Satellites polaires (POES)

Satellites mis en œuvre

 La NOAA exploite deux programmes de satellites :
– les satellites environnementaux sur orbite polaire (POES)
– les satellites environnementaux sur orbite géostationnaire (GOES).

Satellites polaires (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 à une heure solaire locale sensiblement constante d’une révolution à 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.

Satellites géostationnaires (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 a la même vitesse angulaire. D’un point de vue fixe sur le sol, le satellite apparaıt 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.

Technique de capture d’image

Les premiers satellites d’observation utilisaient des caméras de télévision pour obtenir leurs images. Les tubes à l’intérieur de la camera 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 tube 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 contrôles 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. A 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 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 altitude, 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.

Mode APT

Le mode APT est un système développé dans les années 1960, conçu pour transmettre des images analogiques à basse résolution pour les satellites météorologiques. Deux canaux AVHRR peuvent être choisis par commande au sol pour le traitement et la sortie finale vers l’émetteur APT. Un canal visible est utilisé pour fournir des images APT visibles pendant le jour, et un canal IR est utilisé en permanence (jour et nuit). Un deuxième canal IR peut être programmé pour remplacer le canal visible pendant la partie nocturne de l’orbite. Le signal APT est transmis en continu et peut être reçu en temps réel par des équipements de stations terrestres relativement simples et peu coûteux.

Format des données APT Les données APT, que nous recevons quotidiennement, sont transmises en continu sous forme de signal analogique en utilisant la modulation d’amplitude d’une porteuse de 2400 Hz. Une image APT complète prend environ 12 minutes pour se construire à un rythme de 2 lignes par seconde. Les données sont diffusées par le satellite. Le Flux est obtenu par l’AVHRR/3. Deux canaux à faible résolution émettent en permanence des signaux VHF à débit réduit (environ 120 ligne/minute).

Les deux canaux sont composés de :
– canal A : un canal de fréquence visible fournissant des images APT pendant la journée.
– canal B : un canal IR fournissant des images APT à toute heure du jour et de la nuit. La résolution des images transmises atteint 4.0km par pixel.

Réception du signal APT Le signal analogique APT est modulé en FM en utilisant une porteuse RF entre 137,1 et 137,9125 MHz, en fonction de l’indice du satellite NOAA. Par exemple, l’émetteur NOAA-18 est réglé sur 137,9125 MHz. Une station terrestre à faible coût démodule le signal FM et applique le signal démodulé FM à la carte d’entrée audio PC. Une sousporteuse AM sur 2400 Hz module les données d’image, comme variation d’amplitude le long d’une échelle de gris. Chaque mot est échantillonné en utilisant 8 bits/pixel le long d’une rangée, qui dure exactement 0,5 secondes (2 lignes/seconde). Le débit de données équivalent est de 4160 mots/seconde avec une précision numérique/analogique de 8 MSB pour chaque mot de 10 bits. Pour chaque image, seulement 909 mots/rangée sont des données utiles ; les autres sont pour la synchronisation et la télémétrie.

Sync A est une onde carrée de 1040 Hz de sept cycles.
Sync B est un train d’impulsions 832 ayant également sept cycles.

Le nombre total de pixels le long d’une rangée est de 2080, en tenant compte des images A et B, des images Sync A et B et des trames de télémétrie. Il y a 128 cadres de télémétrie de 8 lignes chacun. L’ensemble de ces 128 images forment un total de 1024 lignes. La résolution de l’image est de 909/1024 pixels .

Structure d’une image:
– un signal de démarrage: 300 Hz pendant 3 secondes (gestion du début d’image avec un nouveau fichier)
– un signal de Phasage composé de l’alternance de noir et blanc pendant respectivement 12,5 ms et 237,5 ms sur 5 secondes, (Synchronisation, gestion des niveaux blanc et noir qui peuvent évoluer dans la journée en fonction des conditions climatiques locales, entre notre antenne et le satellite)
– une image composée de 800 par 800 pixels pendant 200 secondes. Chaque ligne démarre par un signal de début (40 pixels) qui contient une information permettant d’activer un circuit de contrôle automatique de gain, ou la synchronisation des lignes,
– un signal de fin d’image : 450 Hz pendant 5 secondes, (après détection des 450Hz par un décodeur de tonalité ou filtrage numérique sur PC, permet de gérer l’image dans une animation ou sa sauvegarde au même titre que le fichier son équivalent à l’image)
– un noir pur transmis pendant 10 secondes. (Mesure du niveau mini de la réception).

