Настройте свою собственную станцию ​​приема метеорологических спутников

Мы все знакомы с земными изображениями облаков и ураганов, сделанными с спутники на околоземной орбите в наших ежедневных прогнозах погоды. Благодаря современным технологиям и подключению к Интернету такие изображения теперь доступны любому человеку одним нажатием кнопки или даже через приложения на мобильных телефонах. Однако такие изображения предоставляются либо государственными учреждениями, либо коммерческими агентствами, которые предоставляют синоптикам более подробную информацию.

Часто изображения поступают с геостационарных спутников, которые передают высокоскоростные данные на микроволновых частотах в диапазоне от 3 до 4 ГГц в C-диапазоне или даже на более высоких частотах. Таким образом, фактическая антенна и радиочастотная электроника на этих микроволновых частотах являются ограничивающим фактором для обычного экспериментатора. Помимо специальных навыков проектирования и опыта в области ВЧ и СВЧ, для получения таких данных или сигналов также необходимы разрешение или лицензия.

Однако существуют спутники, которые предоставляют изображения погоды хорошего качества в определенном месте на Земле, которые можно свободно использовать в собственных благих целях. Изображения, показанные на рис. 1 и рис. 2, были получены с таких спутников. Хотя это изображения не очень высокого разрешения, их достаточно для отслеживания погоды и циклонов отдельному экспериментатору.

Существующие технологии и программные инструменты, доступные в виде бесплатного программного обеспечения, можно использовать для настройки собственной приемной станции метеорологических спутников. Эта статья поможет вам настроить себе одну такую станцию.

Основная система

Давайте сначала рассмотрим основные конфигурации системы и типы спутников, к которым мы можем подключиться для этой цели. На рис. 3 показана принципиальная структурная схема спутниковой приемной станции. Очевидно, нам нужна хорошая антенна, приемник и компьютер для запуска программного обеспечения для декодирования изображений. Но важно знать спутники, которые можно использовать для этой цели. Давайте узнаем!

В основном существует три типа искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли. Давайте попробуем их понять.

ГЕО-спутники

Спутники на геосинхронной околоземной орбите (GEO) имеют орбиту на высоте около 36 000 км над поверхностью Земли. Они вращаются со скоростью Земли и поэтому кажутся неподвижными, если смотреть с Земли. Спутники GEO покрывают одну треть Земли и часто оснащены многоспектральными формирователями изображений очень высокого разрешения, работающими в диапазонах от оптического до микроволнового (радио) диапазона. Поскольку эти спутники неподвижны относительно Земли, можно использовать на Земле параболические антенны с высоким коэффициентом усиления для приема их микроволновых сигналов (см. Рис. 4).

Спутники MEO

Спутники на средней околоземной орбите (MEO) имеют орбиту от 10 000 до 15 000 км, что по высоте находится между спутниками GEO и LEO.

Спутники на низкой околоземной орбите

Спутники на низкой околоземной орбите (НОО) имеют орбиту от 800 до 1600 км и часто нестационарны — или, по крайней мере, они вращаются на солнечно-синхронных полярных орбитах и обычно имеют период обращения от 90 до 100 минут. Полярная орбита и следящая антенна показаны на рис. 5.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА) США управляет серией таких метеорологических спутников на полярной орбите. В центре нашего внимания находятся действующие в настоящее время NOAA-15, NOAA-18 и NOAA-19. Эти спутники передают 8-битные изображения низкого разрешения (обычно 4 км на пиксель).

Сигналы передаются по так называемому протоколу автоматической передачи изображений (APT) в виде звукового тона со стандартной частотной модуляцией (FM) на несущей в диапазоне 137 МГц. Все данные изображения с тепловизоров инфракрасного и ближнего видимого диапазона, находящихся на борту этих спутников, передаются вместе с необходимыми сигналами телеметрии и синхронизации в одном аудиосигнале, и это называется аналоговой передачей. Для этого проекта мы будем получать изображения погоды с этих спутников.

Спутник из России под названием «Метеор-М-2» на полярной орбите передает изображения погоды в еще более высоком разрешении в том же диапазоне 137 МГц. Но он использует цифровую модуляцию QPSK, поэтому для восстановления изображений из передачи цифровых данных требуется специальный демодулятор.

