Wir möchten auf dieser Webseite alles rund um’s Thema APRS in Österreich (und Umgebung) zusammenstellen und über unsere Aktivitäten berichten und diskutieren!
LoRa ist eine relativ (!) neue Übertragungstechnik, die mehrere clevere Funktechnologien vereint und darüber vor allem zwei Eigenschaften ermöglicht:
Low Power und
Long Range
Es ermöglicht also die Übertragung eines Datensignals über hohe Reichweite mit geringer Energieaufnahme und ist dadurch zB. auch für batteriebetriebene Anwendungen hervorragend geeignet.
Wir haben die AFSK1200 Modulation vom klassischen APRS durch LoRa ersetzt und sind von den ersten Ergebnissen schon sehr überzeugt!
Anfragen per Email zum Thema bitte an lora-at-aprs.at.
LoRaWAN
Achtung: LoRa wird oft im Zusammenhang mit LoRaWAN erwähnt! LoRaWAN ist ein weltweiter Standard – unter Nutzung der LoRa Technologie – für IoT-Netze und ist ein Funkdienst außerhalb des Amateurfunks. In Wien und Niederösterreich gibt es Communities, die ein freies und offenes LoRaWAN-Netz errichten. Falls daran Interesse besteht, findet ihr unter diesen Links mehr Informationen:
Grundinfo zu Pegasus: qb50.at
Pegasus gehört zum QB50 – Projekt ( https://www.qb50.eu/ )
Pegasus ist der von der Fachhochschule Wiener Neustadt entwickelte Cubesat – in Zusammenarbeit des TU-Space-Teams und der Space-Tech-Group
Pegasus hat eine eigene Homepage von der FH www.pegasus-fhwn.at
Mobilbetrieb über den geostationären Satelliten Es’hail-2
LoRa-APRS via
QO-100
1. Beginn
und Linkbudget
Am 14. Februar 2019 wurde der erste
geostationäre Satellit mit Amateurfunknutzlast offiziell für den allgemeinen
Funkbetrieb freigegeben. Schon zwei Tage zuvor erfolgte die Freigabe der
Transponder zu Testzwecken. Bereits am darauffolgenden Abend war ich als einer
der ersten österreichischen Funkamateure auf dem Schmalband-Transponder QRV. Zu
diesem Zeitpunkt war der Aufbau meiner Uplink-Station noch sehr experimentell.
Mein FT-817 über ein Dämpfungsglied an einen Mischer angeschlossen, welcher den
LO von einem Frequenzgenerator erhielt. Die 2,4 GHz Ausgangsseite über ein
Bandpassfilter gelegt, weiter über eine Endstufe an die Uplinkantenne (WLAN-Gitterspiegel)
und schon konnten die ersten QSOs gefahren werden. Von Beginn an faszinierte
mich, wie wenig Leistung nötig war um den Satelliten zu arbeiten. So konnte ein
CW Signal noch vernommen werden, wenn ich nur 1 W effektive Strahlungsleistung
in linearer Polarisation verwendete. Da die Empfangsantenne am Satelliten
zirkular polarisiert ist, wäre also nur 0,5 W Strahlungsleistung mit einer
ebensolchen Antenne nötig. Am oben beschriebenen Gitterspiegel entsprach dies
gerade mal einer Antenneneingangsleistung von ca. 13 Milliwatt. Es zeigte sich
also, dass der Satellit durchaus eine Spielwiese für Kleinleistungsanwendungen
werden könnte.
Wenig
später, genauer gesagt bei einem Flohmarktbesuch als mich Om Wolfgang, OE3WHU
auf die Idee brachte, packte mich der Ehrgeiz selbst einen Transverter für das
13 cm Band zu konstruieren und zu bauen. So vergingen einige Monate mit Konzept
überlegen, verändern, Versuche anstellen, wieder etwas verändern, Material
beschaffen auf diversen Flohmärkten und im Internet bis dann im November mein
Transverter endlich fertig war.
