Voilelec     Retour page précédente
//
 

Projet goniomètre enregistreur

(Note)

Maj : 10/09/02

 

Introduction

Ce projet et une application spécifiquement radioamateur. Il faut être équipé d'aériens rotatifs avec un rotor classique en tête de pylône et un boîtier de commande à la base.
Un goniomètre (du grec gônia, angle) est un dispositif destiné à relever un angle. Dans notre cas, c'est un enregistreur de l'intensité du signal en fonction, de l'angle de gisement.
Ce projet est très simple, il consiste à enregistrer le niveau d'un signal radio constant, donné par un récepteur calé sur une fréquence fixe pendant un tour d'antenne d'environ une minute.
La prochaine fois que les Allemands reviendront, il leur servira à chasser les résistants qui émettront clandestinement vers Londres.
En attendant, ce système simple est très utile pour relever le gisement d'une station pirate (encore la Gestapo…), mais surtout de trouver la meilleure réflexion vers un correspondant dans le cas d'une propagation indirecte.
Pour une station en liaison directe, il permet de faire un relevé très précis des lobes parasites de l'antenne.

 

 

La carte d'interface

Pour réaliser ce projet, il faut commencer par réaliser l'interface.
La carte à Pic universelle comportera le module d'acquisition analogique-numérique.
Une des deux entrées du convertisseur lira la position du potentiomètre de recopie du rotor. L'autre entrée lira le S-mètre du récepteur. Ces deux signaux seront évidemment adaptés à la plage d'entrée des convertisseurs, souvent de 0 à 5 volts.
Le principe de fonctionnement est simple. Le rotor est d'abord calé à une position extrême, l'atténuation du récepteur est réglée pour que le signal ne sature pas au maximum.
Le programme passe en mode enregistrement et le rotor lancé pour un tour. Il faut régler pour obtenir un relevé par degré.
Les données sont ensuite archivées et la courbe tracée sut un diagramme circulaire, comme les représentations habituelles du gain des antennes.

Ce projet est facile si vous maîtrisez le microcontrôleur.
Il comporte une petite partie électronique, pour adapter les tensions au convertisseur. Cela se fait avec un amplificateur opérationnel par voie. Il faut ensuite faire un étalonnage très soigné.

 Haut de page

 

Etalonnage du rotor

Il est préférable, si une bonne précision est recherchée, de déposer le rotor, de le démonter pour révision, changement de graisse et contrôle des jeux et de l'étalonner sur l'établi.
J'utilise pour ma part un Yaesu G800-SDX en rajoutant une fonction très souvent absente même sur les bons rotors, des points de référence très précis Sud et Nord (avec E et W pour les plus soigneux). Il y a deux points N (nord), aux deux extrémités du potentiomètre, celui venant de l'W (ouest), celui venant de l'E (est). Le S (sud) est à mi-course du potentiomètre.
Cette réalisation est délicate, il faut un système très fiable et de grande précision. La réalisation par capteur à effet Hall et aimants n'est pas la meilleure, il est très délicat d'avoir un angle de réponse faible et les circuits sont sensibles aux décharges statiques, ce qui diminue la fiabilité. Avec ce système, on utilise de préférence un seul capteur et un seul aimant, le top est donné par le passage d'un fil métallique entre les deux qui perturbe le champ. Cela s'obtient en collant ou en vissant de petites tiges sur le bord intérieur de la cloche.
La méthode optique est préférable, il faut s'adapter à la mécanique existante. Quand cela est possible, je préfère peindre le bord interne de la cloche en noir mat et repérer les positions par un trait blanc en utilisant un capteur à réflexion. Si la cloche n'est pas parfaitement étanche, la marque se salira avec le temps et le signal disparaîtra. Il vaut mieux alors passer en magnétique.
Le contrôle s'effectue en plaçant un rapporteur circulaire sur la cloche, un spot laser éclaire la couronne. Ce spot est réalisé par un porte-clefs laser, sous alimenté par un petit bloc secteur (attention la moindre surtension est instantanément fatale pour la diode…).

Quelle que soit la méthode choisie, il faut renvoyer un signal sur un fil libre du rotor (la prise a souvent des plots libres). Si tous les plots sont pris, c'est un peu plus compliqué car il faut superposer un signal a une fonction existante. Dans tous les cas il faut récupérer un signal étroit aux positions d'étalonnage. Je conseille de relever les tensions sur le potentiomètre avec un voltmètre numérique très précis en fonction de l'angle, en ayant mesuré auparavant les résistances exactes des fils du câble définitif, du pupitre de la station au rotor en position définitive afin de faire la mesure dans des conditions identiques. La méthode consiste à court-circuiter tous les fils dans la prise supérieure, et à mesurer au pont, en bas, chaque fil séparément en utilisant tous les autres en parallèle comme référence. Le calcul est simple si tous les fils sont identiques, un peu plus subtil s'il y a plusieurs diamètres. Les puristes seront surpris de constater que tous les fils (apparemment) identiques n'ont pas la même résistance.

