Elektronische Postkarten aus dem All
SSTV-Empfang von der ISS und Empfangs-Diplome für alle
von Martin Braun DL5BK
Neben Sprechfunk und Morsetelegrafie gibt es im Amateurfunk auch Betriebsarten bei denen die Informationen zwischen den Beteiligten mithilfe digitalisierter Signale übertragen werden. Eine dieser Spielarten ist SSTV (slow scan television) bei der sich Funkamateure über in Bildern eingelagerte Texte unterhalten können.
Die Übermittlung von Bildern mittels SSTV erfolgt prinzipiell ähnlich wie bei einer Fax-Übermittlung, jedoch hier selbstredend nicht über eine Telefonleitung sondern über eine Funkverbindung. Auf der Senderseite werden die Bilder Zeilen- und Bildpunkt-weise in analoge Töne kodiert, in ein Funkgerät eingespeist und über eine Funkverbindung übertragen und auf der Empfangsseite wieder in digitale Bildinformationen zurückgewandelt.
SSTV-Übertragungen von der Raumstation ISS zur Erde führt das Projekt ARISS Amateur Radio on the International Space Station oder die Staatliche Hochschule für Luftfahrt in Moskau - das MAI Moscow Aviation Institute - bei besonderen Anlässen oder an bestimmten Jahrestagen wie z.B. dem ersten bemannten Weltraumflug von Juri Gagarin durch. Die Events werden einige Tage vor deren Beginn jeweils auf der Webseite http://ariss-sstv.blogspot.com/ angekündigt.
Die Aussendungen werden aus dem russischen Service Modul der ISS heraus getätigt und erfolgen im 2m-Amateurfunkband auf der Frequenz 145,8 MHz. Da bei allen Amateurfunk-Sendungen immer ein Rufzeichen mitübertragen werden muss, wird bei MAI-75 Events das russische Amateurfunk-Rufzeichen RSØISS in die übertragenen Bilder eingeblendet, bei den ARISS-Aktionen zuweilen auch das amerikanische Rufzeichen NA1SS.
Die SSTV-Bilder der ISS können von jedem empfangen werden. Speziell bei den ARISS-Events werden als Empfangsbestätigung online eingereichte Bilder mit einem SSTV Diplom des polnischen ARISS - Teams belohnt. Das DIplom kann von jedem Interessierten erworben werden - die Vergabe ist also nicht auf Funkamateure beschränkt. Am Ende des Artikels wird beschrieben, wie man das Diplom sogar erarbeiten kann, wenn man nur einen Computer mit Internet-Zugang zur Verfügung hat.
Exkurs: Amateurfunk in der Raumfahrt
Die Verbindung von Raumfahrt und Amateurfunk hat bereits eine lange Tradition. Schon 4 Jahre nachdem das Piepsen des russischen Satelliten Sputnik 1 die Welt in Atem gehalten hatte, wurde Im Dezember 1961 der erste Amateurfunk-Satellit OSCAR 1 in den Orbit gebracht. OSCAR 1 war zu diesem Zeitpunk der erste Satellit der ohne Unterstützung einer Regierung oder Organisation durch Amateure gebaut wurde. Die Bezeichnung OSCAR für Amateurfunksatelliten leitete sich aus "Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio" ab. Die einzige Aufgabe des ersten OSCAR während seiner nur wenige Wochen bis zum Verglühen in der Erdatmosphäre andauernden Mission war, seine Innentemperatur über Morsezeichen an die Funkamateure auf der Erde zu senden. Diese konnten anhand der Geschwindigkeit in welcher fortwährend der Morsetext "HI" übermittelt wurde auf die Temperatur im Inneren von OSCAR 1 schliessen.Während die Aussendungen von Sputnik noch im Kurzwellenband auf etwa 20MHz und 40 MHz erfolgten - einem Frequenzbereich der in der modernen Satellitenkommunikation heutzutage nicht mehr verwendet wird - sendete OSCAR 1 im 2m-Amateurfunkband auf 145 MHz.
Die anfänglichen Bemühungen des OSCAR-Projektteams führten einige Jahre später zur Gründung der AMSAT (Radio Amateur Satellite Corporation, auf Deutsch etwa „Amateurfunksatelliten-Vereinigung“).
