Příjem snímků z družic NOAA


Úvod - Co je to NOAA

http://www.noaa.org/index.htmlNOAA - je zkratkou National Oceanic & Atmospheric Administration, volně přeloženo Národní úřad pro oceán a atmosféru. Je to americká vědecká vládní agentura zaměřená na sledování atmosféry a oceánů. Mezi její hlavní činnosti patří dlouhodobý monitoring stavu atmosféry a mořských ekosystémů, mimo to dává např. výstrahy před očekávanými nebezpečnými meteorologickými situacemi, nebo sleduje změny ozonové vrstvy. Přehled veškerých čiností naleznete na jejich stránkách.

Družice NOAA

Družice NOAA

Obr.1 Družice NOAA nad zemským povrchem (zdroj NOAA)

Pro některé z výše uvedených činností využívá stejnojmennou síť družic. Družice NOAA patří k zástupcům orbitálních družic pohybujících se na heliosynchronních kvazipolárních drahách s inklinací vůči rovníku 98°. Družice se pohybují v rozmezí 810-870 km nad zemským povrchem s oběžnou dobou 102 minut. Dráha družice je zvolena tak, že každý přelet určitou zeměpisnou šířkou probíhá vždy v přibližně stejný místní čas. Předpoklad správné funkčnosti systému je provoz alespoň dvou družic jejichž roviny drah spolu svírají úhel 90°, což zajistí snímání určité lokace na povrchu Země nejméně 4x za 24 hodin. Během svého přeletu družice neustále skenuje pás území široký 3000 km a data on-line vysílá na zem. Srdcem celého systému je skenovací radiometr AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Je to v podstatě dalekohled, před kterým je umístěno v úhlu 45° rotující zrcadlo, které odráří do objektivu dalekohledu obraz zemského povrchu. Rotací zrcadla vlastně dochází ke skenování zemského povrchu v horizontální rovině (východ-západ), zatímco ve vertikální rovině (sever-jih případně jih-sever) je skenování zajištěno pohybem družice po své orbitě. Skenování povrchu probíhá na pěti spektrálních pásmech. První kanál je ve viditelném oboru, druhý kanál v blízké infračervené oblasti a třetí až patý kanál ve vzdálené infračervené oblasti. Pro amatérský příjem v módu APT jsou přístupné vždy pouze dva kanály.

Vybavení pro příjem snímků - hardware

Ještě než začnu popis nutného vybavení pro příjem snímků, v krátkosti se zmíním o dvou různých možnostech tohoto příjmu. Družice NOAA vysílají ve dvou základních módech přístupných pro amatérský příjem. V módu APT (Automatic Picture Transmition) v pásmu okolo 137.5 kHz nebo HRPT (High Resolution Picture Transmition) v gigahertzovém pásmu, přesněji okolo 1600 MHz. První ze zmíněných způsobů příjmu umožňuje získat obrázky v nižším rozlišení, je technicky méně náročný a pro většinu lidí i finančně dostupnější, druhým ze způsobů lze získat kvalitnější satelitní snímky s lepším rozlišením, je k tomu však zapotřebí naváděná parabolická anténa a přijímač v pásmu cca 1,6 GHz. Vzhledem k tomu, že s příjmem v módu HRPT nemám osobní zkušenosti, budu se nadále věnovat módu APT. Filozofie celého příjmu je jednoduchá. Družice v módu APT vysílá na zem frekvenčně modulovaný cirkulárně pravotočivě polarizovaný signál na frekvencích v oblasti cca 137-139 MHz. Po zachycení anténou je signál zaveden koaxiálním kabelem do přijímače. Zde dojde k jeho demodulaci a na výstupu získáme signál subnosné vlny 2400 Hz, která je amplitudově modulována. Tento zvukový (již uchem slyšitelný) signál zavedeme do zvukové karty počítače a softwarově převedeme na obraz. Obraz je zakódován v amplitudové modulaci subnosné vlny (2400 Hz), kde hloubka modulace odpovídá určitému odstínu šedé barvy. S obrazem jsou zároveň vysílány synchronizační impulzy, podle kterých software pozná, kdy má spustit záznam a bez nichž by nebylo možné obraz správně poskládat. Kromě synchronizačních impulzů jsou přenášeny ještě údaje z telemetrie družice. Ty například umožňují teplotní kalibraci pro odečítání jasové teploty z infračerveného kanálu. Co se týká hardwarových nároků, tak nejsou příliš vysoké, můj první záznam přeletu byl dělán ještě na starém Pentiu 75, výkonnější počítač však oceníme zvláště při zpracovávání uložených dat.

