Published: 13. 12. 2006   Category: Meteorological satellites

Digitální příjem družicových snímků

Úvod

V polovině roku 2006 byl ukončen provozu analogového vysílání Meteosatu 7 ve formátu WEFAX na kmitočtu 1,6 GHz. Tento dnes již historický analogový přenos je již nyní plně nahrazen digitálním systémem druhé generace.

Následník starších typů, satelit MSG-1 Meteosat Second Generation (Meteosat 8), byl na oběžnou dráhu vypuštěn 28. srpna 2002. Po uvedení do provozu byla družice přeparkována na 3,3° východně, kde nahrazuje Meteosat 7, který by měl být přesunut na pozici 63° východně nad Indický oceán.

Meteosat 8 je plánován jako záložní systém, jehož funkci by měla převzít družice Meteosat 9, která byla dopravena na oběžnou dráhu 21. prosince 2005. Eumetsat chystá vypuštění ještě dvou družic Meteosat 10 v období 2007/2008 a Meteosat 11 na rok 2012.

Vybavení pro příjem

Pro starý analogový systém se používal přijímač s konvertorem a analogová data se snadno demodulovala např. pomocí zvukové karty. Postavit si doma přijímací zařízení nebyl pro zdatného radioamatéra problém, několik konstrukcí bylo uveřejněno (např. na stránkách ARadia).

Nový digitální systém, ovšem vyžaduje zcela jiné vybavení. Meteorologická data jsou v zakódované formě distribuována systémem EUMETCast pomocí DVB-S přes komerční televizní družici HotBird 6. Ovšem místo proudu televizního obrazu MPEG2 jsou vysílány soubory s meteorologickými daty.

Družice: EuroBird 9 (9° východně)
Transpondér:TP63
Downlink:10976,82 MHz (pásmo Ku)
Symbolová rychlost:27500 kS/s
FEC:3/4
Polarizace:horizontální

Nejdůležitějším vybavením je PCI karta TechniSat Skystar2, či její externí provedení pro USB, jistě známa všem satelitním TV nadšencům a dále samozřejmě parabola s LNB směřovaná na HotBird 6, který se nachází nad rovníkem na pozici 13° východně. Průměr ofsetové paraboly je doporučován alespoň 85 cm, ale z vlastní zkušenosti mohu potvrdit, že v naší zeměpisné poloze klidně méně.


Fig.: Karta TechniSat Skystar2

Konfigurace počítače se doporučuje s alespoň 2GHz procesorem x86, 1 GB RAM a harddiskem o velké kapacitě. Velká operační paměť není na škodu, jelikož zpracování obrazových dat je značně paměťově náročné. Ovšem já osobně příjem provozuji bez problémů na horší konfiguraci s poloviční pamětí.

EUMETSAT dále dodává software pro příjem TELLICAST, pro operační systém GNU/Linux i Microsoft Windows (2k, XP) a elektronický klíč EKU (EUMETCast Key Unit) připojitelný na USB, který zajišťuje přístup ke kódovaným datům a v poslední řadě je ještě nutný software pro zpracování obrazových dat.

Jak bylo řečeno data jsou prostřednictvím EUMETCastu šířena zakódovaná, ovšem s výjimkou tzv. základní služby. Zde jsou distribuovány snímky z několika družic v několikahodinových intervalech.

Družice Interval Čas vysílání [UTC]
Meteosat 8 HRIT/LRIT 6 hodin 05:45, 11:45, 17:45, 23:45
Meteosat 5 a 7 6 hodin 00:00, 06:00, 12:00, 18:00
GEOS 9, 10, 12 (FSD) 3 hodiny 00:00, 03:00, 06:00, 09:00, 12:00, 15:00, 18:00,21:00

Tab.: Data základní služby

Zájemce o příjem všech dat, se musí nejprve registrovat a získat licenci. Pro nekomerční amatérské účely je cena registrace €100 (software je za €60 a klíč za €40). Pro amatéry je tento poplatek jednorázový, platnost licence je několik let a po vypršení platnosti bývá automaticky prodloužena.

Registrace

Pro registraci je nutno zaslat formulář EUM/ECAST/REG/01. EUMETSAT jej po té zašle ke schválení lokální meteorologické instituci, v našem případě ČHMÚ. Předvyplněný formulář můžete najít např. na stránkách The Group for Earth Observation.

Meteorologická data

Pomocí EUMETCastu je každou hodinu odesláno více než 500 MB dat. S plnou licencí získáte přístup ke snímkům z několika geostacionárních družic a dále k datům z družic NOAA obíhajících Zemi na nízkých orbitálních drahách.

Dostupné je následující:

A nyní k tomu co ze za uvedenými názvy skrývá.

