Source: https://ea3atl.ure.es/satsmet/satsmete.htm
Timestamp: 2018-03-23 07:07:51+00:00

Document:
[Primeros ingenios espaciales]
[Tipos de satélites]
[Recepción de imágenes]
[Meteosat]
[Antenas para satélites polares]
[Antenas para satélites geoestacionarios]
[Receptor] [Hardware]
[Formato APT] [Interface APT] [Frecuencias]
[Interpretar los datos]
[Determinación de la temperatura terrestre]
[Ejemplos de imágenes]
[Sonidos] [Experimentar con sonidos]
[Bibliografía y recursos]
a Salvador EB3NC, y a Magí EA3UM, por facilitarme documentación sobre estos satélites.
Los satélites meteorológicos se han convertido en una de las herramientas más prácticas que ha producido la tecnología espacial para la predicción del tiempo desde que empezaron a lanzarse en abril de 1960. La puesta en órbita del TIROS-1, (http://www.photolip.noaa.gov/1b_images/space/spac0063.htm) primer satélite meteorológico, constató la enorme capacidad informativa aportada para el estudio de la atmósfera, así como la importancia de observar la Tierra (http://www.photolib.noaa.gov/1b_images/space/spac0033.htm)
La configuración básica de un satélite meteorológico, consiste en un cámara tomavistas con la función de fotografiar electrónicamente los sistemas nubosos. La información recibida es enviada rápidamente a la Tierra, debido a que las condiciones meteorológicas pueden variar en muy poco tiempo. La transmisión de estas imágenes televisivas, aunque ofrecen menor definición que la película fotográfica, permiten la suficiente resolución para el trabajo meteorológico.
En la actualidad todos los meteorólogos europeos pueden observar con precisión las depresiones y la evolución de los frentes que generalmente se forman en el Atlántico y se van desplazando hacia el Este, en dirección a Europa. El esfuerzo económico que efectúan los gobiernos en el mantenimiento y actualización de los sistemas de teledetección, es compensado por la mayor rapidez y exactitud de los datos, que en las anteriores observaciones convencionales se obtenían a partir de barcos científicos.
Los primeros satélites iban equipados con un registrador magnético que almacenaba toda la información recogida durante la órbita de reconocimiento. Al pasar por la vertical de una estación de adquisición de telemetría, el satélite transmitía, a alta velocidad, todas las imágenes almacenadas. A partir de 1963 la NASA, con el lanzamiento del TIROS-8, puso en servicio un nuevo sistema de transmisión: el sistema APT (Automatic Picture Transmission). Este sistema, perfeccionado con el NIMBUS-1 (1964) y el ESSA-2 (1966), permite a cualquier estación de tierra recibir la comunicación del satélite meteorológico mientras la sobrevuela o bien recorre alguna órbita adyacente. Las imágenes recibidas corresponden a la zona (nadir) que está sobrevolando. De esta forma se consigue un acceso a estos satélites, sin depender de las estaciones de seguimiento de la NASA. El equipo necesario es mucho más simple y económico, permitiendo que los organismos meteorológicos e instituciones educativas de muchos países hayan montado servicios de seguimiento de satélites con excelentes resultados.
Primeros ingenios espaciales
Los E.U.A. desarrollaron dos programas de satélites meteorológicos: las series TIROS y NIMBUS. Superada la fase experimental en 1966, los satélites de la serie TIROS (Televisión and Infrared Observation Satellite) cambiaron su denominación por ESSA (Environmental Science Services Administration), siendo substituidos más tarde por una versión mucho más mejorada: ITOS (Improved Tiros Operational Satellite).
Los satélites NIMBUS fueron una serie más avanzada. En 1972 aparece una nueva serie de vehículos meteorológicos: los satélites ERTS (Earth Resources Technology Satellite) con la finalidad de localizar recursos naturales: yacimientos minerales, campos petrolíferos, bancos de pesca...
Hasta la era Gorbachev poco se ha podido saber del desarrollo de estos satélites de la Unión Soviética. Como gran potencia mundial ha mantenido un programa de soporte a estos satélites. Especialmente han permitido además el acortar el tiempo de navegación, al poder visualizar y elegir zonas marítimas libres de hielo. Han contribuido también en la mejora de la irrigación de los valles de Tian Shan y del Himalaya, al facilitar datos precisos sobre la distribución de la nieve de la montaña.
