Meteor Scatter

Ieder jaar trekt de aarde door verschillende meteorietenzwermen (ook wel meteorietenregens genoemd), die de namen dragen van de sterrenbeelden waaruit ze ogenschijnlijk tevoorschijn lijken te komen. Een meteorietenzwerm is een wolk van stofdeeltjes dat is achtergelaten door een komeet. Vele stofdeeltjes komen in botsing met de dampkring van de aarde en veroorzaken dan kortstondig een lichtstreep aan de hemel. In de volksmond wordt dat ‘een vallende ster’ genoemd. Omdat dit een publiekelijk schouwspel is, wordt er soms ook in het journaal melding gemaakt als een meteorietenregen is te verwachten. Ze zijn immers goed te voorspellen, zie bijvoorbeeld http://hemel.waarnemen.com/meteoorzwermen/ Er zijn veel regens, die met een hoge ZHR waarde (het maximaal aantal te verwachten meteoren onder ideale omstandigheden) zijn zeker interessant voor ons zendamateurs. Zo wordt half december de Geminiden verwacht, begin januari de Boötiden, in juni de Arietiden, augustus de Perseïden en in december de Geminiden.

Grafiek van de gemiddelde meteorenactiviteit per nacht, voor een heel jaar. De zwarte streepjeslijn toont de diffuse achtergrond, de gekleurde curves stellen de verschillende zwemen voor en de donkerzwarte lijn geeft het totale aantal meteoren per uur, gemiddeld over een nacht. De verticale gekleurde streepjeslijnen tonen de data van de maxima van de grootste zwermen, met de eerste letter van de naam bovenin. De grafiek is gemaakt voor 2014, maar verschilt weinig van jaar tot jaar (en dan voornamelijk voor de Boötiden)

Als je ziet hoe die banen van meteorieten lopen in ons zonnestelsel om de zon draaien krijg je een heel goed beeld hoe dat werkt. Een heel mooie simulatie waarmee gedraaid (slepen met de muis) en op ingezoomd (scrolwieltje) kan worden (per zwerm maar ook allemaal tegelijk) is hier te vinden. Ook is dan te begrijpen waarom de ene zwerm kort en intensief is en de andere veel meer in tijd is ‘uitgesmeerd’.

De baan van een zwerm meteorieten om de zon, die de aarde (vierde planeet) kruist

Random

Naast deze zwermen zijn er eigenlijk altijd wel meteorieten die de dampkring binnendringen: ‘random’. Door de maanden heen is daar wel een bepaalde regelmaat in.

Door de draaiing van de aarde is er ook een regelmaat in het tijdstip van de dag waarop er meer of minder meteorieten vanaf Nederland ‘zichtbaar’ zijn. ’s Morgens draait de ons deel van de wereld tegen de meteorieten in, ’s avonds draaien we ervan weg. De actuele situatie van meteorieten die de atmosfeer binnendringen is te hier zien.

Verdeling van meteorieten door de seizoenen heen

Duidelijk is te zien dat het lange termijn gemiddelde sinusvormig is maar dat er natuurlijk dagen zijn waar flink wordt afgeweken

Verbranden

Wanneer de meteorieten verbranden in de aardatmosfeer creëren ze een spoor van geïoniseerde deeltjes in de E-laag, op een hoogte tussen 80 en 120 km. Deze ionisatie kan enkele seconden aanhouden en zeer intens zijn waardoor ze geschikt zijn om radiogolven te reflecteren. Omdat de tijd kort is kunnen dus vaak weinig  gegevens worden uitgewissled, er zijn dan meer reflecties nodig om een volledige verbinding te maken.

De frequenties die gereflecteerd kunnen worden hangen van die intensiteit af en is meestal hoger dan 30 MHz. De afstand waarover de radiocommunicatie mogelijk is (tussen 800 en 2500 km) wordt bepaald door de hoogte waarop de ionisatie optreedt en ook door de hoek waaronder ze de atmosfeer binnenkomen.

Buiten de grote zwermen zijn vooral de 6 en 4 meter band interessant om ook dan verbindingen te maken. Op 2 mtr zijn er ook wel mogelijkheden maar moet echt worden volhard.