Základ příjmu - přijímač

přijímač pro pásmo 135-140 MHz

Obr.2 Přijímač pro pásmo 135-140 MHz

Pro příjem snímku nebudeme potřebovat nic menšího než radiový přijímač v pásmu 135 - 140 MHz. Je to v podstatě obdoba obyčejného rádia, s tím rozdílem, že v našem přijímači musí být dostatečně širokopásmové filtry druhé mezifrekvence na 455 kHz. Minimální použitelná šířka pásma je alespoň 15 kHz, optimální pak 30-60 kHz. Z tohoto důvodu můžeme předem vyloučit všechny běžně používané přijímače pro hlasovou komunikaci, např. radioamaterské. Ne že by nešly také použít, ale vzhledem k menší šířce přenášeného pásma dojde k "ořezání" přenášené informace a takto získané obrázky jsou málo kontrastní a ochuzujeme se například o možnost odečítání teploty přímo z mapy. Kde tedy sehnat vhodný přijímač? Možností je několik:

Každému kdo alespoň trochu vládne páječkou bych doporučoval volit zlatou střední cestu, tedy koupit stavebnici a doma sestavit a oživit. Nedá to tolik práce jako to vymýšlet a oproti hotovému výrobku se dá ušetřit dost peněz. Vhodným místem kde začít jsou například stránky firmy Emgola. Zde najdete všechny důležité základní informace o příjmu a možnost vybrat si variantu přijímače ušitou vašim dovednostem i vaší kapse.

Anténa

Kvalitní anténa je v případě příjmu snímků z družic půl úspěchu. Bude nám na nic dobrý přijímač, když bude špatně zkonstruovaná nebo umístěná anténa. Jako ve všech obdobných případech i tady platí, že anténa by měla "vidět" co nejlépe do otevřeného prostoru a anténní koaxiální svod by měl být co nejkratší. V opačném případě budou obrázky zatíženy šumem a navíc nebude možné uspokojivě zachytit nízké přelety. Pro příjem v APT módu se využívá dvou základních typů antén:

Tyto antény jsou použity vzhledem k tomu, že rádiové vlny vysílané družicí jsou cirkulárně polarizované. Proto pozor na zapojení symetrizačního členu u antény turnstile nebo směru "vinutí" ramen u helikální antény. V případě špatného provedení nebude anténa funkční.

Vybavení pro příjem snímků - software

Software pro predikci přeletu satelitu

WXTrack screenshot

Obr.3 Ukázka programu WXTrack od Davida Taylora (verze 3.0.4)

Vzhledem k tomu, že družice NOAA nejsou geostacionární, ale orbitální, tak se nad určitou oblastí vyskytují pouze v určitý čas. Pro stanovení času přeletu, to jest východu, kulminace a západu družice existuje na webu nepřeberné množství programů. Namátkou uvedu např. WXTrack Orbitron nebo SatWin. První dva z uvedených programů v sobě zahrnují i další užitečné funkce a navíc obsahují hezky zpracovanou vizualizaci pohybu satelitů nad zemským povrchem. Kromě některého z výše uvedených programů budeme ještě potřebovat z internetu stáhnout aktuální kepleriánská data družic (např. zde), ze kterých programy polohu počítají. Kepleriánská data stačí aktualizovat zhruba jednou za tři týdny.