Практическое построение системы

Как указывалось ранее, мы заинтересованы в приеме спутников NOAA-15, NOAA-18 и NOAA-19, которые передают изображения в диапазоне УКВ 137 МГц с частотно-модулированной (FM) аудиоинформацией с использованием протокола APT. Подробности об этом протоколе приведены в следующей части статьи.

NOAA-15 передает на частоте 137,6200 МГц, NOAA-18 — на частоте 137,9125 МГц и NOAA-19 — на частоте 137,100 МГц с отклонением несущей ±17 кГц. Таким образом, необходим приемник с полосой пропускания не менее 40 кГц. Кроме того, в этой передаче используется правая круговая поляризация (RHCP) спутниковой антенны. В конце концов, вам теоретически потребуется антенна с круговой поляризацией и на приемной стороне. Альтернативно, if вы используете антенну с линейной поляризацией, принимается только половина мощности, поскольку линейная антенна воспринимает только одну составляющую, горизонтальную или вертикальную.

Антенна QFH

Квадрифилярная спиральная антенна, или просто QFH-антенна, является правильным выбором для сигнала с круговой поляризацией. Но когда дело доходит до конструкции этой антенны, трудно найти подходящие детали ее конструкции. Кроме того, когда у вас есть достаточно информации, чтобы приступить к созданию антенны, наличие материалов на месте и по доступной цене становится большой проблемой. Если вы решите использовать материал, доступный на вашей свалке, вы не можете быть уверены в эффективности этой антенны. Так что лучше быть осторожным. Антенна QFH показана на рис. 6.

Антенна турникета

Следующая альтернатива — турникетная антенна. В нем используются два линейных диполя, расположенных под углом 90 градусов или под прямым углом друг к другу, причем один диполь подключен к необходимому 90-градусному фазирующему кабелю (квадратурное соединение). Эту антенну проще сконструировать, поскольку в ней используются только два линейных диполя. Однако у него плохие характеристики вблизи горизонта, необходимые для приема спутниковых сигналов от горизонта или при малых углах места.

Автор опробовал одну из таких комбинаций и обнаружил, что она обеспечивает более высокий коэффициент усиления сигнала и, следовательно, более высокое качество изображения, но только в поле зрения ±30 градусов относительно вертикали, то есть всего 120 градусов, и только тогда, когда спутник находится над головой и имеет меньшее усиление. Почти никаких данных изображения не было видно вблизи углов горизонта. Антенна турникета показана на рис. 7.

Ви-дипольная антенна

Самой простой формой антенны является диполь V (или Vee), который является продолжением одиночного линейного диполя. Фактически, две четвертьволновые секции линейного вибратора расположены или установлены под углом 120 градусов по сравнению с 180 градусами для прямого линейного вибратора. Вы можете начать с этой простой, но эффективной антенны. У автора был линейный диполь, оптимизированный и протестированный для любительского радиодиапазона 2 м (144 МГц) с центральной частотой 145 МГц.

Итак, вы можете начать с построения этого V-диполя. Полоса 137 МГц и спутниковые частоты варьируются от 137,1 МГц до 137,9125 МГц. Предположим, что 137,5 МГц является центральной частотой. Длина волны в свободном пространстве на этой частоте составляет 2,1818 м, полуволновая длина — 1,09 м, а четвертьволновая длина — 0,54545 м.

Вам потребуется алюминиевая трубка диаметром 6 мм (приблизительно ¼ дюйма) и длиной 1,2 м, которую можно приобрести в местном хозяйственном магазине по очень низкой цене. Разрежьте трубку на две одинаковые части длиной по 60 см. На одном конце каждой из этих секций просверлите два отверстия диаметром 3 мм, как показано на рис. 9. Оставьте длину этих двух секций длиной 60 см как есть на данном этапе. Позже мы отрегулируем длину до оптимального значения.

Настоятельно рекомендуется использовать универсальный PCB или любой другой пластиковый изоляционный материал или коробку для установки этих дипольных элементов для лучшей механической устойчивости и защиты от погодных условий, пыли/влаги. Точные размеры и детали конструкции показаны на рис. 9. Автор соединил соединения дипольных элементов с разъемом BNC, подходящим образом установленным на PCB, но для этой цели подойдет и панельный тип крепления.