Methode

In de jaren 70 begon men met snelle CW dat opgenomen werd met een bandrecorder en dan langzaam werd afgespeeld. Skeds maken werd in de 20 meterband gedaan, soms zelfs per brief. Uren werd er dan geprobeerd om de verbinding rond te krijgen (waarbij niet eens altijd bekend was dat het tegenstation er überhaupt was).

Tegenwoordig gaat dat met behulp van internet wel anders. Skeds worden tegenwoordig vaak afgesproken op www.on4kst.org . In deze tijd wilt men snel resultaat zien!

Met het beschikbaar komen van programma’s voor digitale communicatie wordt geen morse meer gebruikt. Ontwikkelingen hierin volgen elkaar snel op.

WSJT software

Zo’n 15 jaar geleden introduceerde Joe K1JT de WSJT software die een paar jaar geleden ‘open source’ werd. Gebaseerd hierop ontwikkelde Cristo LZ2HV het MSHV pakket met daarin diverse modes om te testen met MS, zoals MSK144, JTMS, FSK441, FSK315, ISCAT, JT6M, J65 en PI4. De verschillen betreffen voornamelijk snelheid van data. Omdat de ene band langere reflecties geeft dan de andere blijkt dat toch nog wel uit te maken. Die lengte wordt bepaald door de ‘dichtheid’ (density)  van het geïoniseerde spoor. Is de meteoriet klein dan is de dichtheid van het spoor minder, is de reflectie kort en wordt dit een ‘ping’ genoemd. Is de meteoriet groter is de dichtheid van het spoor groter en duurt de reflectie langer en wordt het een ‘burst’ genoemd. Deze vorm (en tijdsduur) is met WSJT te zien bij ontvangen signalen.

Signaalsterte opbouw verschil tussen een ping en een burst

De lengte van een ‘ping’ is trouwens wel frequentie afhankelijk. Uit het volgende tabelletje blijkt dat op lagere frequenties de reflecties sowieso al langer duren.

Frequentie ‘Ping’ lengte
50 MHz 1 s
70 MHz 0,5 s
145 MHz 0,1 s
432 MHz 0,013 s

De meest gebruikte digitale modus voor radioamateur meteorscatter is op dit moment (2018) MSK441 met 15 seconden perioden. Dit is een verschuiving van FSK441 (high speed meteor scatter communication model) zie ook verderop.

Het MSHV pakket draait zowel onder Windows als onder Linux, waarbij er geen extreme eisen worden gesteld aan de hardware. Wel moet er een interface mogelijk zijn met de transceiver, dus aan te schaffen of zelf te bouwen. Het betreft hier de audio in- en uit signalen en als er een automatische VOX is hoeft niet eens de zender in- en uitschakelbaar met de computer worden gemaakt. (Er zijn zelfs zendamateurs die voordat ze een interface hebben succesvol gebruik maken van de PC microfoon en de luidspreker van de ontvanger, de luidspreker van de PC en de microfoon van de zender)

Software is in gezipte vorm eenvoudig te downloaden van de website van Cristo. Het is aanbevolen de software op een andere drive te installeren dan waar het systeem op draait. Eventueel dus een nieuwe partitie maken. Na installeren kunnen de diverse audio niveaus en de stationsgegevens worden ingesteld. De beschrijving op de website van Cristo is duidelijk en spreekt voor zich.

Altijd een sterk MS baken aanwezig

Zo’n 20 km ten oosten van Dijon (Frankrijk, JN27SI) is sinds 2005 het zendgedeelte van de Graves radar opgesteld. Deze is bedoeld om satellieten te detecteren die over het Franse grondgebied vliegen. Uitgezonden wordt op 143,050, dat dus dichtbij onze twee meterband ligt. De aanwezige twee meterband antenne zal daar ongetwijfeld nog wat doet. Ontvangen kan bijvoorbeeld gedaan worden met een goedkope RTL stick of een SSB ontvanger voor die frequentie. Luister je op een willekeurige dag hoor je heel af en toe kort ‘tjoep’ hetgeen niet erg motiverend is om mee te beginnen. Om enthousiast te worden is het ongetwijfeld beter een moment te kiezen waarbij wat meer meteorieten de dampkring binnenkomen. Bij sterkere reflecties is in de waterval van SDRsharp ook het dopplereffect van het signaal tegen het verplaatsende meteorietenspoor te zien. Omdat de Graves radar een breed gebied in zuidelijke richting bestrijkt, spreken we van backscatter als we de gereflecteerde signalen in Nederland ontvangen.