Bis heute zählt man mehr als 100 Satelliten die im Laufe der Jahre den Funkamateuren über ihre Nutzlasten zahlreiche Anwendungen zur Verfügung gestellt haben. Den Status der derzeit aktiven Amateurfunk-Satelliten findet man auf der Webseite AMSAT Live OSCAR Satellite Status. Ein bedeutender Entwicklungsschritt der jüngeren Zeit war 2018 die Bereitstellung einer zusätzlichen Amateurfunk-Nutzlast auf dem kommerziellen geostationären Satelliten Es'hail-2, auch Qatar-OSCAR 100 oder QO-100 genannt.
In der bemannten Raumfahrt hielt der Amateurfunk 1983 Einzug, als der US-Astronaut und leidenschaftliche Funkamateur Owen Garriott W5LFL erstmals ein 2m-Amateur-Handfunkgerät zu der STS-9 Space Shuttle Columbia Mission mitnahm und damit in seiner freien Zeit auf dem Shuttle Funkkontakte zur Erde aufbaute. Auch bei vielen der nachfolgenden Shuttle-Missionen waren unter den Astronauten oft Funkamateure - bei der Mission STS-37 im Jahre 1991 hatte sogar jedes Mitglied der 5-köpfigen Crew eine Amateurfunklizenz. Auf der russischen Raumstation MIR fand sich ebenso Amateurfunk-Equipment wie schließlich heute auch auf ihrem Nachfolger, der Raumstation ISS. Commander William Shepherd, KD5GS war im Jahr 2000 das erste ISS-Crew-Mitglied das Amateurfunk-Kontakte von dort zur Erde durchgeführt hat.
Die meiste Zeit über läuft die Amateurfunk-Ausrüstung der ISS im automatischen Betrieb als Sprechfunk- und AX.25 APRS-Repeater für die Funkamateure auf der Erde. Gelegentlich finden aber auch SSTV-Ausstrahlungen statt oder das Equipment wird vom Projekt ARISS (Amateur Radio on the International Space Station) genutzt um Schülern unter Anleitung von Funkamateuren Funkkontakte zur ISS zu ermöglichen. Ehrenamtlich tätige Funkamateure stellen hierfür die Verbindungen zwischen den Schulen und der Raumstation her. Unter einem Ausbildungsrufzeichen dürfen die Schüler den Astronauten der ISS in der verfügbaren Zeit eines Überfluges Fragen stellen. Daher besitzen viele Astronauten die für den Sendebetrieb erforderliche Amateurfunk-Lizenz.
Der erste deutsche Funkamateur im All war Ulf Merbold DB1KM (als RØMIR und DP3MIR von der MIR, zuvor STS, Sojus) - zuletzt waren aus deutscher Sicht Alexander Gerst KF5ONO (06/2018 bis 12/2018) und anschliessend Matthias Maurer KI5KFH (10/2021 bis 05/2022) auf der ISS im Rahmen von ARISS-Schukontakten mit dem Rufzeichen DPØISS aktiv.
Eine vollständige Liste der deutschen Astronauten - inklusive auch früherer Raumfahrt-Missionen - findet sich auf der Homepage des DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt.
Bild-Übertragung von der ISS zur Erde mittels SSTV
Bei den meist mehrtägigen Events wird in der Regel eine sich immer wiederholende Serie von 12 Bildern mit postkartenartigen Motiven zu einem bestimmten Thema ausgesendet, wobei die Übertragung eines einzelnen Bildes bei der eingesetzten Betriebsart PD120 zwei Minuten dauert. Einen sogenannten Duty-Cycle von 50% erreicht man, indem man nach jeder Aussendung zwei Minuten Sendepause einhält und somit ermöglicht, dass sich die 25W-Sender-Endstufe des Funkgeräts auf der ISS wieder abkühlen kann.
