Descubra cómo funciona el sistema APT utilizado en los satélites NOAA

Diariamente, cientos de satélites cruzan el espacio enviando la información más diversa. Son satélites para navegación, telecomunicaciones, observación militar, telescopios, laboratorios espaciales y meteorológicos, etc.

No hay duda de que el mayor beneficio del programa espacial estadounidense ha sido la observación meteorológica a través de satélites. La posibilidad de poder observar las masas de aire y sus desplazamientos convirtió a los satélites meteorológicos en una herramienta incomparable en el análisis y pronóstico del clima.

Desde principios de la década de 1960, cuando comenzó el programa de desarrollo de satélites meteorológicos, se mantuvo la filosofía de permitir a cualquier ciudadano recibir y decodificar las señales emitidas por estos satélites, de modo que ya no era necesario esperar a que los periódicos o las compañías telefónicas la observación de la "foto satelital" fue posible.

De hecho, la agilidad de poder recibir estas imágenes en el momento exacto en que el satélite pasa por la estación significa que se pueden salvar varias vidas humanas. Los fenómenos a gran escala, como los huracanes, ahora se pueden ver desde una gran distancia, lo que permite la evacuación de áreas de riesgo en un tiempo récord.

                                                       137mhz

 

La mayoría de los satélites operativos actuales cumplen esta misión enviando imágenes digitales de alta resolución a estaciones terrenas especialmente equipadas. Estas son imágenes que pueden alcanzar fácilmente más de 100 Mbytes por pasaje del satélite y requieren que las estaciones estén equipadas con antenas parabólicas, rotores de posicionamiento, receptores de microondas y decodificadores digitales. Aunque son imágenes de alta resolución, significa que solo algunos centros de adquisición de imágenes pueden aprovecharlas. Estas imágenes se conocen como HRPT - Transmisión de imagen de alta resolución.

Afortunadamente, estos satélites también transmiten imágenes analógicas de baja resolución, lo que permite que receptores y decodificadores modestos (foto en el lateral) permitan que cualquiera los reciba. La recepción de imágenes de satélites meteorológicos es tan común que miles de radioaficionados de todo el planeta hacen de esta actividad su mayor pasatiempo.

Estas transmisiones se conocen como APT - Transmisión automática de imágenes.

Actualmente, los satélites meteorológicos se pueden dividir en dos categorías distintas: satélites de órbita polar y satélites de órbita geoestacionaria. Por ahora nos detendremos solo en los satélites en órbita polar.

Satélites de órbita polar

Los satélites de órbita polar de "señal abierta" actuales son los de la serie TIROS-NOAA operada por el gobierno de los Estados Unidos y los satélites de la serie METEOR-COSMOS operados por Rusia.

Orbitando a una altitud de 1200 km, los satélites METEOR rusos se pueden sintonizar a una frecuencia de 137,100 kHz. La serie METEOR consta de docenas de satélites, pero solo queda uno de ellos, el satélite METEOR M N2 se recibe normalmente.

Los satélites NOAA estadounidenses pueden sintonizarse 137,100 kHz y 137,620 kHz. Orbitando a una altitud de 840 km, todos los satélites operativos se pueden escuchar sin dificultad. Hasta el momento de este asunto, los siguientes satélites estaban operativos: NOAA-15 NOAA-18 Y NOAA-19.

Los satélites de la serie NOAA están orientados con precisión en el espacio en un tipo de órbita conocida como helio-síncrona (sincronizada por el Sol). Esto significa que durante el transcurso del año la órbita del satélite con respecto al sol permanece prácticamente constante, por lo que el satélite pasa todos los días en el mismo punto de la Tierra a la misma hora solar.

Al comienzo del programa, los satélites meteorológicos llevaban cámaras de televisión a bordo para poder capturar las imágenes. Sin embargo, debido al rápido deterioro del sistema de captura de video, combinado con la extrema delicadeza del tubo de captura utilizado, se decidió reemplazar el sistema de captura de imagen utilizado.

Hoy, ningún satélite de observación meteorológica utiliza cámaras de televisión a bordo.

Todos estos sistemas han sido reemplazados por un sistema electroóptico de muy alta precisión conocido como Radiómetro de Escaneo.

