Réception d`images météo par satellite - Index of

Frédéric ARNAL, Simon PAILLARD
[email protected], [email protected]
Encadrant : Laurent FRANCK
[email protected]
Réception d’images météo par satellite
1
Table des matières
Introduction
3
1 Description du segment spatial NOAA/POES
3
1.1
Mission NOAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2
Satellites mis en oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.1
Polar Operationnal Environmental Satellites (POES) . . . . .
4
1.2.2
Geostationnary Operationnal Environmental Satellites (GOES)
5
1.3
1.4
Instrumentation à bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.3.1
Capteur « Advanced Very High Resolution Radiometer » . . .
7
1.3.2
Autres capteurs à bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Orbite, état actuel et choix des satellites . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2 Techniques de transmission
2.1
2.2
Mode HRPT
10
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1
Données HRPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2
Paramètres radio de la transmission HRPT . . . . . . . . . . . 11
Mode APT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1
Format des données APT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2
Paramètres de transmission APT . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Mise en oeuvre de la chaı̂ne de réception
13
3.1
Choix du modèle d’antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2
Construction de l’antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3
Logiciels de décodage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Manipulations
18
4.1
Procédure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2
Résultats en images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Autres captures réalisées à partir de l’antenne
27
Conclusion
28
2
Introduction
Chaque jour, en regardant la météo à la télévision, nous pouvons observer de
belles images montrant l’évolution des nuages et des précipitations. Ces images sont
envoyées par des satellites placées en orbite géostationnaire. Mais il existe aussi une
série de satellites en orbite polaire, opérant à des altitudes inférieures à 1000km, qui
diffusent en continu des images météo que les radioamateurs peuvent recevoir avec
du matériel au prix abordable.
Dans ce projet, après avoir décrit les caractéristiques du segment spatial, nous
allons présenter comment nous avons défini, construit et mis en oeuvre une antenne
de réception d’images météo en provenance des satellites NOAA. Nous discuterons
la qualité des images reçues en fonction des moyens dont nous avons disposé pour
réaliser ce projet.
1
1.1
Description du segment spatial NOAA/POES
Mission NOAA
La National Oceanographic and Atmospheric Administration (ou NOAA) [1]
est l’agence américaine responsable de l’étude de l’océan et de l’atmosphère. Ses
principaux départements sont :
– le National Weather Service (NWS) pour l’observation et la prévision des
conditions météorologiques
– le National Ocean Service (NOS) pour l’étude des océans
– le National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
pour l’exploitation de satellites météorologiques et océanographiques [2]
– le National Marine Fisheries Service (NMFS) pour la protection et la
préservation des ressources vivantes
La NOAA a été créée en 1970, sous la direction du Department of Commerce.
La NOAA fournit et assure un accès en temps opportun à des données environnementales mondiales et des services d’information à partir de satellites et d’autres
sources dans le but de promouvoir, de protéger et d’améliorer l’économie, la sécurité,
l’environnement et la qualité de vie de la nation américaine.
Cette mission comprend la protection de la vie et de la propriété contre des dangers naturels et technologiques en mettant l’accent sur les prévisions, la préparation,
les réactions, le rétablissement et les mesures d’atténuation.
Les satellites n’appartenant pas à la NOAA, mais que celle-ci utilise, comprennent
les satellites du Programme de satellites météorologiques pour la Défense (DMSP),
3
d’autres satellites géostationnaires, le QuickSCAT et le Total Ozone Monitor Satellite (TOMS) de la National Aeronautical and Space Administration (NASA),
RADARSAT-1 de l’Agence Spatiale Canadienne (ASC) et ERS-2 de l’ESA. La
NOAA utilise également des données provenant de satellites commerciaux.
1.2
Satellites mis en oeuvre
La NOAA exploite deux programmes de satellites :
– les satellites environnementaux sur orbite polaire (POES)
– les satellites environnementaux sur orbite géostationnaire (GOES).
Les données provenant de ces satellites et d’autres qui n’appartiennent pas à
la NOAA sont utilisées pour fournir des produits opérationnels en continu. Bon
nombre de ces produits appuient la gestion des catastrophes causées par les cyclones
tropicaux et autres tempêtes, les inondations, les sécheresses, les nuages de cendres
volcaniques présentant un danger pour l’aviation, les incendies, les glaces de mer et
les icebergs présentant un danger pour la navigation maritime, les dangers côtiers
et les éruptions solaires.
1.2.1
Polar Operationnal Environmental Satellites (POES)
Les satellites en orbite polaire POES (Polar Operationnal Environmental Satellites) opèrent à une altitude d’environ 850 km. Leur orbite est telle qu’ils croisent
les pôles géographiques 14,1 fois par jour. Leur période de révolution d’environ 102
minutes leur permet de balayer la totalité du globe deux fois par jour. N’importe
quelle station de réception peut donc recevoir leurs signaux au moins deux fois par
jour, une fois le jour et une fois la nuit.
