Погода со спутника ноаа


Детская мечта

Однажды в школе попала ко мне в руки рация, обычная такая, чаще у железнодорожников встречается. С этого дня началось бесконечное вслушивание в эфир. Это казалось каким-то волшебством, окном в другой, невидимый мир. В основном, конечно, помехи, таксисты, железная дорога и море шумов. Все это быстро надоело. Но один звук все-таки не давал мне покоя. Он был слышен не всегда, а только несколько раз в сутки, приблизительно в одно и то же время. Природа этого писка была мне неизвестна. Тогда у меня не было ни интернета, ни знакомых людей, которые могли бы хоть что-то прояснить о происхождении этой передачи. Только старая рация и кусок провода на чердаке вместо антенны.

Что-то начинает проясняться

Чуть позже, будучи уже в сознательном возрасте, я решил вернуться к этой теме. Откопал ту рацию в куче старого хлама в чулане, сделал подобие антенны на нужную частоту, затащил ее как можно выше на крышу, и стал слушать. Точной частоты сигнала я не вспомнил, так что пришлось опять выжидать его, несколько раз в час переключая каналы рации.


устя неделю произошло чудо — я опять услышал этот писк. Сигнал был намного более устойчив, чем тогда. Рассчитанная антенна примерно на 137 МГц сделала свое дело, хоть это и был всего лишь простой диполь. Кроме писка стали различимы звуки, похожие на сигналы синхронизации. Звук появлялся не внезапно, а постепенно проявлялся из шумов, длился примерно 8-10 минут и снова проваливался под шумовую полку. Уверенность приема сигнала, не была постоянной, а менялась от появления к появлению. Тогда-то мне и пришла в голову мысль, что это может быть искусственный спутник Земли.

Здравствуй, NOAA

Гугление показало, что на этой частоте может быть несколько спутников, в основном погодные. Позже с помощью программы трекинга сателлитов было установлено, что это спутники серии NOAA, а именно NOAA-16, NOAA-18 и NOAA-19. А самое интересное, что этот звук не что иное, как APT (automatic picture transmission). Все-таки, спутники там не просто так болтаются, а передают на Землю снимки в реальном времени. Что еще может быть более интересным для начинающего радиолюбителя, как не прием снимков с орбиты в реальном времени?

Техническая сторона

Как оказалось, принять эти снимки не так уж и сложно, учитывая что APT как стандарт передачи изображения, был придуман аж в далеком 1963-м году. На самом деле, это аналоговый сигнал, прям как в телевизоре, но намного медленнее. Будет правильнее сказать, что это своеобразный космический факс.


ображение передается построчно, две строки в секунду. Разрешение факса примерно 4 километра на пиксель, чего достаточно лишь для того, чтоб более-менее разглядеть очертания материков, но и этого вполне достаточно, чтобы почувствовать себя крутым метеорологом. Принять сигнал дело одно, но его еще нужно декодировать, для чего в сети оказалась бесплатная программа WXtoImg. Сигнал со спутника принимался на два отрезка проволоки (диполь), затем по кабелю передавался в рацию, настроенную на частоту передачи NOAA, а потом звук через аудио-кабель был направлен в линейный вход компьютера, где его уже ждала программа.

Первый снимок

На спутниках NOAA установлен радиометр с очень большим разрешением, который может формировать два графических канала с разрешением 1 км/пиксель. Однако перед отправкой изображения на Землю, разрешение картинки уменьшается до 4 км/пиксель и сглаживается. Одно изображение — обычно передает дальний инфракрасный диапазон (термальное изображение, 10,8 мкм). Второе же, в зависимости от освещения Земли Солнцем, может переключаться между ближним ИК (0,86 мкм) и средним ИК (3,75 мкм). Так уж сложилось, что частота девиации рации не позволяла принять два изображения. Да и чувствительность не давала чисто декодировать изображение. Тем не менее, услышав сигнал, я тут же начал его принимать. В программе запрыгали уровни, она определила синхроимпульсы и начала строить изображение. Сначала кроме шумов я ничего не разглядел. Но чем дальше строилось изображение, тем больше деталей удавалось различать. По очертаниям моря я так ничего и не понял. Потом жена говорит: «Вверх ногами же!». Было решено перевернуть изображение прямо в «Paint». «Да это же „Крымнаш“!», воскликнул я, когда увидел результат.