El radiómetro de exploración está compuesto básicamente por un sistema de lentes, un sistema de espejo acoplado a un motor y algunos sensores de luz de fotodiodos.

Básicamente, el radiómetro de exploración ve la Tierra a través de una banda estrecha que se puede comparar con la línea horizontal de un receptor de TV. El escaneo vertical es realizado por el desplazamiento orbital del satélite, la figura a continuación ayuda a comprender mejor este proceso.

             ANTENA

                                         

El sistema de exploración funciona continuamente de modo que mientras el satélite está dentro del alcance de la estación receptora, la imagen se recibe y procesa. Por lo tanto, podemos deducir que, a diferencia de una imagen facsímil, la foto satelital no tiene principio ni fin. Su comienzo se determina en el momento en que comenzamos a escuchar sus señales y termina cuando sus señales ya no se captan.

 

La imagen producida depende básicamente del tipo de sensor utilizado. Los sensores de los satélites NOAA responden a varias longitudes de onda y cubren desde el espectro visible hasta el espectro infrarrojo para que las imágenes puedan recibirse incluso durante la noche.

Debido a que el radiómetro opera a 5 longitudes de onda diferentes, también se lo conoce como radiómetro multiespectral. En el formato digital HRPT, los 5 canales se pueden recibir simultáneamente a una velocidad de 600 Kbps, totalizando, como se mencionó anteriormente, aproximadamente 100 Mbytes de imágenes de alta resolución. Sin embargo, para recibirlos, se requiere un equipo costoso.

Afortunadamente, las computadoras a bordo del satélite "muestrean" estas imágenes y las envían a la estación receptora APT en formato analógico, permitiendo que las imágenes se procesen en estaciones "no tan sofisticadas" a un costo relativamente bajo.

Cada rotación del espejo del radiómetro es equivalente a una línea en la pantalla del monitor. Durante 1 minuto, se realizan 120 rotaciones o 120 líneas por minuto (LPM), cada línea que contiene la información de la imagen visible e infrarroja.

 

La primera mitad corresponde a la imagen infrarroja y la segunda mitad de la línea corresponde a la imagen visible, con una línea completa que dura ½ segundo o 500 milisegundos.

 

La calidad de la imagen recibida, así como su brillo y contraste varían según el tiempo de paso del satélite y la calidad de la señal recibida. Con el sol en lo alto, es decir, al mediodía local, la imagen se ve más plana, con poco énfasis en el relieve. Con el sol iluminando la Tierra lateralmente, el relieve se acentúa, pudiendo distinguir incluso las áreas de sombra, montañas, montañas y grandes lagos.

Las imágenes infrarrojas son bastante diferentes, ya que lo que se muestra son las diferencias de temperatura. En este tipo de imagen, los objetos más cálidos se muestran en negro, mientras que los objetos más fríos se muestran en blanco. Las diferencias de temperatura nos permiten distinguir entre lagos, zonas desérticas, nubes altas y bajas, etc.

                                                     137mhz

Operación

El sistema APT se ha desarrollado de tal manera que se puede configurar una pequeña estación de recepción de imágenes satelitales a un bajo costo. El modo APT, así como el facsímil, permiten la transmisión de imágenes con buena resolución, 4 km, en un ancho de banda relativamente estrecho.

 

Cuando decimos resolución, nos estamos refiriendo a la resolución espacial. Esto significa el tamaño más pequeño que debe tener un objeto para ser detectado y visualizado. En el caso de las imágenes de satélite NOAA, esta resolución o tamaño de los objetos es del orden de 4 km.

 

Cuando sintoniza una señal APT, el tono de audio que escucha es la señal de la subportadora de video que modula una señal de 2400 Hz en amplitud. Este tono de audio parecerá continuo pero notará que parece "chirriar", un poco tembló

 

Este parpadeo se debe a la modulación de los diferentes tonos de gris en la imagen escaneada por el radiómetro. Los picos de amplitud de esta subportadora corresponden a las partes más claras de la imagen, mientras que las amplitudes más bajas representan las áreas más oscuras. Las amplitudes intermedias entre estos dos extremos representan las áreas grises de la imagen.