Кабельные соединения

Поскольку этот линейный диполь имеет сопротивление около 72 Ом, здесь можно использовать общедоступный коаксиальный кабель сопротивлением 75 Ом, используемый для спутникового телевидения. Возможно, вам понадобится около 12 метров длины. Вы можете выбрать в соответствии с вашими потребностями, но не превышайте 15 метров, чтобы избежать значительных потерь сигнала из-за кабеля. Подключите один конец этого кабеля к вилке BNC, а другой конец — к гнезду кабельного типа BNC. Подробности см. на рис. 11. Их легко приобрести в местных магазинах электроники и систем видеонаблюдения. Также, как видно на рис. 9 и рис. 10, коаксиальный кабель возле антенны смотан в 3-4 витка. Он действует как балун, обеспечивающий преобразование/согласование импеданса.

Крепление антенны

После того, как сборка вашей антенны (диполя) завершена, пришло время установить ее на мачту. Теоретически и в идеале нам нужно, чтобы антенна была установлена ​​как можно выше. Но есть два ограничивающих фактора. Во-первых, как указано выше, это потери в кабеле. А второе – это стоимость материала для мачты и, в конечном итоге, механическая устойчивость к ветрам. Автор использовал произвольную длину около 210 см, которая была в наличии в виде двух лишних труб ПВХ диаметром 1,27 см, оставшихся после бытовых сантехнических работ. См. Рис. 9 и Рис. 10, чтобы получить представление о мачте. У автора была возможность подняться на крышу высотой в два этажа.

Вы можете сами выбрать материал для мачты, если он обеспечивает изоляцию и не выходит за рамки вашего бюджета. И последнее слово: размещайте эту антенну подальше от линий электропередач и других источников электрических или радиочастотных помех. Любой вид электрического шума или помех влияет на качество изображения, а иногда данные вообще отсутствуют!

Малошумящий усилитель (МШУ)

Это антенный входной усилитель, который повышает уровень сигнала на 10–20 дБ. На начальном этапе вам не обязательно использовать МШУ, но он будет полезен для получения качественных изображений с российского спутника Метеор М2. Спутник передает изображения погоды в том же диапазоне 137 МГц на частоте 137,100 МГц (как получил автор), но не в аналоговом формате APT. Он использует модуляцию QPSK со скоростью символов/данных 72 Кбит/с и требует другого подхода к демодуляции.

Итак, на данный момент ЛНА не является обязательным. Однако его можно изготовить самостоятельно или купить в готовом виде. Автор построил один такой МШУ, который находится на стадии оценки и испытаний. Это связано со значительными затратами, поскольку для достижения желаемой производительности требуются СВЧ/ВЧ компоненты.

Получатель

После антенны основной частью приемной станции является приемник. Существуют доступные широкополосные программно-определяемые радиомодули (SDR), доступные в виде ключей USB. Они не только обеспечивают прием радиовещательных диапазонов AM/FM, но и широкий охват от НЧ/СЧ до частот от 1,7 до 2 ГГц, в зависимости от устройства. Одним из наиболее часто используемых является ключ RTL-SDR RTL2832-Ver3 USB, который можно приобрести на веб-сайтах электронной коммерции. Альтернативно есть RSP1A от SDRPlay, но по более высокой цене.

В ключе RTL-SDR используется 8-битный ADC while, в RSP1A имеется мощный 14-битный ADC. Производительность отличается, как и цена. Он сильно отличается! Поэтому выбор зависит от вашего бюджета. Автор использует оба — RSP1A для спутников NOAA и RTL-SDR для Метеора-М2. Эти USB SDR имеют собственный пользовательский интерфейс, но он позволяет вам управлять радиостанцией только традиционным способом, например, настройкой на определенную частоту, установкой режима приема, например AM, FM, DSB, CW или USB/LSB в case однополосного приема, управлением полосой пропускания и т. д. Аппаратное обеспечение/устройства приемника см. на рис. 12.
Вы можете изучить программное обеспечение по вашему выбору с помощью руководства пользователя. Здесь мы сосредоточимся больше на использовании этого радио (SDR) для приема сигналов метеорологических спутников и использовании соответствующих программных инструментов для декодирования изображений. Снимки экрана GUI-панелей этих SDR-приемников показаны на рис. 13 и рис. 14. Вы можете ознакомиться с программным обеспечением, принимая стандартные передачи, прежде чем переходить к дальнейшему приему метеорологических спутников, поскольку существует другой набор программного обеспечения (как описано ниже в тексте), необходимый для декодирования изображений и преобразования данных в файлы изображений.