Pour les débutants, exemple pratique et simple de mesure.
Supposons que le câble soit installé, il mesure une trentaine de mètres entre la tête du pylône et le pupitre de la station. Le câble est un 12 fils identiques dont certains seront triplés pour la puissance moteur. Tous les fils sont provisoirement reliés par une prise provisoire à la place du rotor. Supposons que les fils soient identiques, de résistance R, nous les mesurerons chacun à tour de rôle pour voir si aucun n'est coupé ou si une soudure n'est pas défectueuse. Nous allons tester fil a fil, donc, vu d'en bas, R en série avec 11 R en parallèles, soit R + R/11 = (11 R + R) / 11 = R (12 /11). Comme nous avons mesuré 12/11 R, la R cherchée sera donc les 11/12 de la valeur lue, c'est à dire que si vous avez mesuré 1.2 ohm, chaque fil aura une résistance de 1.1 ohm. Simple non ?

 Haut de page

 

Astuce !

Si vous n'avez pas de pont d'impédance, vous pouvez faire une bonne mesure très simplement. Alimentez les fils avec une alimentation stabilisée 12 volts, en série avec un ampèremètre et une ampoule de phare de voiture. Vous faites circuler un courant de 3 ampères environ, donc vous mesurez avec un simple voltmètre environ 3 volts pour une résistance de l'ordre d'un ohm. Cette méthode a le gros avantage de détecter les fils partiellement coupés ou oxydés qui vont griller et éviter une panne ultérieure.

L'étalonnage terminé vous avez donc une table de tension lue au pupitre en fonction de l'angle du rotor, plus des points de recalage.
Il faut rentrer cette table sous Excel et calculer les écarts pour voir si les mesures sont bonnes.
Cette table nous servira par la suite pour étalonner le convertisseur après avoir converti la tension d'une butée à l'autre du potentiomètre en 0 à 5 volts par un amplificateur d'instrumentation.

 Haut de page

 

Etalonnage du S-mètre

Le premier réglage consistera encore à transformer la déviation de l'aiguille du S-mètre en tension 0 à 5 volts. Pour les premiers essais cela suffit. Ensuite, il faudra étalonner le récepteur, avec un générateur et des atténuateurs calibrés pour sortie des valeurs de champ en microvolt et en décibel, ceci étant la partie purement radio que se doit de maîtriser le radioamateur.

Je décrirai en détail la conversion et l'interfaçage RS-232 dans une autre page. C'est une application directe élémentaire.

Nous disposons maintenant du moyen de mesurer avec précision un gisement et un niveau de signal en dialoguant avec la carte par le port série, et en plus de tops de références sur un fil arrivant sur le pupitre du rotor qui seront lus sur un oscilloscope ou envoyés sur une led.

Une fois lancé, le programme du Pic envoie simplement en permanence les deux lectures des convertisseurs sur 16 bits et un retour chariot, environ mille fois par seconde, et c'est tout. C'est le mode le plus simple, seule l'émission série est utilisée.

 Haut de page

 

Les programmes sur le PC

Tout le reste n'est plus qu'une question de logiciel sur le PC.

Affichage des données d'acquisition

Sur le PC le programme affiche plusieurs fenêtres en exploitant ces valeurs.
Ces fenêtres rafraîchies en permanence montrent pour informations et réglages :
La valeur brute du premier convertisseur
La traduction en tension (simple règle de trois de conversion de l'hexadécimal en décimal)
La conversion en angle de gisement final d'après la table d'étalonnage (affichage avec une décimale après la virgule)
La valeur brute du deuxième convertisseur
La traduction en tension (idem)
La conversion en unités S, en décibels et en microvolts d'après les tables d'étalonnage.

Ce mode statique sert pour tous les réglages, ce module logiciel sera aussi appelé comme sous -programme par le programme principal.
Le programme goniomètre se compose de diverses phases.

 Haut de page

 

La phase d'acquisition

Le rotor est sur calé une butée, l'enregistrement est lancé, l'ordre de rotation du rotor est envoyé. Après un tour complet (360 + 20 ou 30 degrés) l'autre butée est atteinte et l'enregistrement arrêté. Ne pas dérégler les butées sous peine de détruire le potentiomètre, le butées électriques sont très proches des limites mécaniques du potentiomètre.
Nous nous retrouvons après plus d'une minute à 1000 enregistrements par seconde avec environ 500.000 couples de valeurs sauvées dans un fichier.
La phase de traitement des données
Il faut maintenant exploiter ce fichier de données sauvé sur le disque. Ce n'est plus que de la programmation simple qui commence par vérifier si les données brutes sont cohérentes et éliminera les points aberrants et les doublons (en prenant la moyenne) et en signalant les erreurs.
Ensuite ce nouveau fichier, sans doublon angulaire, est exploré pour récupérer les points les plus proches des valeurs correspondant à des angles entiers (sans décimale).
Il est souvent utile de faire plusieurs passes pour optimiser ces fichiers provisoires.
Le résultat final sera un nouveau fichier à 360 couples de valeurs, l'angle et l'intensité du signal.
Ce fichier définitif est sauvé après demande du nom et du chemin et remplissage d'une zone de commentaires.

