Doma vyrobený rotátor pre satelitný príjem – Projekt Satnogs. Diel prvý.

Vypustenie prvého slovenského satelitu skCUBE všeobecne vyvolalo veľké vzrušenie. Naš satelit nám krúži nad hlavami vo výške 500 km vysokou rýchlosťou a celú Zem denne pokrýva signálom. Najlepšie informácie sú z prvej ruky, alebo ešte lepšie – mať možnosť vidieť na vlastné oči. Ja som nemohol prekonať pokušenie pokúsiť sa tieto signály zachytiť vlastnými silami.

Moje prvé pokusy boli s podomácky vyrobenou všesmerovou anténou so slabým ziskom. Ako rádioprijímač som použil RTL-SDR za cca 20 EUR a voľne dostupný softvér HDSDR. Na predpoveď preletov satelitu som použil voľne dostupný softvér Orbitron. Je potrebné nastaviť vašu geografickú polohu. Tiež je potrebné mať aktuálne orbitálne súradnice, tzv. TLE (Two Line Element), ktoré sa dajú nájsť na https://www.celestrak.com/NORAD/elements/cubesat.txt.

Pokusy nasledovali večer čo večer na dvore vnútrobloku v Bratislave. Podmienky neboli ideálne, vo výhľade z každej strany bránili budovy. Napriek tomu na tretí pokus som mal šťastie a zreteľne som zachytil som začiatok Morzeovky skCUBE, obsahujúci volaciu značku OM9SAT. Meniaca sa frekvencia pípania – Dopplerov jav – zjavne dávala na známosť, že sa jedná o signál zo satelitu podobne, ako sa mení tón húkačky záchranárskeho vozidla prechádzajúceho okolo. Zážitok z takéhoto úspechu ma povzbudil k tomu, aby som pokračoval ďalej v pokusoch o príjem týchto signálov.

 

Obr.1: Prvý test rotátora na astronomickej expedíci Vrchteplá 2017

 

Uchu lahodiace signály Morzeovky však nie sú všetko, čo nám skCUBE ponúka. Vysiela taktiež balíčky zakódovaných digitálnych údajov. Tieto balíčky trvajú iba zlomok sekundy, ale obsahujú viac informácií, ako Morzeovka. Tieto digitálne balíčky sa však dajú správne zachytiť a dekódovať iba s anténou s užšou smerovosťou a väčším ziskom. Takúto anténu je možné pomerne jednoducho podomácky zostrojiť. Problém je v správnom nasmerovaní. Anténa musí smerovať k satelitu, ktorého poloha sa v čase rýchlo mení. Prelet satelitu trvá iba niekoľko minút.

Anténu je možné smerovať ručne, čo však nemusí byť dosť presné, ani pohodlné. Lepšie je použiť automatický rotátor. Komerčné rotátory sú dostupné za ceny, ktoré odradia viacerých amatérov. Existuje však jeden fascinujúci projekt využívajúci súčasné možnosti domácej 3D tlače a elektronickej platformy Arduino. Tento projekt vznikol v Grécku a volá sa Satnogs. Ponúka podrobný návod na zhotovenie plnohodnotného elektrického rotátora. Cena dielov je cca 100 EUR pri nákupe elektroniky a motorov z Číny cez internet. Podstatná investícia je samozrejme čas, ktorý strávime stavbou rotátora. Keďže ide o hobby, ide len o ďalší prínos a lepšiu radosť z výsledku, ktorý sme dosiahli vlastnými silami. Aj preto som sa rozhodol tento rotátor zhotoviť.

Začal som objednávaním potrebných dielov, nakoľko doručenie môže trvať dlhšie. Objednal som dva motory s označením NEMA17 Two Phase Stepper Motor 42BYGHW609 40mm 3.6kg.cm 1.7A. Odporúčam pri nákupe sledovať, či má motor skosený hriadeľ. Ja som totiž kúpil motory, ktorých hriadeľ bol pekný guľatý. Nuž a potom som musel prácne vybrúsiť skosenie. Podarilo sa mi to s mini vŕtačkou so šmirgľovým valčekom. Pri tejto práci si treba chrániť zrak, aj ložiská motora pred prachom.