Meteosat 8

Meteosat 8 obsahuje snímací zařízení – radiometr SEVIRI (Spinning Enhaced Visible and InfraRed Imager), který snímá Zemi z pozice 3,3° východně (v budoucnu 0°) nad rovníkem z obvyklé vzdálenosti pro umístění geostacionárních družic, tedy 35 786 km. Družice je na orbitu stabilizována vlastní rotací 100 ot./min. Do čidel je záření přiváděno pomocí skenovacího zrcátka, které se při každé otáčce mírně vychýlí a tak je snímán povrch Země řádek po řádku.



Fig.: Stín Měsíce na povrchu Země při zatmění Slunce ze dne 29. 3. 2006 (10:00) (barevná kombinace RGB z kanálů: IR016, VIS008, VIS006). © EUMETSATM (1321  kB)

Radiometr poskytuje snímky v 11 kanálech o rozlišení 3 kilometry na obrazový bod a v jednom kanále (HRV – High Resolution Visible channel) s obrazovou informací ve viditelném spektru o rozlišení 1 km, i když vzhledem k šikmé projekci povrchu Země je třeba pro Evropu a okraje glóbu rozlišení trochu horší. Obrazová data (High Rate SEVIRI) mají standardně velikost 3712 × 3712 bodů a ve velkém rozlišení 5568 × 11136 bodů. Data jsou z družice nejprve odeslána primární stanici v německém Darmstadtu, kde se provede jejich zpracování a poté následná distribuce uživatelům.

Pro uložení snímků se používá bezeztrátová komprese za použití vlnkové transformace (wavelet transformation). Vlnková transformace slouží k časově-frekvenčnímu popisu signálu. Jako běžný počítačový uživatel se s ní setkáte např. v obrazovém formátu JPEG2000. Kanál je 10 bitový, takže je možno rozlišit 1024 úrovní. Snímky jsou posílány rozdělené v segmentech od jižního pólu k severnímu a všech 12 kanálů je po částech odesláno každých 15 minut.

Kanál 12, ve velkém rozlišení, nelze přenést kvůli omezené šířce přenosového pásma kompletní, a tak je odvysílán výřez Evropy a jižní část glóbu právě osvětlená Sluncem.

Data Low Rate SEVIRI jsou posílána každých 30 minut, pro uložení snímků s menším rozlišením je použit formát JPEG se ztrátovou kompresí a jsou posílány pouze kanály 1, 3, 4, 5, 9.

Spektrální kanály HRI

KanálOznačení Spektrum [µm] Absorpční pásmo Obrazové informace
1. VIS006 0,56 .. 0,71 viditelné a blízké infračervené zobrazení oblaků a zemského povrchu v denním světle
2. VIS008 0,74 .. 0,88 viditelné a blízké infračervené zobrazení oblaků a zemského povrchu v denním světle
3. IR_016 1,50 .. 1,78 blízké infračervenérozlišení mezi oblačností a sněhem
4. IR_039 3,48 .. 4,36 krátkovlnné infračervenérozlišení mezi dešťovými a sněhovými oblaky a rozpoznání mlhy
5. WV_062 5,35 .. 7,15 vodní páryzobrazení vodních par v troposféře
6. WV_073 6,85 .. 7,85 vodní páryzobrazení vodních par v troposféře
7. IR_087 8,30 .. 9,10 infračervené pásmorozlišení mezi sněhovými oblaky a zemským povrchem
8. IR_097 9,38 .. 9,94 ozon celkový obsah ozonu ve nižších vrstvách stratosféry
9. IR_108 9,80 .. 11,80 dlouhovlnné infračervené teploty na zemském povrchu
10.IR_120 11,00 .. 13,00 dlouhovlnné infračervené teploty na zemském povrchu
11.IR_134 12,40 .. 14,40 oxid uhličitý teploty v atmosféře
12.HRV 0,60 .. 0,90 viditelnéČB snímek ve velkém rozlišení

Kanál VIS006 Kanál VIS008 Kanál IR_016 Kanál IR_039
VIS006VIS008IR_016IR_039
Kanál WV_062 Kanál WV_073 Kanál IR_087 Kanál IR_097
WV_062WV_073IR_087IR_097
Kanál IR_108 Kanál IR_120 Kanál IR_134 Kanál HRV
IR_108 IR_120 IR_134 HRV

Pásma viditelného světla jsou určena k zobrazování během denního světla, v tomto pásmu je nejvyšší intenzita slunečního ozáření a plyny v atmosféře nepohlcují přicházející ani odrážející se sluneční záření. Pohlcující spektra vodních par slouží k určení množství vodní páry ve vyšších vrstvách troposféry. V tomto pásmu je atmosféra neprůhledná pokud se v místě nachází vodní pára nebo zcela průhledná při velmi suchém vzduchu. Infračervená pásma jsou použita pro snímkování v průběhu dne i noci a slouží pro určení teploty na vrcholech oblačnosti a oceánu. V těchto pásmech se nachází maximum vyzařování zemského povrchu a atmosféry v závislosti na teplotě.