Программное обеспечение

Помимо программного обеспечения SDR вам потребуется еще несколько, как указано в Таблице 2.

Программное обеспечение для декодирования. Самым популярным и легко доступным в качестве бесплатного программного обеспечения является программное обеспечение WXtoImg для декодирования передач APT. Это программное обеспечение не только записывает звук, полученный со спутника, в виде «волнового» файла (.wav), но также отображает декодированное необработанное изображение while, а также отображает больше изображений после обработки необработанных данных после завершения прохода через спутник. Используйте только лицензионную бесплатную версию, пока не будете готовы приобрести полнофункциональную лицензионную версию. По мнению автора, базового бесплатного ПО вполне достаточно для отдельного экспериментатора. См. снимок экрана на рис. 15. Посетите веб-сайт https://wxtoimgrestored.xyz/, чтобы загрузить и получить подробную информацию об этом программном обеспечении.

Виртуальный аудиокабель

Следует иметь в виду, что программное обеспечение приемника (например, SDR# или SDRUno) функционирует отдельно и демодулирует радиочастотный сигнал, а затем создает аудиосигнал из FM-передачи. Программное обеспечение декодирования (например, WXtoImg) ожидает, что аудиосигнал будет подан для записи и обработки звука и преобразования его в изображение.

Раньше мы подключали аудиокабель (так называемый патч-корд) от выхода ресивера ко входу рекордера. Теперь, поскольку наш приемник представляет собой программно-определяемую радиостанцию, и вся работа, связанная с демодуляцией и восстановлением звука, выполняется в программном обеспечении, нам нужен «мягкий шнур» для подключения выхода приемника к программному обеспечению декодера APT. Для этого, помимо различных опций, автор использовал VB-Cable как бесплатную версию. Подробности и загрузку программного обеспечения можно найти по адресу https://www.vb-audio.com/index.htm
Внимательно следуйте инструкциям по установке этого виртуального аудиокабеля. После завершения установки проверьте настройки звука вашего компьютера; виртуальный кабель будет виден и доступен для настройки, как показано на рис. 17. Затем, в зависимости от звуковой конфигурации вашего ПК, выберите аудиовыход ресивера на вход этого кабеля, как показано ниже:

Аудиовыход приемникаВход виртуального кабеля

Откройте программу WXtoImg, найдите меню «Параметры» и выберите параметр «Запись». Под ним найдите параметр «Звуковая карта» и выберите «Вывод через этот виртуальный кабель» или в соответствии с параметрами звука вашего ПК.

Выход виртуального кабеляПараметры WXtoImgЗаписьОбщая запись

(Примечание EFY Lab. Во время тестирования опция виртуального кабеля не сработала в Windows 10, но хорошо работала с Windows 8.1. Она хорошо работает с настройками звука default в Windows 10. Вам следует проверить звуковое устройство и настройки на вашем компьютере в case, это не работает.)

Чтобы проверить правильность аудиоподключения, выполните следующие действия:
Шаг 1. Запустите программное обеспечение ресивера и настройтесь на FM-станции. Поддерживайте низкий уровень громкости (от 15 до 20) с помощью регулятора звука компьютера.

Шаг 2. Запустите программу WXtoImg и в главном меню «Файл» выберите подменю «Запись». Появится диалоговое окно записи. Именно здесь вам нужно начать захват изображений погоды со спутника. При этом нажмите кнопку «Ручное тестирование», как показано на рис. 19.

Шаг 3. Если звук не подключен от ресивера к программному обеспечению декодирования, вы увидите простое черное окно с изображением, как показано на рис. 20. Это указывает на то, что звук не подключен к программному обеспечению декодера, поэтому вам следует повторно проверить и правильно настроить звук компьютера. Выберите меню «Файл», затем подменю «Управление микшером», выберите правильные настройки для аудиоподключений и перейдите к следующему шагу.

Шаг 4. Если настройки звука правильные, программное обеспечение WXImg начнет отображать изображение в формате RAW. Если аудио подключено правильно, вы увидите изображение в оттенках серого, как показано на рис. 21. Это означает, что с вашими аудиоподключениями все в порядке. В противном случае вам придется снова вернуться к настройкам звука.

Шаг 5. Если шаг 4 прошел успешно, перейдите в программное обеспечение ресивера и настройтесь на мертвую точку в диапазоне FM, где ни одна станция не принимается. Затем return в окно программного обеспечения декодера WXtoImg. Вы должны увидеть изображение, похожее на ТВ-растр, из-за шипящего звука FM-радио без какого-либо звука (см. Рис. 21).