A diferencia de la transmisión facsímil donde las variaciones en el brillo y el contraste de la imagen se realizan variando la frecuencia de la señal de audio transmitida, en el caso de la imagen APT, estas variaciones se transmiten variando (modulando) la amplitud de la imagen. 2400 Hz presente en la señal VHF sintonizada a 137 mHz.

En la figura a continuación podemos ver una línea completa de una imagen NOAA en formato APT.

 

137mhz

 

1 - Pulso de sincronización de imagen infrarroja

Consiste en un tren de pulsos de 7 ciclos a una frecuencia de 832 Hz. En ningún momento usaremos esta señal en nuestra interfaz. Solo por curiosidad, esta es la señal responsable de la característica "tic-toc" de los satélites NOAA

2 - Pulso de pre-escaneo infrarrojo

Un poco antes de que el sensor comience a escanear la superficie del planeta, hay un breve momento en el que lo que se escanea es el espacio vacío. Como las áreas frías aparecen blancas en la imagen infrarroja, esta señal aparecerá en la imagen como una banda blanca en el lado de la imagen mostrada. Una vez cada minuto, el reloj de la computadora a bordo del satélite inserta una marca en esta banda, produciendo una línea negra debajo de un fondo blanco en el costado de la imagen. Estas marcas de tiempo son una referencia valiosa para la información recibida.

3 - Escaneo de imagen infrarroja

La mitad de la imagen total recibida correspondiente al canal infrarrojo. Si el nivel de señal del receptor se ha ajustado para un rendimiento óptimo en la imagen del canal visible, la señal correspondiente a este lado de la línea estará muy saturada, produciendo una imagen muy blanca en el momento de la adquisición. Hablaremos sobre los ajustes del nivel de recepción un poco más tarde.

4 - Telemetría infrarroja

Al final de cada línea del canal de infrarrojos, se insertan docenas de información codificada por la computadora de a bordo. La información sobre todos los subsistemas de satélite se procesa y se "imprime en la imagen" para que los programas especiales puedan determinar el estado del satélite. Esta información aparece en la imagen como una especie de código de barras. Nuestra interfaz también ignorará estas señales, ya que no habrá decodificación de telemetría.

5 - Pulso de sincronización de imagen visible

Después de que la imagen infrarroja sigue a la imagen visible. Este tren de pulsos es similar al pulso de sincronización infrarroja pero hay 7 pulsos a la frecuencia de 1040 Hz. Al igual que el pulso de sincronización infrarroja, tampoco utilizaremos estos pulsos en nuestra interfaz.

6- Pulso de escaneo previo de imagen visible

Igual que el pulso de escaneo previo de la imagen infrarroja, pero las marcas de los minutos son blancas sobre un fondo negro.

7 - Escaneando la imagen en el espectro visible

Segunda mitad de la imagen total correspondiente al espectro visible de la imagen recibida. Debido a que esta imagen es exactamente la misma que vemos a nuestros ojos, su interpretación es extremadamente fácil, especialmente si todavía está comenzando la tarea de recibir imágenes de satélite. En esta imagen, las nubes son blancas, los ríos, lagos y océanos son oscuros y las montañas, los valles y las montañas tienen tonos de gris fácilmente identificables.

Si es un principiante en imágenes satelitales, olvídese inicialmente de las imágenes infrarrojas, preste especial atención a las imágenes visibles y optimice la configuración de recepción.

8 - Telemetría del espectro visible

Al igual que la imagen del canal infrarrojo, la imagen visible también termina con datos de telemetría de los sistemas a bordo del satélite.

Durante la noche, debido a la ausencia de luz, pueden ocurrir dos situaciones diferentes: el lado de la imagen visible puede estar completamente negro debido a la falta de iluminación en la superficie de la Tierra o la computadora a bordo puede llenarlo con cualquier otro canal infrarrojo, ya que hay 5 canales disponibles.

Aunque son canales infrarrojos, las imágenes se verán diferentes porque las longitudes de onda capturadas por el radiómetro son diferentes. Una vez más, existen grandes diferencias entre las 2 mitades de la imagen recibida, por lo que los usuarios novatos deben ajustar los niveles del receptor VHF para optimizar solo uno de los canales.

 

Para más información visite: Starsat Space Images

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