El servicio de fotografía meteorológica con fines civiles recibe el nombre de METEOR. También utiliza satélites Molniya (de órbita extremadamente elíptica) y algunos de la serie COSMOS. Éstos últimos disponían de cámaras convencionales con una resolución algo inferior a la que utilizaban los TIROS. Posteriormente la calidad de la imagen ha mejorado, entrando últimamente en servicio satélites con sensores infrarrojos y con el sistema APT.
Para completar la observación, se dispone de satélites que orbitan en órbitas circumpolares en dirección norte a sur y a la inversa. Estos satélites polares permiten observar los fenómenos atmosféricos en latitudes altas. Las zonas geográficas situadas por encima de los 60º de latitud no pueden ser monitorizadas por los satélites geoestacionarios debido a la esfericidad de la Tierra.
Aunque el formato de las imágenes enviadas por estos satélites sea parecido, la tecnología y las herramientas necesarias son muy distintas según sean para la recepción de los satélites meteorológicos geoestacionarios o la de los satélites polares.
Universidad Dundee (UK) archivos de datos e imágenes de los satélites NOAA http://www.sat.dundee.ac.uk
La ventaja de disponer las señales estables en el cielo se compensa, en el satélite Meteosat, por la elevada frecuencia de transmisión (UHF). Ésta afecta enormemente sobre el tipo de antenas, de previo de recepción, de cable antena... Por el contrario, la dificultad de conocer cada paso, el azimut, la elevación, el efecto Doppler y tiempo de contacto visual, se soporta con menor dificultad al transmitir en frecuencias de VHF.
En ambos casos para recibir las señales de APT (Automatic Picture Transmision) se requiere el siguiente equipo: antena, previo de recepción, cable de antena, receptor, interface, ordenador, software, paciencia, amigos o disponer de una empresa especializada.
Antena para satélites polares
Constituye siempre un elemento destacadísimo en toda comunicación. Si es posible disponer de un sistema de rotación en azimut y elevación, que pueda además controlarlo un ordenador con su correspondiente interface, la antena más indicada es una "Yagi". Las antenas direccionales ofrecen la posibilidad de obtener las mejores señales, a cambio de la necesidad de seguir la fuente emisora. Una antena Yagui de la banda de 144 MHz puede servirnos. Claro está que lo ideal seria que cada antena, sin depender del modelo, estuviera "cortada" a su medida.
El extremo opuesto a la direccional es una antena omnidireccional. Una antena vertical puede servir en principio, aunque cuando el satélite orbite encima de nuestras cabezas apenas lo vamos a "oir" ya que el satélite vería nuestra antena de punta. Personalmente no la recomiendo. Otras posibilidades de antena pueden ser una antena discono, o una antena "ground plane" ajustada para 137 MHz, ladeando la varilla de la antena unos 25 a 30º.
La antena ideal por su simplificación, gran rendimiento y bajo coste es una antena de dipolos plegados o de "doble molinete". Esta antena es omnidireccional con polarización circular, evitando tener que estar pendiente del recorrido del satélite y reduciendo por consiguiente los costes en gran medida. Su construcción es muy fácil y cómoda. Es importante no equivocarse en el enfasamiento de los dipolos.
Cirkit fabrica esta antena Otra variante de esta antena es la "quadrifilar helix" Es omnidireccional y permite prolongar la recepción de las señales.
Aunque en bastantes ocasiones la antena es suficiente, es recomendable la instalación de un PREVIO en el punto más cercano a la antena para elevar el nivel de señal, compensando así las pérdidas provocadas por el cable. El previo debería tener una señal de ruido lo más baja posible. Esquemas para su construcción pueden conseguirse en libros y manuales de consulta para radioaficionados. Cirkit también fabrica, así como la empresa alemana SSB Electrónic. En comercios de radiocomunicaciones venden también, amplificadores de RF para 144 MHz, que una vez modificados internamente pueden sernos útiles.
