Satelitarny Sun Outage

http://radiacja.blogspot.com/2014/03/sun-outage.htmlDwa razy do roku przyroda przypomina użytkownikom zwykłych anten satelitarnych, że tak naprawdę są właścicielami miniaturowych radioteleskopów. -Tak, tak, w tym szczególnym czasie roku możemy nawet na tak prostych antenach nich stwierdzić obecność sygnałów z odległości aż 150 milionów kilometrów!

Sun Outage - fenomen o którym mowa, który w języku polskim ma bardzo uroczą i swojsko brzmiącą, ale niestety mało używaną nazwę "olśnienie słoneczne" (częściej używamy angielskiego określenia), to zjawisko z pogranicza astronomii, geografii i techniki odbioru satelitarnego. Dwa razy do roku, na przestrzeni paru dni, przez kilkanaście minut, odbiór programów nadawanych z satelitów telekomunikacyjnych jest zakłócany bezpośrednio przez Słońce!

Satelity geostacjonarne, takie jak Astra czy Eutelsat zajmują swoje stałe pozycje na orbicie - zapewnia im to równowaga grawitacji Ziemi i Słońca (i ewentualnie sporadyczne "poprawki" pozycji za pomocą turbin), w odległości ok 36000km. Dla porządku i utrzymania stałej grawitacji dla satelitów telekomunikacyjnych przyjęto je umieszczać nad ziemskim równikiem. A właściwie - bo to już tak daleko - w płaszczyźnie równika. Wiszą sobie tam niemal jeden obok drugiego na swoich pozycjach. Zajmują dzięki temu też określone, nieruchome pozycje na niebie.



Z lekcji geografii pamiętamy, że w dniu przesilenia zimowego słońce zatacza najmniejszy łuk po niebie, zaś w dniu przesilenia letniego - największy. W pozostałych porach roku kreśli łuki między nimi - przez połowę roku je zmniejszając, a przez drugie pół zwiększając. Orbita satelitów geostacjonarnych z naszej perspektywy na Ziemi pokłada się z serią łuków które przemierza Słońce w okolicach wiosennej i jesiennej równonocy. Ze względu na "bliskość" orbity z satelitami względem odległości słońca, nie są to dni równonocy!. W środkowej Polsce jest to termin +/- 4 dni wokół 1 marca i 12 października.
Przez tych parę dni od rana do wieczora Słońce zaczyna kolejno "prześwietlać" sygnały wszystkich satelitów geostacjonarnych dostępnych nad horyzontem w danej lokalizacji. Z perspektywy Polski, rankiem w tym okresie Słońce utrudnia odbiór na wschodnich pozycjach orbitalnych - np. rosyjskich sputników serii Yamal i Express. Około południa pozycja Słońca na niebie pokłada się z pozycjami głównych europejskich satelitów - Astry, potem HotBirda. Po nich, aż do zachodu Słońca poszkodowane zostają jeszcze kolejne satelity po zachodniej stornie orbity - popołudniem np. wiszący nad Atlantykiem Hispasat. Dla danej pozycji satelitarnej prześwietlenie Słońcem, czyli zaszumienie zachodzi przez kilkanaście do ok. 20 minut w dniu szczytu zjawiska.

Dlaczego Słońce ma właściwość zakłócania sygnałów satelitarnych i w jaki sposób się to przejawia?
Słońce jako gwiazda w kwiecie wieku jest źródłem nie tylko światła i ciepła, ale też promieniowania w praktycznie całym spektrum fal elektromagnetycznych (ze szczytami na kilku określonych zakresach), w tym niestety także w zakresie na którym satelity dostarczają do naszych domów transmisje telewizyjne, radiowe czy internet. Zatem w momencie koniunkcji - czyli pozornego złączenia słońca z satelitą na niebie, wynikającego z perspektywy dla danego punktu na ziemi, do konwertera anteny satelitarnej dociera suma obu sygnałów - sztucznego z satelity i naturalnego z naszej "gwiazdy dziennej". Sygnał z satelity jest w pewien sposób uporządkowany za pomocą tzw. modulacji, by w odbiorniku mógł zostać przetworzony na określone media. W porównaniu do niego, sygnał elektromagnetyczny ze Słońca jest zupełnie chaotyczny i nieuporządkowany - można powiedzieć, że to wręcz niezrozumiały dla odbiornika "szum". Owszem, astronomowie potrafią odczytać ze słonecznego szumu wiele pożytecznych informacji; nie potrafią tego niestety nasze odbiorniki satelitarne. Dla nich, sun outage oznacza podniesienie szumu "tła", które poza tym zjawiskiem jest na o wiele niższym poziomie.

