QO-100 – Der erste geostationäre Amateurfunksatellit
Amateurfunksatelliten gibt es bereits seit den frühen 1960er-Jahren. Doch über Jahrzehnte hatten sie eines gemeinsam: Sie bewegten sich auf Umlaufbahnen um die Erde und waren von einem bestimmten Standort aus immer nur für begrenzte Zeit erreichbar. Mit Qatar-OSCAR 100, kurz QO-100, änderte sich das grundlegend. Erstmals steht Funkamateuren ein Transponder in einer geostationären Umlaufbahn zur Verfügung – rund um die Uhr und ohne auf den nächsten Satellitenüberflug warten zu müssen.
QO-100 ist streng genommen kein eigenständiger Amateurfunksatellit. Die Amateurfunktechnik befindet sich als sogenannte Hosted Payload an Bord des katarischen Kommunikationssatelliten Es’hail-2. Das Projekt entstand in Zusammenarbeit zwischen der Qatar Amateur Radio Society (QARS), Es’hailSat und der deutschen AMSAT-DL.
Ein lange gehegter Traum wird Wirklichkeit
Schon lange vor QO-100 gab es innerhalb der Amateurfunksatelliten-Szene die Vorstellung eines Transponders in einer geostationären Umlaufbahn. Klassische Amateurfunksatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen – sogenannte LEO-Satelliten – sind von einem bestimmten Standort aus meist nur einige Minuten lang erreichbar.
Ein geostationärer Satellit verhält sich völlig anders. Er umläuft die Erde in rund 35.786 Kilometern Höhe über dem Äquator mit derselben Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Erde dreht. Für einen Beobachter am Boden scheint er deshalb nahezu unverändert an derselben Stelle des Himmels zu stehen.
Damit ergeben sich für den Amateurfunk zwei entscheidende Vorteile: Die Antenne muss dem Satelliten nicht ständig nachgeführt werden und der Transponder steht grundsätzlich 24 Stunden am Tag zur Verfügung.
Vom Projekt P4-A zu Qatar-OSCAR 100
Solche geostationären Amateurfunkprojekte wurden traditionell der sogenannten Phase 4 der AMSAT-Satellitenentwicklung zugeordnet. Daher trug die spätere Amateurfunknutzlast von Es’hail-2 während ihrer Entwicklung die Bezeichnung P4-A.
Der entscheidende Schritt erfolgte im Jahr 2012. Bei Kontakten zwischen Vertretern der AMSAT-DL und Katar entstand die Möglichkeit, auf einem kommerziellen Kommunikationssatelliten eine eigene Amateurfunknutzlast unterzubringen.
Aus dieser Zusammenarbeit zwischen QARS, Es’hailSat und AMSAT-DL entstand schließlich eine weltweit einmalige Anlage: ein speziell für den Amateurfunk vorgesehener Schmalband- und Breitbandtransponder auf einem kommerziellen geostationären Satelliten.
Es’hail-2 – der Satellit hinter QO-100
Es’hail-2 wurde vom japanischen Unternehmen Mitsubishi Electric Corporation (MELCO) auf Basis der Satellitenplattform DS2000 gebaut.
Seine eigentliche Aufgabe besteht in kommerziellen Kommunikations- und Rundfunkdiensten. Die Amateurfunktransponder stellen eine zusätzliche Nutzlast des Satelliten dar.
| Merkmal | Technische Daten |
|---|---|
| Satellit | Es’hail-2 |
| Amateurfunkbezeichnung | Qatar-OSCAR 100 / QO-100 |
| Entwicklungsbezeichnung | P4-A |
| Betreiber | Es’hailSat |
| Amateurfunkpartner | QARS und AMSAT-DL |
| Hersteller | Mitsubishi Electric Corporation |
| Satellitenplattform | DS2000 |
| Start | 15. November 2018 |
| Trägerrakete | SpaceX Falcon 9 |
| Startmasse | ca. 5.300 kg |
| Orbit | geostationär |
| Orbitalposition | ca. 25,9° Ost |
| Amateurfunk-Uplink | S-Band bei etwa 2,4 GHz |
| Amateurfunk-Downlink | X-Band bei etwa 10,49 GHz |
Der Start von Es’hail-2
Am 15. November 2018 startete Es’hail-2 mit einer SpaceX Falcon 9 vom Cape Canaveral Air Force Station Space Launch Complex 40 in Florida.
