La réception des images des satellites météorologiques

Par Pascal F10544
Réception satelllites météo

Préambule

  • Cette présentation est volontairement orientée sur les satellites à défilement en orbite polaire transmettant en mode APT (réception la plus simple à mettre en œuvre). Les modes LRPT et HRPT ne seront donc pas abordés ici.
  • Pour la première partie, je me suis largement inspiré de ce qui existe sur le Web.
  • La deuxième partie, décrit les moyens utilisés et les images reçues au QRA.

Résumé de la présentation

  • Rappel des différents types d’orbites
  • Les éphémérides – Éléments orbitaux
  • Satellites météorologiques (cas du satellite NOAA 19)
  • Moyens de réception
  • Logiciels utilisés
  • Images reçues

Types d’orbites utilisées par les satellites météorologiques

orbite-geostationnaire-polaire

L’orbite Géostationnaire

Le satellite se situe à environ 36 000 km d’altitude au dessus de l’équateur. La circonférence de l’orbite est d’environ 264000 kms et la période de révolution est exactement égale à la période de rotation de la terre, soit 23h56’04’’

Pour un observateur situé sur terre, il semble donc immobile.
Cette orbite se situe obligatoirement dans le plan de l’équateur.

L’orbite Polaire

Le satellite se situe à environ 850 km d’altitude, sa période de révolution est d’environ 102 minutes. C’est une orbite inclinée de près de 98°, le satellite survole les pôles à chaque révolution.

Position de satellites sur une orbite Géostationnaire

Position-satellites-polaires
Leur visibilité étant limitée entre 72°N et 72°S, les satellites géostationnaires ne voient pas totalement les Pôles.

Animation de l’orbite Polaire

Les satellites en orbite Polaire construisent une image de la Terre à partir de passages successifs.
Le satellite NOAA19 a une orbite Polaire inclinée de 99.1° par rapport à l’équateur, de type Héliosynchrone.

Orbite Héliosynchrone

Orbite Héliosynchrone

Source EDUCNET

Un satellite héliosynchrone passe à une latitude donnée, toujours à la même heure solaire.
Pour lui, la direction de l’éclairement solaire fait un angle constant avec son plan orbital.
La terre décrit une orbite quasi-circulaire autour du soleil. En un mois, l’angle a (alpha) vaut environ 30°. Comme le plan orbital du satellite tourne d’un même angle d (delta) pendant cette durée, l’angle d entre le plan orbital et la direction Soleil-Terre demeure constant, il y a héliosynchronisme.

Ordre de grandeur des différents types d’orbites

grandeur des différentes orbites

Ephémérides – Eléments Orbitaux
Eléments Képlériens – Keps, 2line, TLE etc..

  • Se sont les paramètres qui permettent de calculer à tout moment, la position
    d’un satellite orbitant autour de la terre.
  • Ils sont présentés sous une forme standardisée par le NORAD et disponibles
    sur les sites Celestrak.com, AMSAT.org, Space-track.org, n2yo.com, etc….
  • Ils se présentent sous la forme de deux lignes de données comprenant chacune
    69 caractères, dont 8 paramètres principaux.
  • NOAA 19
    1 33591U 09005A 18093.89277942 .00000055 00000-0 54907-4 0 9993
    2 33591 99.1355 70.4726 0014053 171.4401 188.7012 14.12266583471425
  • De leur «fraicheur» dépend la précision de vos calculs de trajectoire.

Le contenu…. (Keps, 2line, TLE etc..)

Position du satellite dans l’espace

position sattellite dans l'espace

Les satellites météorologiques

NOAA 19

NOAA19

  • Date de lancement : le 06 février 2009
  • Dimensions : 4.18 m de longueur -1.88 m de diamètre
  • Masse : 2232 kg au lancement – 1479 kg en orbite
  • Puissance électrique : 833 W fournie par les 16.76 m2 de panneau solaire.
  • Orbite Polaire Héliosynchrone Circulaire Rétrograde
  • Périgée : 849.4 km
  • Apogée : 868.2 km
  • Inclinaison : 99.1°
  • Période : 102.1 minutes.

