Приемник для получения изображений со спутников NOAA. Часть 2

Без категорії
IMG_9786r

В первой статье я рассмотрел схемы и сборку приемника для получения изображений со спутников серии NOAA. В данной статье я расскажу о конструкции приемника и антенны, типах принимаемых сигналов и первых декодированных изображениях.

С началом приема сигналов от погодных спутников, я осознал необходимость сборки специальной антенны и установки элементов приемника в корпус.

Для приема на частоте 137 МГц чаще всего используются два вида антенн: квадрифилярная (auadrifilar helix antenna, QFH) и турникетная (turnstile antenna). Первая антенна имеет более узкую полосу пропускания, и потому требовательна к точности расчета и исполнения. Учитывая также более сложную конструкцию выбор пал в сторону турникетной антенны.

Турникетная антенна состоит из двух полуволновых диполей, расположенных под прямым углом друг к другу и соединенных фазосдвигающим элементом. Он представляет собой обычный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Длина кабеля равна четверти длины волны, умноженной на коэффициент укорочения кабеля, принятый равным 0,66. Волновое сопротивление антенны отличается от входного сопротивления приемника, равного 50 Ом. Поэтому для согласования используется трансформирующий элемент, представленный двумя параллельно соединенными отрезками кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом и длиной, равной длине фазосдвигающего элемента. Для уменьшения габаритов и упрощения конструкции, был сделан только директор, а его элементами стали телескопические антенны, прикрепленные к деревянному основанию.

image001

Рис. 1. Конструкция и размеры турникетной антенны.

Антенна собиралась как экспериментальная, а потому без каких-либо добротных технических решений, и размеры были взяты приблизительные. С помощью дополнительных деталей, которые есть под руками, ее можно установить и на фотоштатив, и за пределами балкона с использованием ПВХ трубы и клипс.

Дальнейшие эксперименты показали, что даже в самом простом варианте исполнения турникетная антенна отлично работает и позволяет принимать и обрабатывать сигналы на частотах в пределах 130 – 160 МГц. В этом диапазоне доступны следующие типы сигналов:

  • изображения с метеоспутников в режимах APT (Automatic picture transmission) и LRPT (Automatic picture transmission),
  • голосовая связь, информация о местонахождении в виде цифрового пакета APRS (Automatic Packet Reporting System) и изображения в режиме SSTV (Slow-scan television) с Международной космической станции (МКС),
  • ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System) сообщения и голосовая связь пилотов в амплитудной модуляции с борта самолета в радиусе до 200 км,
  • телеграф (CW), телеметрия и голосовая связь с радиолюбительских спутников, вещающих в диапазоне 145 МГц, например QB50P1, QB50P2
  • голосовая связь по рациям, которыми, например, могут пользоваться работники таксопарка,
  • голосовая и телеграфная связь между радиолюбителями непосредственно или посредством репитеров, как, например Эхолинк.

При использовании приемника, рассматриваемого в данной статье, доступны только частотно модулируемые сигналы, а именно: APT, APRS, SSTV, CW и голосовая связь, в том числе с МКС.

Корпус приемника был выбран Z4A: достаточно просторный, со съемными панелями. Отверстия в панелях под дисплей, выключатели и другие компоненты были выполнены на станке ЧПУ. Внутри корпуса платы приемника, синтезатора и дисплея были установлены на импровизированные стойки из кабельного крепежа, приклеенные к корпусу гелевым суперклеем. На передней панели были расположены регуляторы громкости и шумоподавления, дисплей, кнопка, аудиовыход и энкодер. Сзади расположились выключатели питания и подстветки дисплея, разъемы питания и антенны.

Подключение к линейному входу компьютера осуществляется посредством самодельного переходника со штекером RCA с одной стороны и разъемом 3.5 mm jack – с другой, а также кабеля со штекерами 3.5 mm jack с двух сторон. Приемник питается от 9 В батареи типа «крона», однако при рабочем токе порядка 50 мА в общей сложности батарея разряжается примерно за 2 часа эксплуатации. В дальнейшем для возможности подключения 12 В аккумулятора а цепь питания был добавлен стабилизатор напряжения 9 В.

IMG_9786r IMG_9787r IMG_9788r IMG_9790r

Рис. 2. Внешний вид и внутреннее устройство приемника.

