Laboratorium Zimnych Atomów przy Powierzchni

Start

Mapy pogodowe - odbieramy sygnały satelitów NOAA

Proponujemy zainteresowanie się odbiorem sygnałów nadawanych przez satelity pogodowe NOAA. Dzięki tym transmisjom możemy przy odrobinie wysiłku generować na komputerze aktualne zdjęcia powierzchni Ziemi i okrywających ją chmur.

Satelity NOAA są satelitami orbitującymi, okołobiegunowymi. Oznacza to, że krążą one wokół Ziemi (w odległości kilkuset kilometrów od jej powierzchni), w przeciwieństwie do np. satelitów geostacjonarnych, które „wiszą” nieruchomo nad równikiem – w odległości około 36000 km. Satelity NOAA wykonują około 14.1 obiegów wokół Ziemi w ciągu doby, przy czym ich orbita przechodzi za każdym razem ponad obydwoma biegunami Ziemi. Satelity przekazują na bieżąco drogą radiową obraz powierzchni Ziemi i chmur w świetle widzialnym i w podczerwieni. Najłatwiejsze do odbioru są transmisje na częstotliwościach z zakresu około 138 MHz.

W Internecie można znaleźć ogromną ilość informacji na temat odbioru sygnałów z satelitów pogodowych. Dlatego też tutaj podajemy jedynie podstawowe linki oraz bardzo podstawowe informacje techniczne.

Poniżej przedstawione są w wielkim skrócie wszystkie niezbędne elementy konieczne do odbioru sygnałów z satelitów NOAA. Uwaga – bogaty zbiór linków do stron o odbiornikach i antenach można znaleźć na stronie www.wxtoimg.com/hardware/.

1. Podstawowa wiedza o satelitach pogodowych.

Można zacząć od źródeł – czyli od strony instytucji zarządzającej satelitami NOAA : www.oso.noaa.gov/poes/index.htm. Ważna podstrona tej witryny to: www.oso.noaa.gov/poesstatus/, gdzie można znaleźć wiarygodne informacje o tym, który satelita jest obecnie sprawny i na jakiej częstotliwości przekazuje na Ziemię obrazy.

Zdjęcia są przesyłane przy użyciu tak zwanego formatu APT – Automatic Picture Transmission.

2. Bieżąca informacja o położeniu satelitów wokół Ziemi.

Ponieważ mamy do czynienia z satelitami orbitującymi, musimy dokładnie wiedzieć, kiedy będą przelatywały w naszym zasięgu. Czas, w którym możemy odbierać sygnały danego satelity, gdy przelatuje nad nami, to jedynie około 8 minut. Jednym z programów, dzięki któremu możemy poznać aktualną i przyszłą pozycję satelitów NOAA i wielu, wielu innych jest (w zasadzie darmowy) WXtrack. Należy pamiętać o regularnym włączaniu automatycznego aktualizowania danych o satelitach ze strony www.celestrak.com/NORAD/elements/ oraz o podaniu własnej lokalizacji. Poniżej przedstawiony jest przykładowy widok programu.

WXtrack - pozycje satelitów


3. Odpowiedni odbiornik radiowy.

a) odbiornik fabryczny ogólnego przeznaczenia (skaner radiowy)

Odbiorniki takie kosztują od kilkuset złotych do kilku tysięcy i więcej. Znani producenci to Uniden Bearcat, Icom, Yaesu, Alinco. Odbiorniki takie najczęściej pokrywają zakres od kilkudziesięciu MHz (niektóre od kilkudziesięciu kHz) do kilku GHz. Wiele modeli można kupić w Polsce albo w sklepach ze sprzętem nadawczym i odbiorczym czy też detektywistycznym (uwaga na ceny!), albo przez Allegro. Warto też zwrócić uwagę na sklepy zagraniczne, takie jak np. THIECOM.

Zalety: umożliwiają odbiór bardzo wielu transmisji, a nie tylko tych z satelitów, 

Wady: w tańszych odbiornikach nie ma możliwości regulacji szerokości pasma tak zwanej częstotliwości pośredniej. Akurat ten parametr jest ważny przy odbiorze sygnałów z satelitów NOAA i powinien wynosić 30 kHz, a standardowo wynosi on 15 kHz lub mniej w trybie FM (NFM, narrow FM), a około 200 kHz w trybie WFM (wide FM). Jeśli użyjemy trybu FM, część informacji przesyłanej z satelity będzie tracona i obraz będzie zniekształcony. W trybie WFM z kolei sygnał będzie dość słaby, a przez to trochę zaszumiony. Okazuje się jednak, że w tym trybie da się uzyskać przyzwoite wyniki – takie jak te przedstawione na końcu tej strony. Niestety, dopiero droższe odbiorniki umożliwiają dobór szerokości pasma częstotliwości pośredniej i odbiór wysokiej jakości obrazów.

b) odbiornik fabryczny dedykowany

Są to odbiorniki skonstruowane właśnie do naszych celów. Przykładem może być R2FX oraz odbiornik zaprojektowany przez Miroslava Gola.

Zalety: charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami właśnie do odbioru transmisji z satelitów pogodowych,

Wady: przy relatywnie wysokiej cenie nie pozwalają na odbiór niczego innego niż obrazy z satelitów.

c) odbiornik własnej konstrukcji

Odbiornik taki można skonstruować na podstawie własnego projektu bądź wykorzystując dostępne w Internecie opisy. Warto zwrócić uwagę, że wspomniany wyżej odbiornik Miroslava Gola jest dostępny także jako zestaw do samodzielnego montażu.