Instruments embarqués

Le satellite est équipé d’instruments qui fournissent des images des profils de
température et d’humidité atmosphérique, de température de surface terrestre et
océanique à l’aide des instruments suivants :

  • Radiomètre Avancé Très Haute Résolution – AVHRR/3
  • Radiomètre infra rouge à haute résolution – HIRS/3
  • Unité Avancée de sondage à micro-ondes – AMSU
  • Radiomètre à rayonnement ultraviolet à rétrodiffusion solaire – SBUV/2
  • Sondeur d’humidité à micro-ondes – MHS
  • Sondeur Vertical Opérationnel TIROS Avancé – ATOVS
  • Système de collecte de données ARGOS – ARGOS DCS
  • Système de suivi assisté par satellite de recherche et sauvegarde – SARSAT – conçu pour
    détecter et localiser les radiobalises de repérage d’urgence et les radiobalises de
    localisation des sinistres (RLS) sur 121.5 MHz, 243 MHz et 406.05 MHz.
  • Système de communication comprenant 14 antennes, 9 émetteurs et des récepteurs
    redondants dans les bandes VHF, UHF, L (1 à 2 GHz), S (2 à 4 GHz)

Le radiomètre AVHRR/3

radiomètre AVHRR/3

Il enregistre l’énergie réfléchie dans la partie visible et infrarouge du spectre
électromagnétique, de jour et de nuit, dans six bandes spectrales de la surface de la terre, de
l’eau, du sommet des nuages, de la température de surface de la mer, de la neige, de la glace,
de la couverture terrestre sur une bande de 2940 km à l’aide de son miroir à balayage rotatif
interne (rotation de 360 tr/mn) afin produire un balayage de la surface de la terre.

spectre radiomètre

Liens utiles :

Le mode APT

  • APT : Automatic Picture Transmission
  • Système de transmission analogique d’images.
  • Composé de deux canaux d’image vidéo A et vidéo B, de la télémétrie, de la synchro.
  • Les données sont transmises sous la forme d’une ligne de balayage horizontal.
  • Une ligne complète à une longueur totale de 2080 pixels.
  • Chaque image utilise 909 pixels, le reste est alloué à la télémétrie et la synchronisation
  • Les lignes sont transmises à raison de 2 lignes par seconde (120 lignes / minutes)
  • Les images sont corrigées avant d’être diffusées (résolution géométrique constante)
  • Sur les deux images transmises, une est généralement en infrarouge et l’autre en
    infrarouge proche du spectre visible (variable, fonction de la station de commande au sol)
  • Résolution de l’image, en APT 4 km, en HRPT 1 km

Format d’une trame APT

Trame APT

Signal Radiofréquence en APT

  • Le signal lui-même est une sous porteuse modulée en amplitude de 2400 Hz
  • Elle est ensuite modulée en fréquence sur la porteuse RF à 137 MHz (137 à 138 MHz)
  • La modulation maximale de la sous porteuse est de 87%.
  • La bande passante RF totale est de 34 kHz

Effet Doppler-Fizeau

Doppler NOAA18

L’effet Doppler-Fizeau, est le décalage de fréquence d’une onde électromagnétique observé
entre les mesures à l’émission et à la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le
récepteur varie au cours du temps. Le nom d’« effet Doppler-Fizeau » est réservé aux ondes
électromagnétiques.

Satellites météo défilants opérationnels (avril 2018)

satellites météo operationels

Configuration matériel

  • Synoptique
  • L’antenne
  • Le préampli d’antenne
  • Le récepteur SDR RSP2 pro
  • Le Pc (décodage et affichage)
  • Accessoire

Synoptique Station de Réception

synoptique station réception

L’antenne 137 MHz

Antenne 137 MHz

  • Plage de fréquences 135 – 152 MHz
  • Polarisation: circulaire droite
  • Impédance: 50Ω
  • Rapport d’onde stationnaire < 2 : 1
  • Connexion: queue de câble
  • Hauteur totale: 1300 mm
  • Diamètre: 1065 mm
  • Poids: 2 kg
  • Réf. WIMO 18350

Antenne TURNSTILE omnidirectionnelle composée de deux dipôles demi-onde décalés de
90° l’un par rapport à l’autre formant une croix.
On obtient la polarisation circulaire recherchée en réunissant les deux dipôles par une ligne
quart d’onde.

