Satellitenwelt - Satellitenempfang der Volkssternwarte München

Die Mitglieder der Volksternwarte München haben sich in den frühen Jahren der Raumfahrt nicht nur der optischen Beobachtung von Satelliten am Nachthimmel, sondern sich wie viele andere Sternwarten auch, der Verfolgung von Funksignalen der Satelliten zur Aufgabe gemacht. Im November 2001 habe ich Kontakt mit Tobias Lindemann von www.iss-tracking.de geknüpft, welcher ein Mitglied der Volkssternwarte München ist. Nach einigen mailen kam er darauf das er Mitschnitte mit Satellitensignalen aufgenommen von den Mitgliedern der Volkssternwarte München von alten Magnetbändern hätte. Diese Mitschnitte auf vier alten Magnetbändern mit einer Gesamtlänge von etwa 10 Stunden, hatte er für mich in mühevoller Arbeit inklusive damaliger Notizen komplett auf CD gebracht. So das ich im Stande war über die damaligen Aufnahmen der Satelliten eine Seite zu gestalten und so die bemerkenswerte Arbeit der Volkssternwarte München zu Würdigen.

Nach den Berichten und Notizen her, nutzte man in der Volkssternwarte München zwei Empfänger. Einen Kurzwellen-Empfänger von Siemens mit dem man die Signale von Sputnik-1 und Kosmos-5 empfing und den VHF-Empfänger ESM-180 von Rohde & Schwarz mit dem man Ariel-1 empfangen hatte. Bei dem Siemens KW-Empfänger den es leider nicht mehr in der Volkssternwarte München gibt, könnte es sich um den E305 gehandelt haben, der ab etwa 1955 auf dem Markt erschien. Der E305 hat einen Frequenzbereich von 1,5-30,0 MHz, mit den Modulationsarten AM mit 6 kHz Bandbreite und CW (SSB) mit 1,6 kHz Bandbreite.

Der VHF-Empfänger ESM-180 von Rohde & Schwarz existiert im Gegensatz zu dem KW-Empfänger noch immer in der Volkssternwarte München. Der ESM-180 hat einen Frequenzbereich von 30-180 MHz, welche in folgenden fünf Frequenzbändern unterteil sind.: 30-42,5 MHz; 42,5-61 MHz; 61-87,5 MHz; 87,5-126 MHz und 126-180 MHz. Die empfangbaren Modulationsarten sind AM und FM in den wählbaren Bandbreiten von 40 kHz und 200 kHz. Es gab die Möglichkeit einen Oszillographen über den Ausgang des Sägezahnsignals anzuschließen, wo man sich die elektrischen Schwingungen des Signals anschauen konnte.

Mit dem Nachtstart von Sputnik-1 (dt. Weggefährte) PS-1 (Prostreishij Sputnik) am Freitag den 04.Oktober 1957 um 20:28:04 Uhr MEZ vom scheinwerferbeleuteten Starttisch des Baikonur-Kosmodroms durch die modifizierte Interkontinentalrakete (ICBM) vom Typ R-7 (NATO-Code SS-6 Sapwood), begann nach sieben Jahrzehnten mittelbarer und direkter Vorbereitung die Raumfahrt als neue Ära der Zivilisation. Das automatische Steuerungssystem der Rakete trug Sputnik-1 unter einem Schutzkegel an der Spitze der zentralen Zweitstufe aus der vertikalen Startphase in einer langgestreckten ballistischen Kurve in einigen hundert Kilometer Höhe, bis die 1. kosmische Geschwindigkeit etwas überboten war. Nach dem Brennschluß wurden die Schutzkegelhälften und der Satellit von der Raketenstufe getrennt, die ebenso wie Sputnik-1 die elliptische Umlaufbahn erreichten. Die Bestätigung von sibirischen Kontrollstationen, daß Sputnik-1 die Umlaufbahn erreicht habe und seine Funksignale empfangen worden seien, löste im Koordinations- und Rechenzentrum des Kosmodroms Jubel und Ovationen aus.
Nach Überfliegen der Funksichtzone der entferntesten Station auf Kamtschatka bestand zunächst keine Empfangsmöglichkeit bis zum erneuten Überfliegen einer Station auf sowjetischen Gebiet. Da es noch keine ständige Flugleitzentrale gab, übernahmen diese Aufgabe Teams in einem Raum des Montage- und Prüfgebäudes des Baikonur-Kosmodroms. Eigentlich flogen vier künstliche Himmelskörper um die Erde: die beiden Schutzkegelhälften, der Satellit Sputnik-1 und die 1.Raketenstufe relativ nahe beisammen in ähnlichen Bahnen. Sicherlich haben viele visuelle Beobachter die Rakete mit dem Sputnik verwechselt, da sie wesentlich größer und somit besser sichtbarer war.
Die Beobachtung der Bahnänderungen von Sputnik-1 lieferte wichtige Informationen über die Dichte der Erdatmosphäre im Bereich seines erdnächsten Punktes. Die Auswertung seiner Funksignale erbrachten neue Erkenntnisse über die Ionosphäre und über die praktischen Erfordernisse für die Funkverbindung mit Raumflugkörpern. Die Meßwerte über die Temperatur und des Druckes innerhalb des Satelliten dienten der Überprüfung des selbstregulierenden Wärmezikulationssystems unter kosmischen Bedingungen und schufen damit die Voraussetzung für die biologischen Untersuchungen, die einen Monat später mit Sputnik-2 begannen.