Die SSTV-Betriebsart PD120 gehört zu den sogenannten PD-Betriebsarten (PD90, PD120, PD160, ...) die um 1996 von den amerikanischen Funkamateuren Paul Turner G4IJE und Don Rotier K0HEO entwickelt wurden. PD steht daher sowohl für Paul und Don, aber auch für "Public Domain", denn die beiden Funkamateure wollten von Beginn an Ihre Erkenntnisse und die technischen Details der Betriebsarten veröffentlichen und somit deren Verbreitung fördern. Die derzeit für SSTV-Aussendungen von der ISS verwendete Betriebsart PD120 stellt dabei einen guten Kompromiss zwischen Bildqualität und Übertragungsdauer dar. Die dabei gesendeten Farbbilder besitzen eine Auflösung von 640 x 496 Pixeln.
Für einen Umlauf um die Erde benötigt die ISS etwa 90 Minuten. Die Bahnneigung der ISS zum Äquator beträgt 51,6° - daraus resultiert eine scheinbare relative Bahn über der Erde die wie eine Wellenlinie aussieht. Je nach Phase ist die ISS daher nicht bei jedem Umlauf über Deutschland funktechnisch "sichtbar" und somit bei solchen Überflügen auch für Amateurfunkzwecke nicht nutzbar.
Für die Ermittlung der Überflugzeiten gibt es Programme wie GPREDICT oder Webseiten wie https://www.amsat.org/track/ oder man nutzt eine Smartphone-App wie z.B. "ISS Detektor" oder "Heavens Above". Die App kündigt die zukünftigen "sichtbaren" Überflüge an und zeigt während der Überflüge auch die aktuelle Richtung in der sich die ISS befindet (Azimut) und deren aktuelle Höhe (Elevation) in Grad um ggf. eine Antenne entsprechend ausrichten zu können.
Die Ausbreitungsbedingungen in höheren Frequenzbereichen (so auch schon im 2m-Amateurfunkband) erlauben vereinfacht ausgedrückt weitgehend nur Funkverbindungen bei einer Sichtverbindung, sodass für den Empfang der Bilder bei jedem Überflug der ISS je nach Phase nur etwa 6 bis 10 Minuten zur Verfügung stehen. So kann man pro Überflug ein bis zwei vollständige Bilder empfangen. Je höher der eigene Standort und je freier die Sicht, desto größer sind die Chancen auf gute Ergebnisse.
Hat die ISS bereits vor dem Erscheinen am Horizont (AOS = aquisition of signal) mit der Aussendung eines Bildes begonnen oder die Übertragung eines Bildes endet erst nachdem die ISS schon wieder "untergegangen" ist (LOS = loss of signal) , dann erhält man verständlicherweise abgeschnittene Bilder. Sofern die Flugbahn aus Sicht der Antenne durch Gebäude oder Bäume verdeckt wird ergeben sich Störungen in den empfangenen Bildern. Auch die Wetterbedingungen können die Qualität beeinflussen.
Der Dopplereffekt - den man auch im hörbaren Bereich von sich nähernden und entfernenden Fahrzeugen kennt - spielt trotz der hohen relativen Geschwindigkeit der ISS zur Erde (~28.000 km/h in ~400km Höhe) im 2m-Amateurfunkband für den Empfang der SSTV-Bilder noch keine so gewichtige Rolle als dass man die Frequenz zwingend nachregeln müsste. Wer aber perfekte Bilder empfangen möchte sollte dies natürlich berücksichtigen. Die ISS scheint bei ihrem "Aufgang" um etwa 3,5 kHz höher als die Nennfrequenz von 145,8 MHz zu senden, äquivalent kurz vor dem "Untergang" um 3,5 kHz unter der Nennfrequenz. In der Praxis ergeben sich aber auch ohne Nachregeln akzeptable Ergebnisse. Während jeden Überflug ("path") gibt es einen "Zeitpunkt der kleinsten Annäherung" (TCA = Time of Closest Approach), das ist derjenige Moment wenn der Satellit den kürzesten Abstand zum Betrachter hat. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Doppler-Shift Null und der Satellit erreicht hier seine höchste Elevation über dem Horizont.
