Пакеты с позывным через орбиту по протоколам AX.25 и APRS

Когда над головой проходит спутник размером с кубик Рубика, собранный студентами в университетской лаборатории, он успевает за десяток минут перекинуться короткими цифровыми сообщениями с десятками наземных станций. Внутри этих сообщений работают протоколы, которым уже под сорок лет, но которые неожиданно обрели вторую молодость в космосе. AX.25 и APRS родились в эпоху первых пакетных сетей на земле, а сегодня гоняют телеметрию малых спутников, передают координаты и связывают радиолюбителей через орбитальные ретрансляторы. История о том, как старая технология ушла в небо, заслуживает разбора по косточкам.

Что прячется внутри кадра AX.25 и почему позывной встроен в каждый пакет

AX.25, расшифровываемый как Amateur X.25, представляет собой протокол канального уровня, выросший из второго слоя пакетного стандарта X.25. Его первую версию приняли в 1984 году совместными усилиями организации пакетного радио из Тусона и Американской лиги радиорелейной связи, а доработанная версия 2.2 от 1998 года заметно подняла эффективность на повышенных скоростях. В основе лежит кадровая структура HDLC, приспособленная под капризы радиоканала с его высоким уровнем ошибок и переменными условиями.

Главная изюминка в адресации. Вместо числовых идентификаторов узлов AX.25 использует позывные операторов. Каждый пакет несёт позывной отправителя, а это автоматически закрывает требование регулятора к идентификации станции - не нужно отдельно объявлять себя в эфире, протокол делает это сам. К позывному добавляется четырёхбитный вторичный идентификатор станции, SSID, позволяющий одному оператору держать несколько устройств под одним позывным.

Протокол умеет работать в двух режимах. Соединённый режим устанавливает надёжный канал точка-точка с подтверждением доставки, а связь без установления соединения шлёт ненумерованные информационные кадры, те самые UI-кадры, в режиме широковещания. Каждый кадр снабжён контрольной последовательностью для обнаружения ошибок, причём поле проверки передаётся старшим битом вперёд, тогда как остальные поля идут младшим битом каждого октета вперёд. Чтобы случайная последовательность данных не притворилась флагом начала кадра, применяется вставка бита: после пяти подряд идущих единиц передатчик вставляет ноль, а приёмник этот ноль выбрасывает.

Как APRS превратил пакетную связь в живую карту эфира

APRS, система автоматической передачи пакетов, выросла из AX.25 в девяностых годах. Её придумал инженер-исследователь военно-морской академии США Боб Брунинга с позывным WB4APR. Идея оказалась элегантной: вместо тяжёлого соединённого режима APRS упаковывает данные в те самые ненумерованные UI-кадры и рассылает их широковещательно, без установления выделенного канала. Это даёт дешёвую по накладным расходам рассылку координат и статусов, где каждый слышит каждого.

Для компактного кодирования APRS опирается на протокол Mic-E, ужимающий полученные со спутникового приёмника координаты, скорость и курс прямо в поля кадра AX.25. На физическом уровне в Северной Америке всё это обычно модулируется звуковой частотной манипуляцией на скорости 1200 бит в секунду на частоте 144,390 МГц, а в Европе APRS живёт на 144,800 МГц. Сеть держится на цифровых ретрансляторах, дигипитерах, и интернет-шлюзах, которые сшивают радиоэфир с глобальной базой данных.

Любая станция способна стать дигипитером и автоматически повторить чужой пакет, расширяя дальность. Из таких узлов складываются самоорганизующиеся сети, что делает пакетную связь особенно ценной для аварийной координации, когда привычная инфраструктура молчит.

Почему доплеровский сдвиг заставляет крутить ручку настройки во время пролёта

Связь через низкоорбитальный спутник упирается в физику, которую не обойти. Аппарат на круговой орбите высотой около восьмисот километров несётся с такой скоростью, что частота принимаемого и передаваемого сигнала заметно плывёт в течение пролёта. Это доплеровский эффект, родственник той самой смены тона сирены проезжающей машины. Чем быстрее меняется расстояние между станцией и спутником, тем сильнее сдвиг.