Quorum Communications APT/Wefax Products http://www.qcom.com
Astro Radio, Pintor Vancells 203A-1, 08225 Terrassa http://astro-radio.com
PHQFH Paul Heyes http://www.hayes06.freeserve.co.uk/qfh_diy_guide.htm
QFH http://abdallah.hiof.no/~borrel/QFH
No debe regatearse, como ya os he comentado, el presupuesto del cable coaxial, especialmente si se han de utilizar tramos de más de 15 metros. Los comercios especializados en estos productos os pueden aconsejar.
Antena para geoestacionarios
El satélite Meteosat al ser geoestacionario se simplifica enormemente la mecánica para la construcción de la antena, pero cabe preocuparse el conseguir cerca de 21 dBi de ganancia, y cuidar en extremo la calidad del cable coaxial que alimentará el receptor. Por debajo de esta señal debe instalarse un preamplificador.
Una antena parabólica estándar de "TVSAT" de alrededor de 1m de diámetro con la correspondiente modificación del foco para adaptarlo a la banda, puede ser suficiente. Otras posibilidades puede ser una antena direccional Yagui con la suficiente ganancia o también una CORNER formada por un diedro de 45º con un preamplificador de bajo ruido.
Plano para la construcción de una antena yagui para la recepción del satélite Meteosat
La construcción de una antena direccional "YAGUI" requiere también el uso de un preamplificador junto a ella.
La recepción de los satélites meteorológicos polares y del geoestacionario Meteosat puede efectuarse desde un mismo receptor, si está preparado para la entrada de un conversor para el Meteosat. Un equipo de comunicaciones de FM de la banda de 2 mts (144-146) si su recepción le permite desplazarse hasta la frecuencia 136/138 MHz puede ser suficiente en un principio. Como también, cualquier receptor escáner que cubra estas frecuencias.
Receptor sintetizado para satélites polares
Comentamos en un principio, porque a medida que se asumen objetivos y se adquiera una mayor experiencia, se observará que las imágenes recibidas pueden mejorarse en definición, si podemos utilizar un receptor específico para estas necesidades, o bien que el equipo que utilizamos tenga una "banda pasante" de alrededor de 50 MHz. Con este ancho de banda aseguramos también, cualquier modificación de la frecuencia producida por el efecto Doppler. Un excesivo ancho de banda, como ocurre en algunos escáners, tampoco es aconsejable.
Generalmente la recepción del satélite Meteosat se realiza mediante un "down converter", o sea un conversor de 1600 MHz (1691'00, 1694'50) a la frecuencia de 137 MHz (137'500, 134'000).
El color de la imagen y los contornos de la Tierra se generan informáticamente.
El formato APT de los sensores NOAA
Los satélites NOAA comparten cada línea de información con dos contenidos diferentes: los canales A y B. Cada uno de ellos transmite sus propias ráfagas de sincronismo: 7 pulsos de 1040 Hz para el canal A y 7 pulsos de 832 Hz para el canal B. Cada uno de estos datos, repartidos entre los dos canales A y B permiten transmitir fotografías de diferentes regiones espectrales, siendo la frecuencia de línea de 120 lpm.
En su carga útil disponen también de otros instrumentos. Cinco radiómetros AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Estos radiómetros avanzados, transmiten las fotografías de muy alta resolución, en formato digital HRPT (High Resolution Picture Transmision) en la frecuencia de 1.7 GHz.
Para el modo analógico APT, en la banda de 137 MHz, se seleccionan dos de estos cinco canales, se reducen en resolución y se transmiten multiplexados en el tiempo en los canales A y B.
Interface APT
El sistema de transmisión de imágenes que usan éstos satélites, como se ha comentado anteriormente, es el APT (Automatic Picture Transmision) y consiste en una portadora modulada en frecuencia por una subportadora de 2.400 Hz, que cambia de amplitud con la señal de vídeo. Las diferentes tonalidades desde el nivel de negro hasta el de blanco dependen de la profundidad de la modulación. De esta forma se definirán la intensidad de los puntos que forman la imagen o pixels.
Los satelites NOAA (NOAA-12, NOAA-14, NOAA-15, NOAA-16) transmiten simultáneamente dos imágenes: una del espectro visible y otra del espectro infrarrojo. La serie rusa METEOR (MET 3-5, Resusrs) sólo transmite una del espectro visible. En ambos casos lo hacen con una resolución de 120 líneas por minuto y con sus respectivos "burst" donde se visualiza la correspondiente escala de grises y el tiempo empleado en la transmisión.