De plus, ces orbites sont héliosynchrones ce qui signifie que le satellite survole une
latitude donnée a une heure solaire locale sensiblement constante d’une révolution
a l’autre. Les prises de vue des mêmes endroits sont donc effectuées pratiquement
dans les mêmes conditions à chaque passage. C’est pourquoi ces satellites passent
au même endroit chaque jour à la même heure.
La durée de vie opérationnelle attendue des différentes missions POES est de
2 ans, en raison du vieillissement accéléré des capteurs en environnement spatial.
La figure 1 indique pour les différentes missions (sauf pour les récentes 17 et 18) la
durée de vie effective.
4
Fig. 1 – Durée de vie attendue et opérationnelle des satellites POES, source NASA
Les premiers satellites d’observation utilisaient des caméras de télévision pour
obtenir leurs images. Les tubes à l’intérieur de la caméra étaient très fragiles et se
détérioraient rapidement ce qui donnait lieu à des images marginales. Aujourd’ hui,
tous les satellites d’observation ont remplacé leur tubes de télévision par un système
électromécanique qu’on appelle radiomètre à balayage. Un radiomètre à balayage est
un système comportant plusieurs lentilles, capteurs de lumière et miroirs contrôlés
par des moteurs. Le radiomètre balaie la surface de la Terre, ligne par ligne. Au
fur et à mesure que le satellite se déplace les lignes s’accumulent jusqu’à ce qu’elles
forment une image complète. La transmission de ces images est automatique et
continue, c’est pourquoi on fait référence à de l’imagerie APT (Automatic Picture
Transmission).
Les images sont en général fonction du type de capteur utilisé à bord du satellite.
Habituellement, il y a deux types de capteurs. Le premier est un capteur de la lumière
visible. Le deuxième est sensible aux radiations infrarouges. Ces derniers permettent
la réception d’image autant la nuit que le jour.
À haute latitude, la qualité des images visuelles reçues dépend du moment de la
journée et de la saison. Pendant les mois d’été, l’angle d’illumination du Soleil est
excellent. Pendant les mois d’hiver, l’angle du Soleil est plus faible et une partie de
l’image est fortement illuminée alors que la partie la plus éloignée du Soleil (l’Ouest
le matin et l’Est l’après-midi) est plus sombre.
Les images infrarouges sont décevantes au point de vue contraste comparativement aux images visibles. Dans le format infrarouge, les objets ayant une
5
température élevée apparaissent noirs alors que les objets plus froids apparaissent
blancs. La capacité de distinguer les continents, les cours d’eau et les nuages dépend
donc des différences de températures. Plus la station de réception est à haute latitude, plus les contrastes sont réduits. Dans les régions désertiques et près de
l’équateur, les contrastes obtenus peuvent être impressionnants. Les images infrarouges sont de meilleure qualité le jour (dû au plus haut gradient de température)
et celles obtenues l’été sont meilleures que celle obtenues l’hiver.
Les satellites en orbites polaires (POES) des États-Unis en opération [4] sont les
suivants : NOAA 12, NOAA 14, NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17 et NOAA 18.
1.2.2
Geostationnary Operationnal Environmental Satellites (GOES)
Les satellites géostationnaires GOES (Geostationnary Operationnal Environmental Satellites) sont en orbite au dessus de l’équateur à une altitude d’environ
36000 km. À cette altitude, une seule orbite autour de la Terre prend exactement
24 heures. Lorsque le satellite se déplace, la Terre tourne sous celui-ci à la même
vitesse angulaire. D’un point de vue fixe sur le sol, le satellite apparaı̂t toujours au
même endroit dans le ciel.
Chaque satellite, d’un poids de 2105 kg, est un appareil stabilisé sur trois axes,
ce qui permet une résolution accrue, des sondages atmosphériques plus précis et des
images plus fréquentes. La durée de vie prévue est de 5 ans. Chacun de ces satellites
voit environ 40% de la surface de la terre.
La mission de ces satellites est d’envoyer aux stations de réception des images
infrarouges et visuelles toutes les 30 minutes. Le satellite est en rotation sur lui-même
à une vitesse de 100 tours par minute, ce qui permet un balayage horizontal. Le
balayage vertical est assuré par un miroir contrôlé par un moteur. Il n’y a que 30 ms
du balayage horizontal qui est intéressant puisque pendant 570 ms le satellite balaie
le vide de l’espace. L’information doit donc être retransmise (à une faible largeur
de bande) dans un mode « élargi » pour tenir compte de cet effet. L’information
peut aussi être divisée en quatre quadrants terrestres (NO, NE, SO et SE) . L’image
obtenue n’est donc qu’un quart de la planète. On appelle ce type de transmission
WEFAX (Weather Facsimile). Ce type de transmission utilise une modulation AM.
