Seguimiento de satélites con Commodore PET

El reciente resumen de Tom Nardi sobre el uso de NES basado en 6502 para rastrear satélites me trajo recuerdos de mi proyecto senior en Georgia Tech a principios de los 80. En la estación de nuestro club W4AQL, me interesé por los satélites de radioaficionados. Fue muy emocionante escuchar su señal regresar desde el espacio, sintonizando Doppler a medida que acelera, manteniendo las antenas apuntadas, todo durante una breve conversación con otras estaciones terrestres o copiando la telemetría de la nave espacial, generalmente en código Morse.

La forma manual

Ejemplo de un boletín de predicciones de la NASA, cortesía del Dr. TS Kelso

Sacar esto fue bastante productivo en los días previos a Internet. Primero necesitabas datos sobre la órbita de cada satélite. Esto se logró al unirse a una lista de correo en papel real del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. Un sobre llegó dos veces por semana por correo con una pila de Boletines de Pronósticos de la NASA para los satélites que solicitó. Estos contenían los parámetros orbitales en el llamado elemento de dos líneas (TLE) que tenía que escribir en su computadora para su procesamiento. Cuando nos comunicáramos con los transbordadores espaciales, recibiríamos los datos TLE reales anteriores y posteriores de alguien dentro de la NASA por teléfono o FAX.

A diferencia de los satélites de comunicaciones geofijados, los satélites de radioaficionados suelen lanzarse en órbitas polares, que tardan entre 90 y 120 minutos en completar una revolución de la Tierra. Para comunicarnos a través de uno de estos satélites, primero teníamos que saber cuándo pasaría un satélite en particular sobre Atlanta.

Para resolver este problema, escribí un programa Fortran en la computadora central, CDC Cyber ​​74, una verdadera bestia informática del día. Este programa propagó el vector de estado dado por los datos de TLE y generó una lista de órbitas que pasaban por Atlanta. Estos pases se caracterizaron por la altitud máxima, la duración del pase, los tiempos de AOS y LOS (ganancia / pérdida de señal) y la distancia en la aproximación más cercana. Nosotros, los humanos, filtraríamos esta lista aún más, ignorando los pasajes que eran muy cortos o que sucedieron cuando dormíamos o asistíamos a clases; en última instancia, la razón por la que estábamos en GA Tech era para aprender mucho, aprender mucho y graduarnos con un título.

Object                  Orbital altitude  Inclination  Orbital period
======================  ================  ===========  ==============
Oscar 8                  900 km circular  99 degrees   103 minutes
Radio Sputnik 5,6,7,8   1600 km circular  83 degrees   120 minutes
Space Shuttle STS-9      250 km circular  57 degrees    90 minutes
Space Shuttle STS-51F    315 km circular  50 degrees    91 minutes

Los satélites de la época tenían dos modos populares. El modo A fue más fácil de usar para la mayoría de los radioaficionados, el enlace ascendente estaba en el cinturón de 2 my el enlace descendente estaba en 10 m. El Modo J también usó un enlace ascendente de 2 m, pero el enlace descendente estaba en la banda de 70 cm. Una estación de satélite de radioaficionado típica utilizaría una antena de cuadro horizontal estacionaria para una recepción de 10 m. Las antenas de 2 my 70 cm eran generalmente Yagis, montadas en un brazo de altura giratorio común, que a su vez estaba montado en un mástil vertical que podía girar en azimut. La recepción de diez metros fue simple, no se requirió movimiento de antena. Sin embargo, manejar las antenas Yagi fue una gran tarea.

Matriz de antenas Yagi orientable típica, cortesía de Gloucester County ARC, W2MMD

Habiendo elegido una órbita adecuada, tuvimos que hacer que esas depresiones siguieran la trayectoria del satélite. En las estaciones de satélite de aficionados, este es un circuito completamente abierto. Calcula dónde estará el satélite en un momento determinado y dirija las antenas a ese punto en el espacio. Si recuerda las antiguas antenas de televisión orientables para el hogar, frente a la televisión por cable y las transmisiones, el diseño en Ham Hut es muy similar. Hay una unidad de control giratoria para cada rotor, con un indicador analógico que indica la dirección, por supuesto, los modernos son digitales. Estas cajas de control generalmente tenían tres botones para la dirección: izquierda, derecha y liberación del freno.