Sputnik-1 hatte eine kugelförmige, hermetische, aus zwei Halbschalen bestehende Gerätezelle von 58 cm Durchmesser, die aus einer polierten 2 mm starken Aluminiumlegierung bestand. Im inneren der vakuumdichten Gerätezelle befand sich eine Stickstoffgasfüllung von ca. 1 at Druck. Das Gesamtgewicht des Sputniks lag bei einer Masse von 83,6 kg. An der Oberfläche des Sputniks waren vier Stabantennen angebracht, wo jeweils zwei eine Länge von 2,4 m und 2,9 m hatten. Die Ausrüstung des Satelliten bestand im wesentlichen aus einen Lüfter zur Thermoregulierung und einer Sendeanlage mit zwei Sendern für die Frequenzen 20,005 MHz (15-m-Band) und 40,002 MHz (7,5-m-Band) mit je 1 Watt Sendeleistung. Die Sendeanlage welche die Funksignale abstahlte, übertrug die Meßwerte der Meßfühler von der Innentemperatur durch die Impulstonhöhe und des Innendruckes der Stickstoffgasfüllung durch die Zeitdauer der Pausen in der Frequenzmodulation (FM). Die Telemetrieimpulse die im Abstand von ca. 0,3 Sekunden Dauer ausgestrahlt wurden, sind jeweils dabei auf der einen Frequenz, in der Pause der anderen Frequenz gesendet wurden. Über drei Wochen lang wurden die Signale von Sputnik-1 empfangen, bis die drei Schwefel-Zink-Batterien nach 24 Tagen am 27.Oktober 1957 leer waren.

Sein Apogäum (größter Abstand von der Erdoberfläche) betrug 947 km. Das Perigäum (kleinster Abstand von der Erdoberfläche) betrug 227 km. Er umkreiste die Erde rund 1400mal bei 15 Erdumrundungen täglich, mit einer Bahnneigung (Inklination) von 65,1° und einer Umlaufzeit von 96,17 min. Die Lebensdauer des Sputnik-1 betrug insgesamt 92 Tagen, bis er am 04.Januar 1958 in dichteren Atmosphärenschichten verglühte.