Der Satellit wurde zunächst in einen geostationären Transferorbit gebracht und anschließend auf seiner endgültigen Position bei rund 25,9° Ost stationiert.
Nach erfolgreichen Tests der Amateurfunknutzlast erhielt sie die offizielle OSCAR-Bezeichnung Qatar-OSCAR 100 – QO-100. Die Zahl 100 steht dabei für die hundertste vergebene OSCAR-Bezeichnung.
Am 14. Februar 2019 wurden die Amateurfunktransponder schließlich für den allgemeinen Betrieb freigegeben. Damit begann eine neue Epoche des Amateurfunks über Satelliten.
Wie funktioniert QO-100?
Das Grundprinzip ist technisch relativ einfach: Der Funkamateur sendet sein Signal im Bereich von 2,4 GHz zum Satelliten. Dieses Signal wird an Bord empfangen, frequenzmäßig umgesetzt, verstärkt und anschließend im Bereich von 10,49 GHz wieder zur Erde ausgesendet.
Vereinfacht dargestellt:
Erde → 2,4 GHz → QO-100 → 10,49 GHz → Erde
Ein linearer Bent-Pipe-Transponder
Der Satellit demoduliert ein SSB-, CW- oder Digitalsignal nicht und erzeugt es anschließend neu. Stattdessen arbeitet QO-100 als sogenannter Bent-Pipe-Transponder.
Dabei wird ein kompletter Frequenzbereich empfangen, umgesetzt, verstärkt und wieder ausgesendet. Der Narrowband-Transponder arbeitet zudem nicht invertierend: Wird die Uplinkfrequenz erhöht, steigt auch die entsprechende Downlinkfrequenz.
Der Frequenzversatz beträgt:
10.489,500 MHz − 2.400,000 MHz = 8.089,500 MHz
Ein Signal auf einer Downlinkfrequenz von beispielsweise 10.489,700 MHz entspricht damit einer Uplinkfrequenz von 2.400,200 MHz.
Zwei Amateurfunktransponder
QO-100 besitzt zwei voneinander getrennte Amateurfunktransponder.
| Transponder | Anwendung | Bandbreite |
|---|---|---|
| Narrowband (NB) | SSB, CW und schmalbandige digitale Betriebsarten | ca. 500 kHz |
| Wideband (WB) | Digital Amateur Television / DATV | ca. 8 MHz |
Der Narrowband-Transponder
Für die meisten Funkamateure ist der Narrowband-Transponder der interessanteste Teil von QO-100. Sein Downlink-Passband erstreckt sich von 10.489,500 bis 10.490,000 MHz.
Der entsprechende Uplink liegt im Bereich um 2.400,000 bis 2.400,500 MHz. Die für normale Amateurfunkaussendungen nutzbaren Bereiche liegen innerhalb dieser Grenzen; die Rand- und Bakenbereiche sind entsprechend dem Bandplan freizuhalten.
Wichtige Frequenzbereiche
| Downlink | Verwendung |
|---|---|
| 10.489,500–10.489,505 MHz | untere CW-Bake und Schutzband |
| 10.489,505–10.489,540 MHz | CW |
| 10.489,540–10.489,580 MHz | digitale Betriebsarten, max. 500 Hz |
| 10.489,580–10.489,650 MHz | digitale Betriebsarten, max. 2,7 kHz |
| 10.489,650–10.489,745 MHz | SSB |
| 10.489,745–10.489,755 MHz | mittlere BPSK-Bake bei 10.489,750 MHz |
| 10.489,755–10.489,850 MHz | SSB |
| 10.489,850–10.489,858 MHz | Rundspruchbereich, Zentrum 10.489,855 MHz |
| 10.489,858–10.489,865 MHz | Notfunkbereich, Zentrum 10.489,860 MHz |
| 10.489,865–10.489,990 MHz | Mixed Mode und Sonderanwendungen |
| 10.489,990–10.489,997 MHz | Multimedia-Bake bei 10.489,9935 MHz |
| 10.489,997–10.490,000 MHz | obere CW-/Experimentierbake und Schutzband |
Polarisation
Beim Narrowband-Transponder wird für den Uplink RHCP – Right Hand Circular Polarization, also rechtsdrehende zirkulare Polarisation, verwendet.