Para rastrear el satélite, teníamos varias técnicas disponibles. Un método utilizó una superposición gráfica de la huella terrestre y la huella del satélite, además de un mapa de proyección polar de la Tierra. Al rotar la superposición de la pista terrestre para que coincida con la posición orbital dada por el parámetro orbital con el nombre más fresco, Ascensión Recta del Nodo Ascendente, pudimos ver visualmente la trayectoria del satélite sobre nuestra estación. La superposición de la almohadilla de tierra tiene marcas de tiempo y la superposición de la huella tiene líneas de azimut y anillos altos. Esta tosca técnica de gráficos proporciona la información básica necesaria para rastrear el satélite, dentro del amplio haz de nuestras antenas. También teníamos que mantener nuestros relojes sincronizados con WWV o WWVH, entonces no había protocolo de tiempo de red.

Oscarlocator de la colección personal del autor.

Una segunda técnica fue más precisa, pero requirió un viaje por el campus. Usando otro programa de Fortran, pude imprimir una matriz de tiempo, acimut y ángulos altos para una órbita deseada. El operador no debe interpolar las esquinas de las superposiciones gráficas: los números se muestran claramente en el papel impreso por computadora. Sin embargo, obtener estos datos de la computadora del campus no fue trivial. Por lo general, visitaba el edificio de computadoras en todo el campus, iniciaba sesión en mi cuenta en una terminal y escribía los datos manualmente. Después de la ejecución, el programa generará una impresora.

Luego tuve que esperar en el mostrador de salida a que el operador separara y distribuyera las impresiones a todos los usuarios impacientes. Nos sentimos muy afortunados cuando el club consiguió una terminal de impresión portátil con un módem acústico incorporado. Esto significaba que podíamos llamar a la pantalla de la computadora y ejecutar los programas de forma remota, y obtener nuestros horarios orbitales y tablas de seguimiento al instante sin cruzar el campus, ¡con la velocidad ultrarrápida de 300 baudios!

Aunque todas estas acciones de la máquina estaban ciertamente en nuestro conocimiento, se requirió algo de esfuerzo y planificación previa. Y aunque un solo operador podría comunicarse con un satélite, dos personas son mejores: una para alimentar las radios y la otra para las antenas. Recuerdo dos eventos de este período que me hicieron considerar un proyecto controlado por computadora. Primero heredamos dos computadores PET básicos de uno de los profesores de EE. En segundo lugar, teníamos un equipo de verificación de número continuo en el techo del quinto piso de nuestro cobertizo ubicado en el nivel del sótano. Simplemente no había suficientes cables para hacer todas las cosas que queríamos, incluso para las operaciones normales de HF, y mucho menos para el seguimiento por satélite.

Commodore PET al rescate

Las computadoras Commodore PET que teníamos fueron modificadas de acuerdo con su condición estándar de fábrica. Tenían teclados externos de tamaño completo, por lo que no tenías que usar las teclas Chiclet. La memoria interna se ha actualizado a 32K RAM. Mi informe de 1983 dice que esta tarjeta de memoria de expansión también tenía dos registros de salida TTL de 8 bits de propósito general que se usaban para hablar con el mundo exterior.

Como se muestra en este diagrama, la computadora PET habla con dos dispositivos: la interfaz de control del rotor selecciona y opera las cajas del rotor, y el transmisor serie digital, básicamente solo UART, que envía datos en serie al techo para controlar de forma remota varios equipos. El control del rotor fue divertido porque solo teníamos un cable de control del rotor entre el cobertizo y el techo. Tuve que implementar interruptores 8P3T de relés y multiplexé el cable entre rotores. Esto significa que solo un rotor podía girar a la vez, pero este no era un límite severo para nuestro propósito.

Además de la multiplexación de señales de control giratorio, había suficientes equipos auxiliares en el techo que debían ser controlados a distancia. Como se muestra en el diagrama, teníamos relés coaxiales de RF para cambiar la polarización de la antena UHF / UHF y para cambiar entre 10 my 70 cm de rutas de señal de enlace descendente. Además, había preamplificadores, transformadores descendentes y amplificadores que tenían que encenderse y apagarse. Además de una policlínica de rotor, la mayoría de estos eran arreglos estáticos durante el paso de un satélite, aunque el PET tenía el control total de todo sobre esta interfaz. Creamos una interfaz UART conectada a uno de los registros de salida TTL del PET para enviar estos datos de control en serie al techo para su control. Dibujé a mano todos los esquemas y escribí a mano la ilustración de PCB, no KiCad entonces.

Rápidamente identifiqué un problema con el control PET de este equipo de techo que no estaba relacionado en absoluto con las operaciones del satélite. El PET no funcionaba las 24 horas del día, los 7 días de la semana, y lentamente comenzó a cargarse y cargarse desde la cinta de casete. Los operadores que solo necesitaban controlar los relés en el techo para las operaciones de alta frecuencia no querían esperar más de 10 minutos para iniciar el PET. De hecho, fueron muy elocuentes al respecto. Así que agregué un panel de control manual para evitar el PET. Esta filosofía me ha servido bien a lo largo de los años: El control por computadora es excelente, pero hay ocasiones en las que necesita control manual, incluso solo para realizar pruebas.

