Publié le 7 novembre 2016 - par

Les écoles en contact avec l’ISS : Raspberry pi en fête !

Vue de l'ISS sur fond de Terre. On aperçoit la courbure de la terre et à droite le noir de l'espace et des étoiles.Dans quelques jours, le 17 novembre 2016 si le planning est maintenu, l’astronaute français Thomas PESQUET s’envolera vers l’ISS pour 6 mois.
Depuis Leopold Eyharts il y a 10 ans, aucun Français n’avait rejoint l’ISS !
De nombreuses expériences scientifiques internationales l’attendent.Thomas prendra part à près de 55 autres expériences des agences spatiales américaine, canadienne et japonaise. Mais chaque pays peut aussi confier des missions particulières à son représentant.

 

Raspberry Pi & ISS
Présent à bord de l’ISS, le Raspberry Pi sera aussi actif sur Terre, pour positionner l’ISS sur une carte ou décoder les images envoyées par la Station Spatiale Internationale. Il peut aussi être utilisé pour générer un flux vidéo destiné au réglage des appareils.

Les missions de Thomas PESQUET dans l’ISS

Ce sont sept expériences spécifiques, regroupées sous le nom de mission Proxima.

  1. Aquapad : test d’un un nouvel outil de diagnostic de la qualité de l’eau
  2. EveryWear : nouvelle application sur tablette qui permet un suivi santé des astronautes.
  3. Écho : Test de bon fonctionnement d’un nouvel échographe, télé-opéré en temps réel par un médecin depuis la Terre. Cet outil devrait permettre de disposer d’une expertise médicale à bord de l’ISS, malgré la formation médicale réduite des astronautes.
  4. Matiss : Test en micropesanteur de surfaces intelligentes innovantes capables d’empêcher la prolifération de bactéries.
  5. Perspectives : Ce casque de réalité augmentée aidera à comprendre les bouleversements du cerveau dus aux pertes de repères spatio-temporels à bord de l’ISS.
  6. Fluidics : Étude de la dynamique des fluides dans l’espace.

Photo de Thomas Pesquet tenant un écusson géant de la mission Proxima

Ces expériences semblent être du domaine de la science fiction mais elles trouveront de nombreuses applications sur Terre si elles sont validées.

Mais, me direz-vous « Tu nous avais parlé de 7 expériences et… il n’y en a que 6 ! »

J’y arrive 😉

Proxima et les jeunes

EXO-ISS

L’astronaute français, dont les parents sont enseignants, ne cache pas son enthousiasme à l’idée de partager son expérience avec les jeunes et de les intéresser à son programme scientifique.

Le service Éducation Jeunesse du CNES  a lancé début 2015, auprès des étudiants et lycéens, un appel à propositions d’expériences pédagogiques à tester en conditions de micropesanteur. Trois expériences ont été sectionnées. Nommées EXO-ISS, elles font partie des 7 expériences françaises préparées et suivies par le CADMOS, au CNES de Toulouse.

Des kits d’expérimentation conçus par l’ESA seront distribués par le CNES courant janvier aux établissements français qui en auront fait la demande. Ces kits permettront aux élèves de suivre l’activité de Thomas Pesquet et de comparer leurs résultats avec ceux de l’astronaute français.

Pour plus d’infos sur EXO-ISS et ces expériences lisez cet article.

CERES : études de la croissance des graines

Photo montrant des graines commençant à pousser. c'est une des expériences qui sera faite à bord de l'ISS

Photo Lycée Léon Blum Le Creusot

Étude de la germination des plantes avec des graines de moutarde, de lentilles et de radis.

CRISSTAL : la croissance des cristaux à l’épreuve de la micropesanteur

Photo de cristaus (sel de seignette) qu'on fait "pousser" sur Terre. Leurs homologues créés dans l'espace permettront de montrer l'influence de la micro-gravité.

Photo CRM/CNRS

Étude de la croissance des cristaux dans l’espace.

CATALISS : influence de la micropesanteur sur la réaction enzymatique

Vue de l'expérience qui sera réalisée à bord de l'ISS : digestion des protéines de la gélatine par la pepsine, une enzyme digestive.

Photo Lycée Lachenal Annecy

Étude de l’activité des enzymes en microgravité.

