Прием картинки с Метеорологических спутников серии NOAA.

[topof]

В предыдущем пункте мы рассмотрели вопрос приёма и дешифровки радиосигналов телеметрии со спутников. Теперь перейдём к рассмотрению не менее интересного вопроса -- получение со спутника изображений облачности над Европой.
Содержание пункта:

• Общие замечания.
• Метеорологические спутники серии NOAA.
• Получение снимков облачности со спутника: антенна.
• Получение снимков облачности со спутника: приёмник.
• Получение снимков облачности со спутника: программа декодирования принятого сигнала.
• Получение снимков облачности со спутника: результаты тестов.

Общие замечания.

Авторам часто приходилось слышать о том, зачем нужно получать эти снимки -- ведь в сети INTERNET полно высококачественных снимков с огромного числа спутников, на любой вкус. Что ж, в сети действительно много снимков, а до Урала тяжело найти местность, где нет приёма мобильной телефонной GSM-связи, через которую можно выйти в INTERNET и скачать любой снимок в любое время. Но одно дело -- скачать снимки из сети, и совсем другое -- принять сигнал со спутника и получить картинку, пусть и не такую качественную, как из сети. Это, как минимум, интереснее и интерес не в самой картинке, а в её получении. Да и не так уж много сигналов можно принять и декодировать со спутников (конечно, не принимая во внимание спутниковое телевидение).

Метеорологические спутники серии NOAA.

Американская спутниковая система NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) [77] состоит из:

• Геостационарных спутников "GOES", предназначенных для краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования и мониторинга текущей метеорологической обстановки.
• Спутников "POES" на солнечно-синхронной орбите (см. подпункт "Солнечно-синхронные орбиты" п. 1 §1 Главы 2), которые предоставляют информацию для более долгосрочных прогнозов и движутся на высоте порядка 800 км.

Данные со спутников "GOES" и "POES" позволяют производить глобальный мониторинг погодной обстановки. Данные полярно-орбитальных спутников NOAA используются для долгосрочных прогнозов погоды, мониторинга атмосферы и погодных явлений, а также для обеспечения безопасности полетов (в т. ч. для обнаружения облаков вулканического пепла) и безопасности водного транспорта (мониторинг и прогнозирование ледовой обстановки). Данные, полученные спутником, накапливаются в бортовом запоминающем устройстве, а затем передаются в центры приема данных -- Фэйрбэнкс (США, Аляска) и Уоллопс Айленд (США, Вирджиния). Спутники NOAA также оснащены системами поиска и спасения (S&R), которые к настоящему времени помогли спасти более чем 20 тысяч человеческих жизней [78]. На рис. 1 показан внешний вид ИСЗ "POES".

Рис. 1. Метеорологический спутник "NOAA POES" [79].



Изображения облачности передаются в формате APT (Automatic Picture Transmission) в диапазоне 137 МГц. В сеансе передачи данных со спутников NOAA передаются изображения двух спектральных каналов: видимого (в дневное время суток) или среднего ИК (ночью) и теплового ИК (круглосуточно) с пространственным разрешением 4 км и шириной полосы обзора около 3000 км, повторяемость приема снимков одной и той же территории -- 3-4 раза в сутки для одного спутника, или 8-12 раз в зависимости от количества одновременно действующих спутников [80]. На июль 2011 г. действующими являются четыре POES-спутника [79]:

• "NOAA-15" (f = 137,62 МГц).
• "NOAA-17" (f = 137,5 МГц).
• "NOAA-18" (f = 137,9125 МГц).
• "NOAA-19" (f = 137,1 МГц).

[Вверх]

Спутники NOAA помимо других приборов имеют на борту AVHRR -- Расширенный Радиометр с Очень Высоким Разрешением. Полная разрешающая способность (1 км/пкс) камер радиометра передается в цифровом формате HRPT (Передача Картинки с Высоким Разрешением) на частоте 1,7 ГГц. Для аналогового режима APT (Автоматическая Передача Картинки), на частоте 137 МГц выбраны два из 5 спектральных каналов. Они уменьшены в разрешающей способности (4 км/пкс) и передаются временным мультиплексированием, т.е. по очереди, в каналах А и B [81]. Более подробную информацию о структуре передаваемого изображения можно прочитать на странице [81], а о структуре протокола APT -- на странице [82]. Ниже мы будем рассматривать приём APT-сигнала 137 МГц, но в сети есть много информации по переделке MMDS-конвертера для приёма HRPT-сигналов с NOAA -- более подробно можно почитать на странице [83]. Много информации по теме приёма сигналов с NOAA можно найти в теме "Метео спутники !" форума [84].