 
 
 

Diagrammes verticaux de la Turnstile en fonction
de la polarisation

Turnstile couplage

La manière la plus simple de déphaser le signal de 90° est de réunir les deux doublets par une ligne quart d’onde. Puis on alimente le tout d’un côté ou de l’autre de la ligne selon le sens de la polarisation circulaire que l’on veut obtenir.

Polarisation circulaire

Polarisation circulaire

Polarisation circulaire droite vue par un observateur.

Polarisation circulaire droite, si l’onde tourne dans le sens trigonométrique
Polarisation circulaire gauche, si l’onde tourne dans le sens horaire.

Le préampli d’antenne (LNA)

Préampli antenne 137 MHz
Naturellement implanté au plus près de l’antenne.

Il est auto-alimenté par le câble coaxial de celle-ci.

Gain annoncé 32 dB entre 136 et 138 MHz

Ce modèle est en place sur la mat de mon antenne TURNSTILE depuis plus de 20 ans
 
 
 
 
 
 

Le Rx SDR RSP2pro

Rx SDR

Plage de réception de 1 kHz à 2 GHz
Jusqu’à 10 MHz de bande passante à l’écran – Echantillonnage en 12 bits
Préampli LNA réglable par logiciel – Connecteurs d’antenne commutables par logiciel
Antenne A : 1.5 MHz à 2 GHz – 40 dB de gain réglable
Antenne B : 1.5 MHz à 2 GHz – 40 dB de gain réglable – Sortie 4.7 Vdc (Bias-T)
Antenne High Z : 1 kHz à 30 MHz – 18 dB de gain réglable

Architecture du RSP2

SDR-RPS2

10 Filtres de bandes :

  • Passe bas 12 MHz
  • Passe Bande 12 à 30 MHz
  • Passe Bande 30 à 60 MHz
  • Passe Bande 30 à 60 MHz
  • Passe Bande 60 à 120 MHz
  • Passe Bande 120 à 250 MHz
  • Passe Bande 250 à 420 MHz
  • Passe Bande 420 à 1000 MHz
  • Passe Haut 1000 MHz

Notch (rejecteur de bande) >60 dB de 80 à 100 MHz
Radio onde Courte (MW) >30 dB de 380 à 1550 kHz

PC et écrans

PC

  • Pc HP ProDesk 400 G2 MT
  • Processeur : Intel Pentium
  • CPU : G3250 – 3.20 GHz
  • Ram : 8 Go
  • Disque dur 450 Go
  • Win 7 Pro SP1

  • Écrans Plats SAMSUNG
  • S24E450
  • LCD 24’’ (61 cm)
  • Format 1920×1080 wide 16:9

L’accessoire indispensable en SDR : Molette VFO SDR

Molette SDR
Permet de contrôler par USB le changement de fréquences d’un logiciel SDR et de retrouver le fonctionnement classique d’un VFO sur un matériel radio SDR.
Elle comprend 5 boutons programmables (par logiciel) , une molette jog centrale en caoutchouc et une molette rotative au centre avec un creux pour la tourner avec l’index.

Configuration logiciel

  • WXtrack – Orbit Predictor
    Logiciel de prédiction de passage satellite, affichage graphique et bien plus.
  • SDR Console V3.0
    Pilotage complet du Rx SDRPlay RSP2.
  • WxToImg V2.10.11
    Gestion du décodage des trames APT, affichage et post-traitement des images.
  • VB – Audio Virtual Câble
    Relie virtuellement la sortie son HP du Rx SDR à l’entrée micro du Pc.
  • DS Clock 2.6.3
    Synchronise l’horloge du Pc avec un serveur de temps atomique.