Astro Pi

prx_astro_pi_logo_web_300pxAstro Pi est le nom donné aux 2 ordinateurs présents dans l’ISS qui sont spécialement adaptés à des usages éducatifs. Basés sur le nano-ordinateur Raspberry Pi, ils sont équipés d’un dispositif spécial, le Sense HAT. Le Sense HAT permet de mesurer l’humidité, la température, la pression, les déplacements et même de détecter les radiations, le tout en utilisant uniquement les boutons et la manette, comme pour un jeu vidéo ! Chaque Astro Pi est équipé d’un appareil de capture d’images particulier. Izzy peut « voir » grâce à une caméra infrarouge et Ed grâce à une caméra plus classique.

Attention : Astro-Pi inscription jusqu'au 13 novembre 2016 !
Les inscriptions sont possibles jusqu’au 13 Novembre 2016 ! Si vous voulez participer, vous avez encore quelques jours…
Vous pourrez télécharger le formulaire d’inscription sur https://proxima.cnes.fr/sites/default/files/drupal/201610/default/prx_astro_pi_13_nov_formulaire_fr-defv1.doc il vous suffit de l’imprimer, d’aller voir un enseignant et de lui proposer de participer à Astro-Pi !

Photo des deux Raspberry Pi embarqués dans l'ISS, Ed et Izzy.L’ESA a lancé un challenge basé sur le Raspberry Pi et le langage Python :

« Tout d’abord, il faudra apprendre un maximum de choses sur l’ISS et l’activité des astronautes. Une fois ces connaissances acquises, vous pourrez proposer une idée de mission qui permettra à votre classe d’être sélectionnée et de remporter un kit Astro Pi. Une fois sélectionnée, l’équipe devra relever un défi scientifique lancé par Thomas Pesquet. Votre solution à ce défi sera un programme Python, écrit et testé grâce au kit Astro Pi !  L’ESA et le CNES enverront les meilleurs programmes à Thomas Pesquet quand il sera près d’Ed, dans l’ISS, et transmettront à la classe les résultats des expériences sélectionnées.« 

ARISS : Liaison radioamateur avec l’ISS

logo_arissARISS permet aux élèves du monde entier de parler directement avec les membres de l’équipage de la Station Spatiale Internationale, pour montrer l’intérêt des carrières en sciences, technologie, ingénierie et mathématiques. Vous pouvez visiter le site d’ARISS France pour obtenir plus d’informations.

Ce programme offre aux étudiants  une opportunité de faire l’expérience de la radioamateur en parlant directement avec des astronautes à bord de la station spatiale internationale.

Les éducateurs, les parents et la communauté verront que le radioamateurisme peut susciter de l’intérêt pour les sciences, les technologies et les connaissances.

Le fait de parler avec les astronautes et autres membres d’équipage est une expérience unique. ARISS voudrait profiter de l’opportunité pour intéresser le plus grand nombre d’individus, particulièrement les jeunes, à la technologie et aux programmes spatiaux internationaux par l’entremise du radioamateurisme. »

Ici encore notre framboise favorite intervient 🙂

Localiser l’ISS

Exemple d'utilisation du logiciel Gpredict sur Raspberry PiTout d’abord un Raspberry Pi permet de suivre en temps réel la position de l’ISS sur la Terre. Je vous avais présenté cette possibilité il y a quelque temps avec le programme Gpredict.

Les antennes de l’ISS

Pour tous ceux qui ont monté une antenne, il apparaîtra évident que dans l’espace il y a des contraintes inconnues sur Terre. Par exemple, pas question de faire un trou dans la paroi de l’ISS, d’y passer un câble coaxial avant de refaire l’étanchéité avec un mastic silicone. Ici tout doit être prévu, avec des traversées étanches qui ne laisseront pas fuir le précieux oxygène du bord.

Vue du laboratoire européen Colombus avec indication des antennes ARISSA cet effet, l’ESA a procédé à la mise en place d’une traversée étanche comportant 8 traversées coaxiales.

Pour la vidéo qui fonctionne à 2,4 GHz, le choix s’est porté sur une antenne patch :

Antenne Patch utilisée sur l'ISS pour transmettre les images DATV vers la Terre

Quelles fréquences ?

Vous trouverez le détail des fréquences utilisées sur le site de l’ARISS.