La interface APT o demodulador, tiene la misión de adaptar las señales recibidas de los satélites al software que emplearemos para su descodificación.
Esquemas de ellos se encuentran en las principales revistas de radiocomunicaciones. (CQ Radioamateur, Radioaficionados...) Obtenido el circuito impreso, su construcción puede efectuarse en toda una tarde, sin apenas ajustes y con un coste de unas 3.000 ptas.
En un nivel más sencillo y para quienes dispongan de un interface "HamComm", existen adaptadores de modulación de amplitud (AM) a modulación de frecuencia (FM), que colocados a la entrada de uno de estos operacionales, funcionan relativamente bien.
Un interface muy aconsejable es el EASYFAX. Fabricado en Alemania, pero de gran difusión para todos los aficionados al FAX y SSTV (Slow Scan Television). Tiene una tecnología muy moderna con varios conversores analógicos-digitales. La resolución mejorada se aprecia a simple vista, aunque cuando realmente se nota, es al efectuar un zoom de alguna parte de una fotografía.
El "HARIFAX" es otro excelente interface de características parecidas, desarrollado en España.
Actualmente las tarjetas de sonido de los ordenadores, a modo de DSP, pueden desarrollar las mismas prestaciones con una calidad igual o superior. La mayor parte de las aplicaciones para la codificación y descodificación de imágenes sobre Windows 95/98 se desarrollan sobre estas interfaces simplificando el proceso.
Canales espectrales de los radiómetros
Canal 1 de 0.58 - 0.68 µm luz visible - nubes diurnas - cartografía de la superficie
Canal 2 de 0.725 - 1.10 µm rojo final de la luz visible e infrarrojo cercano
delimitación de la superficie de las aguas superficiales, hielos y fusión de nieve
Canal 3A 1.58 - 1.64 µm nieve/discriminación del hielo (AVHRR a partir del NOAA 15, NOAA K, L y M)
Canal 3 de 3.55 - 3.93 µm infrarrojo medio - temperatura de la superficie del mar
cartografía de las nubes por la noche
Canal 4 de 10.3 - 11.3 µm infrarrojo medio - temperatura de la superficie del mar
Canal 5 de 11.5 - 12.5 µm infrarrojo medio - temperatura de la superficie del mar
Los canales 1 y 2 sensibles a la luz solar nos muestran su luz reflejada desde la Tierra. Son los apropiados para observar las nubes, los límites de los mares, continentes e islas. También el relieve del suelo, incluso de las zonas heladas.
El canal 3 se encuentra entre el espacio espectral de la luz solar reflejada y la radiación de la Tierra. Es sensible a fuentes de calor extremas como el fuego.
Los canales 4 y 5 miden la radiación de la Tierra. Permiten evaluar la temperatura terrestre y la observación de las nubes durante la noche.
Los canales 2(VIS) y 4(IR) son los canales que transmiten en las pasadas durante el día y los canales 3(mIR) y 4(IR) en las pasadas nocturnas.
Después del "burst" de sincronización para el canal A, unos 11.3 ms a lo largo hasta la siguiente marca, se representa el espacio libre de radiación para la región espectral seleccionada. Cuando las fotografías son transmitidas en modo negativo (brillo = frío = baja radiación), este marcador es claro para los canales IR y oscuro para los canales visibles 1 y 2. La columna es interrumpida por marcas cada minuto. En el otro lado de la fotografía, se dibujará una columna con campos de ocho líneas cada uno. Estos campos representan los datos de la telemetría.
Las imágenes más utilizadas de los canales del Meteosat son las VIS, IR, WV. Las "VIS", o de espectro visible, nos muestran los continentes y mares tal como los veríamos a bordo del satélite, a excepción de verlo en blanco y negro (256 tonos). Permite ver muy bien la posición y estructura de las masas nubosas, que ofrecen una buena reflectividad a la luz solar y, en consecuencia aparecen muy blancas, mientras que el mar aparece obscuro por la poca reflectividad de su superficie. Estas imágenes son tomadas cada media hora.