Bild 1: Transverter vom 70cm Band auf das 13cm
Band
Parallel
zur Entwicklung und zum Aufbau des Transverters begann ich mich mit der Frage
zu beschäftigen, ob es nicht möglich wäre mit 20 W Sendeleistung Mobilbetrieb
über QO-100 zu machen. Speziell interessierte mich die Frage, ob man mit
LoRa-APRS über Satellit nicht eine europaweite (und darüber natürlich noch
hinausgehende) Abdeckung zusätzlich zum terrestrischen LoRa-APRS Netz schaffen
könnte.
Grundlage für diese Überlegung war ein
überschlagsmäßig berechnetes Linkbudget. Dazu habe ich einige Messungen
durchgeführt. Mit ca. 600 W effektiver Strahlungsleistung (EIRP) im Uplink
erreichte ich ein SNR von 18 dB in einer Auflösungsbandbreite von 1 kHz. Unter
Berücksichtigung der LoRa Bandbreite von 125 kHz (derzeit verwendete
Konfiguration für LoRa-APRS) und dem damit verbundenen Anstieg des Rauschpegels
um ziemlich genau 21 dB, sowie der LoRa Empfindlichkeitsgrenze von -20 dB SNR,
ebenfalls bezogen auf die LoRa-APRS Konfiguration, würde also mindestens eine
effektive Strahlungsleistung von 12 Watt benötigt werden. Unter Annahme eines
Antennengewinns von etwa 0 dBi in 34 Grad Elevation (mehr habe ich einem
Sperrtopfdipol vor der Simulation mit EZNEC, welche später noch beschrieben
wird, nicht zugetraut) wäre also 20W Ausgangsleistung mit nicht allzu viel
Kabeldämpfung gerade ausreichend um meine LoRa-APRS Aussendungen über QO-100 zu
bringen.
2. Aufbau
des Sendegerätes
Zum
Zwecke der Erprobung dieser Überlegungen erhielt der Transverter neben einem
Funkgeräteanschluss, an dem mit bis zu 1 W Eingangsleistung auf 70 cm
gearbeitet werden kann, auch einen Low-Level Eingang der mit ca. 10 dBm
Vollaussteuerung des Transverters realisiert. Da der Transverter selbst nur
maximal 4 W Ausgangsleistung liefern kann und mir diese Leistung aufgrund des
Linkbudgets zu gering erschien um tatsächlich im Mobilbetrieb mit einer
einfachen Rundstrahlantenne das Signal über den Satelliten zu bringen, habe ich
mir die bereits vielfach verwendete 13 cm Endstufe von sg-labs zugelegt, welche
mit 0,5 W Steuerleistung eine Ausgangsleistung von 20 W liefert.
Der
fertige Transverterkasten besteht nun also aus einem Anschluss für das 70 cm
Funkgerät, welches sowohl in Sende- als auch Empfangsrichtung funktioniert (für
den terrestrischen Betrieb zum Beispiel im Kontest oder auch via dem 13 cm
Relais am Wienerberg OE1XKU), einem Anschluss für einen Transmitter mit sehr
kleiner Leistung unter 10 mW, einem Lokaloszillatoreingang und dem 2,4 GHz
Ausgang.
Komponenten
im Inneren: Ein Zirkulator (Flohmarktware, dient mir in Senderichtung als
Dämpfungsglied und lässt in Empfangsrichtung durch), ein Combiner für den
Funkgeräte- und Low-Level Eingang, Sendemischer, SAW-Filter, Verstärkerstufen
und WLAN-Endstufe sind die Komponenten in Senderichtung. In Empfangsrichtung
habe ich die WLAN Endstufe derart modifiziert, dass ich das Empfangssignal über
einen eigenen SMA-Anschluss herausführe, dem Empfangsmischer zuführe und über
den Zirkulator in Durchgangsrichtung das 70 cm Signal zum Funkgerät wieder
auskopple. Der LO wird über einen Puffer-Verstärker und einen Teiler geführt,
von wo das LO-Signal sowohl dem Sende- als auch Empfangsmischer zugeführt wird.