В процессе эксплуатации приемника выяснилось, что прием нестабильный, шумоподавление не работает, а уровень громкости настолько высок, что комфортное прослушивание было возможно при почти минимальном положении регулятора. Проблемы с нестабильным приемом были решены использованием тонкого коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом для соединения антенного разъема с платой, а также частичным экранированием платы приемника листами текстолита для уменьшения влияния синтезатора частоты и дисплея на приемник.

Для уменьшения верхнего уровня громкости перед потенциометром R24 был установлен резистор 100 кОм. Вторая проблема была решена соединением коллектора VT2 не с контактом 2 микросхемы LM386, а с R24 и выше указанным установленным резистором. При этом R12, R13 и R15 исключаются из схемы, а база VT2 соединяется с R10 и C19 напрямую.

image003

Рис. 3. Первое декодированное изображение со спутника. Наложение линий выполнено автоматически в программе WXtoImg на основе элементов орбит и времени записи.

Таблица частот APT действующих спутников серии NOAA

Спутник Частота, МГц
NOAA-15 137.62
NOAA-18 137.9125
NOAA-19 137.1

 

Первые уверенные сигналы удалось принять и записать в марте 2014 года. 27 марта впервые удалось декодировать сигнал со спутников NOAA-15 и NOAA-18 и получить изображение облачности из космоса. Сравнение с фотографиями, найденными на погодном сервисе в интернете, показало правдоподобность изображения. 29 марта был записан полный пролет спутника NOAA-15, на котором Украина полностью попала в поле зрения. Минимальная высота, на которой еще прослушивался сигнал, оказалась примерно 2°.

Система APT включает в себя передачу данных в двух каналах: один передает изображение в инфракрасном (ИК) цвете, другое в видимом цвете или ИК в зависимости от освещенности поверхности, над которой пролетает спутник. Космический аппарат непрерывно сканирует поверхность с помощью линейного сенсора и оптико-механического устройства и сразу же передает закодированные данные. Из-за того, что канал видимого диапазона только один, изображение можно принять только монохромное, однако некоторые программы, как например, WXtoImg, могут синтезировать искусственный цвет на основе данных из имеющихся каналов. Изображение получается глубиной цвета 8 бит и разрешением 4 км на пиксель.

Первые декодированные изображения показали заметные шумы на наиболее ярких участках изображения в видимом диапазоне, вызванные узкой полосой керамического фильтра второй промежуточной частоты (ПЧ) 455 кГц. Изображение же в ИК диапазоне было практически полностью заполнено шумом. Не полностью декодированная информация не позволяла строить изображение в искусственных цветах и извлекать другую информацию, как, например, температура поверхности, осадки.

image006

Рис. 4. Первый прием полного пролета, в центре изображения видна Украина, Крым и Черное море, скрытое за облаками. Справа изображение в искусственных цветах, полученное в WXtoImg.

Однако уже в мае в одном из интернет-магазинов неожиданно был найден нужный фильтр LT455BW с полосой пропускания 30 кГц по удивительно низкой цене. С заменой имеющегося фильтра на новый изображение кардинально изменилось. Шум остался заметным только при неуверенном приеме и вследствие несоответствия частот спутников с частотной сетки приемника с шагом 12.5 кГц. При таком шаге прием спутников возможен на частотах 137.1, 137.612, 137.9 МГц.

image008

Рис. 5. Изображение со спутника NOAA-19 в искусственных цветах, полученное 3 июня 2014 года с фильтром второй ПЧ с шириной полосы пропускания 30 кГц. Видны Украина, Днепр, Черное, Каспийское и Средиземное моря, Турция, Кипр, Скандинавский полуостров.

Для удобства навигации по частотам программное обеспечение приемника было переписано с языка программирования Basic на C и дополнено режимами, переключаемыми одной кнопкой. Также в ПО были записаны частоты спутников, МКС, местных такси и Эхолинк-репитера. Два режима предусматривают переключение между частотами с шагами 12,5 кГц и 250 кГц, а третий режим позволяет переключаться между фиксированными частотами и является активным при включении приемника.

image010

Рис. 6. Необработанное изображение, полученное со спутника NOAA-19. Выключенная автоматическая синхронизация сигнала показывает влияние эффекта Допплера (изменения частоты передачи движущегося спутника) на процесс декодирования.

image012

Рис. 7. Один из наиболее дальних северо-восточных пролетов NOAA-19. Виден остров Северный, разделяющий Баренцево и Карское моря, покрытые льдами.

Программное обеспечение микроконтроллера для MicroC

Приемник для получения изображений со спутников NOAA. Часть 1