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2. Wie es zu meinem eigenen iGate kam
GPS-Tracking hat mich schon lange vor dem Amateurfunk interessiert. Bei klassischen GPS-Trackern werden die Positionsdaten jedoch meistens über das Mobilfunknetz oder Satelitt übertragen. Dadurch benötigt man eine Abonnement, wodurch laufende Kosten entstehen können. Deshalb blieb es bei mir lange bei einem Wunsch.
Umso grösser war meine Freude, als ich nach der Amateurfunkprüfung auf APRS stiess. Damit lassen sich Positionsdaten und weitere Informationen direkt über Funk übertragen – ganz ohne Abonnement.
Gleichzeitig hatte ich noch passende Hardware in meiner Bastelkiste: einen älteren Noname-SDR auf Basis eines RTL-Chips und einen Raspberry Pi 3. Für Projekte mit grossen Datenmengen ist der Pi 3 wegen seiner älteren Netzwerktechnik inzwischen eher langsam. Er besitzt aber ein stabiles WLAN – und für die sehr kleinen APRS-Datenpakete reicht seine Leistung mehr als aus.
APRS benötigt nur sehr wenig Bandbreite. Die über Funk ausgesendeten Positionspakete werden normalerweise jedoch nicht bestätigt und nicht automatisch wiederholt. Wird ein Funkpaket nicht vollständig empfangen oder kann es nicht decodiert werden, ist genau diese Aussendung verloren. Ein zuverlässiger Dauerbetrieb des iGates ist deshalb wichtiger als eine schnelle Netzwerkverbindung.
Da SDR und Raspberry Pi bereits vorhanden waren, entschloss ich mich, daraus ein eigenes I-Gate für das 2-Meter-Band zu bauen.
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3. Was ist APRS?
APRS ist ein digitales Datenübertragungssystem. Für das Aussenden von APRS-Daten auf Amateurfunkfrequenzen benötigt man eine Amateurfunkkonzession und ein Rufzeichen. Das Empfangen der Signale und das Betrachten der Daten auf APRS.fi ist dagegen frei möglich.
APRS überträgt kleine Datenpakete per Funk. Darin können Position, Geschwindigkeit, Höhe, Wetterdaten, Statusmeldungen oder Telemetrie enthalten sein. In Europa wird dafür auf dem 2-Meter-Band hauptsächlich 144,800 MHz für APRS verwendet. Höherwertige Mobilfunkgeräte im VHF/UHF bereich bieten oft APRS und haben GPS Empfang um Positionsdaten Automatisch zu senden.
Das hier beschriebene iGate ist eine Empfänger für das klassische APRS-Signal auf 144,800 MHz. Es ist ein RX-Only I-Gate. Das heisst die Daten werden empfangen und in das Internet weiter geleitet. Es passiert hier keine Aussendung und hat auch kein GPS empfang. Da das stationäre iGate keinen GPS-Empfänger besitzt, wurde sein Standort manuell ermittelt und in Dire Wolf eingetragen. Dire Wolf übermittelt diese Stationsposition an APRS-IS; APRS.fi stellt sie anschliessend dar.
APRS ist nicht zwingend an eine bestimmte Funktechnik gebunden. Neben dem klassischen APRS auf dem 2-Meter-Band gibt es auch LoRa-APRS. Auch wenn es für LoRa Lizenzfreie betriebs Arten gibt. Ist für Lora APRS eine Amatefunklizenz und ein Rufzeichen nötig. Aber mehr zu LoRa-APRS in einem eigenen Projekt.
Daneben gibt es auch Positions- und Datenübertragung über CB-Funk. Dafür ist keine Amateurfunkkonzession erforderlich. Für Packet Radio wird in der Schweiz jedoch ein entsprechendes Datenfunkrufzeichen des BAKOM benötigt.
Es ist wichtig zu wissen, APRS ist nicht Fläche dekend. Und wie vieles im Amateurfunk ist es Experimentell. Somit ist es kein Tracker für Notfall sitautionen, kein Notrufsystem.
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4. Der erste Empfangstest
Bevor der SDR dauerhaft mit dem Raspberry Pi verbunden wurde, testete ich ihn zunächst am Laptop. Mit SDR++ stellte ich den Empfänger auf die europäische APRS-Frequenz von 144,800 MHz ein.
Bei diesem ersten Test ging es noch nicht darum, APRS-Pakete automatisch auszuwerten. Zunächst wollte ich herausfinden, ob der vorhandene Noname-SDR grundsätzlich funktioniert, ob an meinem Standort APRS-Signale empfangen werden können und welche Verstärkung dafür sinnvoll ist.
Dazu beobachtete ich das Spektrum und veränderte die Verstärkung schrittweise. Eine möglichst hohe Einstellung ist nicht automatisch besser: Zu viel Verstärkung hebt nicht nur das gewünschte Signal, sondern auch das Rauschen an und kann den Empfänger durch starke Signale übersteuern.
Dabei zeigte sich auch, dass die Frequenzanzeige des SDR nicht genau stimmte. Die empfangenen Signale erschienen gegenüber der eingestellten Frequenz verschoben. Ursache war die Abweichung des Referenzoszillators im günstigen SDR-Stick. Durch eine Korrektur von ungefähr 57 bis 58 ppm liess sich diese Abweichung ausgleichen.