Neben der bereits beschriebenen
Modifikation der WLAN-Endstufe um den eigenen RX-Ausgang habe ich diese auch
noch in der Umschaltung modifiziert, also verlangsamt, damit ein sauberes SSB
Signal gesendet werden kann und auch das PTT Signal hochohmig auf den
HF-Ausgang gekoppelt, damit die abgesetzt betriebene Endstufe über die
Koaxleitung ferngesteuert geschalten werden kann.
Damit
war die Konfiguration für den mobilen LoRa-APRS Transmitter fertig:
Bild 2: LoRa-APRS Ausrüstung zur Aussendung auf
2,4 GHz
Zur
Erklärung des Bildes: Links ist die eingebaute Endstufe hinter dem Kühlkörper
versteckt, weiters im Gehäuse ein DC/DC-Wandler von KFZ Bordnetz auf 28 V und
Bias-T zum Abgriff der Steuerspannung zur PTT Umschaltung durch den Transverter
über das Koaxkabel. Auf dem Transverter rechts im Bild liegt links der
LoRa-APRS Tracker und rechts davon der RF Signal Generator welcher die
LO-Frequenz zum Hochmischen auf 2,4 GHz erzeugt.
3.
Antennenanlage
Bevor es nun in den Satellitenbetrieb ging, habe
ich erst einmal das Konzept terrestrisch auf 2,4 GHz getestet. Dazu habe ich
die recht lange Rundstrahlantenne, welche laut Internetangaben 12 dBi Gewinn
haben soll, diese liegt im obigen Foto zwischen Transverter und Endstufe, auf
einem Magnetfuß (alles aus dem Bereich der WLAN-Bastelgemeinde) verwendet um
meine Signale daheim mit einem zweiten 2,4 GHz Transverter wieder auf 70 cm zu
wandeln und meinem LoRa Empfangsgateway zuzuführen. Die Empfangsantenne daheim
war in diesem Fall eine Panel-Antenne, welche auf das 13 cm FM Relais am
Wienerberg ausgerichtet ist, welches ja auch in meiner Obhut ist. Damit konnten
meine Signale vom südlichen Wiener Stadtrand bis nach Hause in Münchendorf über
etwa 15 km Entfernung empfangen werden.
LoRa auf 2,4 GHz war also geglückt. Nun ging es
daran den Satellitenbetrieb zu realisieren. Hierfür ist natürlich eine ganz
andere Antenne nötig als für den terrestrischen Betrieb. Während ich für
terrestrischen Betrieb eine absichtlich stark in der Ebene bündelnde Antenne
verwendete, um möglichst viel effektive Strahlungsleistung vom Sender zum
Empfänger ohne Elevation zu bringen, muss die Antenne für Satellitenbetrieb
natürlich eher nach oben als in der Ebene strahlen. In unseren Breiten beträgt
der Elevationswinkel zu QO-100 etwa 34°. Eine einfache Sperrtopfantenne über
einer großen Massefläche (Autodach), strahlt einen nicht unbeträchtlichen
Anteil relativ steil ab und erschien mir dafür eine gute Lösung. Auch hier
wurde ich wieder im WLAN Bereich fündig und so schraubte ich diese kleine WLAN
Antenne auf den Magnetfuß anstelle der langen vertikalen Antenne, wie auf dem
Foto auf der Folgeseite zu sehen.