Есть, куда расти


Чтобы улучшить качество снимков, пришлось внести некоторые изменения в «железо». Первой проблемой была антенна, лучшим вариантом оказался квадрифиляр. По части приемника было решено приобрести RTL SDR приемник, о котором на Хабре тоже есть немало статей. Если все правильно настроить, то картинка выходит просто непередаваемо красива:

Ты не один

Еще приятно было узнать, что в интернете есть множество сообществ радиолюбителей, которых тоже зацепила эта тема, например: «Снимки Земли с NOAA + RTL SDR».

Источник: habr.com

Ни для кого не секрет, что на земной орбите находятся тысячи искусственных спутников. Поскольку оптоволокно на орбиту не протянешь, обмен информацией со спутниками происходит при помощи радиоволн. А значит, используя правильное оборудование, эту информацию может принять кто угодно. В чем мы сегодня и убедимся.

Принимать будем изображения от следующих метеоспутников:

  • NOAA 15, NOAA 18 и NOAA 19 — передают изображения на частотах 137.62, 137.9125 и 137.1 МГц соответственно в режиме APT;
  • Метеор М2 — передает изображение на частоте 137.9 МГц в LRPT;

Дополнение: 5 июля 2019 был запущен новый спутник Метеор М2-2. К сожалению, вскоре после запуска он перестал передавать изображения. Подробности можно найти здесь и здесь.

Для приема воспользуемся RTL-SDR v3, а также RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna, которые уже знакомы нам по заметке об APRS. Антенну использовать не обязательно именно эту. В принципе, подойдет любой диполь с длиной плеча около 54 см:

Антенна диполь для метеоспутников

Эксперимент я проводил за городом. Антенна была поднята на высоту около 7 метров при помощи удочки. Это обеспечивает антенне чистый горизонт, поскольку рядом находятся соседские дома. Если вы будете повторять эксперимент в чистом поле, поднимать антенну так высоко не потребуется — достаточно будет закрепить ее на высоте человеческого роста.

На фотографии камера смотрит на юг, соответственно плечи антенны указывают на запад и восток, а наибольшее усиление она дает по направлению на север и юг. Это важно, поскольку спутники будут пролетать над нами либо с севера на юг, либо с юга на север. Как вариант, плечи антенны можно слегка подогнуть, где-то под 120 градусов. В таком варианте антенна будет иметь меньшее усиление, но будет больше похожа на всенаправленную. Спутники обычно пролетают чуть восточнее или западнее, а не строго над нами, поэтому такой вариант антенны имеет свои плюсы.


Вообще, диполь является не лучшей антенной для метеоспутников. Причина заключается в том, что сигнал от спутников имеет круговую поляризацию (RHCP), а поляризация нашей антенны — горизонтальная. Сигнал она все равно примет, но с аттенюацией в 3 dB. Более подходящим вариантом была бы турникетная (turnstile antenna) или квадрифилярная спиральная антенна (quadrifilar helical antenna, QFH). К сожалению, последние довольно недешевы. Например, готовая QFH антенна Diamond DP-KE137 обойдется вам примерно в 300$. Если же вы захотите изготовить такую антенну самостоятельно, вам придется приложить немалые усилия для того, чтобы она действительно имела круговую поляризацию, а не эллиптическую. Кроме того, в отличие от горизонтально поляризованного диполя, такая антенна будет сильнее собирать создаваемый человеком шум, обычно имеющий вертикальную поляризацию.

Таким образом, сил на изготовление антенны вы приложите существенно больше, а отношение сигнал-шум (SNR) улучшится где-то на 1 dB, максимум на 2 dB. Учитывая, что во время прохода метеоспутника SNR составляет что-то порядка 40 dB, этот выигрыш несущественен. По этим соображениям был использован обычный диполь. Данная мысль более подробно изложена в статье DIY 137 MHz APT Weather satellite antenna – Or, do we need a circular polarization? [PDF] хорватского радиолюбителя Adam Aličajić, 9A4QV.

