Записки программиста

Ни для кого не секрет, что на земной орбите находятся тысячи искусственных спутников. Поскольку оптоволокно на орбиту не протянешь, обмен информацией со спутниками происходит при помощи радиоволн. А значит, используя правильное оборудование, эту информацию может принять кто угодно. В чем мы сегодня и убедимся.

Принимать будем изображения от следующих метеоспутников:

• NOAA 15, NOAA 18 и NOAA 19 — передают изображения на частотах 137.62, 137.9125 и 137.1 МГц соответственно в режиме APT;
• Метеор М2 — передает изображение на частоте 137.9 МГц в LRPT;

Дополнение: 5 июля 2019 был запущен новый спутник Метеор М2-2. К сожалению, вскоре после запуска он перестал передавать изображения. Подробности можно найти здесь и здесь.

Для приема воспользуемся RTL-SDR v3, а также RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna, которая уже знакома нам по заметке об APRS. Антенну использовать не обязательно именно эту. В принципе, подойдет любой диполь с длиной плеча около 54 см:

Эксперимент я проводил за городом. Антенна была поднята на высоту около 7 метров при помощи удочки. Это обеспечивает антенне чистый горизонт, поскольку рядом находятся соседские дома. Если вы будете повторять эксперимент в чистом поле, поднимать антенну так высоко не потребуется — достаточно будет закрепить ее на высоте человеческого роста.

На фотографии камера смотрит на юг, соответственно плечи антенны указывают на запад и восток, а наибольшее усиление она дает по направлению на север и юг. Это важно, поскольку спутники будут пролетать над нами либо с севера на юг, либо с юга на север. Как вариант, плечи антенны можно слегка подогнуть, где-то под 120 градусов. В таком варианте антенна будет иметь меньшее усиление, но будет больше похожа на всенаправленную. Спутники обычно пролетают чуть восточнее или западнее, а не строго над нами, поэтому такой вариант антенны имеет свои плюсы.

Вообще, диполь является не лучшей антенной для метеоспутников. Причина заключается в том, что сигнал от спутников имеет круговую поляризацию (RHCP), а поляризация нашей антенны — горизонтальная. Сигнал она все равно примет, но с аттенюацией в 3 dB. Более подходящим вариантом была бы турникетная (turnstile antenna) или квадрифилярная спиральная антенна (quadrifilar helical antenna, QFH). К сожалению, последние довольно недешевы. Например, готовая QFH антенна Diamond DP-KE137 обойдется вам примерно в 300$. Если же вы захотите изготовить такую антенну самостоятельно, вам придется приложить немалые усилия для того, чтобы она действительно имела круговую поляризацию, а не эллиптическую. Кроме того, в отличие от горизонтально поляризованного диполя, такая антенна будет сильнее собирать создаваемый человеком шум, обычно имеющий вертикальную поляризацию.

Таким образом, сил на изготовление антенны вы приложите существенно больше, а отношение сигнал-шум (SNR) улучшится где-то на 1 dB, максимум на 2 dB. Учитывая, что во время прохода метеоспутника SNR составляет что-то порядка 40 dB, этот выигрыш несущественен. По этим соображениям был использован обычный диполь. Данная мысль более подробно изложена в статье DIY 137 MHz APT Weather satellite antenna – Or, do we need a circular polarization? [PDF] хорватского радиолюбителя Adam Aličajić, 9A4QV.

Fun fact! При желании 120-и градусную держалку для антенны RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna можно напечатать на 3D-принтере. Соответствующая модель доступна на Thingiverse. Там же можно найти каркасы для QFH-антенн, например, раз и два.

Чтобы определить, когда над нами будут пролетать интересующие спутники, воспользуемся программой Gpredict за авторством радиолюбителя Alexandru Csete, OZ9AEC:

В программе можно посмотреть будущие проходы спутников где-то на двое суток вперед. Нас интересуют проходы с элевацией больше 30° (столбец Max El). Если угол меньше, значит спутник будет пролетать где-то вдоль горизонта, и хорошего сигнала от него ожидать не приходится. Проход с элевацией 30-60° — это нормальный проход, с которым можно работать. Соответственно, 60-90° означают максимальное качество сигнала, но за день такие проходы случаются всего пару раз на все четыре спутника. Отмечу также, что наилучшие снимки получаются днем в ясную солнечную погоду. Облака и грозовые разряды не способствуют прохождению радиосигнала. А если вы его и примите, то на изображении увидите только серые облака. Ночью же на снимках просто ничего не будет видно.

Для декодирования APT и LRPT было решено воспользоваться открытыми программами xwxapt и glrpt, написанные радиолюбителем Neoklis, 5B4AZ. На его сайте программы можно найти в разделах Weather Imaging → APT Image Decoders и Weather Imaging → Meteor-M LRPT Receiver. Для сборки xwxapt и glrpt в Ubuntu Linux понадобятся следующие пакеты:

Также пришлось удалить один пакет, поскольку с ним glrpt почему-то никак не мог найти RTL-SDR:

Далее сборка и установка программ происходит как обычно:

У xwxapt и glrpt похожий интерфейс. Так к примеру выглядит xwxapt в процессе получения изображения от NOAA 15:

Секрет успешного использования обеих программ заключается в том, что половина действий спрятана в контекстном меню, которое появляется по клику правой кнопкой мыши по месту для вывода изображения. Кроме того:

• В xwxapt всегда ставьте галочку Offset-Hz → Correct. Эта опция компенсирует сдвиг частоты принимаемого сигнала, возникающий из-за эффекта Допплера;
• При использовании glrpt всегда включайте AGC. По умолчанию автоматическая регулировка усиления выключена, и без нее вы имеете отличные шансы не принять изображение;

Типичное изображение от спутников NOAA выглядит как-то так (кликабельно, PNG 749x714, 466 Кб):

Программа xwxapt умеет их как-то умно раскрашивать. Однако результат обычно оставляет желать лучшего, поэтому здесь приведено черно-белое изображение.

Типичное изображение от Метеор М2 (кликабельно, JPG 1568x1800, 762 Кб):

Изображения от этого спутника более красочны, имеют большее разрешение и заметно более устойчивы к помехам. Что в очередной раз показывает неоспоримые преимущества цифровых режимов связи (LRPT) перед аналоговыми (APT).

Конечно, качество принятых изображений далеко от идеала. Если серьезно задаться целью повысить их качество, то можно провести много увлекательных часов, экспериментируя с антеннами, фильтрами и усилителями (например, SAWbird+ NOAA от Nooelec). А когда это наскучит, то можно взяться за написание своих декодеров APT и LRPT. А затем написать бота, автоматизирующего переключение частот / декодеров, и просто выкладывающего принятые изображения в Twitter. Конечно, делать он это будет только в том случае, если специально обученная нейронная сеть скажет, что картинка вышла удачной. В общем, тут огромный простор для обучения и самореализации.

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Используем спутники для проведения QSO на УКВ, Принимаем SSTV от МКС при помощи WebSDR и Прием спутников Inmarsat при помощи RTL-SDR.

Метки: SDR, Антенны, Беспроводная связь.