Software pro uložení a vizualizaci signálu

WXSat screenshot

Obr.4 Program WXSat pro záznam signálu (verze 2.5) - ukázka části záznamu během přeletu

Vysokofrekvenční signál vysílaný družicí je po demodulaci přijímačem zaveden přes zvukovou kartu do PC a my musíme nějakým způsobem tento zvukový signál převést na obrazovou informaci. V případě, že chceme prozatím uložit pouze zvukovoý záznam pak k tomu stačí jakýkoliv zvukový editor umožňující nahrávání záznamu v délce do 15 minut (což je nejdelší možná doba přeletu družice) a jeho uložení ve formátu WAV. Použití bezztrátového souboru jako je WAV je bezpodmínečně nutné vzhledem k zachování kompletní informace, z níž bude vytvořen obraz. V případě, že chceme zvuk převádět on-line na obraz použijeme např. program WXSat. Tento program umožňuje uložit celý záznam jak ve zvukové tak i obrazové podobě a navíc má zabudovány funkce, které nám umožní správné nastavení úrovně signálu přivedeného do zvukové karty o čemž bude zmínka hned v následujícím odstavci.

Záznam snímku

Nastavení ovladačů hlasitosti

Pro lepší čitelnost klikněte na obrázek

Máme přijímač, máme anténu, software pro záznam signálu a co dál? Předpokládám, že poslouchání pípání z reproduktoru přijímače asi nikoho neuspokojí a bude chtít nějaký ten snímek zaznamenat, takže začneme. Přijímač připojíme k anténě a zvukový výstup z přijímače zavedeme do vstupu (IN) zvukové karty případně do vstupu pro mikrofon (MIC). V ovladačích hlasitosti zkontrolujeme nastavení úrovně pro záznam z příslušného vstupu (vstup vnějšího zdroje, mikrofon) - otevřeme ovládání hlasitosti, v menu Možnosti - Vlastnosti se přepneme na Záznam. Zde pro zobrazení zaškrtneme Vstup vnějšího zdroje a Mikrofon a potvrdíme OK. V Ovládání hlasitosti potom nastavíme úroveň hlasitosti používaného vstupu na maximum, protože vlastní úroveň signálu je lepší nastavovat přímo na přijímači. Nyní zapneme přijímač a nastavíme frekvenci požadované družice. V případě že není žádná v dosahu nebo nemáme zapnutý "Squelch - umlčovač šumu" měl by se z reproduktoru ozývat šum. Nyní spustíme program WXSat. V menu Decoding - Parameters vybereme předvolbu NOAA. Ostatních nastavení si zatím nevšímáme.

Nastavení zesílení signálu

Obr.5 Nastavení zesílení signálu

Nyní už jen stačí počkat na přílet družice. Jakmile se družice objeví nad obzorem, měl by se z reproduktoru začít ozývat kolísavý tón ("takové pípání a klapání") zatím utopený v šumu. Jakmile je družice dostatečně vysoko, šum postupně mizí. Abychom získali korektní jas a kontrast snímku, musíme provést správné nastavení úrovně signálu na výstupu z přijímače. K tomu nám opět poslouží program WXSat. Zde v menu Recording spustíme Test a potenciometrem hlasitosti na přijímači nastavíme takovou úroveň, aby se signál zobrazovaný na osciloskopické obrazovce vešel mezi dvě bílé linie označené 0,8 a -0,8 (obr.5). Tím je provedeno nastavení úrovně. Nyní už jen zbývá zapnout vlastní záznam. To provedeme opět z menu Recording klepnutím na položku Picture nebo Picture & wavefile, lišící se v tom zda zaznamenáváme jen obrázek nebo se ukládá i zvukový soubor. Zaznamenáme celý přelet a poté nahrávání stopneme. Tím je celá procedura hotova. Na obrazovce máme svoji první satelitní mapu.