Fun fact! При желании 120-и градусную держалку для антенны RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna можно напечатать на 3D-принтере. Соответствующая модель доступна на Thingiverse. Там же можно найти каркасы для QFH-антенн, например, раз и два.

Чтобы определить, когда над нами будут пролетать интересующие спутники, воспользуемся программой Gpredict за авторством радиолюбителя Alexandru Csete, OZ9AEC:


Метеоспутники NOAA и Meteor M2 в Gpredict

В программе можно посмотреть будущие проходы спутников где-то на двое суток вперед. Нас интересуют проходы с элевацией больше 30° (столбец Max El). Если угол меньше, значит спутник будет пролетать где-то вдоль горизонта, и хорошего сигнала от него ожидать не приходится. Проход с элевацией 30-60° — это нормальный проход, с которым можно работать. Соответственно, 60-90° означают максимальное качество сигнала, но за день такие проходы случаются всего пару раз на все четыре спутника. Отмечу также, что наилучшие снимки получаются днем в ясную солнечную погоду. Облака и грозовые разряды не способствуют прохождению радиосигнала. А если вы его и примите, то на изображении увидите только серые облака. Ночью же на снимках просто ничего не будет видно.

Для декодирования APT и LRPT было решено воспользоваться открытыми программами xwxapt и glrpt, написанные радиолюбителем Neoklis, 5B4AZ. На его сайте программы можно найти в разделах Weather Imaging → APT Image Decoders и Weather Imaging → Meteor-M LRPT Receiver. Для сборки xwxapt и glrpt в Ubuntu Linux понадобятся следующие пакеты:

Также пришлось удалить один пакет, поскольку с ним glrpt почему-то никак не мог найти RTL-SDR:

Далее сборка и установка программ происходит как обычно:

У xwxapt и glrpt похожий интерфейс. Так к примеру выглядит xwxapt в процессе получения изображения от NOAA 15:


Интерфейс программы xwxapt

Секрет успешного использования обеих программ заключается в том, что половина действий спрятана в контекстном меню, которое появляется по клику правой кнопкой мыши по месту для вывода изображения. Кроме того:

  • В xwxapt всегда ставьте галочку Offset-Hz → Correct. Эта опция компенсирует сдвиг частоты принимаемого сигнала, возникающий из-за эффекта Допплера;
  • При использовании glrpt всегда включайте AGC. По умолчанию автоматическая регулировка усиления выключена, и без нее вы имеете отличные шансы не принять изображение;

Типичное изображение от спутников NOAA выглядит как-то так (кликабельно, PNG 749x714, 466 Кб):

Изображение от спутника NOAA 19

Программа xwxapt умеет их как-то умно раскрашивать. Однако результат обычно оставляет желать лучшего, поэтому здесь приведено черно-белое изображение.

Типичное изображение от Метеор М2 (кликабельно, JPG 1568x1800, 762 Кб):


Изображение от спутника Meteor M2

Изображения от этого спутника более красочны, имеют большее разрешение и заметно более устойчивы к помехам. Что в очередной раз показывает неоспоримые преимущества цифровых режимов связи (LRPT) перед аналоговыми (APT).

Конечно, качество принятых изображений далеко от идеала. Если серьезно задаться целью повысить их качество, то можно провести много увлекательных часов, экспериментируя с антеннами, фильтрами и усилителями (например, SAWbird+ NOAA от Nooelec). А когда это наскучит, то можно взяться за написание своих декодеров APT и LRPT. А затем написать бота, автоматизирующего переключение частот / декодеров, и просто выкладывающего принятые изображения в Twitter. Конечно, делать он это будет только в том случае, если специально обученная нейронная сеть скажет, что картинка вышла удачной. В общем, тут огромный простор для обучения и самореализации.

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Используем спутники для проведения QSO на УКВ и Принимаем SSTV от МКС при помощи WebSDR.

Метки: SDR, Антенны, Беспроводная связь.

Источник: eax.me

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
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
    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
    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
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
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
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
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
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. 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
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]

Источник: topof.livejournal.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.