Deel van het Graves radar zend-antennesysteem op 143,050

stralingspatroon van de Graves radar antennes

Stationsvereisten

Het is verstandig eerst de reflecties proberen te ontvangen. Op lagere frequenties zijn meer bursts, de antenne staat dan (ten opzichte van de golflengte) echter vaak zo laag dat de opstraalhoek te hoog is voor grote afstanden. Wil je dus op 4 of 6 mtr aan de slag met MS is het zaak de antenne goed hoog op te stellen. Op 2 meter is een antenne in verhouding tot de golflengte sowieso al hoger en de stralingshoek dus lager (geschikter). Een yagi van 10 elementen is optimaal qua versterking en openingshoek. Een schoon stralingsdiagram (weinig ruis van de aarde en omgeving) en een voorversterker met een laag ruisgetal zijn bij zwakke signalen sowieso wenselijk.

Met een ontvanger of transceiver met eventueel zelfs een flinke verticale antenne kan met WSJT software (mode MSK441 of FSK441) al een flink aantal stations worden gedecodeerd. Met deze digitale modi kunnen namelijk signalen gedetecteerd worden terwijl ze onder het ruisniveau liggen!

Om het computerprogramma te gebruiken moeten eerst een aantal instellingen worden gedaan en de klok goed op tijd worden gehouden. Dat laatste is belangrijk omdat op vooraf gedefinieerde perioden gezonden en ontvangen wordt.

Omdat de te gebruiken software aan veranderingen onderhevig is (steeds wordt verbeterd) is het verstandig hier een actuele website voor te raadplegen. Google bijvoorbeeld op ‘Meteor Scatter Message Procedure’ en je komt zowel de manier van werken tegen als de instellingen (‘getting started’). Lezingen op youtube als ‘Meteor Scatter for Beginners from GW8JLY’ kunnen ook een goede indruk geven van de werkwijze en instellingen. Uiteraard is ook in het VERON Vademecum een heel hoofdstuk opgenomen die de werkwijze beschrijft (in de 2016 versie: hoofdstuk 11.5, pagina 179), evenals in het nieuwe VHF handbook part 1 (Practical information for all users).

Om een indruk te geven wat nodig is om te zenden via geïoniseerde meteorietensporen: een stabiele transceiver met bij voorkeur een eindversterker (liefst meer dan 100 Watt). Omdat steeds 15 seconden wordt gezonden en 15 seconden wordt ontvangen is de belasting van de zender hoog (maar minder dan toe de 40 seconden perioden werden gebruikt bij FSK441): die moet dus goed het ontwikkelde vermogen kunnen afvoeren.

MSK144 of FSK441?

Rob PE1ITR heeft deze twee modi met elkaar vergeleken door in iedere afzonderlijke mode vijf keer een boodschap te versturen waarbij hij ze in stukjes hakte. Hiermee werd gesimuleerd alsof het reflecties tegen meteorietensporen waren. Verschillende lengten van ‘reflecties’ zijn gesimuleerd en verschillende sample rates geprobeerd. Het resultaat van dit experiment was dat FSK441 altijd aan het decoderen is, desnoods met een grote hoeveelheid willekeurige tekens. Met wat verbeeldingskracht is de oorspronkelijke boodschap te ontdekken. MSK144 decodeert in alle gevallen correct behalve bij 40ms pings. Ook is gedecodeerd in WSJT10 en WSJT-X software, met vergelijkbare resultaten. Het lijkt er op dat FSK441 in WSJT10 iets beter presteert. Rob heeft een kleine voorkeur voor de resultaten van MSK144.

Kevin VK4UH geeft in Amateur Radio ook aan dat MSK144 mode in de praktijk de voorkeur heeft van de gebruikers. Veel stations kiezen voor de verbeterde decodering van zwakke en korte pings tegen het verlies van flexibiliteit en de optie om met meerdere stations tegelijk in verbinding te zijn. Kevin is van mening dat dit waarschijnlijk waar is voor MS op 2 meter maar hij denkt dat FSK441 nog steeds een betere optie kan zijn voor MS op 6 meter, waar de pings langer en harder zijn in de wintermaanden.

