Due anni e mezzo di sperimentazione e un anno di osservazioni: bilancio e prospettive future
La stazione ricevente RALmet, dedicata alla cattura dei radio-echi meteorici in banda VHF (frequenza 143.050 MHz) e alla loro analisi statistica, è operativa dall’estate 2015: dopo un lungo periodo di sperimentazione, necessaria per la messa a punto dell’hardware e del software di gestione, si è raggiunta la necessaria “stabilità operativa” negli ultimi mesi del 2017 per iniziare le osservazioni automatiche il 1 Gennaio 2018. L’obiettivo è quello di lavorare con continuità, si spera senza grossi problemi tecnici, negli anni a venire.
Per “stabilità operativa” intendo il raggiungimento di una configurazione ottimale del sistema ricevente (antenna, ricevitore, sofware di acquisizione e di elaborazione dei dati) basata su un’accurata valutazione dei fattori importanti che condizionano l’efficienza e l’affidabilità a lungo termine del radio-monitoraggio meteorico. Questi fattori riguardano le caratteristiche del trasmettitore che “illumina” il cielo (il tipo di segnale trasmesso, la potenza e la direttività dell’antenna trasmittente), la distanza trasmettitore-ricevitore (configurazione del radar bistatico) e l’inquinamento elettromagnetico presente nello scenario del ricevitore (disturbi e interferenze locali in banda VHF, presenza di aeroporti e altro). Se la stazione ricevente è dedicata allo studio continuativo del fenomeno meteorico che si sviluppa lungo un ampio intervallo temporale, con funzionamento automatico in località remote non presidiate, è necessario che tali fattori siano accuratamente ponderati per ottimizzare la progettazione e l’installazione del sistema. Queste caratteristiche stabiliscono la differenza fra una stazione dedicata e una stazione utilizzata saltuariamente per catturare gli eventi più “vistosi” quando si verificano i principali sciami annuali.
Il componente di gran lunga più critico per l’affidabilità di un sistema di monitoraggio radio-meteorico automatico è il computer di stazione (PC) che ospita il software di acquisizione tramite il quale, utilizzando una connessione internet, è possibile controllare a distanza lo strumento e scaricare i dati da elaborare. E’ necessario che il PC sia dedicato a questo compito: la sua messa a punto è un’operazione delicata e non banale. Il sistema, opportunamente configurato, deve ospitare solo il software necessario al funzionamento della stazione, impostando le priorità delle applicazioni, minimizzando l’accesso al disco fisso e memorizzando gli spettrogrammi e i dati ottenuti dal conteggio dei radio-echi su un supporto di memoria flash esterno removibile (tipicamente una chiavetta USB che sarà sostituita una volta all’anno). Se, come nel nostro caso, si è deciso di catturare tutti gli eventi che si manifestano entro la banda di misura, anche quelli imprevedibili e non necessariamente correlati con l’attività meteorica, sarà necessario salvare uno spettrogramma ogni qualche minuto (periodicità scelta in funzione della velocità di scansione impostata), oltre al file giornaliero che contiene il conteggio e i parametri dei radio-echi meteorici. Possiamo facilmente immaginare quante operazioni di scrittura il sistema esegue sul supporto di memorizzazione in un anno di attività continua…
Effettivamente, le cause più frequenti di interruzione nell’acquisizione dei dati sono dovute a problemi nel PC causati da instabilità del sistema operativo, interferenze fra le varie applicazioni attive e/o fra driver, problemi nati in seguito ad aggiornamenti del sistema operativo ed instabilità nella connessione di rete e nell’alimentazione. L’utilizzo di un computer portatile con batterie alimentato da rete o di un piccolo gruppo di continuità risolve il problema delle interruzioni della tensione di alimentazione, un pò di pazienza e di sperimentazione “ragionata” sono necessarie per configurare il sistema ottimizzando le prestazioni del PC. Come vedremo, il ricevitore della stazione RALmet è stato progettato in modo da riattivare le impostazioni di base, come la frequenza di ricezione, ogni volta che si interrompe e si ripristina la tensione di alimentazione.
Un pò di storia e di questioni tecniche…
I primi test sono iniziati nel 2015 monitorando la porzione dello spettro radio in banda VHF compresa fra 142 MHz e 144 MHz, centrata sui segnali del potente radar francese GRAVES che trasmette continuamente una portante sinusoidale alla frequenza di 143.050 MHz. Dettagli su questa tecnica di monitoraggio si trovano nella pagina “Osservazione radio degli eventi meteorici”. Un’accurata analisi dei segnali localmente presenti in questa porzione di banda, insieme allo studio delle caratteristiche del sistema ricevente necessario per una ricezione ottima dei radio-echi meteorici, ha fornito le indicazioni per la progettazione del ricevitore e per la scelta del software di acquisizione. Senza nulla togliere alle eccellenti caratteristiche dei ricevitori tradizionalmente utilizzati in banda VHF dai radioamatori, un pò per piacere di autocostruzione e di economia, un pò per ottimizzare le prestazioni di uno strumento dedicato a questo lavoro, ho deciso di progettare e costruire “ad hoc” il ricevitore partendo da moduli già disponibili nel mio laboratorio. Nella seguente figura si vede lo schema a blocchi dello strumento.