Если вы успешно выполнили шаги 4 и 5, значит, все настройки вашего программного обеспечения работают нормально, и теперь вы можете принимать реальный сигнал со спутника.

Программное обеспечение для спутникового прогнозирования. Теперь, когда вы готовы к установке антенны, приемнику и программному обеспечению декодера, пришло время узнать, когда спутник приблизится к вашему местоположению. Для этого вы можете использовать онлайн-инструмент для поиска проходящих спутников или загрузить и установить автономные инструменты для прогнозирования траектории спутников. Автор попробовал два варианта — Орбитрон и GPREDICT. Оба они доступны бесплатно и их можно найти по адресу http://www.stoff.pl/ или http://gpredict.oz9aec.net/ соответственно. Вы можете использовать любой из них. Автор использует GPredict, как показано на рис. 22.

В качестве альтернативы программное обеспечение WXtoImg также создает список проходов спутников из главного меню «Файл». Вы можете использовать любой из двух вышеперечисленных инструментов, чтобы дополнять друг друга. Рекомендуется сохранять спутниковые проходы в текстовый файл для дальнейшего использования.

Прием аналогового изображения APT

Теперь вы готовы принимать настоящие спутниковые сигналы. Включите приемник минимум за пять минут до появления спутника на горизонте и настройтесь на частоту спутника. Поддерживайте полосу пропускания приемника минимум на уровне 50 кГц. Настройки широкополосного FM-диапазона 150 кГц или выше просто добавят в сигнал больше шума.

Откройте программу прогнозирования, чтобы найти спутник и его положение на карте. Попрактиковавшись, вы сможете лучше понять, когда ваш приемник начинает принимать сигнал.

Откройте программное обеспечение WXtoImg и в главном меню «Файл» выберите подменю «Запись», а затем опцию «Автозапись», как показано на рис. 23.

Если спутник еще не появился на горизонте вашего неба, записывающее устройство в программе декодирования подождет и отобразит статус соответствующим образом. Как только спутник появится, программа начнет декодировать изображение из полученного звука. Вы можете просматривать необработанное изображение, отображаемое этим программным обеспечением, во время прохождения спутника, как показано на рис. 15.

После завершения прохода со спутника программное обеспечение автоматически обрабатывает необработанное изображение, а затем отображает и сохраняет обработанные изображения. Чтобы отобразить необработанные изображения, наложения карт и другие функции обработанных данных, перейдите в главное меню «Параметры», выберите подменю «Параметры наложения карты» и следуйте инструкциям в диалоговом окне, как показано на рис. 24.

Несколько обработанных изображений после успешного приема сигнала со спутника показаны на рис. 25 и рис. 26.

В бесплатной версии могут быть отключены многие функции, но вы можете поэкспериментировать и попробовать различные варианты улучшения изображения. Но полученных изображений, вне всякого сомнения, достаточно для того, чтобы экспериментатор мог увидеть облака и провести фундаментальные научные исследования. Автор благодарен первоначальным авторам/создателям за их прекрасную работу по обеспечению доступности бесплатного программного обеспечения для экспериментаторов. Авторские права, где это применимо, выражаются с благодарностью.

Автор уверен, что благодаря приведенной выше пошаговой информации эта статья поможет и поможет читателям в настройке собственной приемной станции метеорологических спутников. Обратите внимание, что этот эксперимент требует большого терпения и последовательности в усилиях по созданию и обслуживанию вашей приемной станции метеорологического спутника. Как только вы начнете получать изображения регулярно, вы сможете определить области, которые необходимо улучшить, и работать над достижением все более и более лучших результатов.

<час/>

Прасанна Вайчал имеет степень магистра в области электроники и более 25 лет опыта работы в области промышленных исследований и разработок в области проектирования и разработки специализированных и стратегических электронных систем, а также академического преподавания и исследований на последипломном уровне как в Индии, так и за рубежом. Его увлечения включают радиоприем и изучение солнечной активности и ее влияния на ионосферу Земли. Он также является лицензированным радиолюбителем с позывным VU3OOI. Он утверждает, что открыл метод прогнозирования землетрясений с использованием метода многолучевого и многочастотного распространения очень низкой частоты (ОНЧ).