Получение снимков облачности со спутника: антенна.

Как и в случае приёма радиосигналов телеметрии ИСЗ, при приёме фотографий облачности очень важное значение для качество принимаемой картинки играет антена. Для приёма APT-сигналов NOAA чаще всего используют два типа антенн:

• "Турникетная" антенна ("Turnstile antenna"), или антенна со скрещенными диполями ("Crossed dipole antenna") -- наиболее простой тип специализированных антенн, которые можно использовать для приёма сигналов APC со спутников NOAA. На рис. 2 показана схема такой антенны и подробная схема т.н. трансформатора, сконструированные Лутцем Хеннингом (DK8JH) [85].
  Рис. 2. Схема "турникетной" антенны.
  Трансформатор делается из отрезков кабеля -- один отрезок из 50-омного кабеля типа RG-58, и два отрезка из 75-омного ("телевизионного") кабеля типа RG-59. Длина этих отрезков вычисляется по формуле:
  L = 1/4 * (300/137) * VF
  где VF -- коэффициент укорочения кабеля [86]. Оценочные коэффициенты укорочения для кабелей с различными диэлектриками следующие [87]:
  • с диэлектриком из твёрдого полиэтилена (маркируется английскими буквами "PE" на изоляции кабеля) VF ~ 0,66;
  • с диэлектриком из вспененного полиэтилена (маркировка "FE") VF ~ 0,80;
  • из пенополистирола (маркировка "FS") VF ~ 0,91;
  • Air Space Polyethylene (маркировка "ASP") VF ~ 0,84-0,88;
  • твёрдого тефлона (маркировка "ST") VF ~ 0,694;
  • Air Space Teflon (маркировка "AST") VF ~ 0,85-0,90;
  Значения VF для разных иностранных кабелей можно посмотреть на странице [87]. "Турникетная" антенна -- всенаправленная, нет нужды направлять её точно на спутник по мере того, как он перемещается по небу. За счёт особой формы позволяет исключить влияние вращения плоскости поляризации радиоволн при их распространении от ИСЗ до наблюдателя (про этот эффект см. подпункт "Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: антенна" п. I § 2 Главы 5).
• Антенна "Quadrifilar Helix" (встречаются аббревиатуры "QHA", "QFH" и "QFHA"). Как и предыдущая антенна QHA всенаправленная и скорректированная на вращение плоскости поляризации. На рис. 3 показана фотография такой антенны. Очень подробное руководство по созданию QHA, с фотографиями всех моментов, можно прочитать на странице "Антенна на 137 МГц для приёма сигналов спутников погоды".
  
  
  Рис. 3. В процессе пайки трансформатора антенны "Quadrifilar Helix".

[Вверх]

На рис. 4 показаны описанные два типа антенн, созданные авторами для проведения тестов.

Рис. 4. "Турникетная" антенна (слева, возле Виталия Мечинского) и антенна "Quadrifilar Helix" (справа, в руках Максима Бозбея).
Получение снимков облачности со спутника: приёмник.

Для приёма радиосигналов спутников NOAA использовался тот же сканирующий приёмник "YAESU VR500", что и для приёма сигналов телеметрии (см. подпункт "Создание мобильной установки по получению телеметрии ИСЗ: приёмник" п. I § 2 Главы 5). Для приёма сигналов был выбран тип модуляции NFM (узкополосный FM). В сети INTERNET есть много ссылок на схемы приёмников для ариёма сигналов NOAA, например, на странице [85]. Есть предложения и по приобретению уже готовых приёмников [89-90].

[Вверх]
Получение снимков облачности со спутника: программа декодирования принятого сигнала.

Для записи и декодирования сигналов со спутников NOAA использовалась программа "WXtoImg" [88]. Версии этой программы можно скачать для ОС "Windows", "Linux" и "MacOS". С описанем возможностей программы можно ознакомиться на странице "Приём метеоснимков при помощи WxtoImg", а также в официальном описании [91]. После запуска программы нужно открыть пункт меню "File" --> "Update Keplers", после чего программа скачает обновлённые орбитальные элементы спутников NOAA. Затем заходим в пункт меню "Options" --> "Ground Station Location", в котором вводим координаты места расположения приёмной антенны (см. рис. 5) -- это нужно для того, чтобы программа рассчитала даты и время пролёта спутников NOAA надо территорией наблюдателя.