Na trzech schematycznych rysunkach wyjaśniam jak słoneczne interferencje nakładają się na sygnał satelitarny. Na pierwszym "wykresie" po lewo mamy spektrum przykładowego silnego transpondera - wyraźnie wyróżnia się z naturalnego szumu nieba (niski poziom). Słońce znajduje się wtedy poza częścią nieba które "widzi" czasza anteny satelitarnej.
Rysunek b. przedstawia lżejszą fazę sun outage, kiedy do anteny dociera zarówno sygnał z satelity, jak i słoneczny szum. Przy określonym zapasie (odstępie sygnału od szumu), poprawny odbiór jest nadal możliwy. Trzeci rysunek to krytyczna faza olśnienia kiedy poziom szumu słonecznego niemal dorównuje natężeniu sygnału z satelity - zbyt mały odstęp S/N (signal.noise) uniemożliwia odbiór - nie dla wszystkich satelitów ma on aż taką proporcję, poszkodowane mogą być słabsze przekazy.
Proszę zauważyć, że Słońce nie osłabia siły transmisji satelitarnej, a "jedynie" podnosi szum tła.
Pod tym adresem: http://www.youtube.com/watch?v=gBmJytBUlD8 można obejrzeć ciekawy filmik pokazujący podnoszenie się szumu emitowanego przez Słońce na tle sygnałów z satelity. Jest dosyć długi, wiec warto sobie pomóc (i by lepiej dostrzec różnicę sygnałów) przerzucając pasek stanu w połowę filmu. Ciekawym efektem jest, że wraz z podnoszeniem się interferencji, podnosi się też sygnał z satelity, to może tłumaczyć pewien fenomen, który z zadziwieniem zaobserwowałem na 60E podczas swoich tegorocznych obserwacji.


W tym roku, mimo że praktykę z TV Sat mam już niemal od dziesięciu lat, po raz pierwszy przyjrzałem się fenomenowi Sun Outage na swoich antenach satelitarnych i odbiorniku. Ale od razu porządnie: Zjawisko obserwowałem w sobotę 1 marca - tego dnia i kolejnego nastąpiło maksimum wiosennego Outage'u. Spośród wszystkich satelitów na orbicie na które aktualnie mam skierowane anteny (60E/53E, 28/19/13E, 1W, 30W) Słońce w pierwszej kolejności prześwietliło oczywiście satelity na wschodzie. Ze względu na słabe sygnały było tam bardzo ciekawie. Lecz zanim raport stamtąd, opowiem o tym, co stało się parę godzin później - z europejskimi satelitami - Astrą i HotBirdem. Czyli czego podczas sun outage mogą spodziewać się odbiorcy w Polsce, gdzie najczęściej korzysta się właśnie z 13E i 19E.
Dodam, że tego dnia niebo cały dzień było bezchmurne, więc można było ładnie zobaczyć dzięki pozycji słońca, gdzie umiejscowione na niebie są poszczególne satelity - to jako dodatkowa atrakcja, bo sun outage zachodzi bez względu czy niebo jest całe błękitne, czy są na nim chmury.