Les satellite GOES sont organisés en une constellation de trois satellites : GOESE (Est) situé à 75◦ de longitude, GOES-W (Ouest) situé à 135◦ de longitude et
GOES-C (Centre) situé à 107◦ de longitude. Les deux premiers permettent la transmission d’images alors que le troisième est utilisé comme relais WEFAX.
Comme dans le cas des satellites POES, les données transmises comportent deux
types d’information : infrarouge et visuelle. L’image visuelle et l’image infrarouge
d’un même quadrant obtenues au même moment sont fortement différentes. Ceci dû
premièrement au fait que l’espace au delà-la du disque terrestre apparaı̂t noir dans
6
l’image visuelle, mais blanc (température basse) dans l’image infrarouge. De plus,
certains nuages apparents dans l’image visuelle ne sont pas présents dans l’image infrarouge puisque les nuages près de la surface de l’océan vus de très haut (36000 km)
sont clairement visibles, mais parce qu’ils sont à basses altitudes, leur température
est comparable à celle des continents et des cours d’eau.
Les satellites de type géostationnaires (GOES) des États-Unis en opération [5]
sont les suivants : GOES 9, GOES 10 et GOES 12. Le NESDIS se charge de distribuer
les données aux utilisateurs (services météo, universités, etc.). [2]
Satellite
GOES-8 (I)
GOES-9 (J)
GOES-10 (K)
GOES-11 (L)
GOES-12 (M)
Lancement
13/04/1994
23/05/1995
24/04/1997
03/05/2000
23/07/2001
État
en réserve de GOES-9 à 147◦ 6 W
opérationnel à 155◦ E, en réserve de GMS-5, données pour le Japon
opérationnel à 135◦ W, bientôt en réserve
en réserve à 105◦ W, 48h de réserve
pleinement fonctionnel à 75◦ W
Tab. 1 – Satellites GOES en orbite
1.3
1.3.1
Instrumentation à bord
Capteur « Advanced Very High Resolution Radiometer »
Depuis TIROS-N lancé en 1978, tous les satellites NOAA/POES sont équipés
d’un « Advanced Very High Resolution Radiometer » (ou AVHRR), dont on peut
voir la version 3 figure 2.
Fig. 2 – Advanced Very High Resolution Radiometer 3, source NASA
Avec le radiomètre AVHRR, la détection des rayonnements émis ou réémis par
la Terre et l’atmosphère s’opère dans cinq (ou six) bandes spectrales, du visible à
l’infrarouge thermique. Une scène AVHRR comporte offre donc cinq (ou 6) images
simultanées de la Terre vue dans ces cinq (ou six) domaines de longueur d’onde. Sur
la figure 3, nous pouvons voir les caractéristiques des canaux utilisés dans le tableau
2 tiré de [6].
7
Canal
1
2
3A
3B
Résolution (nadir)
1.09 km
1.09 km
1.09 km
1.09 km
λ (µm)
0.58 - 0.68
0.725 - 1.00
1.58 - 1.64
3.55 - 3.93
4
1.09 km
10.30 - 11.30
5
1.09 km
11.50 - 12.50
Utilisation
Daytime cloud and surface mapping
Limites terre-mer
Détection de neige et de glace
Night cloud mapping, température de la surface de la mer
Night cloud mapping, température de la surface de la mer
Température de la surface de la mer
Tab. 2 – Caractéristiques des canaux de l’AVHRR/3
1.3.2
Autres capteurs à bord
En dehors du capteur AVHRR, les satellites NOAA comportent une instrumentation très variée, tableau 3.
L’instrumentation embarquée à bord des satellites NOAA comprend également
le système de localisation DCS (développé par le CNES) , destiné à collecter les
signaux émis par les balises ARGOS.
AMSU-A
AMSU-B
SEM
MHS
SBUV
OCI
LEFI
TOMS
MTS
IRTS
VIRSR
unité A de sondage hyperfréquence avancée (fauchée : 2240 km)
unité B de sondage hyperfréquence avancée (fauchée : 2240 km)
Moniteur d’environnement spatial (mesure de l’énergie des flux de particules)
Sondeur hyperfréquence pour la détermination de l’humidité
Instrument de rétrodiffusion ultraviolet solaire
Instrument pour la couleur de l’océan
Instrument de mesure du champ électrique local
Spectromètre de cartographie de l’ozone total
Sonde de température à micro-ondes
Sonde de température à infrarouge
Radiomètre visible et infrarouge
Tab. 3 – Instrumentation des satellites POES
1.4
Orbite, état actuel et choix des satellites
Tout satellite ayant une durée de vie limitée, il est nécessaire de savoir quels
modules de chaque satellite NOAA fonctionnent pour pouvoir apprécier la qualité
des images reçues.
D’après ce que nous avons pu voir sur l’état des satellites [4], nous avons décidé de
suivre en priorité NOAA 17 et NOAA 18, dont les sous-systèmes fonctionnent tous
très bien. Nous nous sommes aussi intéressés aux passages de NOAA 12, puisque
les satellites plus récents fonctionnent mal. Les images reçues par NOAA 12 sont
toutefois d’une qualité inférieure.