Ondertussen is dus wereldwijd gekozen voor MSK144 met 15 seconden perioden.

En als er geen grote meteorieten regens zijn?

In Amateur Radio van juni 2017 schrijft Tony K8ZR over zijn ervaringen met MSK144 op 50 MHz. Tony maakte 400 verbindingen in een periode van 87 dagen. Opvallend is daarbij dat er geen grote meteorieten regens waren, bijna de helft van de verbindingen waren binnen 3 minuten compleet terwijl 34% er 4 tot 6 minuten over deden. Een gemiddelde van 4,4 minuten per verbinding! Een uitgebreid station bleek ook niet nodig: Vidas N8AUM gebruikte alleen een in elkaar geknutselde dipool gebruikmakend van plakband en een PVC buis en hing het ding op in een boom. Met deze antenne op 8 meter hoogte en 50 Watt dat de RG58 coax in ging maakte hij meer dan 70 verbindingen met een grootste afstand van 1900 km. Hou er echter wel rekening mee dat met zo’n minimale antenne en beperkt ERP vermogen het wel meer geduld vergt. De hoeveelheid meteorieten dat buiten de grotere zwermen de dampkring binnen komt is dus met de nieuwste digitale modi goed bruikbaar.

Op 6 meter zijn er diverse ‘bakens’, zo kan je op 49,750 MHz nog pings van Russische tv carriers ontvangen. Iets minder uitgesproken dan de tv carriers zijn ook de pings van radio omroep zenders tussen 65 en 72 MHz te ontvangen. Die zijn er nog volop in Ukraine, Rusland en Bellarus.

Polarisatie en MS

Een interessant, zeer uitgebreid artikel hierover uit 1997 ( ‘Antenna  Polarization  for  Meteor  Burst  Communications’) beschrijft een experiment dat gedaan is op 50 MHz. Hierbij is zowel aan de zend- als aan de ontvangstzijde een horizontaal- en een vertikaal gepolariseerde drie elements yagi opgesteld, zes meter boven het terrein. De zenders hadden een output van 100 Watt en alles is verder gebalanceerd. De testafstand was 1343 km. Onderzocht is de sterkte van het ontvangen signaal tussen de antennes met dezelfde polarisatie en met de andere polarisatie. De conclusie van het onderzoek is dat het signaal van de verticale antenne naar de verticale antenne het betrouwbaarste signaal oplevert. Wat hierbij niet is meegenomen is hetgeen hierboven is genoemd: op deze geringe hoogte straalt een horizontaal gepolariseerde antenne 13,5 graden omhoog en een verticaal gepolariseerde yagi 9,7 graden. Voor amateur toepassingen zou op de lagere banden verticale polarisatie ongetwijfeld beter zijn, dan zouden beide stations verticaal gepolariseerd moeten zijn. Wel laat het onderzoek mooi zien dat in deze situatie de polarisatie zelf niet verdraait.

John G4BAO verklaart in zijn voortreffelijke 52 minuten durende lezing ‘G4BAO what makes the pings go ping’ dat een burst gezien kan worden als een spiegel die onder een bepaalde hoek staat waardoor wel degelijk polarisatiedraaiing optreedt. Dat dit effect goed voorspelbaar is en dat stations hier hun voordeel mee zouden kunnen doen. Misschien is het mogelijk dat een netwerk van stations dit experiment kunnen opzetten!

Bandplan

Voor de volledigheid nog de bandplan frequenties die aan Meteor Scatter zijn toegewezen:

6 mtr: 50,320 – 50,380 MHz

4 mtr: 70,250 MHz

2 mtr: 144,100 MHz (CW), 144,195 – 144,205 MHz (SSB)

In de WSJT-X software zijn gebruikte frequenties opgenomen, die weken echter af van hetgeen we hebben afgesproken in Region 1. Afhankelijk van de gebruikte versie zal dus mogelijk handmatig gecorrigeerd moeten worden.

Chris van den Berg PA3CRX