Antenne :

Les satellites météorologiques APT NOAA diffusent leur signal à environ 137 MHz, et leurs signaux sont également polarisés circulairement à droite (RHCP), ce qui signifie que nous aurons besoin d’une antenne polarisée circulairement à droite pour recevoir correctement les signaux. Les antennes satellites sont également conçues pour recevoir le meilleur des signaux venant du ciel. Voici les antennes qu’on peut utiliser.

Antenne de tourniquet : Une antenne tourniquet est une antenne polarisée circulairement. Il peut être construit en deux modes, normal et axial. Pour la réception satellite, nous utilisons le mode axial.

Antenne Quadrifilar Helix (QFH) : Une hélice quadri filaire (QFH) est une antenne à polarisation circulaire qui peut être construite à partir d’un tuyau en PVC et d’un câble coaxial. La plupart des gens rapportent que l’antenne QFH a une réception légèrement supérieure à celle du tourniquet.

Un Dipôle V : Récemment découvert qu’un simple dipôle disposé en forme de «V» placé horizontalement constitue une excellente antenne satellite extrêmement simple. Il s’agit probablement de l’antenne pour  débutants la plus facile à construire. Pour avoir une bonne réception il faut que la longueur soit 53.4cm en direction du sud avec un écart de 120 degrés.

Définition de la SDR

La SDR (SOFTWARE DEFINED RADIO) est une version plus récente de la radio traditionnelle où certains composants matériels sont contrôlés par logiciel, d’où elle est un système de radiocommunication configurable utilisant des techniques de traitement logiciel sur des signaux radiofréquences. Une radio logicielle utilise des circuits numériques programmables pour effectuer du traitement de signal. Sa flexibilité lui permet de s’adapter à un large spectre de réseaux, protocoles et techniques de radiocommunication, et de répondre au besoin croissant de performance et d’interopérabilité entre systèmes hétérogènes. L’objectif ultime de la radio logicielle consiste en une dématérialisation complète de l’interface radio. Elle fait partie de la tendance globale des circuits électroniques à migrer du « tout transistor » vers le « tout logiciel ».

Table des matières

Remerciement
Résumé
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre I Satellites météorologique NOAA
I. Introduction
II. Satellites NOAA
II.1 Satellites mis en œuvre
II.1.1 Satellites polaires (POES)
II.1.2 Satellites géostationnaires (GOES)
II.2 Technique de capture d’image
III. Instrumentation à bord
III.1 Capteur « Advanced Very High Resolution Radiometer »
III.2 Autres capteurs à bord
IV. Technique de transmission
IV.1 Mode APT
IV.1.1 Format des données APT
IV.1.2 Réception du signal APT
IV.1.3 Structure d’une image
V. Satellite NOAA en service
VI. Mise en œuvre de la chaîne de réception
VI.1 Antenne
VI.1.1 Antenne de tourniquet
VI.1.2 Antenne Quadrifilar Helix (QFH)
VI.1.3 Un Dipôle V
VI.2 Récepteur
VI.3 Décodeur APT
VI.3.1 WXtoImg
VII. Conclusion 
Chapitre II Radio définie par logiciel
I. Introduction
II. Définition de la SDR
III. Matériel SDR (SOFTWARE DEFINED RADIO)
III.1 Récepteur traditionnel
III.2 Récepteur SDR (SOFTWARE DEFINED RADIO)
III.3 Émetteur SDR
IV. Dispositif RTL-SDR
IV.1 USB RTL-SDR v3
IV.2 Antenne appropriée
IV.3 Bande de fréquence
IV.4 Composition interne d’une RTL-SDR
V. Architecture et fonctionnement 
V.1 L’architecture globale des clés USB RTL-SDR
V.1.1 Accordeur R820T/R820T2
V.1.2 RTL2832U
VI. Application SDR
VII. Conclusion
Chapitre III Logiciels SDR
I. Introduction
II. Logiciel SDR
II.1 Utilisations du SDR
II.2 C. Possibilités d’emploi
II.3 Installation sous Windows
III. Présentation de logiciel
III.1 SDR-Sharp
III.2 SDR pour Android
III.3 Matlab & Simulink
IV. Utilisation sur Matlab et Simulink
IV.1 Utilisation de la RTL-SDR : MATLAB
IV.2 Utilisation de la RTL-SDR : Simulink
IV.3 Schéma block d’un récepteur FM sur Simulink2
V. Conclusion
Chapitre IV Réception D’image NOAA sur Windows et Raspberry
I. Introduction
II. Réception d’images NOAA sous Windows
III. Réception d’images NOAA sur Raspberry Pi 
III.1 Préparation du Raspberry Pi
III.2 Installation des logiciels nécessaires
III.3 Étape 3: Teste des logiciels installé
III.4 Les scripts
III.5 Vérification
IV. Résultats
V. Conclusion
Conclusion générale
Références

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