Centralnym konwerterem na czaszy 70cm odbieram z konstelacji satelitów Astra na 19E sygnał o wartości 99% jakości na wszystkich transponderach. Satelity te emitują piekielnie mocną wiązkę na całą Europę.
Zgodnie z przewidywaniami, około 10minut przed dwunastą wskaźnik sygnału zaczął spadać - pierw było to migające 90-99%, potem równe 90%, potem migające 90-80% (wskaźnik ma krok precyzji co 10%). Po około 7 minutach osiągnął najniższe wyniki. Ja korzystam głównie tylko z dwóch transponderów "radiowych" (nie oglądam tv) i na nich odnotowałem takie poziomy:
11568V, SR22000, FEC 5/6 (radio francuskie) - spadek z 99% do 60%
12266H, SR27500, FEC 3/4 (radio niemieckie) - spadek z 99% do 70%
Odbiór był cały czas bardzo dobry - zupełny brak przerw czy zakłóceń.

maximum sun outage na Astrze 19E - spadek z 99% do 60% sygnału, odbiór nadal OK

Na obu częstotliwościach ewentualne zauważalne dla ucha zakłócenia - trzaski, audiopiksele czy przerywanie transmisji można by zauważyć dopiero przy spadku do 20%. A zatem Słońce wpłynęło na sygnał pozostawiając mu jeszcze duży zapas - jeszcze co najmniej 40%. Dodam też że tylko mega mocne letnie ulewy potrafią wytłumić u mnie Astrę (albo kupa śniegu na antenie), co zdarza się niesłychanie rzadko.

Dwadzieścia minut po tym jak na Astrze wskaźniki z powrotem podjechały do 99%, zaczęło się "słoneczne" zakłócanie Hotbirda. Najsławniejsza flota Eutelsata na 13E w maksimum zaliczyła u mnie zjazd z 90% do 50% na tp. 11542V z włoskimi stacjami radiowymi (np. MC2) - proporcjonalnie do Astry i ponownie - zero odczuwalnych zakłóceń i przerw w odbiorze.

Wniosek:
Gdyby nie wiedzieć o której godzinie spodziewać się zjawiska i bez obserwacji wskaźnika poziomu sygnału w odbiorniku, można zupełnie nie zauważyć skutków koniunkcji satelity i Słońca na niebie. To oczywiście na przyzwoicie ustawionej antenie, ponieważ czytałem na forach że niektórym odbiorcom zakłócenia słoneczne potrafiły wyeliminować odbiór i to nawet na kilkanaście minut. Należy oczywiście w takich przypadkach rozważyć poprawienie instalacji - zyskujemy wówczas zapas sygnału nie tylko na okres SunOutage, ale też na tłumienie podczas zachmurzenia czy deszczu.
Tłumienie obserwowałem tylko na transponderach DVB-S. Te z modulacją DVB-S2 ze względu na bardziej skomplikowaną modulację (przeważnie emisje HD) będą wykazywać większą wrażliwość na szum słoneczny.

Obiecałem też opowiedzieć o SunOutage satelitów na wschodzie.
Tego samego dnia - ale wcześniej, ok. 9 rano obserwowałem outage Intelsata na 60E. Z tego sputnika odbieram rosyjskie stacje radiowe i kilka telewizyjnych. Europa Środkowa nie jest w głównej strefie zasięgu satelity, stąd jego sygnał w Polsce nie jest tak duży jak typowo europejskich Astr i HotBirdów. Szczytowe sygnały transponderów to 70-80%, przy czym większość oscyluje na ok. 50%.
Słonecznemu tłumieniu ułatwiło to zadanie - dosłownie minutę zajęło Słońcu całkowite wytłumienie sygnału na tp. 11,159 GHz z moim ulubionym radiem Silver Rain. Jest to niestety jeden z najsłabszych tp. na 60E - odbieram go przeważnie na 50-60%, a ze względu na słaby FEC (parametr korekcji błędów) porządnie przerywa już przy spadku do 40%.

Oto próbka odbioru radia Silver Rain zakłóconego przez SunOutage:



Czas całkowitej przerwy w odbiorze wynosił oczywiście więcej niż na nagraniu, które wyedytowałem. W rzeczywistości było to niemal 20minut!