8
Par ailleurs, pour connaı̂tre les positions des satellites NOAA, nous avons utilisé
un logiciel de suivi appelé WXTrack. Pour l’utiliser correctement, il faut mettre à
jour régulièrement les képleriens.
Avant toute chose, il faut localiser la station de réception sur la carte. Nous avons
choisi les coordonnées suivantes :
longitude 1,44◦ E, latitude 43,6◦ N, altitude 152m
Après avoir ajouté les 3 satellites NOAA que nous avions sélectionnés à la liste
des satellites, nous pouvons ainsi, pour un jour donné, obtenir plusieurs informations
sur les passages de ces satellites dans la zone de la station réceptrice.
Fig. 3 – Passages de plus de 120 secondes des satellites NOAA 12, 17 et 18
Sur la figure 3, sont inscrits tous les passages de plus de 120 secondes au-dessus
de Toulouse pour la journée du 13 mars. Chaque ligne donne l’heure de passage,
la direction du satellite (« N » correspond à une direction du sud vers le nord),
la longitude, la durée de passage en secondes et le nom du satellite. De plus, il est
possible d’obtenir une image théorique du passage du satellite et ainsi de la comparer
à notre image reçue.
Pour chaque passage d’un satellite, le logiciel fournit plusieurs informations pratiques telles que la fréquence d’émission du satellite, ses coordonnées, son altitude,
sa distance par rapport à la station, son azimut, son élévation, la durée restante de
champ de vision et l’heure du prochain passage. La ligne en pointillé visible figure 4
correspond à la largeur du capteur AVHRR du satellite NOAA.
9
Fig. 4 – Zones de couverture des satellites NOAA dans WXTrack
2
Techniques de transmission
Les satellites NOAA en orbite polaire utilisent de nombreuses techniques de
transmission, mais nous nous concentrerons utilisées pour celles transporter les
images de météorologie.
Les données collectées par l’équipement AVHRR des satellites NOAA sont transmises en temps-réel vers la terre, sous deux formes différentes :
– le mode HRPT (High Resolution Picture Transmission)
– le mode APT (Automatic Picture Transmission)
Le mode HRPT transporte l’ensemble des données recueillies par les instruments
à bord des NOAA/POES, sous forme numérique et en bande S. Le mode APT au
contraire ne transporte que certaines données issues du seul équipement AVHRR,
de manière analogique et en bande VHF.
10
Ainsi les radioamateurs peuvent recevoir par APT des images en faible définition
avec un récepteur simple et peu onéreux, tandis que les plus exigeants et les institutions utilisent un récepteur HRPT plus complexe et coûteux.
Les données APT découlant des données HRPT, nous traiterons tout d’abord le
cas HRPT.
2.1
Mode HRPT
HRPT, pour « High Resolution Picture Transmission » permet d’exploiter pleinement les instruments embarqués dans le satellite, puisque les données recueillies
ne subissent aucun traitement avec perte.
2.1.1
Données HRPT
En mode HRPT, les données issues de l’ensemble des instruments (observation,
télémétrie, recherche et sauvetage) sont transmises sans dégradation de la résolution.
La transmission s’effectue de manière numérique : une seconde est découpée en
2 trames majeures, puis chaque trame majeure est découpée en 3 trames mineures
de 11090 mots (un mot = 10 bits, dont 2 de parité).
Une trame mineure est constituée des données de :
– synchronisation
– identification
– date
– télémétrie
– calibration de l’instrument AHVRR
– observation (10240 mots)
Ainsi on atteint un débit de 666540 bits/sec, soit 360 lignes/minute.
Des 6 canaux disponibles en sortie du AHVRR, 5 canaux images sont sélectionnés
et transmis en mode multiplexé :
– 2 images dans le spectre visible (0.58 à 0.68µm et 0.72 à 1.1µm)
– 3 images dans le spectre infrarouge (3.55 à 3.95µm, 10.3 a 11.3µm et 11.5 à
12.5µm).
Chacune de ces images est d’une résolution de 1.1Km par pixel.
2.1.2
Paramètres radio de la transmission HRPT
Les transmissions HRPT s’effectuent en bande S, précisément entre 1.698 et
1.707GHz.
Les données numériques sont modulées avec une modulation dite « split phase » :
11
– pour un bit à 0, la phase est de +68◦ pendant la première moitié de la période
du bit, puis de −68◦ pendant la seconde.
– pour un bit à 1, la phase est tout d’abord de −68◦ , puis de +68◦ .
Ces valeurs d’index de modulation sont valables pour les satellites NOAA K, L
et M, (soient les 15, 16 et 17). Pour les modèles N et N’ (satellite NOAA 18), l’index
de modulation est alors de plus ou moins 67◦ . La bande de fréquence utilisée est de
l’ordre de 3M Hz.
La polarisation est circulaire droite.