WXtrack

WXtrack

Logiciel de poursuite satellites météorologiques, amateurs, éducatifs, d’observation…
Il vous permettra de connaitre avec précision, les horaires de passage des satellites…
Il simule l’image du passage des satellites météo.
Il pilote également l’interface du ou des rotors d’antennes.

WXtrack – Projection Azimutale

WXtrack2

SDR Console V3

SDR Console V3

Logiciel permettant le pilotage complet du SDRPlay RSP2 et bien plus…

WXtoImg

WXtoImg

WXtoImg est un logiciel pour l’enregistrement, le décodage, l’édition,
le visionnage et le post-traitement d’images de satellites météorologiques.

VB-Audio Virtual Câble

VB-Cable

Utilitaire permettent de raccorder entre eux, plusieurs logiciels à l’aide
d’un câble audio virtuel en temps réel.
Résultat équivalent au raccordement de la sortie audio de votre TRX à
l’entrée micro ou ligne de la carte son du PC.

VB- Audio Virtual Câble

VB-Cable-2
Afficher le panneau de contrôle du son : faire un clique droit sur le haut-parleur dans la barre des tâches Windows (à côté de l’horloge) et sélectionner Périphériques de lecture.
Sélectionner le périphérique CABLE Input et cliquer sur le bouton Par défaut, la coche verte apparaît, valider en cliquant sur Appliquer
VB-Cable-3
Ensuite, ouvrir l’onglet Enregistrement et sélectionner le périphérique CABLE Output et cliquer sur le bouton Par défaut, la coche verte apparaît. Valider en cliquant sur Appliquer
VB-Cable-4
Afin d’entendre le son dans les hauts parleurs du PC, cliquer ensuite sur Propriétés pour afficher
l’écran ci-contre.
Cocher la case Écouter ce périphérique et choisissez le périphérique approprié dans la liste
déroulante, valider votre choix par appliquer et quitter en cliquant sur OK

Voila c’est tout, la liaison BF virtuelle entre SDR Console et WXtoImg est réalisée.

DS Clock 2.6.3

DS-Clock-263

Synchronise l’horloge du PC avec un serveur de temps atomique, automatiquement ou manuellement.
Vous choisissez un format d’heure et de date, une police de caractère, sa couleur et l’emplacement de son affichage, et surtout un serveur de temps atomique.

Images reçues au QRA

Images-recues-1

Image brute standard – Canal A et B – Capteur 2 et 4

Images-recues-2

Images-recues-3

Images-recues-4Satellite: NOAA 15
Pass Start: 21 May 2017 06:53:59 GMT
Pass Duration: 15:12
Elevation: 65
Azimuth: 290
Solar Elevation: 24.4
Direction: southbound
Creation Time: 21 May 2017 06:54:19 GMT
Satellite Type: NOAA
Channel A: 2 (near infrared)
Channel B: 4 (thermal infrared)
Enhancement: MSA
Ground Station: Oncy sur Ecole, France
Latitude: 48.220
Longitude: 2.280
Altitude: 70.0
Frequency: 137.62
Software: WXtoImg version 2.10.11
Width: 1040
Height: 1706
Images-recues-5Satellite: NOAA 19
Pass Start: 04 Oct 2017 14:17:50 GMT
Pass Duration: 15:40
Elevation: 71
Azimuth: 72
Solar Elevation: 23.7
Direction: northbound
Creation Time: 04 Oct 2017 14:18:30 GMT
Satellite Type: NOAA
Channel A: 2 (near infrared)
Channel B: 4 (thermal infrared)
Enhancement: MSA
Ground Station: Oncy sur Ecole, France
Latitude: 48.220
Longitude: 2.280
Altitude: 70.0
Frequency: 137.10
Software: WXtoImg version 2.10.11
Width: 1040
Height: 1750
Images-recues-6Satellite: NOAA 19
Pass Start: 18 Feb 2018 14:48:44 GMT
Pass Duration: 15:48
Elevation: 89
Azimuth: 59
Solar Elevation: 19.0
Direction: northbound
Creation Time: 18 Feb 2018 14:49:34 GMT
Satellite Type: NOAA
Channel A: 2 (near infrared)
Channel B: 4 (thermal infrared)
Enhancement: MSA
Ground Station: Oncy sur Ecole, France
Latitude: 48.220
Longitude: 2.280
Altitude: 70.0
Frequency: 137.10
Software: WXtoImg version 2.10.11
Width: 1040
Height: 1583