Automatický záznam snímků v průběhu dne

Program WXSat umožňuje kromě výše popsaného i automatický záznam snímku. Nejprve si v podadresáři, kam byl nainstalován WXSat vytvoříme adresáře s názvem "BMP" a "WAV". Do těchto adresářů program automaticky ukládá záznamy přeletů. V menu Recording najdeme položku Start at subcarrier a vybereme zda chceme ukládat obrázek, zvukový soubor nebo obojí. Nyní se již o přijímač nemusíme starat, protože program při rozpoznání subnosné vlny sám spustí záznam. Má to však jeden háček, přijímač máme naladěn pouze na určitou frekvenci. Zaznamenává tedy jen snímky družic, které na této frekvenci vysílají. Chceme-li v průběhu dne přijímat i snímky ostatních satelitů musíme mít přijímač řízený počítačem, který zajistí automatické přeladění frekvence v příhodnou dobu. Zde je opět několik možností: buď pořídit přijímač, který lze přímo řídit počítačem nebo si pomoci tak jak je uvedeno tady.

Zpracování

SatWin screenshot

Obr.6 Program SatSignal pro zpracování záznamu

Nyní, když máme záznam signálu uložen na disku, můžeme přistoupit k jeho zpracování. Obrázek je pouze černobílý v 256 odstínech šedi a obsahuje dva kanály viditelný a infračervený. Program SatSignal umožňuje udělat z těchto dvou kanálů jeden obrázek ve falešných barvách odpovídajících vyzařovací teplotě. Jedná se o vynikající program, bohužel na rozdíl od ostatních zde uváděných programů se nejedná o freeware. Existuje však jeho volně šiřitelná verze, která sice neobsahuje funkce jako např. odečet teploty, ale přesto umožňuje výše uvedené vytvoření kompozitního barevného obrázku. Funkce je však limitována pouze na zpracování zvukového souboru, čímž jsou vyřazeni ze hry všichni majitelé slabších počítačů (i když majitelů 486tek už asi dnes moc není), protože se jedná o operaci náročnou na výkon procesoru a použitou pamět. Dále se také objevila verze 5.0, která po dobu 30 dní umí vše co "ostrá" verze. Určitě doporučuji vyzkoušet!

Závěr

Na závěr bych chtěl upozornit všechny zájemce o příjem snímků z družic NOAA, že se již minimálně 5 let mluví o postupném zrušení přenosu snímků systémem APT a o přechodu na plně digitální provoz, což by pro amatérský příjem mělo zřejmě neblahý dopad. Uklidňující však je, že v minulém roce (2005) byla vypuštěna další družice ze série NOAA-KLM a to NOAA-18, která v módu APT vysílá a její životnost se předpokládá minimálně na dalších pět let. Takže, když nám ji nesestřelí nějaké to kosmické smetí nebo nezamrzne zrcadlo AVHRR, máme se dalších několik let na co těšit.

Užitečné odkazy

Informace o systému NOAA

http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/podug/
http://www.chmi.cz/meteo/sat/inf_noaa.html

Kepleriánské elementy

http://celestrak.com/NORAD/elements/
http://www.amsat.org/amsat/ftp/keps/current/nasa.all

Předpovědi přeletu družic

http://www.emgola.cz/satwin/sat.txt
http://www.ssec.wisc.edu/datacenter/NOAA17/

Informace o aktuálním stavu provozovaných družic

http://www.oso.noaa.gov/poesstatus/
http://noaasis.noaa.gov/NOAASIS/ml/status.html

Prodejci přijímačů

www.emgola.cz
http://www.time-step.com/products_apt.htm
http://www.ukwtechnik.com/Products/products.html
http://www.wraase.de/

Software

WXTrack - http://www.david-taylor.pwp.blueyonder.co.uk/software/wxtrack.htm
Orbitron - http://www.stoff.pl/
SatWin - http://www.emgola.cz/satwin/sw_satwin_kucirek.htm
WXSat - http://www.hffax.de/html/hauptteil_wxsat.htm
SatSignal - http://www.satsignal.net/