Fig.: Výřez HRV kanálu, barvy přidané kombinací kanálu s nižším rozlišením. © EUMETSAT (1501  kB)

Další družicová data

Z dalších dat jsou EUMETCastem distribuovány snímky Rapid Scanning Service (RSS) z Meteosatu 6 (pozice 10° východně). Zde jsou v intervalech 10 minut odesílány snímky Evropy ve třech kanálech (viditelný, infračervený a vodních par [VIS, IR, WV]). Použitý je obrazový formát GIF, JPEG nebo OpenMTP (Meteosat Transition Programme), data jsou navíc komprimována pomocí algoritmu bzip2.

Ke sledování vývoje počasí nad Indickým oceánem slouží Meteosat 5 (pozice 63° východně). Snímky HRI (High Resolution Image) používají 8 bitový obrazový kanál a jsou komprimovány pomocí vlnkové transformace. Každých 30 minut jsou dostupné snímky zemského glóbu ve třech kanálech (VIS, IR, WV).

Z ostatních meteorologických družic jsou každé tři hodiny odvysílány snímky v kanálech VIS, IR, WV z GOES-E (GOES-10, pozice 135° západně [západní pobřeží USA a Tichý oceán]), GOES-W (GOES-12, pozice 75° západně [severní a jižní Amerika]) a dále z japonské družice MTSAT-1R (pozice 140° východně [Austrálie, východní Asie]).

Kromě snímků jsou distribuována zpracovaná data SAF (Satellite Application Facilities) jako například diagramy směru větru, analýza teploty moře, odhady srážek a analýza oblačnosti a další.

Od počátku letošního roku je v testovacím provozu retransmise snímků z družic na nízké orbitální dráze (NOAA-15 až 18, v budoucnu také evropského satelitu MetOp). Tyto družice obíhají zhruba ve výšce 810 až 870 km a oběžná doba je přibližně 100 minut. Dráha družice je heliosynchronní, takže nad daným místem obíhá každý den v přibližně stejnou dobu, kdy je tato část Země osvětlena Sluncem. Tyto družice v reálném čase vysílají snímky digitálním systémem HRPT (High Resolution Picture Transmission) v pásmu 1,7 GHz a analogově pomocí APT (Automatic Picture Transmission) v pásmu 137 MHz. Pro HRPT je nutný relativně složitý přijímací systém a během přeletu je nutno směřovat anténu přímo na družici, přenos je digitální rychlostí 665,4 kbit/s a používá se modulace PSK.

Data z orbitálních satelitů jsou sbírána v několika pozemních stanicích, odkud jsou předávána družicovému centru k následné distribuci. Prozatím jsou dostupné snímky pouze ze stanice v Maspalomas na Kanárských ostrovech, zejména východní Sahary, Atlantiku a při příhodných přeletech i jižní Evropy.

Družice NOAA na palubě nesou radiometr AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) a snímají 5 spektrálních kanálů. Snímky mají v nadiru rozlišení 1,1 km a během přeletu je snímán pás Země široký asi 3000 km. EUMETCast odvysílá data asi 30 minut po přeletu.

Zpracování snímků

Dodávaný software TELLICAST slouží pouze uložení družicových dat na disku pro jejich zobrazení a další zpracování je nutno použít jiné programy.

Nejsnadnější pro zobrazení jsou snímky ve formátech GIF nebo JPEG, které stačí dekomprimovat bzip2 a zobrazit vhodným prohlížečem nebo dále doplnit navigační mapou pro snadnější orientaci.

Data ze SEVIRI je nutné zpětně transformovat a poskládat segmenty obrazu do výsledného snímku. Pro tyhle účely jsou dostupné dva programy. Prvním z nich je XRIT2PIC pro systémy GNU/Linux, Windows a Solaris a druhý MSG Data Manager pro Windows.

Oba programy co se týče funkce jsou na tom podobně, jejich hlavním úkolem je převést data na obraz. XRIT2PIC má ovšem tu výhodu, že je možno jej ovládat z příkazové řádky a vytvořit si skripty pro dávkové zpracování snímků.

Dalším užitečným programem je GeoSatSignal, umí skládat barevné kanály, převést snímky do standardních mapových projekcí či zkombinovat je se synoptickou mapou.

Jednotlivé kanály SEVIRI je možno kombinovat do barevných obrazů, jednak takových, které se blíží vnímání lidského oka a dále takových, kde nám různě zkombinované barvy umožní snadnější interpretaci meteorologických dat.

Pro skládání obrazových kanálů je možné použít vícero kreslících programů. Mě osobně nejvíce vyhovuje GIMP, ale je samozřejmě možno použít jiný, který umí pracovat ve vrstvách, skládat barevné kanály a obsahuje nástroje pro úpravu obrazu (křivky, úrovně, atd.) např. Pixel nebo Paint Shop Pro.

Odkazy

Reference