Als brauchbarer Ausgangswert für die Verstärkung erwiesen sich ungefähr 33 dB. Damit waren die Signale auf 144,800 MHz im Spektrum gut erkennbar und die Grundlage für den nächsten Schritt geschaffen: den automatischen Empfang und die Decodierung mit dem Raspberry Pi.
Dieser erste Test fand in meinem Shack statt. Die ermittelte Verstärkung war deshalb nur ein Ausgangswert für diesen Aufbau. Am späteren Standort können sich die Empfangsbedingungen durch eine andere Antenne, längere Kabel, einen erhöhten Montageort und lokale Störsignale deutlich verändern. Die Verstärkung sollte daher nach der endgültigen Montage nochmals überprüft und gegebenenfalls angepasst werden.
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5. Raspberry Pi OS Lite
Ich habe mich gegen ein fertiges Image entschieden. Um das ganze schlank und übersichtlich zu halten. Ich entschied mich für Raspberry PI OS Lite. Das ist eine Headless-Version. Die hat selber keine Grafische ausgabe. Alles läuft über das Terminal und SSH. Das iGate arbeitet ohne Bildschirm, Tastatur und Maus und wird über das Netzwerk verwaltet. Eine grafische Oberfläche wäre deshalb unnötig und würde lediglich zusätzlichen Speicherplatz und Systemressourcen benötigen.
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6. Empfang und Decodierung
Antenne → SDR → rtl_fm → Dire Wolf → Internet→ APRS.fi
Auf dem Raspi laufen zwei Programme. rtl_fm stimmt den SDR auf 144,800 MHz ab und liefert das Audiosignal. Das Audiosignal wird aber in unserem fall nur intern weitergegeben. Also keine Ausgabe auf Lautsprecher oder Kopfhörer. Dire Wolf erkennt darin die 1200-Baud-AFSK-Pakete, wertet sie aus und leitet gültige Pakete an das Internet weiter. Wo die Daten auf APRS.fi dargestellt werden.
Die Programme wurden über die zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Paketquellen installiert. Da sich Installationswege und Paketversionen ändern können, werde ich hier bewusst keine vollständige Installationsanleitung wiedergegeben.
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7. Was zeigt APRS.fi?
APRS.fi ist die Internet Seite die APRS Daten Sammelt und darstellt. Sowohl die Daten vom Klasischen APRS und LoRa APRS. Dazu gehören:
- aktuelle und frühere Positionen
- zurückgelegte Strecken
- Geschwindigkeit, Kurs und Höhe
- Statusmeldungen
- Rohdaten der APRS-Pakete
- Informationen darüber, über welches iGate ein Paket ins Internet gelangte
Die meisten Daten sind direkt einsehbar und auf der Karte dargestellt. Für einige zusätzliche Funktionen ist jedoch eine Registrierung erforderlich. Wichtig zu verstehen ist, APRS.fi erzeugt diese Daten nicht selbst. Die Seite stellt nur die Informationen übersichtlich dar. Welche von den Funkamateuren freiwillig gesendet werden.
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8. Die Netzteil-Stolperfalle
Der Raspberry Pi 3 und der angeschlossene SDR-Stick können zusammen etwas mehr als 1A benötigen. Ein ungeeignetes Netzteil oder ein zu dünnes USB-Kabel lässt die Versorgungsspannung einbrechen. Der Raspberry kann dadurch während des Startvorgangs immer wieder neu booten. Deswegen benötigt wird eine stabile Versorgung. Offizielle Raspberry-Pi-Dokumentation empfielt 5V und 2.5A. Der Raspberry Pi 3 fordert keine höhere Leistungsstufe per moderner Ladeprotokoll-Aushandlung an. Weshalb es nicht Garantiert ist, das Ladegeräte mit PD oder Quick-Charge funktioniern obwohl sie geung Strom liefern könten. Ebenso wichtig ist ein ausreichend gutes und kurzes Micro-USB-Kabel, da auch dessen Spannungsabfall Unterspannungsprobleme verursachen kann.
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9. Gehäuse und Montage
Für Raspberry Pi und SDR wurden passende Gehäuse aus dem 3D-Drucker verwendet. Die Modelle stammen nicht von mir und werden deshalb auf dieser Seite nicht selbst zum Download angeboten.
Zwischen Antenne und SDR empfiehlt sich zusätzlich ein kleiner Bandpassfilter für das 2-Meter-Band. Das ist besonders sinnvoll, wenn am gleichen Standort eine leistungsstarke Funkanlage betrieben wird, beispielsweise mit 100 W auf Kurzwelle. Der Filter dämpft starke Signale ausserhalb des gewünschten Frequenzbereichs, bevor sie den SDR erreichen. Dadurch bietet er dem empfindlichen SDR-Eingang zusätzlichen Schutz, reduziert das Risiko von Übersteuerung und hält unerwünschte Signale auf anderen Frequenzen vom Empfänger fern. Einen vollständigen Schutz garantiert ein solcher Filter jedoch nicht und er ersetzt keine ausreichende Trennung zwischen Sende- und Empfangsantenne.