A noter que du fait du déplacement rapide de l’ISS, les fréquences sont affectées d’un effet Doppler qui décale les fréquences dans un sens lorsque l’ISS approche, dans l’autre sens lorsqu’elle s’éloigne. C’est le même phénomène qui se produit sur Terre lorsqu’une ambulance s’approche puis s’éloigne de vous. Gpredict fournit les informations nécessaires au réglage des appareils assurant la liaison. Il peut piloter directement leur fréquence.

Diriger les antennes

Savoir où se situe l’ISS est une chose, contacter les occupants nécessite d’orienter les antennes vers l’ISS. Un passage de l’ISS dure au mieux une dizaine de minutes et il faut suivre sa trajectoire soit manuellement, soit avec un système automatisé. Le programme Gpredict le permet et peut s’interfacer avec différents modèles de rotors d’antennes pour maintenir les antennes pointées vers l’ISS.

Photo montrant de jeunes écoliers et un système de suivi automatique des antennes. Le lien envoie vers la page décrivant cette réalisation.

Cliquez sur l’image pour accéder à la page du projet

Il est aussi possible de réaliser son propre système d’orientation. Différents systèmes existent comme par exemple celui-ci utilisé par des écoliers (image ci-dessus) et réalisé par SARC (School Amateur Radio Club Network), à base d’Arduino et de capteurs multi-fonctions.

On peut aussi choisir de diriger l’antenne manuellement comme avec cette parabole prévue pour être tenue à l’épaule :

Parabole pour orientation manuelle. Un écran indique la direction dans laquelle se trouve l'ISS

(c) PABR.ORG

Un écran (tablette ou smartphone) indique la position de l’ISS dans le ciel.

Pour des tests, lorsque l’ISS passe pratiquement à la verticale de l’antenne, on peut poser la parabole et l’orienter de façon fixe. la durée de réception sera réduite.

Image montrant un essai de réception DATV de l'ISS. La parabole est posée sur une chaise de jardin.Il est également possible d’orienter la parabole et une antenne vers l’ISS avec un dispositif de suivi comme celui-ci :

Système d'orientation comprenant une parabole pour la DATV et une antenne Yagi 7 éléments pour les communications radion. Les 2 antennes sont montées sur le même support.

(c) PABR.ORG

La TV amateur de l’ISS

L’Agence spatiale européenne (ESA) a travaillé avec Kayser Italia pour développer et fabriquer un émetteur DATV en bande S (2 à 4 GHz). Cet émetteur, surnommé « Ham Video« , est à bord du laboratoire européen Columbus et génère des émissions « vides ». Il est également utilisé pendant les contacts programmés lorsque la station est capable de recevoir les images et que l’équipage dispose d’assez de temps pour le configurer.

Le transmetteur Ham Video DATV développé pour être installé dans le module Columbus présente les caractéristiques suivantes:

  • Fréquence de liaison descendante: 2395 MHz / Polarisation circulaire droite
  • Norme DVB-S (modulation QPSK)
  • Vitesse de transmission : 2.0 Ms/s
  • FEC (Forward Error Correction) : ½
  • SIF (Source Input Format) : 720x480px
  • Puissance rayonnée : environ 10 W EIRP

Ham Video fonctionne avec un camescope professionnel Canon XF-305, fourni par la NASA, uniquement en liaison descendante. Il n’y a pas de projet de récepteur DATV pour l’instant.

Le jeudi 11 février 2016, à 18:11 UTC, un contact radio ARISS s’est déroulé à l’École royale maçonnique pour filles, Rickmansworth, au Royaume-Uni. Le contact avec l’école a été réalisé par Tim Peake, KG5BVI dans le cadre de la mission Principia. C’était un événement historique car le contact radio a été complété par la vidéo ! Tim Peake a activé le transmetteur Ham Video à bord de Columbus.

Le décodage des signaux DATV (Digital Amateur TV )

Plusieurs Techniques permettent de décoder les images envoyées par l’ISS, mais bien entendu, celle qui nous intéresse ici est basée sur un Raspberry Pi.

Synoptique montrant les différents éléments utilisés pour la réception de l'ISS.