Für den Empfang der Bilder ist keine Lizenz erforderlich. Man benötigt lediglich einen Empfänger (2m-Amateurfunkgerät, Scanner-Empfänger, SDR-Empfänger), der sich auf 145,8 MHz FM im 2m Amateurfunk-Band einstellen lässt, sowie eine Schnittstelle zu einem Computer und dort eine Software, die SSTV-Signale dekodieren und in Bilder zurückverwandeln kann. Die erforderliche Software ist für gängige Betriebssysteme wie Windows, Linux oder Mac frei und kostenlos verfügbar.
Es geht aber auch noch einfacher: für Smartphones wurden Apps entwickelt, die SSTV-Signale über das Mikrofon aufnehmen und dekodieren können. Ein bekannter Vertreter ist z.B. Robot36 für Android welches auch die auf der ISS verwendete SSTV-Betriebsart PD120 unterstützt. Hier hält man einfach das Mikrofon des Smartphones in die Nähe des Lautsprechers eines Empfängers und stellt so eine akustische Kopplung her. Die erzielbaren Ergebnisse sind bei idealen ISS-Überflügen überraschend gut.
Mit dieser einfachen Technik wurden am 8.10.2020 mit minimalem Aufwand vor der Halle des Technikforums Bilder der ISS aus der Serie "ARISS 16 Satellites" empfangen und für die Erlangung eines ARISS-Diploms für die Clubstation DK0ANT eingereicht.
Dem Aufwand der bei der Kommunikation mit Satelliten betrieben werden könnte sind selbstverständlich keine Grenzen gesetzt, auch nachführbare Richtantennen sind ein probates Mittel für bessere Bilder.
SSTV-Empfang "ohne Empfänger"
Wer keinen Empfänger für das 2m Amateurfunk-Band besitzt, kann die Übertragungen der ISS auch via Internet über einen Online-Empfänger - sogenannte WebSDR - verfolgen. Eine Liste verfügbarer WebSDR-Stationen findet sich unter websdr.org. Es ist hier ein WebSDR-Server auszuwählen bei dem die Frequenz 145,8 MHz empfangen werden kann. Die Modulationsart muss auf "FM" gestellt werden.
Bei der Ermittlung von Überflugzeiten der ISS gilt nun aber nicht mehr der eigene Standort, sondern es ist der Standort des WebSDR maßgeblich.
Beim WebSDR gilt es nun, die Audioausgabe auf einen SSTV-Dekoder zu lenken. Im einfachsten geschieht dies wieder über die oben beschrieben akustische Kopplung auf das Smartphone indem man dieses an den PC-Lautsprecher hält. Wer lieber PC-Software wie z.B. MMSSTV für Windows verwenden möchte, benötigt noch eine virtuelle Verbindung vom "Audio-Ausgang" des Browsers auf den "Audio-Eingang" der SSTV-Software. Hierzu ist eine weitere Software wie z.B. "Virtual Audio Cable" erforderlich, die entsprechende virtuelle Soundkartentreiber installiert. Für die Installation und Bedienung der Software-Komponenten gibt es im Internet viele Anleitungen.
ARISS-SSTV-Diplom beantragen
Auch wenn mittlerweile viele verschiedene Interessensvertretungen Awards für den Empfang von SSTV-Bildern der ISS herausgeben, ist und bleibt das ARISS-Diplom das Original bei den von der ARISS veranstalteten SSTV-Events. Das heißt, dass es dieses Diplom auch nur bei ARISS-Events gibt - also nicht bei den Events des Moscow Aviation Institute MAI (Inter-Mai-75).
Die Diplom-Bedingungen des polnischen ARISS-Teams machen keine Vorgaben über die verwendete Technik beim Empfang der Bilder. Es muß mindestens ein Bild hochgeladen werden. Es werden keine größeren Qualitätsansprüche an die Bilder gestellt. Die Bilder dürfen abgeschnitten oder verrauscht sein, solange man sie nur zu der Bilder-Serie der jeweiligen ARISS-Aktion zuordnen kann. Der Bilder-Upload und die Diplom-Beantragung erfolgen auf verschiedenen Webseiten. Beide Links werden bei ARISS-SSTV-Aktionen auf der Ankündigungsseite http://ariss-sstv.blogspot.com/ angegeben. In der Regel kann das Diplom nach dem Ende einer ARISS-SSTV-Aktion noch einen Tag lang beantragt werden. SSTV-Anfänger sollten sich von der Galerie-Seite nicht beeindrucken lassen - dort werden weitgehend nur fehlerfreie Bilder präsentiert. Die dortige Präsentation ist jedoch nicht Bedingung für die Zuteilung einer Urkunde.