Der Downlink des Narrowband-Transponders ist vertikal linear polarisiert.
Beim Wideband-Transponder wird ebenfalls RHCP für den Uplink verwendet, während der Downlink horizontal polarisiert ist.
Der Wideband-Transponder für DATV
Der zweite Amateurfunktransponder besitzt eine Bandbreite von rund 8 MHz und ist hauptsächlich für Digital Amateur Television – DATV vorgesehen.
Der Bereich liegt ungefähr bei:
- Uplink: 2.401,5 bis 2.409,5 MHz
- Downlink: 10.491 bis 10.499 MHz
Vorwiegend kommt dabei DVB-S2 zum Einsatz. Durch moderne Modulations- und Codierungsverfahren lassen sich digitale Fernsehbilder mit erstaunlich geringer Bandbreite übertragen. Besonders populär sind heute schmalbandige DATV-Verfahren mit niedrigen Symbolraten.
Eine Funkstrecke von mehreren Zehntausend Kilometern
Ein geostationärer Satellit befindet sich rund 35.786 Kilometer über dem Äquator. Die tatsächliche Entfernung zwischen einer Station in Mitteleuropa und QO-100 ist aufgrund der Geometrie etwas größer.
Ein Signal legt daher auf seinem Weg von der Bodenstation zum Satelliten und anschließend wieder zurück zur Erde insgesamt viele Zehntausend Kilometer zurück.
Diese Entfernung ist auch akustisch bemerkbar. Im Vollduplexbetrieb hört der Funkamateur sein eigenes, über QO-100 zurückkommendes Signal mit einer kleinen, aber deutlich wahrnehmbaren Verzögerung.
Empfang mit vergleichsweise einfachen Mitteln
Eine der faszinierenden Eigenschaften von QO-100 besteht darin, dass für den Empfang keine professionelle Satellitenbodenstation erforderlich ist.
Für eine typische Empfangsstation benötigt man beispielsweise:
- eine Satelliten-Parabolantenne,
- einen Ku-Band-LNB,
- einen SDR-Empfänger oder Downconverter,
- einen Computer beziehungsweise geeigneten Empfänger,
- und möglichst eine frequenzstabile Referenz.
Der Downlink von QO-100 liegt mit etwa 10,49 GHz in einem Frequenzbereich, der grundsätzlich von vielen für den Satelliten-TV-Empfang entwickelten LNBs erfasst werden kann.
Warum die Frequenzstabilität wichtig ist
Bei Satellitenfernsehen fällt eine geringe Frequenzdrift eines LNBs kaum auf. Für SSB und insbesondere CW kann sie dagegen sehr störend sein. Temperaturänderungen führen bei einfachen LNBs teilweise zu erheblichen Frequenzverschiebungen.
Deshalb kommen bei anspruchsvolleren QO-100-Stationen häufig modifizierte oder extern stabilisierte LNBs zum Einsatz. Besonders elegant ist die Verwendung eines GPS-disziplinierten Oszillators – GPSDO.
Der 2,4-GHz-Uplink
Für das Senden wird ein Signal im Bereich von 2,4 GHz benötigt. Die meisten klassischen Amateurfunktransceiver verfügen über dieses Band nicht direkt.
Deshalb werden häufig Transverter oder Upconverter eingesetzt, beispielsweise:
- 144 MHz → 2,4 GHz oder
- 432 MHz → 2,4 GHz.
Damit kann ein vorhandener 2-m- oder 70-cm-Transceiver als Steuergerät verwendet werden.
Anschließend wird das 2,4-GHz-Signal über einen Leistungsverstärker und einen geeigneten Feed in die Parabolantenne eingespeist.