No necesitamos circuitos cerrados

Hubo un problema más con esta configuración: es posible que haya notado que no hay reacción. Había un método para que el PET leyera señales, pero a pesar de probar varios métodos, no pudimos obtener una reacción suficientemente estable dentro de nuestro presupuesto limitado y capacidades mecánicas limitadas. El rotor azimutal, que tenía una señal de retroalimentación integrada, habría sido el más fácil de controlar. Pero el rotor alto que usamos no tuvo tal reacción.

Probamos una varilla larga con un peso de plomo debajo, unida a un potenciómetro. Cuando la pluma giraba hacia arriba y hacia abajo en altura, la palanca siempre apuntaba hacia abajo. Buena idea en papel, no funcionó tan bien en la práctica. Jugamos de forma concisa con sincromotores, que eran muy buenos. Gire el eje de un motor y el otro motor a través de la cámara también giró en la misma cantidad, conectado solo por unos pocos cables. Pero incluso estos pocos cables eran demasiados para nuestra propia instalación.

Al final, llegué a la conclusión de que para los satélites interesantes y los anchos de haz de la antena, era factible operar los controles de rotación de la antena en bucle abierto. Claro, me causó muchos dolores de cabeza verificar la alineación de manera procedimental antes de un pase, pero una vez que comenzó el pase funcionó a voluntad. Constantemente sintonicé el modelo de computadora de la rotación de la antena, y el modelo matemático y las constantes como el tiempo muerto, la velocidad de rotación, la aceleración, etc. Fue una solución burda, pero hizo el trabajo dentro de nuestro presupuesto limitado.

Lateral: cruce de caminos Zenith y tres montañas axiales

Podría pensar que un satélite que pasa directamente sería perfecto: está lo más cerca posible de su estación. Bueno, eso no es necesariamente bueno. El problema es que cuando el satélite pasa por encima y el ángulo de altitud se acerca a los 90 grados, el rotor de azimut tendrá que girar repentinamente a una velocidad increíblemente rápida para alcanzar su punto máximo. Hay formas de mitigar esto: un método es aceptar algún error de indicación y conducir la antena en un círculo pequeño alrededor de un cenit, un círculo cuyo diámetro está determinado por la velocidad del satélite y la velocidad máxima de su rotor.

Una solución más elegante, pero mecánicamente compleja, es agregar un tercer eje de rotación. Dos de los rotores se colocan antes de que pase el satélite de modo que el brazo de la antena conectado al tercer rotor sea perpendicular al plano orbital. Por lo tanto, solo se utiliza el tercer rotor durante el paso del satélite, y los otros dos rotores permanecen fijos.

¿Dónde está OSCAR?

Proporcionar a PET interfaces con el mundo real fue solo la mitad de la batalla. Todavía necesitaba una forma de calcular la posición del satélite. Y aunque era genial tener una computadora en el cobertizo, la computadora PET era mil veces menos poderosa que la computadora basada en computadora. No había GUI, ni mapa de rastreo de la Tierra, solo actualizaba los campos de datos en una pantalla de estado basada en texto.

Pantalla de seguimiento por satélite, cortesía de Sherman Banks.

Sin embargo, sí recuerdo una cosa importante en el desarrollo de la programación. Ese día hubo varios programas en la comunidad para rastrear satélites, y escribí uno de los más populares en el PET. Me comuniqué con el autor de este programa para informarle sobre mi proyecto escolar y obtener su permiso.

Pero para mi sorpresa, respondió "No, no puedes usar mi programa". Solo un pequeño revés para un joven estudiante universitario que no conoce sus límites. Fui a la biblioteca de GA Tech, miré algunos libros sobre mecánica orbital y escribí el mío. algoritmos. Sorprendentemente, las leyes y ecuaciones fundamentales de Kepler para los cuerpos orbitales no son tan difíciles de entender y calcular. Por desgracia, cuando se calcula la antena que indica los ángulos del satélite, se obtiene una ecuación trascendental. Resolver eso en la computadora tomó milisegundos, pero fue dolorosamente lento en el PET. Después de aproximadamente un mes, me limité a programar en casa todo el fin de semana, desarrollé una adicción de por vida a la Coca-Cola Light con cafeína y se me ocurrió un programa de trabajo.