Sur le synoptique ci-dessus (disponible également sans les illustrations) on voit les différentes parties intervenant dans cette réception :

Le signal DATV transportant l’image part de l’ISS. Il est reçu sur une parabole qui concentre les ondes sur une antenne reliée à un LNB ( Low Noise Block-converter = Convertisseur à faible bruit) chargé de diminuer la fréquence du signal pour l’amener dans la bande reçue par le dongle USB RTL-SDR. lnb-twinCe LNB a la même fonction que celui qui se trouve plus couramment sur une parabole TV satellite (image de droite) mais il travaille sur une autre fréquence. Je vous ai déjà parlé des récepteurs RTL-SDR dans des articles sur la réception de l’ADS-B avec Flightradar, PiAware, la réception de la radio FM ou encore la réalisation d’un analyseur de spectre…). Un logiciel installé sur le Raspberry Pi (Soft DVB Config à gauche du synoptique) est chargé de transformer les signaux en flux vidéo MPEG. C’est ce flux qui sera affiche à l’écran.

Montage de test réalisé par Fabrice F4HHV avec un Raspberry Pi pour décoder les signaux.

Montage de test – Réception DATV de Fabrice F4HHV

Réception de DATV avec la parabole posée sur une chaise de jardin. Le matériel est monté dans une caisse en plastique facilitant le transport.

(c) PABR.ORG

Simuler le flux vidéo de l’ISS

Le souci c’est que l’ISS ne survole pas en permanence votre station, et lorsqu’elle le fait, elle n’envoie pas obligatoirement des signaux DATV. Cela réduit fortement les possibilités de tester le matériel de réception.

Du coup Évariste F5OEO, un radioamateur passionné de DATV a mis au point un simulateur sur un Raspberry Pi. Appelé RPIDATV et disponible sur Github, celui-ci recrée à la demande le flux vidéo émis par l’ISS et facilite le réglage de l’installation.

Synoptique du simulateur de flux DATV de l'ISS à base de Raspberry Pi.

Cliquez pour agrandir.

Partant de l’image de la caméra Pi ou d’une mire fixe, le programme RPIDATV d’Évariste va recréer une modulation identique à celle que l’ISS envoie. Plus besoin d’attendre un hypothétique passage de l’ISS, l’installation peut être testée avec RASPITV et son Raspberry Pi. C’est toute une équipe de radioamateurs du Gard ARISS30 qui participe à la réalisation et aux tests de cet équipement : https://arissproxima30.wordpress.com/2016/09/04/reception-video-iss-hamtv/

Interface graphique rpidatvgui développée par Evariste F5OEOÉvariste F5OEO a également développé une interface graphique pour RPIDATV.

Vidéos

Vidéo de la réception des images de l’ISS

un lien si vous voulez voir l’intégralité du contact avec l’ISS : http://vivadatv.org/images/Lire%20HamTV.html

3 Vidéos de la démonstration réalisée au salon radioamateur
de Monteux (84) le 5/11/16

France Bleue Vaucluse : Réception de la DATV de l’ISS

Vidéo de Tim PEAKE présentant le matériel radioamateur de l’ISS

Sous titres en français disponibles

Conclusion

Souvent considéré par les professionnels comme un jouet, le Raspberry Pi montre encore une fois grâce au talent et à la persévérance de toute une équipe de radioamateurs qu’il peut être utilisé à bien d’autres choses qu’à la réalisation d’un mediacenter ou d’une console de retrogaming (attention, hein, je n’ai pas dit que le mediacenter ou la console ce n’était pas bien 😉 ).

Ces exemples d’utilisations sortent de l’ordinaire, j’espère pouvoir aller un peu plus loin dans la description de ces applications « spatiales » de notre framboise…

Et demain…

Ici la réception se prépare également

Parabole

Parabole WiFi D-Link récupérée pour l'utilisation en réception des images DATV de l'ISSC’est une parabole D-Link présentant un gain de 21 dB, qui était utilisée sur un réseau WiFI point à point (oui, c’est de la récup 😉 ). Le cylindre central renferme une antenne patch 2,4 GHz. Il sera remplacé par une tête de réception adaptée à la DATV de l’ISS (voir un peu plus bas dans l’article). Cliquez sur le lien qui suit pour en savoir plus sur les antennes qu’elles soient utilisées pour le WiFi, la radio, les satellites… .

Photo de l'antenne patche oxydée présente dans le cylindre central de la paraboleL’antenne patch est tout simplement constituée de surfaces de circuit imprimé servant à recevoir les ondes au foyer de la parabole.