FFT-Analyse des Signals von Sputnik-1 vom Mitschnitt der laut der Tonbandbeschriftung am 06.Oktober 1957 im 20 Uhr Durchgang von Ernst Klee aufgenommen wurde. Die dabei gemessene Tonhöhe des Impulses entsprach in dem Mitschnitt 1500 Hz, bei einer Impulsdauer von 220 ms und die Pausen von 190 ms. Mit speziellen Eichkurven konnte man mit der Impulstonhöhe den entsprechenden Meßwert der Innentemperatur und mit der Zeitdauer der Pausen den Innendruck der Stickstoffgasfüllung im Sputnik-1 errechnet werden. Wenn man hier mit der gleichen Temperatur-Eichkurve rechnet, wie von dem 40 Jahre später zum gedenken an Sputnik-1 gestarteten RS-17 (Sputnik-40) benutzt, läge die Innentemperatur bei ca. +50° Celsius bei diesen Mitschnitt. In verschiedenen Mitschnitten von Sputnik-1 aus dem Internet, lagen die Tonhöhen des Impulses zwischen 1200-1800 Hz. Um wirklich korrekte Temperaturen zu erhalten mußte man die Funksignale mit FM empfangen. Ein empfangen der Funksignale mit z.B. einen Kurzwellen-Empfänger in SSB oder AM, war die Auswertung praktisch wertlos. Da in den Pausen der 20-MHz-Frequenz die Impulse auf der 40-MHz-Frequenz ausgesendet wurden, müßten auf der 40-MHz-Frequenz die Pausen länger als die Impulse sein. In der Tat habe ich auch zwei Mitschnitte im Internet gefunden, wo die Impulse eine Länge von 180 ms und die Pausen zwischen 230-240 ms lagen.
Über Sputnik-1 existieren leider keine Keplerelemente aus der damaligen Zeit, so das ich die Überflugzeiten des Mitschnittes nicht prüfen konnte. Nach den Aufzeichnungen aber von Prof. Heinz Kaminski, DJ5YM von der Schul- und Volkssternwarte Bochum, den es als erste Empfangsstation außerhalb des russischen Territoriums in der Nacht zum 05.Oktober 1957 gelang die Signale von Sputnik-1 zu empfangen, gab es am 06.Oktober 1957 um 02:56-03:04 Uhr, 04:41-04:49 Uhr, 06:24-06:32 Uhr und 08:05-08:13 Uhr MEZ jeweils einen Überflug von Sputnik-1. So das die angegebene Zeit von 20 Uhr des Mitschnittes von Ernst Klee nicht stimmen kann. Auch wurde von Ernst Klee notiert und im Vortrag über Sputnik-1 (siehe Real-Mitschnitt unten) gesagt, daß man Sputnik-1 erst am Montag den 07.Oktober 1957 das erste Mal in der Volkssternwarte München empfangen hatte, ob wohl der Mitschnitt nach der Beschriftung (siehe Tonbandbeschriftung oben) am 06.Oktober 1957 entstanden sein sollte.


RS-17 (Sputnik-40) Temperatur-Eichkurve	Aus dem Buch: Der Praktische Funkamateur - Band 29 - Funktechnische Satellitenbeobachtung

Was in den 8 Minuten gemessen wurde ist mir nicht ganz klar. Es werden vierstellige Werte angesagt, wobei die ersten beiden Stellen wahrscheinlich die Sekunden von 0-59 sind. Von den Hinteren beiden Stellen ist die erste meistens eine 0. Ich könnte mir vorstellen das es sich hier um eine Fading-Messung handelt hatte, wo die Feldstärke an der Feldstärkenanzeige des Empfängers abgelesen wurde. Außer dem Sprecher kann man eine Trägerfrequenz welche ihre Tonhöhe während der Messung sehr viel änderte, und zwei kurze Funksprüche in der nicht korrekten Modulation hören. Eine Messung des Doppler-Effektes oder der Tonhöhe des Signals kommt mir unwahrscheinlich vor. Im Vortrag über Sputnik-1 (siehe Real-Mitschnitt unten) wird von Ernst Klee gesagt, daß man am Donnerstag den 10.Oktober 1957 ein Gerät von Rohde & Schwarz (ESM-180 ?) bekommen hatte und ab dann mit einem Messprogramm die Überflüge von Sputnik-1 verfolgte.
Laut Prof. Heinz Kaminski, DJ5YM von der Schul- und Volkssternwarte Bochum gab es in der Nacht vom 14. zum 15.Oktober 1957 Überflüge von Sputnik-1 um 20:27-20:35, 22:09-22:17, 23:50-23:58, 01:28-01:36 und 03:10-03:18 Uhr MEZ, was diesmal die Uhrzeit des Mitschnittes bestätigt.