Величина сдвига описывается простым выражением:

Δf = f · (v · cos θ) / c

Здесь f - номинальная частота, v - орбитальная скорость спутника, θ - угол между направлением на спутник и вектором его движения, c - скорость света. Пока спутник приближается, частота принимаемого сигнала кажется выше номинала, и приёмник приходится подстраивать вверх. Одновременно спутник слышит сигнал станции на повышенной частоте, поэтому передавать нужно ниже номинала. В момент наивысшей точки пролёта, когда аппарат проходит над головой, радиальная скорость обращается в ноль, и обе частоты возвращаются к номиналу. После прохождения зенита всё переворачивается: даунлинк уходит вниз, аплинк требует подстройки вверх.

На двухметровом диапазоне сдвиг ещё терпим для частотной модуляции, но уже на семидесяти сантиметрах и выше его обязательно компенсировать, а для однополосной связи он критичен на всех спутниковых диапазонах от двадцати одного мегагерца и выше. Угловую зависимость стоит запомнить отдельно: на горизонте, при нулевом угле места, сдвиг максимален, а в зените падает до нуля.

Чем собирают наземную станцию для работы через орбиту

Порог входа в спутниковую пакетную связь заметно снизился. Минимальный комплект собирается буквально на коленке: двухметровая носимая радиостанция с разъёмом данных, недорогой звуковой USB-интерфейс между трансивером и компьютером, и программа-трекер вроде свободно распространяемых пакетов, рассчитывающих пролёты по двухстрочным элементам орбиты.

Трекер решает сразу две задачи. Он показывает, когда и в какой части неба появится спутник, и в реальном времени выдаёт радиальную скорость, которую оператор или автоматика подставляют в расчёт доплеровской поправки. Скорректированная частота приёма - это то значение, на которое настраивают приёмник или цифровую радиосистему. Программное радио здесь особенно удобно: оно ловит широкую полосу и позволяет компенсировать сдвиг прямо в обработке, не дёргая механику.

На стороне софта для APRS используют клиенты, отрисовывающие принятые координаты на карте, а для радиопочты независимой от обычных каналов связи поднимают почтовые клиенты, работающие через радиошлюзы. Классический пакет требует терминальной программы, общающейся с контроллером пакетного узла или программным модемом по протоколу KISS, который таскает данные между радио и компьютером.

Где старый протокол упёрся в потолок и что пришло на смену

У AX.25 на скорости 1200 бод есть жёсткий предел, и это давно ощущается. Современные протоколы вроде VARA совершили рывок: VARA FM выжимает до двадцати пяти тысяч бит в секунду на стандартном двухметровом канале, что в двадцать раз превосходит классический пакет, а коротковолновая версия даёт до восьми с половиной тысяч бит в секунду. Используют VARA в основном как транспорт для радиопочты, но протокол открыт и для других задач.

Параллельно ожили проекты на дешёвых микроконтроллерах. На платформах ESP32 и Arduino вырастают автоматические метеостанции с телеметрией поверх AX.25, дистанционные контроллеры ретрансляторов и сенсорные сети. Сочетание проверенного десятилетиями протокола с современным железом открывает простор для экспериментов, который ещё недавно был доступен лишь крупным командам.

Самое интересное в этой истории то, что космос не выбросил старые протоколы, а приютил их. Малые спутники классом ниже кубсата строят телеметрийные кадры на базе AX.25 и APRS-подобной упаковки, рассылая напряжение батареи, температуру и флаги состояния структурированными пакетами. Эти посылки ловят наземные станции открытых сетей и даже перебрасывают между спутниками и наземными шлюзами. Протокол, придуманный для разговора компьютеров по проводам, в итоге научил разговаривать орбиту с землёй, и сделал это языком, понятным любому радиолюбителю с позывным.