Ale są na Intelsacie nieco silniejsze transpondery - np. z kanałem 100TV/RadioBaltika, czy ten z kanałem 9Kanal Kuban. Kiedy 11,159 z Silver Rain zniknął całkowice, 100TV dało się jeszcze odbierać, ale z osłabionym i stale spadajacym sygnałem. Zanik nastapił trzy minuty po 11,159 z Silverem. Po zagłuszeniu 100TV, jeszcze chwilę trzymał sie najsilniejszy transponder na 60E z 9Kanałem, ale też ostatecznie się poddał. Natomiast po przejściu maksimum, kiedy Słońce zaczęło wędrować dalej na zachód, ten właśnie transponder wrócił jako pierwszy.

Dziwną sytuację obserwowałem na tp. z 100TV/RadioBaltika. Otóż kiedy Słońce zaczęło zsuwać się z tej pozycji - ale jeszcze nie całkowicie, bo nie wrócił Silver Rain, poziom sygnału na 100TV dojechał na parę minut aż do 99%! To o tyle dziwne, że ten tp. osiąga u mnie nigdy nie więcej niż tylko 70%!
99-procentowy odbiór trwał krótko i po paru minutach powrócił do standardowych 70%. Bardzo dziwne.
Sądzę, że to dla tunera sat podwyższony szum tła spowodował, że i właściwy sygnał chwilowo się podniósł ponad normę - co było widać na wcześniej zalinkowanym filmiku z profesjonalnego urządzenia pomiarowego.


Choć tego dnia i następnego dnia zjawisko można było obserwować z największym natężeniem, zgodnie z poniższymi wyliczeniami, z mniejszymi skutkami można je też odnotować w pozostałych dniach przed i po maksimum.
Ze względu na rokroczną powtarzalność zjawiska i niezmienność pozycji satelitów, jest możliwe bardzo precyzyjne obliczenie czasu jego zajścia dla danego miejsca na Ziemi, oczywiście za pomocą dostępnych w internecie aplikacji i skryptów obliczania. Bo nie wszędzie zachodzi ono jednocześnie - np. Sun Outage Hotbirda na 13E pierw doświadczą mieszkańcy wschodniej Polski, zaś na zachodzie naszego kraju zjawisko to zajdzie kilkanaście-kilkadziesiąt minut później. O momentach wystąpienia SunOutage dla mojej lokalizacji korzystałem z kalkulatora na stronie:
http://www.satellite-calculations.com/Satellite/suninterference.php
Oferuje on bardzo szczegółowe dane, wyliczane dla poszczególnych satelitów oddzielnie. Poniżej przykładowa tabelka obrazująca jaki był timing zjawiska w Górze Kalwarii pod Warszawą:



Parę ciekawych przemyśleń na koniec:

Positioning
Pozycja słońca w dniach występowania SunOutage dostarcza też trochę ciekawej wiedzy instalatorskiej.W jaki sposób? Otóż kiedy dochodzi do maksimum Sun Outage, przykładowo na 13E i Słońce zajmuje na niebie dokładnie to samo miejsce co najpopularniejszy w Polsce satelita, warto oderwać się na chwilę od ekranu TV i rozejrzeć się na dworze. Wszystkie miejsca, do których w tym czasie dochodzi światło słoneczne mają zapewnioną "widoczność" z satelitami na 13E. Oznacza to, że można w nich z powodzeniem instalować antenę do odbioru sygnału HotBirda. Zaś wszystkie miejsca znajdujące się w tym czasie w cieniu budynków, drzew, itp., niestety będą pozbawione odbioru - sygnał będzie blokowany przez obiekty rzucające cień. Wszystkie anteny, na które w tym czasie pada cień (najczęściej drzew) mają problemy z odbiorem właśnie z powodu "właścicieli" cienia.
Ogólnie z HB czy Astrą nie powinno być wiele zacienionego miejsca, ponieważ są one dosyć wysoko na niebie, ale co z "egzotycznymi" satelitami wiszącymi niżej nad horyzontem? Np. Yamal'em na 90E czy Hispasatem na 30W? -Bardzo proste, wystarczy wyliczyć ich moment sun outage i we właściwym momencie rozejrzeć się wokół. Zjawisko to bardzo precyzyjnie identyfikuje miejsca w których można zainstalować antenę do odbioru danego satelity, ale jest bardzo krótkotrwałe i ulotne (maks. kilkanaście minut i to przez te dwa krótkie sezony w roku).
Ciekawe fotografie wykonali użytkownicy polskiego forum Satclub: http://www.satclub.pl/satelitarne-abc/sun-outage-jako-zjawisko-pozyteczne-t5855.html - na wielu zdjęciach widać, że skrajnie zachodnie czy wschodnie ustawienia "zbierają" trochę cienia podczas odbioru.