Das SSTV-Diplom der AMSAT Argentina
Einem Ritterschlag für ISS-Fans kommt die Erlangung des SSTV-Diploms der Amsat Argentina gleich. Das Diplom wird von der AMSAT Argentina LU7AA in Zusammenarbeit mit dem Radio Club QRM Belgrano in Buenos Aires LU4AAO vergeben.
DK0ANT dürfte mit dem Diplom mit der Nummer 159 weltweit eine der ersten Clubstationen sein, die dieses Diplom erreicht hat.
Die Diplom-Bedingungen sind bei keinem ISS-SSTV-Award annähernd so streng wie hier. Es werden 15 Bilder aus mindestens zwei unterschiedlichen SSTV-Events mit mindestens einen Monat Abstand gefordert. Die Bilder müssen über einen eigenen Empfänger empfangen worden sein - jegliche Art von Web-SDR ist hier nicht erlaubt. Die 15 Bilder müssen unterschiedliche Bild-Motive besitzen und als Mindestqualitätsanspruch eine Rauschfreiheit von 50% haben. Bei der Forderung nach 15 unterschiedlichen Motiven ist zu berücksichtigen, dass das erste Motiv der Bilderserien bei den Inter-Mai-75 - Events - eine bunte Grafik der ISS - immer gleich ist, jedoch insgesamt nur einmal als Motiv zählt, selbst wenn das Bild an unterschiedlichen Events empfangen wurde - also unterschiedliche Zeitstempel unten auf dem Bild trägt. Selbstredend zählen also mehrfach empfangene Bilder einer Serie auch nur einmal. Die Bilder müssen am unteren Rand eine spezielle Bestempelung mit Modus, Uhrzeit, Rufzeichen und Locator aufweisen, die u.a. erreicht werden kann, wenn hierfür das von AMSAT Argentina vorgeschlagene Windows-Programm RX-SSTV verwendet wird.
Als ob dies nicht bereits anspruchsvoll genug wäre sollten die Bilder zum Zeitpunkt der Verleihung des Awards an DK0ANT spätestens innerhalb 60 Minuten nach einem ISS-Überflug auf der Award-Homepage hochgeladen sein. Da dies ist angesichts der Reaktionszeit des Upload-Servers ein ausgesprochen sportliches Unterfangen war, wurden die Bedingungen mittlerweile etwas gelockert und das legitime Zeitintervall auf 2 Stunden nach dem jeweiligen ISS-Überflug verlängert.
Die kompletten Bedingungen und ein Link zur Bilder-Upload-Seite finden sich hier: http://amsat.org.ar/certdiplomag.htm
Die komplette Bilder-Serie zu einem SSTV-Event empfangen
Während eines SSTV-Events werden die 12 Bilder einer Serie mit aufsteigender Nummer ausgesendet. Am Ende der Serie beginnt die Aussendung wieder bei dem Bild mit der Nummer 1.
Alle 12 Bilder aus der betreffenden Serie zu empfangen stellt eine besondere Herausforderung für den Operator dar. Leider gibt es hier Unwägbarkeiten, auf die man selbst keinen Einfluss hat. Dies hängt damit zusammen, dass je nach dem Zeitraum des Events und der darin stattfindenden ISS-Überflug-Phasen unter Umständen über einem bestimmten Standort gar nicht alle 12 Bilder gesendet werden - es gehört also auch etwas Glück dazu.