Bild 3: kleine WLAN Antenne auf dem Magnetfuß am Autodach
Damit konnte es nun also losgehen. Meine ersten Versuche machte ich noch über den Schmalbandtransponder, da dieser höhere Signalpegel bzw. Signal-/Rauschabstände liefert, zumindest an meiner relativ kleinen 60cm Offset-Empfangsantenne. Die ersten Versuche zeigten ein recht interessantes Verhalten. Auf dem Foto ist es nicht gut zu erkennen, aber die Magnetfußantenne steht nicht in der Mitte des Autodaches. Dies ist dem recht kurzen Koaxkabel geschuldet, welches ich jedoch absichtlich genommen habe, um nicht zu hohe Kabeldämpfung in mein Sendesystem zu bringen. Schon das ca. 1,5 m lange Kabel hat bereits 3 dB Dämpfung, also kommt ohnehin nur noch die Hälfte der erzeugten Leistung tatsächlich an die Antenne.
Es zeigte sich, dass in Fahrtrichtung Norden
bzw. Westen die Signale deutlich besser ankamen als wenn ich Richtung Süden
oder Osten fuhr. Da die Antenne links, hinten auf dem Autodach platziert ist,
also deutlich mehr Massefläche in Abstrahlrichtung vorhanden ist, wenn ich
Richtung Süden oder Osten fahre, erwartete ich in diese Richtungen eher bessere
Ergebnisse. Genau das Gegenteil war aber der Fall. Bei Fahrtrichtung Norden
oder Westen erzielte ich LoRa-SNR Angaben von rund -15dB. In den anderen
Fahrtrichtungen jedoch lagen die SNR-Werte selten über -20 dB bzw. wurden oft
Pakete gar nicht mehr dekodiert, da das SNR schon zu schlecht war. Da ein
Autodach natürlich niemals komplett flach ist, hatte die Antenne aufgrund ihrer
nicht dachmittigen Position auch einen Tilt-Winkel von etwa 3 Grad sowohl nach
Links als auch nach Hinten. In diese Richtungen war also die Elevation von der
Antenne aus betrachtet um etwa 6 Grad größer als in die Gegenrichtung. Wiederum
war ich überrascht, dass bei höheren Elevationswinkeln die Abstrahlung offenbar
besser funktionierte als bei kleineren Elevationswinkeln.
Um
diesen Effekt besser zu verstehen versuchte ich die Antennenkonfiguration mit
EZNEC zu simulieren. Sehr vereinfacht war mein EZNEC Modell ein Halbwellendipol
mit 6 cm Länge und dem Phasenzentrum 7 cm über einer unendlichen Massefläche
angeordnet. Dabei ergab sich folgendes Simulationsergebnis:
Bild 4: Strahlungsdiagramm der Simulation in EZNEC
In Bild
4 ist der Marker bei 31° Elevation gesetzt. Dies entspricht der Abstrahlung
über die größere Massefläche mit der um 3° nach Hinten geneigten Antenne.
Hierbei sieht man, dass bei höheren Elevationswinkeln deutlich besser
abgestrahlt wird. Der Marker bei 31 Grad liegt ca. 5 dB niedriger als der
Gewinn bei 37 Grad Elevation beträgt. Dies entspricht sehr genau dem
praktischen Ergebnis, welches ich zuvor beschrieben habe.
Nun begann ich die Antennenkonfiguration in
EZNEC zu verändern, um bessere Charakteristik in den benötigten
Elevationswinkeln zu erreichen. Obiges Diagramm zeigt den höchsten Gewinn
(abgesehen von der Abstrahlung in der Ebene) bei knapp über 45 Grad. Diese
Elevation würde man in Süditalien benötigen, nicht jedoch bei uns in
Österreich. Wie bereits oben beschrieben ist die Elevation bei uns etwa 34
Grad. Wie zu erwarten sinkt der Elevationswinkel für die beste Abstrahlung mit steigender
Antennenhöhe über der Massefläche. In der Simulation zeigte sich, dass eine um
3cm erhöhte Antennenmontage optimale Ergebnisse liefern würde.