FEC
W czasach telewizji analogowej, Słońce dawało się jeszcze mocniej we znaki. Każda transmisja w czasie słonecznego olśnienia była bardziej lub mniej przyprószona na ekranie charakterystycznymi "dropami" czy "rybkami" - śladami szumu na Gigahercach pochodzącego ze Słońca. Zupełnie jakby sygnał był po prostu za słaby dla idealnego odbioru, mimo że kilkanaście minut wcześniej był krystalicznie czysty. Zakłócenia wygląły zupełnie jak na tym klipie: http://www.youtube.com/watch?v=SzvD_p51rZs
To było w czasach smoka analoga, moje dziatki. W epoce cyfrowej, dzięki parametrowi FEC zawartemu w przekazie, można zachować niezakłócony czysty odbiór nawet przy relatywnie słabszym sygnale. Rozwinięcie tego skrótu daje nam pojecie Forward Error Correction, czyli kodowanie korygujące - dodatkowe, nadmiarowe bity mogące zastąpić jeden lub więcej błędnie odebranych bitów "właściwej" transmisji. Im większy ułamek FEC, tym więcej bitów można dzięki niemu odratować. FEC pomaga zachować stabilność odkodowanego sygnału nie tylko podczas Sun Outage ale głównie bardziej pospolitych niedogodności, jak np opady deszczu.
Najlepszy, ale rzadko stosowany FEC to 1/2, częściej spotykany np. w brytyjskich serwisach to 2/3 i 3/4. Dalej coraz słabsze: 5/6 i 7/8. Polskie platformy korzystają z... tak tak, najgorszych: 7/8 ew. 5/6. W DVB-S2 stosowane są nawet 9/10!

W moich przykładach powyżej było to doskonale widoczne na Intelsacie na 60E, gdzie wiele transponderów ma dosyć równe sygnały, ale przez różny FEC, porażone słońcem ginęły w różnym czasie. Pierwszy odpadł transponder z najsłabszym FEC dla DVB-S: 7/8.

Popalone konwertery?
Na forach krążą mityczne opowieści jakoby siła zjawiska sun outage była tak potężna, że powodowała "przepalenie" czy zepsucie konwertera. Opowieści te zapewne rozgłaszają chłopcy, który w dzieciństwie palili mrówki pod lupą i będąc pod zachwytem potęgi skupionego światła słonecznego skojarzyli je ze słonecznymi szkodami dla odbioru SAT.
Aluminiowe i stalowe talerze satelitarne, rzecz jasna nie mają możliwości aż tak intensywnego i punktowego skupienia promieni słonecznych jak soczewki optyczne, choć pomalowane na biało anteny mogą puszczać słabo dostrzegalnego "zajączka" po główce konwertera. O przegrzaniu, przepaleniu czy przeciązeniu elektroniki nie ma jednak mowy. Dla większego kontrastu, by lepiej zobaczyć "zajączka" puszczanego przez talerz, można podłożyć na konwerter czarny arkusz papieru (spokojnie, nie zapali się:). Jeszcze lepszego zajączka uzyskamy obklejając lustro anteny wspomagającą odbijanie światła folią błyszczącą - np. aluminiową, jak zrobili to użytkownicy wspomnianego forum.
Sądzę, że większość awarii zgłaszanych w tygodniach wokół terminu sun outage to zwykłe, pozimowe konserwacje lub sytuacje wymagające poprawienia precyzji ustawienia anteny, gdyż słońce faktycznie skutecznie eliminuje sygnał źle ustawionego HotBirda.