Pensando di utilizzare l’ottimo software SpectrumLab (liberamente scaricabile dal web) configurato per l’acquisizione e per il conteggio automatico degli eventi, si è strutturato il ricevitore come sistema super-eterodina a tripla conversione di frequenza con uscita in banda-base nella finestra [0.5-48] kHz, in modo da gestire i segnali con la scheda audio del computer (interna o esterna). Una scelta mirata delle bande intermedie di conversione, abbinata a un energico filtraggio, garantiscono un’efficace reiezione verso i segnali interferenti fuori banda e ottimizzano la dinamica del sistema verso i segnali interferenti in banda, scongiurando distorsioni. Per questi motivi è molto efficace la struttura ricevente super-eterodina quando è necessario monitorare con precisione sempre lo stesso intervallo di frequenze.
Dato che l’ampiezza tipica della banda di monitoraggio dei radio-echi meteorici è, al massimo, 1 kHz (centrata sulla frequenza del trasmettitore traslata in banda base), impostando strategicamente la frequenza del primo oscillatore locale (controllato da un dispositivo DDS) si ottimizza la finestra di ricezione rispetto alle interferenze locali. Con particolare cura è stata definita la banda di ingresso del ricevitore e la capacità di reiezione dei segnali fuori banda, in modo da garantire adeguata robustezza verso le interferenze e i disturbi sempre presenti in banda VHF.
Come si è detto, la struttura dello stadio di uscita del ricevitore (segnali complementari in fase e in quadratura) è stata scelta per sfruttare la flessibilità di SpectrumLab, configurando il software in modo da implementare la sezione in banda-base “audio” di un ricevitore SDR con reiezione della frequenza immagine. E’ stata inoltre programmata una sequenza di azioni condizionali che automatizzano l’acquisizione, il conteggio giornaliero dei radio-echi meteorici e la cattura continua periodica degli spettrogrammi. I dati giornalieri, salvati in un file di testo, sono successivamente scaricati via internet ed elaborati da altri programmi sviluppati “ad hoc” che analizzano, filtrano, conteggiano e trattano statisticamente gli eventi visualizzando i risultati in forma di grafici e di tabelle.
A tutto vantaggio della precisione di misura, nel ricevitore non sono presenti stadi demodulatori del segnale ricevuto e controlli automatici del guadagno che, sebbene indispensabili nelle normali operazioni di radiocomunicazione, introdurrebbero inaccettabili distorsioni nella rivelazione e nella misura dell’intesità dei radio-echi meteorici. Gli impulsi ricevuti sono direttamente traslati in banda-base per essere analizzati nel dominio della frequenza e del tempo, i criteri di rivelazione e di selezione dei radio-echi meteorici rispetto al rumore di fondo (e ai disturbi locali naturali e artificiali) sono implementati via software, parte nelle azioni condizionali di SpectrumLab, parte durante il processo di post-elaborazione. Le figure precedenti mostrano l’algoritmo di rivelazione implementato nelle azioni condizionali di SpectrumLab che opera seguendo una soglia dinamica e una soglia statica (la traccia blu orizzontale) per evidenziare gli impulsi meteorici rispetto al rumore di fondo. E’ stato preparato un set di regole che tenta di discriminare gli impulsi spuri dovuti a interferenze artificiali, scariche elettriche atmosferiche, radio-echi dovuti a aeromobili ed altro. Qui la perfezione non esiste e i tentativi di miglioramento sono continui, dettati dall’esperienza e dall’osservazione, imposti dalle particolari condizioni dell’ambiente elettromagnetico locale.