Ein Feed für Senden und Empfangen
Besonders praktisch sind kombinierte QO-100-Feeds. Dabei befindet sich beispielsweise der LNB für den 10-GHz-Empfang im Zentrum der Konstruktion, während gleichzeitig eine Patch- oder Helixstruktur das 2,4-GHz-Uplinksignal abstrahlt.
Damit kann dieselbe Parabolantenne gleichzeitig zum Senden und Empfangen verwendet werden.
Vollduplexbetrieb
Beim Betrieb über QO-100 soll die eigene Aussendung gleichzeitig über den Downlink kontrolliert werden können. Der Funkamateur hört also während des Sendens sein eigenes Signal wieder vom Satelliten zurück.
Dadurch lässt sich unmittelbar kontrollieren,
- ob das Signal den Satelliten erreicht,
- ob die Frequenz stimmt,
- ob der Pegel korrekt ist,
- ob Verzerrungen auftreten und
- ob die Uplink-Leistung zu hoch ist.
Die AMSAT-DL-Betriebsrichtlinien schreiben diesen Vollduplexbetrieb für QO-100 ausdrücklich vor.
LEILA – Schutz vor zu starken Signalen
Bei einem linearen Transponder teilen sich alle Benutzer die verfügbare Verstärkerleistung. Ein einzelnes übermäßig starkes Signal kann deshalb die Betriebsbedingungen für andere Stationen verschlechtern.
QO-100 verfügt dafür über ein Warnsystem namens LEILA – LEIstungs-Limit-Anzeige.
Wird ein zu starkes Uplinksignal erkannt, wird dieses durch einen charakteristischen Warnton gekennzeichnet. Der betreffende Operator sollte daraufhin seine Sendeleistung reduzieren.
Als einfache Faustregel gilt:
Das eigene Signal sollte nicht stärker als die Baken sein.
Warum QO-100 ein Meilenstein des Amateurfunks ist
QO-100 verbindet auf eindrucksvolle Weise klassische Funktechnik mit moderner Satelliten- und Digitaltechnik.
Zum Einsatz kommen unter anderem:
- Mikrowellentechnik,
- Transverter und Frequenzumsetzer,
- SDR-Technik,
- digitale Signalverarbeitung,
- GPS-stabilisierte Frequenzreferenzen,
- Parabolantennen und Mikrowellenfeeds,
- SSB und CW,
- digitale Betriebsarten sowie
- DVB-S2 und DATV.
Gleichzeitig besitzt ein geostationärer Amateurfunktransponder einen entscheidenden praktischen Vorteil: Er steht permanent zur Verfügung. Es gibt keine nur wenige Minuten dauernden Satellitenüberflüge und die Antenne muss nicht fortlaufend nachgeführt werden.
Ein Amateurfunklabor im Weltraum
QO-100 ist deshalb weit mehr als nur ein weiterer Amateurfunksatellit. Mit ihm wurde erstmals das verwirklicht, wovon Generationen von Satellitenfunkern geträumt hatten: ein ständig erreichbarer Amateurfunktransponder in einer geostationären Umlaufbahn.
Das Projekt zeigt zugleich, was durch die Zusammenarbeit eines kommerziellen Satellitenbetreibers mit Amateurfunkorganisationen möglich werden kann.
Für technisch interessierte Funkamateure ist QO-100 ein regelrechtes Labor im Weltraum. Mikrowellentechnik, SDR, Frequenzstabilisierung, digitale Signalverarbeitung und Satellitenkommunikation lassen sich damit mit vergleichsweise überschaubarem Aufwand praktisch erproben.
Und vielleicht liegt genau darin seine größte Bedeutung: QO-100 macht professionelle Satelliten- und Mikrowellentechnik für Funkamateure unmittelbar erlebbar.
Weiterführende Informationen
Aktuelle Bandpläne, Betriebsrichtlinien und technische Informationen sind bei AMSAT-DL sowie im dazugehörigen QO-100-Forum zu finden. Da sich Betriebsrichtlinien und einzelne Frequenznutzungen ändern können, sollte insbesondere vor experimentellen Betriebsarten der aktuelle Bandplan geprüft werden.
GNU