu ermutigt, aktiv am Puls der Raumfahrt
teilzuhaben.
Quellenverzeichnis

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Amateur_radio_satellite

[15] https://radio-astronomy.org/node/248

[2]
https://www.hobbyspace.com/Radio/WeatherSatStation/intro.html

[16] https://usradioguy.com/satdump-for-meteor-noaa-decoding/

[8]
https://www.pe0sat.vgnet.nl/download/DSN/David%20Prutchi%20-%20Receiving%20Microwave%20Signals%20from%20Deep-Space.pdf

[29]
https://www.nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/ground-data-systems-and-mission-operations/

[14]
https://www.camras.nl/en/blog/2024/dwingeloo-telescope-receives-signals-from-voyager-1/

[9] https://science.howstuffworks.com/question431.htm

[6] https://wxtoimgrestored.xyz/satellites/

[7]
https://www.sigidwiki.com/wiki/Automatic_Picture_Transmission_(APT)

[10] https://www.cv.nrao.edu/~sransom/web/Ch1.html

[5]
https://www.arrl.org/files/file/ETP/Radio%20Astronomy/Build%20a%20Homebrew%20Radio%20Telescope-QST-0609.pdf

[30]
https://ipnpr.jpl.nasa.gov/2000-2009/progress_report/42-159/159B.pdf

[20]
https://www.hamradioschool.com/post/practical-signal-reports

[31] https://en.wikipedia.org/wiki/Amateur_television

[28]
https://www.bundesnetzagentur.de/EN/Areas/Telecommunications/FrequencyManagement/FrequencyAssignment/SatelliteCommunications/SatFu/OrbitSystems/start.html

[21] https://en.wikipedia.org/wiki/Bochum_Observatory

[32]
https://www.honeysucklecreek.net/other_stations/bochum/main.html

[4] https://www.satdump.org/about/

[3] https://wxtoimgrestored.xyz/

[33] https://www.pasternack.com/t-calculator-link-budget.aspx

[19] https://afar.net/rf-link-budget-calculator/

[17]
https://www.scribd.com/document/466814638/LN-7-b-Friis-Transmission-Equation

[18]
https://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation

[24]
https://www.radiowalkietalkie.com/info/are-walkie-talkies-legal-in-germany-german-ra-102852173.html

[23]
https://www.reddit.com/r/amateurradio/comments/1gpr39e/legal_question/

[22]
https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=59696.60

[12]
https://en.wikipedia.org/wiki/Amateur_radio_satellite#:~:text=Amateur%20radio%20satellites%20have%20helped,%2Dforward%22%20messaging%20transponder%20techniques

[13]
https://uska.ch/en/amateurfunkpraxis/operating/amateurfunk-satelliten/

[27]
https://www.bundesnetzagentur.de/EN/Areas/Telecommunications/FrequencyManagement/FrequencyAssignment/SatelliteCommunications/SatFu/start.html

[26]
https://ec.europa.eu/competition/state_aid/cases/271860/271860_2038548_133_2.pdf

[25]
https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Fachthemen/Telekommunikation/Frequenzen/SpezielleAnwendungen/Amateurfunk/start.html

[11] https://wiki.funkfreun.de/wissen/sat-empfang-einstieg






Source: https://g.co/gemini/share/9a843a6b1cb3