Actualizaciones

Los controles manuales para el equipo del techo no eran intuitivos. Literalmente ha cambiado la dirección y los bits de datos en UART. Esto podría haberse mejorado, por supuesto, pero algunos de nosotros comenzamos a cuestionar el límite original “ya no es posible cablear al techo”. Resulta que en realidad fue posible, con algo de esfuerzo. Se colocó un cable más grande para señalización en el techo y se hizo un panel de interfaz mejorado. Además, el PET también mostró su edad, por lo que lo actualizamos al Commodore C64, con almacenamiento en disquete. Creé una nueva interfaz de control de rotor más pequeña que se conectaba al puerto de usuario del C64 y controlaba los rotores a través de relés.

Operaciones exitosas

El sistema, aunque un poco lujoso, nos sirvió bien durante unos años. No solo pudimos comunicarnos a través de satélites de radioaficionados, sino que con bastante orgullo contactamos a los dos primeros astronautas autorizados para operar por el Transbordador Espacial bajo un nuevo programa llamado SAREX. En noviembre de 1983, el Dr. Owen Garriott (W5LFL) nos escuchó sobre la misión STS-9 de Columbia, que fue pilotada por nuestro ex alumno de GA Tech, el Dr. John Young. También estábamos orgullosos de nuestro propio ex alumno del club reciente, Jim Worsham, W4KXY, que estaba en el equipo de Motorola que diseñó y construyó la radio personalizada utilizada por el Dr. Garriott.

Tarjeta QSL de Owen Garriott W5LFL, cortesía de Sherman Banks.

Nuevamente en agosto de 1985, contactamos al Dr. Tony England (W0ORE) acerca de la misión STS-51F Spacelab del Challenger. Se han realizado videos sobre estos esfuerzos, que puede ver en los enlaces a continuación.

  • YouTube: recibiendo SSTV de STS-51F
  • YouTube: contacto probado con STS-51F
  • YouTube: contacto bidireccional exitoso con STS-51F
  • ¿Futuro?

    El año pasado tuve el desafío de construir una versión en miniatura de este proyecto que sea compatible con la lata de Altoida. Ahora está en un segundo plano hasta que pueda rastrear una copia del software original. Manténganse al tanto ...

    Envolvente

    Dos años después de graduarme, la empresa con la que trabajé me permitió generosamente producir y comercializar este sistema de rastreo basado en C64 con el inimaginable nombre Satellite AutoTracker. Esa es una historia para otro día.

    No puedo dejar de enfatizar el impacto de este proyecto en mí. El acto de conversar con otra estación satelital reúne tantas disciplinas científicas y de ingeniería, desde la física de las órbitas y los cambios Doppler hasta los pequeños detalles de aprender a construir PCB y los esfuerzos generales de ingeniería de sistemas para jugar todo junto. Cada uno de estos fue interesante en sí mismo, pero fue increíble cuando todo se entrelazó y funcionó con éxito.

    Aprendí mucho construyendo este proyecto, pero no pareció aprender porque fue muy divertido. Esa, amigos, es la mejor manera de aprender.

    • Miroslav dice:

      Guau. Excelente trabajo y descripción muy detallada. Hizo más con PET que la mayoría con Pentiums. La perseverancia es clave.

      • Chris Lott dice:

        Debo señalar que esto no se hizo de repente. Asumiría que el problema se ha extendido durante un año o más, con muchos pasos y experimentos incrementales en el camino. Sobre el PET en sí, es divertido decirlo, considerando lo decepcionante que es el C64 en comparación con las computadoras actuales, pero fue un gran paso en el rendimiento y la facilidad de uso cuando migramos de él al C64. Si bien el PET era más que adecuado para el control de hardware y, por lo tanto, para los cálculos orbitales, era demasiado lento para cualquier interfaz de usuario decente. La experiencia de programación, incluso con el teclado de tamaño completo, varió de tolerable a completamente desagradable debido a la pequeña pantalla y al almacenamiento en cinta de casete.

    • Michael Black dice:

      Como recuerdo en los días de OSCAR 6, W1AW emitió información de seguimiento como parte de sus boletines informativos regulares.

      Pero un nuevo satélite fue un gran evento entonces. Quizás ha disminuido a medida que ha crecido.

    • Hirudinea dice:

      ¡Esta primera imagen del artículo obtiene 12 de 10 para retrocool!

      • Elliot Williams dice:

        ¿Si claro?

        Cálculo científico HP en la esquina inferior derecha. Sólo decir. Este fue el mejor escritorio en 1985.

        • Chris Lott dice:

          Acercándome, estoy seguro de que esta es mi primera calculadora: HP-25, sin la opción "C". Lo apagas, pierdes toda la memoria.