 

Obr.2: Diely na rotátor

 

Plastová krabica použitá v návode zjavne nie je vhodná, kvôli otvorom, ktoré v nej sú od výroby. V návode je to dokonca napísané, že je potrebné kúpiť krabicu bez dier. Mal som trochu problém takú nájsť. Po dvoch hodinách zúfalého hľadania som objednal krabicu AS65 za cca 50 EUR. Je to viac, než som pôvodne chcel zaplatiť. Potom mi kamoš prezradil, že v obchode tme vraj dostať kúpiť pôvodnú verziu bez dier asi za 20. Nuž, neskoro.

Optické snímače (opto interrupter) som kúpil typ TCST2300. Pôvodný typ z návodu som totiž nevedel kúpiť. TSCT2300 dobre mechanicky pasuje, dokonca aj funguje.

Plastovú rúrku o priemere 32 mm kúpite vo vodárskych potrebách. Odporúčam kúpiť 2 ks, aj keď sa zdá, že jeden by stačil. V priebehu stavby totiž treba aj jeden 20 cm kus, ktorý vám ale na konci bude chýbať. Zopár vynálezcov mi odporučilo nahradiť túto rúrku hliníkovou, lebo že plastová sa ohýba pod náporom antény. Po krátkej úvahe sme ale prišli k tomu, že plastová je predsa lepšia, pretože je nevodivá 😊

Autori projektu Satnogs navrhli vlastnú dosku plošných spojov (DPS) s arduinom nano a dvomi budičmi krokových motorov. Toto vnímam ako zbytočný krok, nakoľko existuje štandard zvaný CNC Shield. Tento aj s Arduinom a budičmi som kúpil za 9 EUR, čo je cena, za ktorú by som sotva dal vyrobiť vlastnú DPS. Štandardný CNC Shield je ale zapojený na iné výstupy v programe. Bolo preto neskôr potrebné zmeniť niektoré riadky programe pre Arduino.

Keď som mal objednané hlavné súčiastky, začal som s 3D tlačou. Z githubu satnogs sa dajú stiahnuť .stl súbory pre všetky súčiastky, ktoré je potrebné vytlačiť. Otvoril som ich v programe Slic3r, kde sa nastavia parametre pre 3D tlač a vyexportuje sa g-kód pre 3D tlačiareň. Ak nemáte k dispozícii 3D tlačiareň, možno ju má niekto z vašich kamarátov. Tu by som chcel poďakovať kolegovi Marošovi L., ktorý mi poskytol svoju 3D tlačiareň a pomáhal mi s tlačou dielcov na rotátor a anténu.

Použitá bola tlačiareň Prusa I3 s čiernym vláknom ABS 2,85 mm. Začínali sme s najzložitejším dielcom – šróbovicou. Tlačili sme 2 ks naraz, aby sa materiál neprehrieval. Rýchlosť bola znížená na 10 mm/s pre lepšiu presnosť. Maroš má tlačiareň dobre vyladenú, výrobok sa podaril. Postupne som vytlačil všetky potrebné dielce na rotátor aj anténu. Zo všetkých dielcov sme mali iba jedenkrát nepodarenú tlač.

 

Obr.3: Šróbovica vytlačená na 3D tlačiarni

 

Ako prvú som zhotovil anténu Helical antenna V1. Postupoval som podľa návodu https://satnogs.dozuki.com/Guide/Helical+Antenna+v1/3 Zostaviť anténu nebolo náročné. Chvíľu mi trvalo, kým som zistil, že mriežku s okami 10 x 10 mm môžem kúpiť v záhradných potrebách. Podobne aj pozinkovaný oceľový drôt hrúbky asi 2,2 mm. Rúrky PVC 16 mm majú zas v oddelení elektro. Do lepidla som nechtiac zainvestoval viac, keď som si nechal odborne poradiť. Opýtal som sa, čím lepiť PVC a ABS. Obdržal som dvojzložkový epoxid EA 3430 za 14 eur. Trochu drahé, ale zatiaľ drží. Kostru som zlepil a nechal vytuhnúť do druhého dňa. Drôt som vytvaroval pomocou predmetu vhodného priemeru (hrniec). Impedančný transformátor, čo je vznešený názov pre plechový trojuholník na konci špirály, je v mojom prípade zhotovený z pozinkovaného plechu, nie z medeného. N konektor, ktorý sa spomína v návode, som vynechal. Namiesto neho som použil kus 50 Ohm koaxu, ktorý je ukončený SMA konektorom. Mal som taký po ruke. Navyše priamo pasuje na rádioprijímač RTL-SDR. Tento som umiestnil za odrazovú plochu antény. Od antény teda vediem iba USB kábel.