Рис. 5. Указание места расположения антенны.
Чтобы посмотреть расписание пролётов спутников "NOAA", нужно зайти в пункт меню "File" --> "Satellite Pass List". В результате откроется окно, в котором отобразится расписание пролётов (см. рис. 6). Отрезок времени, на который прогнозируются пролёты можно выбрать, нажав кнопку возле надписи "Look ahead".

Рис. 6. Окно таблицы прогноза пролётов ИСЗ "NOAA" над территорией наблюдателя.
[Вверх]

Чтобы декодировать радиосигналы спутников "NOAA", нужно звуковой выход приёмника подсоединить к линейному входу (Line-In) звуковой карты ПК. Перед включением приёмника установите уровень громкости на нём на минимальное значение, а только потом включайте и устанавливайте нужное значение частоты и модуляции (NFM в нашем случае). Для контроля звукового потока (после подсоединения кабеля к звуковому входу приёмника звук перестаёт подаваться на его динамик) можно использовать наушники, подсоединённые к линейному выходу (Line-Out) звуковой карты ПК или к звуковому входу приёмника через разветвлитель. Затем нужно зайти в пункт меню "File" --> "Mixer control". При этом откроется окно настроек уровня записи звука (см. рис. 7). В качестве источника звука, который будет записываться, нужно выбрать "Лин. вход" (кликнув в пункт "Выбрать") -- т.к. именно к нему подсоединён кабель от приёмника. Уровень громкости в колонке "Лин. вход" следует поставить в среднее положение.

Рис. 7. Окно настройки уровня громкости звукозаписи.
На качество получаемой картинки, помимо факторов, на которые наблюдатель не может оперативно влиять (уровень помех, чувствительность приёмника, уровень сигнала), есть один фактор, который нужно строго контролировать -- это громкость звука при записи радиоэфира. После описанных выше настроек перейдите в пункт меню "File" --> "Record" и в появившемся окне внизу нажмите на кнопку "Auto Record". После этого программа перейдёт в режим ожидания -- в строке статуса в нижнем левом углу главного окна программы (см. рис. 8) появится надпись об имени спутника, который ожидается, его частоте и времени восхода над горизонтом. При наступлении этого времени программа "WXtoImg" перейдёт в режим записи сигнала. Выйти из режима ожидания или досрочно прервать запись можно через меню "File" --> "Stop".

Рис. 8. Строка статуса программы "WXtoImg" в режиме ожидания пролёта спутника.
[Вверх]

В процессе записи в основном окне программы будет отображаться декодированная картинка. Не обращайте внимания на её яркость -- главным показателем является индикатор в правом нижнем углу основного окна программы (см. рис. 9)!

Рис. 8. Индикация уровня громкости записываемого сигнала.
В процессе записи звука не прокручивайте изображение при помощи скрол-бара с правой стороны окна -- это может привести к разделению результирующего изображения на блоки. Если при подлёте спутника к области зенита (во время записи внизу основного окна программа пишет текущее занчение элевации ИСЗ -- см. рис. 10, параметр "Elev.") программа будет отображать, что спутник всё ещё не слышен, немного начинайте увеличивать громкость приёмника, постоянно следя за состоянием индикатора громкости записи. При записи уровень громкости должен быть таким, чтобы индикатор показывал 50%÷75%.

Рис. 10. Блок статуса записи звука.
Если уровень громкости будет слишком высок, слабые детали будут потеряны в пересвеченых областях. Если громкость будет слишком низкой, некоторые детали будут потеряны по всему изображению. В процессе записи не изменяйте уровень громкости -- это приведёт к искажениям.

После завершения записи звука картинка будет обработана автоматически. Её дальнейшую обработку наблюдатель может проводить самостоятельно. С описанием различных способов обработки полученного изображения можно ознакомиться на странице "Различные способы обработки снимков погоды NOAA ".

[Вверх]
Получение снимков облачности со спутника: результаты тестов.

К сожалению, наш приёмник не совсем подходил для приёма APT-сигналов, поэтому даже с хорошей антенной принятые со спутника фотографии получатся ч/б, а не цветными как в случае использования специальных приёмников. На рис. 11 показана полученная нами фотография со спутника "NOAA 17" 17.04.2009 в сравнении с картинкой, полученной другим наблюдателем со спутника "NOAA 15" на 1,5 часа ранее. Не смотря на значительные помехи (сигнал нами принимался в центре Минска, Беларусь), чётко просматривается облачный фронт над югом Польши, Словакией, Венгрией, Румынией и Болгарией, а также разрывная облачность над Италией.


Рис. 11. Полученное нами изображение облачности (слева) по сравнению с изображением, полученным другим наблюдателем [92] (справа) на 1,5 часа ранее.