Satellite Fréquence (en M hz)
12
1698.0
14
1707.0
15
1702.5
16
1702.5
17
1707.0
18
1698.0
Tab. 4 – Fréquence des signaux HRPT des satellites NOAA-POES
2.2
Mode APT
Les images du mode APT sont générées en ne conservant qu’une ligne sur 3
des données fournies en sortie du AHVRR. On passe alors de 360 lignes/minute à
120 lignes/minute. Le résultat de cette opération module en amplitude une porteuse
à 2400Hz. La sous-porteuse résultante module alors en fréquence une porteuse dans
la bande 137 − 138M hz, en bande VHF.
2.2.1
Format des données APT
Seuls deux canaux parmi les 6 proposés par le AVHRR sont sélectionnées pour
le traitement APT. La transmission est constituée de 2 images côte à côte, dans 2
spectres différents :
– 1 image infrarouge et 1 image visible en période diurne
– 2 images infrarouges en période nocturne.
La résolution des images transmises atteint 4.0km par pixel.
2.2.2
Paramètres de transmission APT
Les transmissions APT s’effectuent en bande VHF, entre 137 et 138 M Hz, en
utilisant une modulation de fréquence avec sous-porteuse à 2400Hz modulé en am-
12
plitude. Le mode APT ne comporte pas de signaux de début et de fin d’image.
Celle-ci est transmise en permanence et est délimitée par l’acquisition (AOS) et la
perte (LOS) du satellite a l’horizon.
Le signal est transmis avec une puissance de 5W , en polarisation circulaire droite.
Satellite Fréquence (en M hz)
12
137.5
15
137.5
17
137.62
18
137.10
Tab. 5 – Fréquence des signaux APT des satellites NOAA-POES
3
Mise en oeuvre de la chaı̂ne de réception
Fig. 5 – Description de la chaı̂ne de réception
Ce projet a pour but de construire une antenne pour recevoir des images satellites.
Mais pour pouvoir recevoir de telles images, du matériel adapté est nécessaire en
plus de l’antenne.
En effet, le satellite émet une onde radioélectrique que l’on capte grâce à l’antenne. La sortie de l’antenne est ensuite reliée à un récepteur dont nous détaillerons
l’utilisation plus tard. A partir de ce récepteur que nous raccordons à un ordinateur
muni d’une carte son, nous récupérons le signal du satellite sous la forme d’un fichier
son qu’il nous suffit de traiter sous un logiciel adapté, tel que WXtoImg [15] ou APT
Decoder [14].
13
3.1
Choix du modèle d’antenne
Comme nous l’avons vu précédemment, les satellites NOAA émettent autour
de la fréquence 137.5M Hz. Plusieurs types d’antennes existent pour recevoir des
signaux à une telle fréquence. Le but du projet étant de construire une antenne de
réception, nous avons étudié les modèles d’antennes les plus simples donnant les
meilleurs résultats possibles.
Ainsi, les antennes les plus couramment utilisées par les amateurs pour recevoir
les satellites NOAA sont l’antenne tourniquet (turnstile en anglais) et l’antenne
hélicoı̈dale quadrifilaire (QHA). Ces 2 antennes présentent le gros avantage d’être
omnidirectionnelles, ce qui dans le cadre du projet est un facteur important. En
effet, l’antenne sera placée sur le toit du laboratoire de l’ENST où elle sera fixée,
donc nous n’interviendrons plus dessus. De plus, elles présentent toutes les deux une
polarisation circulaire droite.
Il existe plusieurs variantes de l’antenne turnstile. L’idée générale de ce type
d’antenne est d’associer 2 doublets demi-onde avec un angle de 90◦ l’un par rapport
à l’autre dans le même plan. Le résultat ressemble à des pâles d’hélicoptère.
L’antenne hélicoı̈dale, constituée de 2 boucles à 90◦ effectuant un rotation de 90◦
dans le plan vertical, permet d’obtenir de meilleures performances mais sa complexité
de conception avec des moyens limités nous a poussé à la mettre de côté.
Nous avons donc retenu un modèle d’antenne tourniquet et nous avons conçu une
antenne de ce type en suivant les indications données dans le livre d’André DUCROS
[10] et sur un site de radioamateurs [11].
3.2
Construction de l’antenne
Pour réaliser notre antenne turnstile, nous avions à notre disposition :
– un mât en PVC de 135mm de diamètre et de 2m de longueur ;
– 4 tiges en aluminium de 6mm de diamètre et d’une longueur de 1m ;
– du câble coaxial de 50Ω et 75Ω ;
– toute la connectique nécessaire.
Tout d’abord, nous devions tailler les tiges d’aluminium à la bonne longueur.