Nun
suchte ich nach Möglichkeiten, die Antennenhöhe über dem Autodach zu
vergrößern. Am Einfachsten erschien es mir zwei Adapter zwischen die Antenne
und den Fuß zu schrauben. Das Ergebnis war eine um 2,5 cm „höhergelegte“
Antenne. Während Autoschrauber gerne Ihre Fahrzeuge tiefer legen, mache ich das
Gegenteil mit meiner Antenne hi.
Bild 5: Antenne mit 2 Adaptern um 2,5 cm erhöht
2,5 cm Erhöhung ist zwar nahe an der optimalen
Konfiguration, jedoch wollte ich es genau wissen und habe auch diese
Konfiguration wieder mit EZNEC simuliert.
Bild 6: Simulation der um 2,5 cm „höhergelegten“
Antenne
In der
Simulation zeigte sich, dass nun bei 37 Grad Elevation der Maximale Gewinn
erreicht wird, bei 31 Grad Elevation jedoch nur ca. 1 dB weniger. Absolut liegt
der Gewinn der höheren Antenne in der Simulation nun bei 37 Grad um ca. 4 dB
höher als bei der Originalkonfiguration, bei 31 Grad sogar um fast 9 dB höher
als zuvor.
In der
Praxis zeigte sich, dass diese Werte nicht ganz erreicht werden, das Autodach
ist doch keine unendlich große Massefläche, trotzdem waren nun in Fahrtrichtung
Norden und Westen -12 dB SNR drinnen, also 3 dB mehr als vor der Anhebung der
Antenne und auch in Fahrtrichtung Osten und Süden nur etwa 1 bis 2 dB weniger
als in die Gegenrichtung. Alles in allem passte die Simulation sehr gut mit der
Praxis zusammen und die Veränderung der Antenne war ein voller Erfolg.
4.
Ergebnisse im praktischen Betrieb
Da der
Schmalbandtransponder, wie der Name schon sagt, nicht für breitbandige
Anwendungen vorgesehen ist und auch zu betriebsstarken Zeiten (beispielsweise
Samstag am Nachmittag) der Radio Signal Strength Indicator (RSSI) meiner
Empfangsstation aufgrund des belebten Transponders anstieg und damit mein SNR
sank, war der nächste Schritt auf den Breitbandtransponder zu wechseln.
Die Downlinkfrequenz am Breitbandtransponder
ergab sich damit zu 10491,075 MHz.
Damit
lag ich am untersten Ende des Transponderpassbandes und sozusagen im Guardband
der 2 MS/s DVB-S2 DATV Bake des Satelliten.
Die
Ergebnisse waren wie erwartet um etwa 3 dB schlechtere SNR Werte, jedoch immer
noch völlig ausreichend für den Praxisbetrieb.
Bild 7: APRS Spur via QO-100 bei der Heimfahrt vom Semmering nach Münchendorf
Bei
freier Sicht zum Himmel (Autobahn- bzw. Überlandfahrt in ebenem Gelände) wird
nahezu jedes ausgesendete Paket empfangen und dargestellt. Auf der S6 in der
Nähe des Semmerings, wo man auch teilweise im Tal zwischen markanten Erhebungen
fährt, ist man recht oft abgeschattet in Richtung Süden.
Bild 8: APRS Spur innerstädtisch
Selbst innerstädtisch ist die Coverage
brauchbar. Sehr schön sieht man, dass in Straßenzügen, welche nach Süden offen
sind, die Positionen zuverlässig abgesetzt werden können, während dies bei
Straßen in Ost-West Ausrichtung nur sehr selten der Fall ist, weil man
klarerweise die meiste Zeit durch Häuser abgeschattet ist.
Übrigens
ließ ich es mir auch nicht nehmen einmal mein FT-817 an den zweiten Eingang des
Transverters anzuschließen, um den Versuch zu wagen in der gleichen
Antennenkonfiguration ein SSB-QSO über den Schmalbandtransponder zu führen.