Die weiter oben beschriebene Phasenverschiebung wegen der Bahnneigung gegenüber dem Äquator führt dazu, dass die ISS während eines mehrtägigen Ereignisses in der Regel innerhalb eines Tages nur vier bis sechs Mal aufeinanderfolgend über einem Standort "sichtbar" ist und dann wieder für viele Stunden kein Empfang möglich ist. Bei dem verwendeten Modus PD120 dauert die Übertragung eines einzelnen Bildes 2 Minuten jeweils gefolgt von zwei Minuten Pause. Die Übertragung einer kompletten Bilderserie erfolgt also in 48 Minuten. Wenn man von einer Umlaufdauer der ISS um die Erde von etwa 94 Minuten ausgeht, so ergibt sich zwischen den Überflügen über einem Standort gerade einmal ein Versatz von ~2 Minuten in Richtung kleinerer Bildnummern (2 Serien à 48 Minuten während einer 94 Minuten dauernden Erdumrundung) .
Die Erfolgschancen seien stellvertretend für den SSTV-Event Expedition 64 Series 17 im Dezember 2020 für den Standort von DK0ANT veranschaulicht. Die angegebenen Zahlenwerte stellen keine wissenschaftliche Erhebung dar, sondern sollen nur die Empfangsbedingungen im betrachteten Zeitraum in Backnang illustrieren. Für höhere Standorte in Zentraleuropa ohne Abschattung durch Geländeformen, Häuser oder Bäume müssen die betrachten Zahlen nicht unbedingt zutreffend sein.
Die Veranstaltung begann am 24.12.2020 und dauerte bis zum 31.12.2020. Die ersten Bilder über Zentraleuropa waren wegen der Phasenlage der ISS aber erst am 25.12. zu empfangen. In den somit verbleibenden 7 Tagen wurden von DK0ANT insgesamt 95 SSTV-Bilder empfangen, von denen 43 wegen des Aussende-Beginns vor AOS (aquisition of signal) bzw. Aussende-Ende nach LOS (loss of signal) abgeschnitten - oder aus sonstigen weiter oben bereits angeführten möglichen Ursachen unvollständig empfangen wurden.
Während das Bild Nummer 9 insgesamt acht Mal vollständig empfangen werden konnte, gelang dies im Falle der BIlder 11 und 12 nur jeweils einmal. In einschlägigen Diskussionsforen im Internet wurde daher auch schon der Wunsch geäußert, man möge doch die Reihenfolge der Bilder zufällig streuen um die Chancen alle Bilder über einem Standort sehen zu können insbesondere bei kürzeren Events zu erhöhen.
Keine Bilder von einem SSTV-Event zu empfangen? Was tun, wenn nichts geht?
Ein SSTV-Event ist angesagt, aber zum erwarteten Zeitpunkt bleibt die Frequenz einfach ruhig.Was tun? Auf der ARISS-SSTV Blogspot-Seite gibt es manchmal Updates zu den Events, jedoch nicht immer.
Zuweilen findet man Hinweise auf der AMSAT-Status-Seite, Auf dieser Seite gibt es Informationen zu den Aktivitäten auf den Amateurfunk-Satelliten und der ISS. Es wird eine 6-TAges-Ansicht angezeigt, wobei jeder Tag in 2-Stunden-Blöcke eingeteilt ist. Beim Überfahren eines Zeit-Blocks mit der Maus erhält man in einem Popup weitergehende Informationen zu den beobachteten oder eben auch nicht beobachteten Aktivitäten auf einem betrachteten Modus eines Objekts.
ISS-Besatzungen und "Expeditionen"
Mit dem Begriff "Expedition" sind die Langzeitbesatzungen auf der Internationalen Raumstation ISS gemeint. Immer wenn eine Änderung der Langzeitbesatzung erfolgt, wird die Expeditionsnummer erhöht. Eine chronologische Liste der Expedtionen findet sich in
Wikipedia.
Thomas Reiter DF4TR war 2006 während der Expedition 13/14 als erster deutscher Astronaut auf der ISS.
Alexander Gerst KF5ONO begleitete die Expeditionen 40/41 und 56/57.
Kurzaufenthalte wie z.B. die von der Firma
SpaceX neben dem Transport von Crew-Mitgliedern organisierten Weltraumausflüge für zahlungswillige Weltraum-Urlauber fließen in die Festlegung der Expeditionsnummern nicht ein.
SSTV-Aktivitäten der Clubstation DK0ANT im Technikforum Backnang