Pour cela, il faut prendre en considération le diamètre des tiges. En effet, pour
entrer en résonance électrique, la longueur des tiges dépend de la longueur d’onde
considérée et du diamètre des tiges. Pour un diamètre de 6mm et une fréquence de
137.5 MHz, la longueur du doublet demi-onde doit [10] valoir :
L = 0.97 ×
λ
= 1.06m
2
14
Comme nous laissons un espace de 2cm entre les tiges une fois assemblées sur le
= 52cm.
mât, cela impose donc une longueur pour chaque tige égale à (L−0.02)
2
Ensuite, pour obtenir un rayonnement directif, les deux doublets doivent être
alimentés avec un déphasage de 90◦ et il faut donc ajouter une ligne à retard de
phase réalisée à l’aide d’un quart d’onde de 75Ω. La longueur exacte de ce câble
est liée au coefficient de vélocité k du câble. Celui que nous avons utilisé avait un
coefficient k égal à 0.66, ce qui pour une fréquence de 137.5 MHz implique une
longueur de ligne à retard égale à :
L = 0.66 ×
λ
= 36cm
4
Pour tester cette ligne à retard avant le montage final, nous avons imaginé une
expérience à l’aide d’un GBF et d’un oscilloscope. En effet, si la ligne à retard est
mal faite, cela peut considérablement influer sur les performances de l’antenne. Nous
avons donc pris un GBF émettant un signal sinusoı̈dal à 137.5 MHz et nous avons
observé 2 types de signaux sur l’oscilloscope : le premier venant directement du GBF
et le second passant par la ligne à retard. Sur la figure 6, nous pouvons observer
le résultat obtenu à l’écran de l’oscilloscope (en vert le signal direct et en jaune le
signal déphasé).
Fig. 6 – Manipulation de vérification de la ligne à retard sur l’oscilloscope
On observe que le déphasage de 90◦ est bien réalisé, même si la résolution de
l’oscilloscope ne permet pas de conclure avec une grande précision. Notons au passage
que cette expérience met en évidence l’atténuation du signal dans le câble.
15
Enfin la dernière opération importante est l’adaptation d’impédance. Ici, nous
avons utilisé une adaptation par ligne quart d’onde. Pour une bande de fréquence
assez étroite, une ligne quart d’onde peut servir de transformateur d’impédance,
pour l’adaptation entre une ligne et une antenne. [12]
Une formule permet de calculer l’impédance de sortie Zs en fonction de
l’impédance caractéristique Zc de la ligne quart d’onde et de l’impédance Ze à l’entrée
de la ligne :
q
Z c = Ze · Zs
Dans notre cas, l’impédance d’entrée est l’impédance de l’antenne. Elle est
constituée de 2 doublets demi-onde en parallèle d’impédance 75Ω chacun. Donc
l’impédance équivalente de l’antenne est 37.5Ω. En sortie, on utilise un câble coaxial
d’impédance 50Ω. On en déduit qu’il faudrait utiliser idéalement une ligne d’adaptation d’impédance de 43Ω, or un tel câble n’existe pas dans le commerce. Nous nous
sommes donc contentés d’un câble de 50Ω, ce qui reste très proche des 43Ω requis.
Après avoir préparé les radians, la ligne à retard et la ligne d’adaptation, nous
avons pu réaliser l’assemblage final de l’antenne, c’est-à-dire fixer les radians sur le
mât avec de la colle et mettre en place toute la connectique nécessaire au branchement de l’antenne (cosses vissées sur les tiges).
Fig. 7 – Câblage interne de l’antenne
L’antenne a ensuite été fixée sur le toit du laboratoire de l’ENST. Nous nous
sommes aidés d’une structure existante et il nous a suffit de serrer le mât dessus à
l’aide de colliers en plastique.
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Fig. 8 – Fixation du mât de l’antenne au support
Pour éviter que l’intérieur du mât ne prenne l’eau, l’antenne a été dotée d’un
cache en caoutchouc sur le haut du mât, fixé à l’aide de colliers de serrage en plastique. L’antenne est alors prête pour la manipulation, comme on peut le voir figure 9.
L’antenne en place, nous avons effectué une mesure du rapport d’ondes stationnaires (ROS) à la fréquence de fonctionnement 137.5M hz afin d’évaluer l’adaptation d’impédance du circuit constitué de l’antenne et du câble coxial qui la relie au
récepteur. Le ROS mesuré était de 1.4.
17
Fig. 9 – Antenne finalisée et fixée
3.3
Logiciels de décodage
Nous recevons les signaux des satellites NOAA sous la forme de fichiers son que
plusieurs logiciels sont capables de décoder directement.
Parmi eux, nous en avons essayé deux pour pouvoir apprécier leurs performances
respectives : APT Decoder [14] et WXtoImg [15]. Pour pouvoir décoder les données
reçues correctement, le fichier son doit être échantillonné à 11025Hz.
Ces logiciels permettent en outre de traiter l’image après décodage en insérant
par exemple de fausses couleurs. Concernant l’ajout de couleurs, le rendu donné
par APT Decoder est meilleur que celui de WXtoImg donc les images que nous
proposerons dans ce rapport seront issues d’un décodage avec APT Decoder.