 Haut de page

 

La phase d'affichage du résultat final

C'est de loin la plus simple à écrire. Ce dernier programme indépendant lit le fichier de données et dessine à l'écran et pour l'impression des cercles concentriques montrant les niveaux de signal en fonction de l'angle (courbe polaire) ainsi que les commentaires. C'est la représentation classique du lobe de rayonnement d'une antenne. Il peut être écrit en Visual ou sous forme d'une macro-commande Excel. Sur l'écran le contenu de la courbe peut être rempli pour améliorer la visibilité, mais pas sur la sortie imprimante pour économiser l'encre.

 lobe d'antenne yagi

Lobe de rayonnement d'une antenne yagi  

Ce sera le résultat obtenu entre deux statuions très dégagées, sans réflexions parasites. Dans la pratique les lobes seront beaucoup plus perturbés et non symétriques à cause des multiples réflexions et absorptions par les obstacles.

 Haut de page

 

Le module de cartographie

Si plusieurs amateurs relèvent le même signal, il est encore possible de faire mieux (option Gestapo). En combinant au moins 3 fichiers provenant de 3 positions différentes connues (qth), ces points seront reportés sur une grille avec un calcul de zone de recouvrement montrant la position de la station visée (zones de gris croissants avec la probabilité). Cette application est de la trigonométrie élémentaire. Les diverses courbes sont recadrées proportionnellement pour avoir un maximum en pleine échelle. Pour chaque point de la grille le poids (c'est à dire la valeur du niveau) correspondant à chaque station d'écoute (la valeur du signal dans cette direction) est calculé. Le poids final de chaque point est la somme des carrés des diverses observations converties en niveaux de gris (noir pour le maximum). Cette grille avec les courbes de niveau est ensuite superposée sur un fond de carte.

 Haut de page

 

Autre utilisation de cette carte

La carte de contrôle du rotor ne sert pas que pour chasser les terroristes, mais, en l'adaptant un peu, pour réaliser une poursuite automatique des satellites. Des contacts de commandes piloteront les rotors site (élévation) et azimut (direction angulaire ou cap).
Il y a deux approches totalement différentes possibles.
La solution simple, mais certainement la meilleure, consiste à effectuer tous les calculs sur le PC, au travers d'un programme déjà parfaitement éprouvé, comme InstantTrack par exemple. Les ordres sont directement envoyés au moteur par le port série, il y a très peu de soft à réaliser du coté du microcontrôleur.
La solution compliquée consiste à faire les calculs dans le microcontrôleur, cela a l'avantage de libérer le PC mais la complexité est considérable et n'est pas à la portée d'un programmeur de niveau moyen.
Pour ma part je préfère faire tourner InstantTrack ou autre, sur un vieux PC portable. Cela a tous les avantages, et libère la station principale. Ces vieux PC se trouvent sur le marché de l'occasion autour de 150 € suivant la taille de la RAM et du disque.

 Haut de page

 

Remarque

Il existe deux interfaces commerciales pour les rotors Yaesu, Les GS-23 et GS-232. Le microprocesseur est un HD6303p, rom 27c64, ram 6264, convertisseur HD46508p de 10 bits. Le projet décrit n'est pas un piratage de ces produits, mais une réalisation originale, avec des composants plus modernes. Pour conserver la compatibilité avec les logiciels de pilotage de rotors existants, notre carte émulera exactement celle de Yaesu et utilisera strictement les mêmes commandes, plus d'autres en bonus.
La carte Kansas City Tracker est très répandue il faudra aussi l'émuler.

Il existe divers bons logiciels de pilotages de rotors, il faut évidement conserver la compatibilité. Un des leaders des logiciels de poursuite satellite est InstantTrack, avec les modules d'interfaçages comme Orbit dont le code source est disponible. L'interface acceptera évidement toutes les commandes classiques. Vous trouverez quelques logiciels classiques à charger et à connaître pour commencer avec le pilotage de rotors.

Je détaillerai ultérieurement chacun de ces modules logiciels pour transformer cette note préliminaire en page exploitable.
Le résultat de cet ensemble est très spectaculaire et le radioamateur l'utilisera souvent pour faire des relevés de toutes sortes de signaux.

 

 

Liens

Logiciels de pilotages rotors : perso.libertysurf.fr/f5ru/ftpsoft
InstantTrack 1.50 : amsat.org/amsat/instanttrack/
Kansas City Tracker Web Site : amsat.org
ARS EA4TCX Controlling any antenna rotator with a computer : ea4tx.com
Review of ARS : eham.net/reviews
Complete tracking system for EME antenna including Sun/Moon tracking (8051) : Lien mort
Antenna Tracking Interface : ah6le.net/emeinterface
Tracking Interfaces Rotor Control Programs for Windows : Lien mort
Hands Free Rotor Control plus RS232 : idiompress.com/rotor-ez
Norm's Rotor Service : rotorservice.com
Yaesu rotators : universal-radio.com/catalog/hamrot/ysurot

* Liens vérifiés le 16/06/09

© Christian Couderc 1999-2014     Toute reproduction interdite sans mon autorisation