Bandas espectrales VIS: 0.4 /1.1 um WV: Vapor de agua 5 / 7 / 7.1 um IR térmico: 10.5 /12.5 um
Pixel por línea 5.000 2.500 2.500
Resolución (punto sub-satélite) * 2.5 Km 5 Km 5 Km
*Alejándonos de este punto el área abarcada por cada píxel aumenta. Para la Península Ibérica es de unos 50 Km2.
Interpretación Imágenes VIS Imágenes WV Imágenes IR
Reflectividades del suelo Detecta la radiación emitida por el vapor de agua Las imágenes recibidas en este canal constituyen un mapa térmico de la Tierra y de las cimas de ls nubes.
El agua del mar tiene poca reflectividad. Se distingue por los colores oscuros No se perciben los contornos del suelo Los cuerpos más fríos tienen escasos valores de radiación. Y los cálidos al revés. nubes blancas (fríos) colores blancos. El suelo cálido (Sáhara), oscuro.
Nubes, gran reflectividad. Colores claros. Los suelos desnudos y arenosos más claros que los vegetales Gris oscuro o negro: seco en todos los niveles o húmedo solamente en los niveles más bajos.
Gris medio: humedad media en la media y alta troposfera.
Blanco brillante: humedad alta a todos los niveles y/o presencia de nubes densas Se pueden identificar capas de nubes a diferentes alturas, debido a las diferentes tonalidades correspondientes a las temperaturas de sus cimas
Cuando cae la noche la observación será más difícil, la capacidad de reflexión que tienen algunas nubes todavía nos permitirá clasificarlas, como el caso de los estratocúmulos, que al ser unas nubes muy espesas provocarán una intensa reflexión. Todo lo contrario lo producirán los cirros, que pasarán casi invisibles. Este sistema de observación no permite precisar la naturaleza de las nubes, especialmente en el amanecer y en el crepúsculo, cuando los juegos de luz y sombras, no nos permiten ver la resolución vertical de las nubes.
La imagen infrarroja (IR) corresponde a la radiación térmica emitida, que es proporcional a la temperatura de la zona observada. Normalmente se presenta invertida. Los tonos oscuros se corresponden a temperaturas elevadas, mientras que los claros corresponden las temperaturas más bajas. Es necesario saber relacionar los tonos de la imagen con la temperatura. África aparecerá en verano prácticamente negra. Las nubes de hielo más o menos blancos, y sombreada su parte superior.
Debido a que en la atmósfera la temperatura decrece con la altura, las nubes se perfilan con tonos más claros que la tierra. Las fotos tomadas en infrarrojo ofrecen la temperatura de la parte superior de las nubes. En su ausencia, de la capa terrestre, aportando datos sobre las diferentes alturas de las nubes. Las nubes frías situadas en capas muy altas se verán blancas como la parte superior de un cumulonimbus a unos 10.000 m, o algo grisáceos si se trata de cirroestratos. Las nubes bajas, más calientes, serán de tonalidad gris oscura, como los estratos y estratocúmulos, mientras que las de desarrollo vertical aparecerán con un color gris blanquecino: cúmulos y cumulonimbos.
En la modalidad de vapor de agua (WV), las radiaciones de la capa terrestre quedan absorbidas por los vapores del agua atmosférico. Las zonas negras o gris oscuras corresponden a masas de aire seco ligeramente humedecido. Por lo contrario las zonas blancas o gris claro constatan aire muy húmedo.
ESTRATOCÚMULOS (Sc): Nubes grises con partes oscuras, bajas y en capas. Formadas por líneas o masas redondeadas con aspecto de guijarro.
CIRROS (Ci): Nubes altas y transparentes (nivel inferior medio: 6000 metros) formadas por cristales de hielo. Tienen aspecto de plumas, fibras o penachos. Antes de la salida y puesta del Sol se colorean de amarillo o rojo vivo.
RESOLUCIÓN VERTICAL: Tienen extensión vertical variable: nivel superior medio como el de las nubes altas (6000 metros). Nivel inferior medio ± 500 metros.
CUMULONIMBOS (Cb): Son masa de nubes muy pesadas de gran desarrollo vertical. Originan chaparrones, nieve, granizo o tormentas. Se elevan en forma de torres, y en sus partes más altas tienen una estructura fibrosa, extendiéndose frecuentemente en forma de yunque.