4
Manipulations
Maintenant que nous avons vu les moyens mis en oeuvre pour recevoir les images
météo des satellites NOAA, voyons quels ont été nos résultats.
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4.1
Procédure
Pour effectuer les manipulations, nous nous sommes installés dans le laboratoire
de l’ENST, l’antenne étant fixée au-dessus de nous, sur le toit du laboratoire. Comme
nous l’avons vu, le matériel nécessaire à la manipulation est l’antenne, placée sur le
toit, le récepteur et un ordinateur muni d’une carte son.
Fig. 10 – Station de réception des images
Nous disposions d’un récepteur AR5000A, visible figure 11.
Fig. 11 – Récepteur radio
19
Pour l’utiliser correctement, il faut choisir : l’entrée de branchement de l’antenne,
la fréquence, la bande passante, et le mode (FM, AM, code morse, . . .). Concernant
la bande passante, le récepteur ne propose que 30kHz ou 110kHz alors que les
satellites NOAA émettent sur une bande de 50kHz. Nous avons choisi de travailler
avec une bande de 30kHz et avec un mode FM.
Pour acquérir le fichier son, nous avons utilisé le logiciel GoldWave. Le fichier original est échantillonné à 44100Hz en 16 bits mono, et sera rééchantilloné à 11025Hz
ultérieurement.
Voici un exemple de la trame que nous avons reçue le 14 mars 2006, en provenance
du satellite NOAA 18. L’image 12 montre la structure générale de la trame pour
une durée de 15 secondes. L’image 13 montre le détail de la trame sur une durée de
2 secondes.
On remarque qu’un séquence, que l’on entend comme un « bip » lors du passage
du satellite correspond à une ligne de l’image, et dure une demi-seconde. En effet,
le mode APT permet d’obtenir 120 lignes/minute soit une demi-ligne par seconde.
Enfin, l’image 14 met en évidence sur une durée de 20ms la modulation d’amplitude utilisée par les satellites.
Fig. 12 – Structure générale de la trame pour une durée de 15 secondes
20
Fig. 13 – Détail de la trame pour une durée de 2 secondes
Fig. 14 – Détail de la modulation d’amplitude sur 20ms
Après avoir reçu ces fichiers son, nous les avons donc rééchantillonés à 11025Hz
pour pouvoir les utiliser avec APT Decoder.
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4.2
Résultats en images
En utilisant le fichier son présenté figure 12, nous avons pu obtenir l’image 15.
A gauche, nous pouvons voir l’image infrarouge et à droite l’image dans le visible.
Fig. 15 – Images infrarouge et visible reçues de NOOA 18 le 14 mars 2006
Les barres blanches sur la droite de l’image correspondent aux minutes d’enregistrement. L’espace entre 2 barres correspond à un enregistrement sonore d’une
minute. On peut donc dire que l’image que nous avons obtenue correspond à un enregistrement d’environ 13 minutes alors que la visibilité du satellite lors du passage
était de 16 minutes. Les barres à gauche correspondent à des données de télémétrie,
comme par exemple la température en un point de l’image.
22
Après l’ajout des fausses couleurs (False colour temperature enhanced sous APT
Decoder), on obtient l’image 16.
On peut remarquer quelques lignes de bruit au niveau de la Manche. Nous avons
remarqué ce défaut sur toutes nos captures de satellites. Nous pensons donc que
cela vient d’un obstacle sur le toit qui pourrait gêner la réception pendant un court
moment.
Fig. 16 – Image visible en fausses couleurs reçue de NOOA 18 le 14 mars 2006
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L’image 17 a été reçue de NOAA 18 passant au dessus de l’océan Atlantique le
16 mars 2006 et permet de voir une belle masse nuageuse arrivant sur l’Europe.
Fig. 17 – Image visible en fausses couleurs reçue de NOOA 18 le 16 mars 2006
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Nous avons aussi voulu tenter une capture d’un satellite NOAA de nuit et nous
pouvons voir sur l’image 18 le passage de NOAA17 le 13 mars en image infrarouge.
Fig. 18 – Image IR reçue de nuit de NOAA 17 le 13 mars 2006
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Comme nous l’avons dit précemment, le logiciel WXTrack, qui sert à suivre et à
prédire les passages des satellites, permet aussi de générer une image théorique pour
un passage de satellite donné. L’image 19 montre la superposition de l’image que
nous avons reçue le 14 mars 2006 de NOAA18 avec l’image générée par WXTrack.
L’image 20 montre la même image traité sous WXTrack avec les frontières des pays.
Fig. 19 – Superposition d’une image
NOAA 18 générée par WXTrack et de
l’image reçue
Fig. 20 – Superposition des frontières
sur une image reçue du satellite
NOAA 18
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Nous avons aussi pu remarquer, en capturant plusieurs fois la même image sur
plusieurs jours d’affilée, que la neige sur les massifs montagneux avait tendance à
fondre au fil des jours. En comparant la carte de France du 13 mars (image 21) et
du 14 mars (image 22), reçue de NOAA 18, nous pouvons observer très nettement
la fonte des neiges sur le Massif Central. C’est d’ailleurs à partir du 13 mars que la
température s’est réchauffée sur la France, ce qui vérifie donc bien nos observations.