Objekt	Objekt Nr.	Frequenz	Bezeichnung	Doppler-Effekt / Modulation
Sputnik-1 (PS-1)	00002	20,005 MHz	Telemetrie Beacon	±1kHz / FM
Sputnik-1 (PS-1)	00002	40,002 MHz	Telemetrie Beacon	±1kHz / FM

Ariel-1 (nach dem Luftgeist der Kabbala) wurde von britischen Wissenschaftlern entwickelt (daher auch die zweite Bezeichnung "UK" für United Kingdom) und mit Unterstützung der NASA in die Umlaufbahn gebracht. Die Satellitenform war zylindrisch mit einen Durchmesser von 58 cm und einer Höhe von 27 cm und wurde oben und unten durch zwei flache Kugelschalen von jeweils 13,5 cm Höhe abgeschlossen. Auf der oberen Kugelschale befand sich ein zylindrischer Aufsatz, der verschiedene Meßgeräte umschloß. Außerdem waren vier Stabantennen auf dieser Kugelschale angebracht. Am Ansatz der unteren Kugelschale waren vier paddelartige Solarzellenausleger und vier weitere stabförmige Ausleger von je 1,20 m Länge befestigt. Zwei der zuletzt genannten Ausleger trugen an ihren Enden Meßinstrumente bzw. stellten Antennen dar. In dem zylindrischen Teil der Gerätezelle befand sich die elektronischen Anlagen der Meßgeräteausrüstung, die Funkanlagen und die Speicherbatterien. Der am 26.April 1962 in Kap Canaveral mit einer Delta DM-19 Rakete gestartete Ariel-1, diente hauptsächlich der Untersuchung der Ionosphäre, sowie verschiedener solarer und kosmischer Stahlungen und ihren Einflusses auf die Ionosphäre. Ariel-1 hatte eine Masse von 59,7 kg und erreichte eine Umlaufbahn zwischen 390 km Perigäum und 1215 km Apogäum Höhe, mit einer Bahnneigung (Inklination) von 53,86°. Die Übertragung der Meßwertdaten erfolgte nach dem PFM-PM (Puls-Frequenz-Modulation - Phasen-Moduliert) Prinzip auf der 136-MHz-Frequenz. Hiermit verwendete man das gleiche Antennensystem wie der Bordempfänger der auf einer 148-MHz-Frequenz arbeitete.
Ariel-1 erlitt durch den amerikanischen Atomtest "Starfish" am 09.Juli 1962 ernsthafte Schäden an seinen Solarzellen und fiel darauf am 13.Juli 1962 aus. Dies ist der gleichen Atomtest gewesen, welcher Kosmos-5 zu der selben Zeit untersucht hatte. Ariel-1 war das 285.Objekt was von Menschenhand gebaut und mit dem 15.Start im Jahre 1962 in den Erdnahen Orbit gebracht worden war. Erst knapp 14 Jahre später verglühte Ariel-1 am 24.Mai 1976 in der Erdatmosphäre.

Ab 18:32 Uhr MEZ wurde das erste Signal empfangen, als sich gerade Ariel-1 direkt über England befand. Laut dem Keplerelement vom 14.Juni 1962 aus dem Archiv der Orbital Information Group, begann der Überflug mit der 671.Erdumrundung am 12.Juni 1962 um 18:27:37 Uhr MEZ mit einer Flughöhe von 1085 km im Westen. Für diesen Tag war es der Nördlichste Überflug von München aus gesehen, mit einer maximalen Elevation von 57°. Der Untergang des Überfluges und schließlich der Verlust des Signals war um 18:48:08 Uhr MEZ im Osten mit einer Flughöhe von 1172 km über der Erdoberfläche.