Tatsächlich gelang mir im Standmobilbetrieb ein QSO mit einer deutschen
Station. Mein Signal war zwar nur ganz knapp über dem Rauschen und
dementsprechend schwer zu vernehmen, aber für Mobilbetrieb war das schon ein
wirklich tolles Ergebnis. Für den Downlink wählte ich in diesem Fall den WEB-SDR
am Smartphone. Witzigerweise begann dabei meine Aussendung auf 2,4 GHz im
Uplink zu QO-100 (mal vom FT-817 auf 70 cm abgesehen, dessen Signal ja nicht
abgestrahlt wurde) und endete auch wieder auf 2,4 GHz bei der Übertragung vom
Smartphone zur Bluetooth Freisprecheinrichtung.
5. Fazit
Alles in
Allem zeigte mein Versuch, dass LoRa-APRS über QO-100 mit relativ einfachen
Mitteln realisierbar ist. Ich möchte jedoch festhalten, dass ich weder plane
eine permanente Bodenstation für den Empfang zu installieren, noch mit meinem
obigen Berechnungsbeispiel eine Frequenz für diese Anwendung definieren möchte.
Sollte mein Versuch tatsächlich in einen permanenten Use-Case münden (was mich
sehr freuen und ehren würde und ich mir für diverse Situationen wo eine terrestrische
Netzabdeckung nicht realisierbar ist, auch als sehr nützlich vorstellen könnte)
müsste dies natürlich in Abstimmung mit dem Satellitenbetreiber geschehen,
damit ein 125 kHz Frequenzsegment für diese Anwendung reserviert werden könnte.
Beim Meeting des ÖVSV Komitees am 24. Januar 2018 wurde die Frequenzplanung und deren Berücksichtigung möglichst vieler Anwendung im 70 cm Band besprochen.
Der ÖVSV hat das Meeting einberufen, um bestehende und zukünftige Anwendungen zu koordinieren. Hierbei wurde für LoRa folgende Frequenz festgelegt:
LoRa-1: 433,775 MHz (Uplink; ersetzt die aktuelle QRG 433,650 MHz vom Node zu Gateway)
LoRa-2: 433,900 MHz (Downlink; von Gateway zu Node, zB. für Text-Nachrichten)
Ein entsprechendes Softwareupdate wurde von Sascha bereits bereitgestellt. Ziel ist, alle Gateways und Sensoren/APRS-LoRa-Tracker per 12.2. auf die neuen QRGs umzustellen.
Die österreichische Amateurfunk-Gemeinschaft hat die Software von OM DJ7OO (www.kh-gps.de/lora.htm) angepasst und mittels der Modulation „LoRa“ sowohl APRS-Tracker als auch APRS-Gateway-Software entwickelt und angepasst. Die LoRa APRS Gateway Software funktioniert unter Raspberry Pi Modell 2 + 3 und nun auch auf Raspberry Zero W. Der Betrieb dieser Infrastruktur wird auf 433 MHz im 70cm-Band durchgeführt. Die Meldungen werden in das weltweite APRS-Netzwerk eingespielt und sind somit zB. über aprs.fi abrufbar.
LoRa APRS Tracker
Informationen zu APRS Trackern auf Basis Arduino findet ihr zB. hier:
Gestern 29.12 Nachmittag bis Abends wurde wieder bei OE3XLU „geschraubt“ – es wurden einige „Fehler“ die sich im täglichen Betrieb erst gezeigt haben behoben – LORA Empfang verbessert – 70cm APRS RX-Gateway aktiviert ( im Testbetrieb als OE3XLU-7 ) das „Nachrauschen“ am R85 verbessert und schon Testbetrieb für weitere LORA Gateway Hardware durchgeführt – Danke an Robert Hermann Jacob Bernhard und auch an Andreas der es mal geschafft hat beim „Vorbeifahren“ uns zu besuchen – war ein sehr produktiver Nachmittag