    • Mike - K8LH dice:

      Llegué tarde a la fiesta y tuve la suerte de utilizar un programa de AMSAT llamado "The Station". Lo alimenté con los archivos de datos de Kepler de los correos electrónicos de la NASA y verificó el VFO de enlace ascendente de 2 metros de mi Yaesu FT-847 y corrigió el cambio Doppler. Momentos divertidos con los satélites rusos RS-12 / RS-13 LEO.

    • DainBramage dice:

      Esto me recuerda a mi padre y yo trabajando con la estación Mir en una radio de paquete (probablemente en la banda de 2 m) cuando tenía 12 años. Usó un programa en su Commodore 64 para determinar cuándo la estación será superior. Fue una experiencia que nunca olvidé.

    • Graham dice:

      Recuerdo que a principios de la década de 1980 compré un libro en un mitin de radio (sospecho de la RSGB) sobre satélites de aficionados y rastreo de satélites. El libro era una lista de programas del 90% en BASIC para crear y enumerar varios pases de satélite para varios satélites. TODOS tuvieron que teclearse manualmente, y se tuvo que hacer una "cierta cantidad" de modificación para adaptarlos a la versión de BASIC que usaste, y a las idiosincrasias del dispositivo.
      Todo esto era antes de la "informática doméstica", pero tenía acceso a una microcomputadora en el trabajo (¿alguien recuerda el Intercity Superbrain?) Con dos disquetes. Lo usamos sólo para procesamiento de textos (¿alguien WordStar?) Pero encontré un segundo disquete en la caja que era un disco CP / M; Rápidamente me convertí en un experto en CP / M en comparación con cualquier otra persona en el trabajo, y pasaba una hora o más después del trabajo, haciendo que los diversos programas de seguimiento funcionaran de acuerdo con mis necesidades.
      La peor parte (para mí) fue tener que ingresar manualmente todos los datos TLE; solo estaba disponible como una copia impresa, por lo que la única forma de usar los datos era escribir todo, verificarlo, verificarlo dos veces, probarlo, ver si había algún error y luego descubrir que los datos TLE estaban equivocados. Pero, muy divertido, postventa.

      • Chris Lott dice:

        Graham, puede que disfrute leyendo este interesante ensayo sobre el Dr. Kelso y su descubrimiento de un cursi error en los TLE de la NASA en la década de 1980. Como usted, los escribió en su computadora y, finalmente, escribió un software para verificar los datos con los dígitos de control que eran parte del formato TLE. Señaló que los errores de suma de comprobación inexplicables ocurrirían con poca frecuencia y finalmente rastreó la fuente del problema: https://www.celestrak.com/NORAD/documentation/checksum.php

    • Keplermatik dice:

      ¡Buen trabajo! También tengo un proyecto de rastreo satelital, no he hecho nada al respecto en un tiempo, pero está activo y se me ocurrió bastante más de lo que he documentado hasta ahora:

      https://la-tecnologia.io/project/5358-keplermatik

    • Paul Stoetzer N8HM dice:

      Es bueno ver esto. Si alguien quiere probar el seguimiento por satélite de una computadora retro, las imágenes de disco para el programa QUIKTRAK de AMSAT para el Commodore 64 y Apple II están disponibles en el sitio web de AMSAT en https://www.amsat.org/flashback-friday-sa satellite- tracking- con-quiktrak-para-el-comodoro-64-y-apple-ii /

      También tengo una cinta con el programa de seguimiento Timex Sinclair 1000 / Sinclair ZX-81 llamado AMS-81. Necesito digitalizar esa cinta y publicarla.

    • Roberto Bernardo dice:

      ¡Buena historia, Chris! ¿Puede poner a disposición el programa Satellite Car para el Commodore 64?

      • Chris Lott dice:

        Ciertamente lo haría, Robert, si lo encontrara. Miré alrededor del año pasado, un esfuerzo de bajo nivel, tratando de encontrarlo. El seguimiento de uno de los pocos coches satélite sería un buen primer paso. Me registré con la colección de software de seguimiento del historial AMSAT y con algunos de mis amigos de esos días. Hasta ahora, sin suerte.

    • Roberto dice:

      A9 # 00

    • Chris Lott dice:

      Mi hijo descubrió la preservación de los coches antiguos. Ya no tengo pretexto para realizar este sistema en un formato moderno. Revisé mi comentario original del año pasado y dije "pastilla de jabón", no "menta de Altoids".

      https://la-tecnologia.io/project/175877-bar-of-soap-sa satellite-tracker

Miguel Vidal
Miguel Vidal

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