Inizialmente è stato costruito e sperimentato un sistema di antenna composto da due yagi a tre elementi ortogonali, installate in modo da “vedere” il cielo allo zenit. Dopo un anno di prove discontinue con buoni risultati, un violento temporale ha danneggiato la struttura, poi sostituita con un semplice e robusto dipolo rigido, equipaggiato con balun, sistemato orizzontale con l’asse di massima sensibilità orientato nella direzione trasmettitore-ricevitore (come si vede nella prima immagine dell’articolo). Con il tempo si è visto che questa semplice antenna, abbinata a un sensibile ricevitore distante circa 600-1000 km dal trasmettitore, offre diversi vantaggi nel monitoraggio e nel conteggio dei radio-echi meteorici: economia e semplicità costruttiva, diagramma di ricezione esteso (scarsa direttività) che consente di “vedere” un’ampia regione del cielo e, qualità molto importante, eccellente resistenza agli agenti atmosferici. E’ ovvio che tale soluzione, ottima per un monitoraggio “panoramico” con finalità statistiche, non è buona quando serve catturare, con la massima sensibilità, il segnale riflesso da un target ben definito. In questo caso è opportuno utilizzare sistemi di antenna molto direttivi, come insegnano i radioamatori che si occupano di moon bounce.
Considerando che l’obiettivo della stazione RALmet è quello di monitorare per lunghi periodi di tempo il flusso meteorico, collezionando dati utili per analisi statistiche piuttosto che evidenziare singoli eventi, la scelta di utilizzare un sistema di antenna non troppo direttivo si è rivelata ottima. Un’evoluzione auspicabile, particolarmente indicata per le finalità del nostro lavoro, è rappresentata da un dipolo orizzonale installato sopra un riflettore piano, o da due dipoli incrociati (polarizzazioni ortogonali) con riflettore. Dato che questa scelta modifica la sensibilità del sistema ricevente, sarà presa in considerazione per la stazione RALmet fra qualche anno: nel frattempo conto di acquisire un numero sufficiente di dati utili per evidenziare le variazioni dei flussi meteorici annuali quando si verificano i principali sciami.
La distribuzione in frequenza giornaliera dei radio-echi meteorici è un esempio ulteriore, molto interessante e utile, di informazione ottenibile dall’elaborazione dei dati acquisiti. Nei grafici seguenti l’asse orizzontale rappresenta il tempo, espresso in ora del giorno (UTC), quello verticale la frequenza (banda-base) dell’impulso associato all’evento. Le registrazioni si riferiscono ai primi giorni di Dicembre 2018. Come si vede, l’analisi di questi grafici aiuta a discriminare gli eventi “utili” da quelli indesiderati dovuti ai segnali interferenti. Le frequenze associate agli eventi meteorici, solo quelle, appaiono regolarmente distribuite attorno alla frequenza del trasmettitore (traslata in banda-base) che “illumina” lo scenario, e si manifestano come singoli eventi impulsivi separati, relativamente distanziati fra loro. I disturbi, d’altra parte, si distribuiscono in modo diverso, secondo una “regolarità spettrale” chiaramente riconoscibile. Anche la distribuzione in frequenza di una scarica elettrica temporalesca sarebbe riconoscibile come una sequenza di punti verticali quasi regolarmente allineati.
Come si vede dai grafici, a causa della deriva subita dagli oscillatori locali del ricevitore dovuta alla fluttuazione termica giornaliera (esaltata dalla ridotta banda di misura), varia la frequenza media associata al gruppo di eventi mateorici. La loro distribuzione attorno alla frequenza centrale, inoltre, appare relativamente casuale per le differenti velocità e direzioni di entrata in atmosfera dei meteoroidi che generano la traccia ionizzata. Le prestazioni del sistema ricevente potrebbero essere migliorate perfezionando la stabilità dei riferimenti di frequenza interni, magari disciplinando gli oscillatori locali a un orologio GPS.
Risultati prima del 2018
Giusto per abbozzare un confronto, anche se la configurazione hardware della stazione è leggermente cambiata in seguito, vale la pena presentare alcuni grafici ottenuti prima del 2018. La figura seguente mostra la distribuzione giornaliera dei radio-echi meteorici contati manualmente nel 2016: sono ben visibili i massimi associati ai principali sciami.
Panoramica degli eventi del 2018
I risultati del monitoraggio nel 2018, effettuato con la stazione ricevente nella configurazione definitiva, sono mostrati nelle seguenti figure. Considerando la ridotta sensibilità del conteggio effettuato durante il 2016, che ha rivelato solo gli eventi più energetici, possiamo azzardare un confronto (nella forma della distribuzione, non nell’intensità) con il conteggio dei radio-echi meteorici iperdensi del 2018.
Siamo solo all’inizio: si va avanti perfezionando la stazione e le tecniche di rivelazione, conteggio e analisi dei dati acquisiti. Molte idee sono in cantiere e altre stazioni riceventi saranno installate per sperimentare nuovi metodi di analisi dei dati che ampliano le informazioni ottenibili dal monitoraggio continuo dei radio-echi meteorici. Successivi articoli approfondiranno gli argomenti appena accennati in questa pagina.
Ulteriori considerazioni sugli eventi del 2018 si trovano nell’articolo: “Geminidi 2018: una pioggia di eventi.”