CIRROESTRATOS (Cs): Nubes altas formadas por cristales de hielo. Tienen aspecto de velo tenue y transparente que a veces cubre todo el cielo. No vela los contornos del Sol y de la Luna, pero puede dar fenómenos de "halo".
ESTRATOS (St): Son nubes bajas (nivel medio superior: ±2000 metros, nivel inferior medio: próximo al suelo) de capa uniforme, parecida a una neblina elevada poco definida. Cuando dan precipitaciones lo hacen en forma de llovizna.
CÚMULOS (Cu): Nubes con aspecto de vellones de lana. Tienen desarrollo vertical, que a veces pueden formar largas líneas de nubes de base plana. Se presentan separadas sobre el cielo azul. Su cima es redondeada y su base plana.
Determinación de la temperatura terrestre
El nivel de gris de un pixel de una imagen correspondiente al canal infrarrojo del espectro, es proporcional a la radiación espectral de la zona terrestre observada. Los coeficientes de proporcionalidad aparecen codificados en las mismas imágenes.
La emisividad de la cubierta Terrestre relaciona la temperatura radiante con la temperatura que realmente mediaríamos en un experimento en Tierra. Esta dependencia provoca dificultades de determinación de la temperatura en espacios no homogéneos. En la actualidad se puede determinar de forma simple y con una precisión de +/-0'6º, pero no es igual en las superficies sólidas, dependiendo la emisividad del tipo de suelo, vegetación... Las temperaturas medias han de ser corregidas de forma adecuada para eliminar los efectos perturbadores de la atmósfera.
El principal responsable de la atenuación de la radiación infrarroja es el vapor de agua, lo que hace imprescindible disponer de un sondeo atmosférico a diferentes alturas de la humedad y de la temperatura.
Los satélites meteorológicos NOAA han desarrollado una técnica que permite efectuar la corrección a partir de las medidas obtenidas en sus canales 4 y 5. La absorción por parte del vapor de agua es distinta en cada canal. Esta diferencia se utiliza para obtener una corrección.
SatSignal (versión registrada) es uno de los programas descritos en "SOFTWARE" que nos permite saber la temperatura aparente de cada pixel , o sea de una específica zona de la superficie terrestre.
METEOSAT 10.00 seg
NOAA 15 08.99 seg
RESURS 08.99 seg
Estos son algunos de los sonidos que pueden escucharse en la etapa de audio de un receptor. Son una muestra de tres sistemas diferentes de sensoresde imágenes: Meteosat, NOAA y Meteor.
La descodificación de estos sonidos te permitirá "ver" las imágenes de los satélites meteorológicos: Meteosat, NOAA, Meteor 3-5 y Resurs, al igual que harías obteniéndolos de un equipo receptor de radio.
Debes conectar la salida de audio del la tarjeta de sonido, al interficie de descodificación, o directamente a la entrada de audio de la tarjeta de sonido de otro ordenador. Para el correcto funcionamiento, no es aconsejable registrar primero los sonidos en un magnetófono, pensando en reproducirlos después.
Para la correcta descodificación de las imágenes se requiere el ajuste y corrección del "slant". Es necesario la sincronización de la frecuencia interna de cada ordenador, con el software. Estos sonidos te permitirán su ajuste.
Importante La transmisión de los datos que toman los sensores de los satélites de observación de la Tierra, se realiza en el modo de alta resolución (HRPT-High Resolution Picture Transmission). Su finalidad es la de aprovechar al máximo toda la información de los diferentes canales que este sistema permite.
Por lo general todos estos "datos primarios" están codificados, recibiéndolos las estaciones autorizadas (PDUS-Primary Data Users Station). Simultáneamente también envian "datos secundarios" en modo de baja resolución, en el formato APT, con la única finalidad de que su recepción sea más sencilla y facilite el desarrollo de estaciones meteorológicas terrestres que puedan predecir situaciones de peligro con la mayor antelación posible.
La recepción de señales radioeléctricas de satélites, u otros servicios no dirigidos al público en general, está sujeta a las leyes y normativas de telecomunicación de cada país, por lo que para recibirlas, es preciso solicitar la correspondiente autorización de los Servicios de Telecomunicaciones.

References: resolución 
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Resolución 
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RESOLUCIÓN 
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