3D Anaglyphe

Images-recues-7Satellite: NOAA 18
Pass Start: 12 Jul 2017 07:05:05 GMT
Pass Duration: 15:45
Elevation: 62
Azimuth: 102
Solar Elevation: 28.7
Direction: southbound
Creation Time: 12 Jul 2017 07:05:22 GMT
Satellite Type: NOAA
Channel A: 1 (visible)
Channel B: 4 (thermal infrared)
Enhancement: MSA-anaglyph
Ground Station: Oncy sur Ecole, France
Latitude: 48.220
Longitude: 2.280
Altitude: 70.0
Frequency: 137.9125

Ce type d’image nécessite une paire de lunette 3D Anaglyphe.
– Rouge à gauche – Cyan à droite
L’effet est saisissant sur la hauteur et la forme des nuages, je vous laisse découvrir.

Composite

Images-recues-8Image composite
2 passages NOAA 19
Le 18/04/2018
1334 UTC 22° d’élévation
1513 UTC 71° d’élévation
Canal 2 Near Infrared
Canal 4 Thermal Infrared
Traitement MSA

Les incidents de réception d’images

Images-recues-10Problème de « calage » du au traitement de l’image brute durant la réception. (synchro, taux de charge du µprocesseur, échantillonnage carte son ?)
Le problème provient du PC et non du satellite lui-même.
Images-recues-11Après un post-traitement par WXtoImg tout rentre dans l’ordre, la correction est quasi invisible.

Images-recues-12

Images-recues-13

Images-recues-14

Images-recues-15Le 15/03/2018 à 07h58 UTC Réception de NOAA18 sur 137.9125 MHz.
QRM provoqué par Météor M N2 sur 137.900 MHz.
Images-recues-16

Mes sources

Glossaire /Acronyme

  • APT : Automatic Picture Transmission – Transmission Automatique d’Image
  • AOS : Acquisition Of Signal – Moment ou le satellite s’élève au dessus de l’horizon de la station
  • LOS : Loss Of Signal – Moment ou le satellite passe au dessous de l’horizon de la station
  • TCA : Time of Closest Approch – Moment ou le satellite est le plus proche de la station de réception et ou le décalage Doppler est nul.
  • HRPT : High Résolution Picture Transmission – Transmission d’image Haute Résolution
  • CHRPT : Color High Résolution Picture Transmission – Transmission d’Image Couleur HR
  • AVHRR : Advanced Very High Résolution Radiometer – Radiomètre Avancé à Très Haute Résolution
  • LRPT : Low-Rate Picture Transmission – Transmission d’image à faible débit
  • Footprint : Empreinte du satellite au sol
  • Orbite : Trajectoire effectuée par un satellite autour de la terre
  • NORAD : North American Aerospace Défense Command
  • AMSAT : The Radio Amateur Satellite Corporation
  • Apogée : Point de l’orbite du satellite qui est le plus éloigné de la terre
  • Périgée : Point de l’orbite du satellite qui est le plus proche de la terre
  • Nœud ascendant : Point de l’orbite ou le satellite traverse l’équateur du Sud vers le Nord
  • Nœud descendant : Point de l’orbite ou le satellite traverse l’équateur du Nord vers le Sud
  • Héliosynchrone : Orbite d’un satellite dont le plan conserve une position fixe dans l’espace par rapport à la direction du Soleil.
  • Inclinaison : Angle entre le plan orbital et la plan équatorial
  • OSCAR : Observing Systems Capability Analysis and Review Tool – Outil d’analyse et d’examen des capacités des systèmes d’observation
  • SDR : Software Defined Radio – Radio définie par Logiciel