La boucle qu’on aperçoit en bas du circuit imprimé est destinée à adapter l’impédance de l’antenne à celle du câble pour minimiser les pertes. Les signaux qui sont reçus sur une telle antenne sont de l’ordre du µ volt et il vaut mieux ne pas en perdre une miette 🙂

L’oxydation de l’antenne est due à un défaut d’étanchéité du cylindre protecteur (bin oui 10 ans aux intempéries…)

Récepteur

Photo montrant un Raspberry Pi surmonté d'un écran de 3,5 pouces. Un récepteur RTL-SDR est connecté sur un port USB du Raspberry Pi

Bon de ce côté là c’est dispo. J’avais décrit un analyseur de spectre qui utilise le dongle RTL-DS, le RasPi et l’écran tactile… tout est là ! Un Raspberry Pi 3 remplacera simplement le Pi 2 d’origine 😉

La tête de réception

Sur les conseils de Fabrice (F4HHV) j’ai choisi ce modèlePhoto de la tête de réception satellite en commande pour la parabole de framboise314

La boîte centrale, étanche, renferme l’électronique du LNB

Photo de la tête de réception MMDS pour la parablole de framboise314

A gauche de l’ensemble on voit l’antenne dipôle chargé de recevoir les ondes réfléchies par la parabole. La plaque située à l’extrême gauche est un réflecteur secondaire.

Synoptique montrant le traitement du signal arrivant de l'ISS par amplification et mélange avec la fréquence locale 1998 MHz pour obtenir du 397MHzLe schéma ci-dessus explique le fonctionnement de la tête de réception. Les ondes arrivant de l’ISS sont concentrées sur l’antenne du module de réception par la parabole. Le signal très faible reçu sur l’antenne est envoyé à un amplificateur à faible bruit (il augmente le niveau sans trop « abîmer » le signal). La sortie de l’amplificateur attaque un mélangeur de fréquences auquel est également appliquée une fréquence de 1998 MHz. A la sortie du mélangeur on récupère (pour simplifier) un signal identique à celui de l’entrée (les images DATV) mais sur une fréquence différente, ici 397 MHz. Cette fréquence est située dans la plage de réception du dongle DATV.

Pour l’instant le suivi de colis indique que ma tête MMDS est en stand-by à Shanghai depuis plusieurs jours. Le vendeur contacté m’a dit : « Attendez patiemment ! » 🙂

Et après demain…

Bin… ça dépend de la réception des images. Si ça se passe bien il faudra penser à orienter automatiquement les antennes vers l’ISS ! Rôôôô encore un Raspberry Pi 🙂

Photo des antennes de la station espagnole EA5FUZ comprenant deux antennes croisées 144MHz et 432 MHz, une parabole DATV d'1,20 mètre et une antenne hélicoidale DATV

Station radioamateur EA5FUZ – Antennes pour l’ISS

Photo de l'antenne parabolique orientable destinée à la réception des images DATV de l'ISS - Station radioamateur VK4KHZ

Antenne parabolique DATV de la station VK4KHZ

A suivre sur framboise314…

Sources

F6DZP et télévision numérique DATV avec ISS sur TF1

 

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À propos François MOCQ

Électronicien d'origine, devenu informaticien, et passionné de nouvelles technologies, formateur en maintenance informatique puis en Réseau et Télécommunications. Dès son arrivée sur le marché, le potentiel offert par Raspberry Pi m’a enthousiasmé j'ai rapidement créé un blog dédié à ce nano-ordinateur (www.framboise314.fr) pour partager cette passion. .

2 réflexions au sujet de « Les écoles en contact avec l’ISS : Raspberry pi en fête ! »

    1. François MOCQ Auteur de l’article

      Bonjour Xavier
      comme je suis magnanime et que tout le monde a le droit de s’exprimer, je laisse passer ce lien (et puis c’est rigolo et bien dans le ton du blog)
      mais bon… malgré toutes les théories qu’on peut développer, quand un radioamateur oriente une parabole qui a un angle d’ouverture de quelques degrés vers l’ISS et qu’il reçoit les images….
      Si c’est un fake c’est quand même vachement bien fait 😀 😀
      Après… si la terre est plate on ne voit pas non plus comment un satellite peut en faire le tour
      cordialement
      François

      Répondre

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