Ariel-1 (UK-1)

00285

136,408 MHz

Telemetrie Beacon

±1kHz / FM

Kosmos-5 ist ein russischer Forschungssatellit der die Strahlung untersuchte, die durch den amerikanischen Atomtest "Starfish" am 09.Juli 1962 in großer Höhe über dem Pazifik entstand. Er wies nach, daß als Folge dieser Explosion die Stahlungsintensität in verschiedenen Höhen stark zunahm und sich ein künstlicher Strahlungsgürtel herausbildete. Ursprünglich war Kosmos-5 wie sein Vorgänger Kosmos-3 (beide vom Typ 2MS) zur Messung der solaren Strahlung und deren Veränderung sowie des natürlichen Strahlungsgürtels der Erde vorgesehen. Seine gewonnenen Meßdaten speicherte er in einen Datenspeicher und sendete diese mit einem FM-SSB-Multiplex-Telemetrie-System zur Erde. Kosmos-5 war das 297.Objekt was von Menschenhand gebaut und mit dem 20.Start im Jahre 1962 in den Erdnahen Orbit gebracht worden war. Gestartet ist er am 28.Mai 1962 mit einer Kosmos-63S1 Trägerrakete von Kapustin Jarund und hatte für etwa ein Jahr im Erdorbit seine Runden gezogen, bis er am 02.Mai 1963 in der Erdatmosphäre verglüht ist. Sein Apogäum (größter Abstand von der Erdoberfläche) betrug 1600 km. Das Perigäum (kleinster Abstand von der Erdoberfläche) betrug 203 km. Für eine Erdumrundung brauchte er 102,75 min bei einer Bahnneigung (Inklination) von 49,0°.

Im Archiv der Orbital Information Group habe ich ein altes Keplerelement vom 03.September 1961 von Kosmos-5 gefunden, so das ich den mitgeschnittenen Überflug von damals noch einmal mit dem Bahnberechnungsprogramm STS Orbit Plus vom Standort München aus simulieren konnte. Es war für den Kosmos-5 die 1382.Erdumrundung, die am 02.September 1962 um 18:40:42 Uhr MEZ mit einer Flughöhe von 400 km im Südwesten begann. Nach einer maximalen Elevation von 71° am Nordhimmel, beendete er um 18:49:25 Uhr MEZ mit einer Flughöhe von nur noch 218 km im Osten seinen Überflug. Von einen Mitglied der Volkssternwarte München wird das Ende des Signals um 18:51:00 Uhr MEZ auf dem Magnetband erwähnt, was durchaus stimmen kann. Da der Kosmos-5 eine Frequenz im Kurzwellenband nutzte, war es möglich ihm durch die Ausbreitungsbedienungen auf der Kurzwelle auch noch unter dem Horizont zu empfangen.

Die FFT-Analyse des Mitschnittes erbrachte eine Tonhöhe des Impulses von 1330 Hz, bei einer Länge von 800 ms und Pausen von 100 ms. Ich meine das man den Mitschnitt in der Modulationsart SSB empfangen hatte und nicht wie es korrekt gewesen wäre in FM. Daher ist eine genauere Bestimmung und Auswertung nicht möglich. Von der Tatsache her, daß Kosmos-5 auch ein FM-SSB-Multiplex-Telemetrie-System benutzt habe sollte, wäre es interessant gewesen, ob es wenige Kiloherz höher oder tiefer aufmodulierte Telemetriekanäle existiert haben.

Auf dem Magnetband begann die Aufnahmen um 19:34 Uhr MEZ und endete um 20:18 Uhr MEZ. Bei diesen Mitschnitt hatte man eine zugespielte Zeitmarkierung eines Zeitzeichensenders von der Kurzwelle mit auf die Aufnahme gespielt. Der Aufgang fing mit einer Flughöhe von 1460 km im Südwesten an und endete mit einer Flughöhe von 832 km im Osten. Die maximale Elevation lag bei 83° als nördlichster Überflug diesen Tages.

Bei dieser FFT-Analyse lag die Tonhöhe des Impulses bei 1200 Hz. Die Längen der Impulse und der Pausen waren wie beim Mitschnitt vom 02.September 1962 identisch. Unter den Impulsen von Kosmos-5 liegt bei 990 Hz die zugespielte Zeitmarkierung eines Zeitzeichensenders. Als Zeitmarkierung für eine volle Minute wurde durch einen längeren Implus markiert.

Kosmos-5 (Sputnik-15)

00297

20,005 MHz

Telemetrie Beacon

±1kHz / FM