Fig. 22 – 14 mars 2006, 13h58
Fig. 21 – 13 mars 2006, 14h10
5
Autres captures réalisées à partir de l’antenne
L’antenne que nous avons construite est optimisée pour des fréquences autour de
137 − 138M Hz.
A part les satellites NOAA, d’autres satellites météo ayant une orbite polaire
fonctionnenent aussi à ces fréquences, parmi eux les satellites METEOR, RESURS,
OKEAN et SICH [13]. Nous avons essayé d’en écouter quelques uns mais nous
n’avons rien obtenu du tout. D’après plusieurs sites de radioamateurs, il semblerait que tous les satellites météorologiques polaires autre que NOAA soient à ce jour
inactifs.
Par ailleurs, nous avons essayé de capter des signaux provenant de la Station
Spatiale Internationale (ISS), qui émet dans la bande radioamateur à 145.8M Hz.
Nous avons écouté plusieurs passages de la station et nous avons ainsi pu recevoir
plusieurs packets radio dont voilà un exemple sur la figure 23. D’après l’indicatif des
radioamateurs, nous avons reçu des messages du Vénézuéla, du Mexique, d’Argentine
et de pays d’Europe comme l’Allemagne, les Pays-Bas, la Pologne et même la France.
27
On peut voir sur l’extrait reçu que plusieurs radioamateurs envoient leur adresse email ou des messages pour saluer. Beaucoup d’entre eux utilisent le sigle « 73 », qui
dans le jargon radioamateur est une forme respectueuse de saluer.
Enfin, le 8 mars 2006, nous avons eu la chance de recevoir une conférence donnée
par un astronaute de la station ISS à des élèves d’un lycée technique allemand.
Fig. 23 – Exemple de packets radio reçus d’ISS le 16 mars 2006
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Conclusion
Ce projet nous a permis de nous plonger dans le monde radioamateur et de la
conception des antennes, qui nous étaient relativement inconnnus jusque là, notamment grâce à l’étape du choix de l’antenne. Les problématiques d’impédances déjà
abordées au cours de nos études y deviennent alors réalité.
La satisfaction de construire notre propre antenne et la promesse d’obtenir grâce
à elle des images superbes a été sans aucun doute un moteur important pour notre
motivation dans ce projet. Cela nous encourage même à créer une page web regroupant tous les clichés que nous avons reçus.
Nous avons ainsi reçu des images d’une très bonne qualité avec le filtre de 30kHz
intégré au récepteur. Une qualité encore supérieure aurait pu être atteinte avec un
filtre adapté, de 50kHz de bande passante, que le récepteur à disposition de possédait
pas. Nous sommes par ailleurs déçus par les lignes de bruit visibles sur chaque image
au niveau de la Manche dont nous n’avons pas trouvé la véritable explication.
Enfin, nous sommes très heureux d’avoir pu utiliser notre antenne pour écouter
d’autres satellites, en particulier la Station Spatiale Internationale (ISS), ce qui a
permis d’élargir un peu le champ du projet et de découvrir d’autres aspects du
domaine radioamateur.
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Références
[1] National Oceanic and Atmospheric Administration, http://www.noaa.gov/
[2] NOAA, National Environmental Satellite, Data, and Information Service (NESDIS),
http://www.nesdis.noaa.gov/
[3] NASA, GOES and POES Projects, http://goespoes.gsfc.nasa.gov/
[4] NOAA, POES Status, http://www.oso.noaa.gov/poesstatus/
[5] NOAA, GOES Status, http://www.oso.noaa.gov/goesstatus/
[6] Le capteur AVHRR,
http://www.educnet.education.fr/orbito/system/noaa/noaa3.htm
[7] National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA Polar Orbiter Data User’s
Guide, http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/podug/, 1998
[8] NOAA, NOAA KLM User’s Guide, http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/, 2000
[9] NOAA , NOAA KLM User’s Guide, HRPT System, http://www2.ncdc.noaa.gov/
docs/klm/html/c4/sec4-1.htm, 2000
[10] André DUCROS, Les Antennes, Théorie et pratique
[11] Bernard Bayle, F1DTU, Schéma d’antenne tourniquet,
http://www.bbayle.com/satellites/an137.gif
[12] f5zv, Les lignes quart d’onde et demi-onde,
http://perso.wanadoo.fr/f5zv/RADIO/RM/RM07/RM07d/RM07d09.htm
[13] Les satellites météorologiques polaires,
http://f1agw.free.fr/Sat_Polaires/Sat_Polaires.htm
[14] APT Decoder, http://www.ptast.com/apt/decoder/
[15] WXtoImg, http://www.wxtoimg.com/
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