Zalety: dużo frajdy przy konstruowaniu własnego urządzenia, motywacja do nauczenia się nowych zagadnień, np. programowania mikrokontrolerów,

Wady: trudności ze zdobyciem niektórych elementów oraz konieczność posiadania pewnego doświadczenia w konstruowaniu urządzeń elektronicznych, a najlepiej też – radiowych.

W Internecie można znaleźć wiele opisów odbiorników dla elektroników-hobbystów. W szczególności warto polecić:

a) stronę szwedzkiego elektronika z bardzo ciekawymi pomysłami [strona została usunięta],

b) artykuł ze Świata Radio z sierpnia 2001 z późniejszymi ulepszeniami,

c) schemat odbiornika Miroslava Gola.

Poniżej przedstawiamy zdjęcie domowej roboty skanera radiowego o zakresie 46 do 870 MHz, zbudowanego między innymi w oparciu o podane wyżej opisy odbiorników.

odbiornik z głowicą telewizyjną

kliknij na zdjęciu aby powiększyć

W powyższym układzie zastosowano głowicę telewizyjną firmy Philips UV1316. Kontrolę częstotliwości głowicy i dalszych stopni zapewnia mikrokontroler firmy Atmel, wbudowany w mikrokomputer PECEL firmy AVT (pokazany na kolejnym zdjęciu, podobnie jak syntezer częstotliwości na układzie TSA6057). Skaner umożliwia odbiór modulacji FM oraz AM. Fragment z głowicą telewizyjną nie jest konieczny. Można go zastąpić obwodami przystosowanymi do odbioru częstotliwości z okolic 138 MHz, tak jak to jest zrobione tutaj.

synteza na układzie TSA6057 i mikrokontrolerze ATMEL

Układ sterowania odbiornikiem – minikomputer PECEL z mikrokontrolerem AT90S8535 oraz syntezer częstotliwości pośredniej na TSA6057. Minikomputer steruje zarówno syntezerem, jak też i głowicą telewizyjną.


4. Antena.

Dobra antena to podstawa udanego odbioru obrazów z satelitów NOAA. Jednak do pierwszych prób wystarczy nawet trzymana w ręce zwykła antena teleskopowa. Warunkiem koniecznym odebrania czegokolwiek jest dobra widoczność nieba – nie możemy być ukryci wśród bloków czy drzew. Doskonałym miejscem do odbioru NOAA jest... plaża.

Ponieważ fale radiowe emitowane z satelitów mają tak zwaną polaryzację kołową, najefektywniejszy odbiór uzyskamy ze specjalnymi antenami – tak zwanymi śrubowymi bądź skrzyżowanymi dipolami. Linki do opisów ich wykonania są np. tutaj.


5. Oprogramowanie.

Odbiornik należy podłączyć do wejścia karty dźwiękowej komputera (najlepiej wejścia liniowego) w celu ostatecznej demodulacji i wygenerowania obrazu. W Internecie można znaleźć szereg programów, które nie tylko generują obraz przesłany z satelity, ale także pozwalają na jego korekcję, dodanie granic państw, kolorowanie lądów i inne. Jednym z takich programów jest (po części darmowy) WXtoImg.

Przykładowe zdjęcia odebrane z satelity NOAA 18 i NOAA 19 na plaży są przedstawione poniżej (kliknij na zdjęciu aby powiększyć):

obraz APT z satelity NOAA 18

obraz APT z satelity NOAA 19

Górny obrazek: NOAA 18, dolny obrazek NOAA 19. Podstawowe dane: odbiornik – IC-R20 firmy ICOM w trybie WFM, prosta antena teleskopowa. Sygnał został nagrany w wewnętrznej pamięci odbiornika (jakość najlepsza - fine), a następnie odtworzony z pamięci do wejścia liniowego karty dźwiękowej i poddany demodulacji w programie WXtoImg. Jak widać, mimo użycia jedynie trzymanej w ręku anteny teleskopowej i demodulacji WFM, zamiast dedykowanej (o paśmie 30 kHz), otrzymany obraz jest całkiem przyzwoity.

Dla zainteresowanych załączamy również pliki dźwiękowe, z których zostały wygenerowane powyższe obrazki: noaa_18.wav oraz noaa_19.wav (uwaga, około 11 MB).


6. Co dalej?

Mając już pewne doświadczenie możemy starać się polepszać jakość odbieranych obrazów. Można to uzyskać np. przez: a) zastosowanie ruchomej anteny, automatycznie zmieniającej swoje ustawienie wraz z przesuwaniem się satelity na niebie, b) precyzyjne dostrajanie odbiornika do częstotliwości fali z satelity, zmieniającej się ze względu na efekt Dopplera wynikający ruchu satelity względem naszej anteny. Program WXtrack podaje na bieżąco wielkość efektu Dopplera. c) skonstruowanie odbiornika do odbioru zdjęć wysokiej rozdzielczości, nadawanych w paśmie gigahercowym. Konieczne jest tu zastosowanie anteny typu „talerz”.


>>> powrót do spisu prezentacji i eksperymentów <<<


(c) 2012, 2013 Tomasz Kawalec