 

Obr.4: Diely na anténu

 

Skladanie rotátora mi zabralo asi tri večery. Niektoré celky som viackrát skladal a znovu rozoberal vždy z nejakého iného dôvodu. Myslím, že sa tomu ani nedá vyhnúť. Skrutkovice som k hriadeľom motorov radšej prilepil epoxidom. Predpokladal som totiž, že by mohlo neskôr dôjsť k vylágrovaniu a prešmykom. Takéto zlyhanie zariadenia niekde v teréne by bolo nepríjemné.

 

Obr.5: Skladanie rotátora

 

Pri vŕtaní dier do krabice odporúčam držať sa pravidla – dvakrát meraj, raz rež! Toto otrepané klišé stále platí a netrpezlivosť sa nevypláca. Aj v mojej super drahej krabici som narazil na problém – zo zadnej strany je vrúbkovaná. Pár šraub mi vyšlo práve na rozhranie vrúbkov, takže nebude jednoduché dosiahnuť, aby to tesnilo proti zatečeniu vodou. Ach. Ďalší detail, na ktorý som prišiel až neskôr, bol, že v pôvodnom návrhu sa počíta s uchytením aj cez viečko krabice a dielce sú prispôsobené výške pôvodnej krabice. Toto som proste zanedbal. V mojej realizácii sú dielce uchytené iba do zadnej steny. Dal by sa tam pridať nejaký dištanc, ale vyzerá, že moja krabica je taká pevná, že to ani nie je potrebné. Aspoň je v nej menej dier a poklop ide ľahko odmontovať.

 

Obr.6: Detail na uchytenie dielcov a motorov v krabici

 

Návrh počíta s osadením o-krúžkov v priechodkách, cez ktoré prechádzajú rúry von z krabice. Skúsil som ich osadiť. Použil som aj značné množstvo silikónovej vazelíny. Osi sa ale nechceli točiť. Nuž som to znovu rozobral a krúžky som vybral. Po poskladaní sa to rozbehlo.

Samozrejme, trochu predbieham. Najskôr som musel motory a optické snímače zapojiť k arduinu a nahrať firmvér. Tiež je dôležité nastaviť prúd pre motory. Robí sa to trimrom na doske budiča. Budiče sú počas funkcie horúce, je vhodné osadiť na ne aj chladič. Môžu byť tak horúce, že sa na nich popálite, je to normálne. Poškodiť by sa nemali, majú ochranu proti prehriatiu.

K môjmu údivu je v pôvodnom návrhu zvolený režim plného kroku, čo znamená mimoriadne hlučnú prevádzku. Taktiež mi vypadávali kroky motorov. Nuž som začal študovať a zistil som, ako prepnúť budiče do režimu mikrokrokov. Robí sa to pridávaním jumperov na doske budiča. V kóde programu je potrebné správne definovať počet krokov na otáčku. Po nejakom experimentovaní som zistil, že firmvér nezvláda viac, ako ½ krokový režim (1 jumper v strede). Pri vyššom počte krokov na otáčku dôjde k pretečeniu premenných a nesprávnej funkcii. Počet krokov na otáčku funguje akosi zvláštne. Podrobnejšie som sa tomu nevenoval, ale skončil som s tým, že hodnotu som nastavil skusmo tak, aby sa rotátor otáčal o správny uhol. Tým sa rotátor stal použiteľným. Tieto úkony som dokončil práve v deň odchodu na Expedíciu Vrchteplá. Tu som plánoval rotátor prvýkrát použiť.

Projekt Satnogs ponúka aj vhodnú konštrukciu trojnožky. Tento luxus som si pripraviť nestihol. Nakoniec pomohla sekera a drevený pahýl, na ktorý som rotátor nastokol. Pripojil som napájanie 12 V pre budiče a USB kábel. Rotátor sa po štarte vráti na nulovú pozíciu v oboch osiach. Anténu som nasunul na os rotátora a pridržal vo vodorovnej polohe. Prevŕtal som dierku skrz a prevliekol skrutku. Anténa je namontovaná. Celý rotátor treba otočiť tak, aby anténa smerovala na sever.

 

Obr.7: Rotátor na drevennom pahýli 🙂

 

Hardvér je pripravený. V ďalšom pokračovaní článku napíšem o tom, ako sa komunikuje s rotátorom. Ako mu poslať príkaz na otočenie, ako sa to dá robiť automaticky a ako sa nám darilo v reálnej prevádzke pri love signálov z cubesatov.