Problemy z Sun Outage na świecie.
Stacje telewizyjne w Stanach Zjednoczonych, które dosyłają swój sygnał przez satelitę, w momencie zajścia Sun Outage w lokalizacji naziemnej stacji retransmisyjnej zastępowały feed wyświetlaną przez kilkanaście minut planszą informującą o przyczynach przerwania emisji. W Polsce, w czasach analogu brakowało takiej kultury i naziemne retransmisje np. telewizyjnej Czwórki były w południe pełne "dropów" i "rybek" - charakterystycznych zakłóceń (szumu) w czasach modulacji analogowej na satelitach. Obecnie wielu nadawców korzysta z łącz światłowodowych eliminując całkowicie ten problem.
Jak informuje Wikipedia, w Indiach giełdy wstrzymują transakcje na czas przejścia SunOutage, gdyż w transmisji danych wykorzystuje się łącza satelitarne; zaś mała Wyspa Św. Heleny na południowym Atlantyku, w czasach kiedy korzystała z tylko jednego slotu satelitarnego dla Internetu była na czas zjawiska cała pozbawiona dostępu do WWW.

Inne źródła szumu na niebie - teoretycznie.
Słońce jest najbliższą nam gwiazdą i najsilniejszym źródłem naturalnego promieniowania elektromagnetycznego na niebie. Ale są też inne. Większość z nich ma zbyt małe rozmiary kątowe (wielkość na niebie), ale potencjalnie ciekawym obiektem może być wstęga Drogi Mlecznej. Choć nie jest ona widoczna w ciągu dnia (a w coraz większej liczbie miejsc, niestety już też i w nocy), jej pozycję teoretycznie można próbować wyznaczyć czaszą anteny satelitarnej. W tym celu najlepiej posłużyć się odkręconą od stojaka, w miarę dużą czaszą i tunerem ustawionym na dowolnej częstotliwości z dowolnym SR - co ważne, odbiornik powinien dawać możliwość odczytu osobno siły i jakości. Nie muszę chyba dodawać, że przy takich pomiarach należy zapewnić sobie możliwość całkowicie swobodnego manewrowania anteną i jednoczesnego obserwowania wskaźników.
- Zauważyłem kiedyś przy próbie łapania satelitów znajdujących się nisko nad horyzontem charakteryzujących się ekstremalnie małym kątem elewacji - np. Yamala na 90E, że za bardzo pochylona antena offsetowa patrzy "w ziemię", co na tunerze powoduje wzrost siły. Podobnie z celowaniem w budynek. Zaś antena wycelowana w niebo, w przypadkowym kierunku, powoduje wyraźny spadek wskaźnika siły (względem kierunku "w ziemię") i jego drobne fluktuacje - w zależności od kierunku na niebie - czy mogą one wynikać z trafiania w szumiące ciała niebieskie? Muszę przeprowadzić więcej pomiarów szumu nieba i poszukać w sieci raportów z podobnych prób.
Tak czy inaczej, nic nie pobije zwykłego, najzwyklejszego "szumu" na ekranie analogowego telewizora czy też analogowego szumu na dowolnej częstotliwości radiowej - część tego czarno-białego chaosu to... echo Wielkiego Wybuchu. Prawie 14 mld lat świtlnych historii stąd.


Praca domowa dla mądrych głów:
1. W Polsce zjawisko Sun Outage zachodzi na przestrzeni ok. tygodnia na przełomie lutego i marca oraz ponownie w pierwszej połowie października. Jak jest w szerokościach geograficznych na północ i południe od nas? A jak na półkuli południowej?
2. Skoro Słońce potrafi ustawić się za Satelitą, to czy potrafi to też Księżyc dając "moon-outage"? Jeżeli tak, to kiedy najintensywniej?

Sporo ciekawych informacji w temacie SunOutage dostarcza także ta strona: http://stud.pam.szczecin.pl/~pastupam/satel/index.html

Ponowne spotkania Słońca z satelitami nastąpią jesienią, około dwa tygodnie po równonocy jesiennej. Mam nadzieję że dzięki powyższym obserwacjom i wiedzy, badających zjawisko będzie więcej.

No comments :

Post a Comment