Передача изображений в формате APT

Необходимые сведения

       Оперативная спутниковая система NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) состоит из геостационарных спутников GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites) предназначенных для краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования и мониторинга текущей метеорологической обстановки и полярно-орбитальных спутников POES (polar-orbiting environmental satellites), которые предоставляют информацию для более долгосрочных прогнозов. Данные со спутников GOES и POES позволяют производить глобальный мониторинг погодной обстановки. Спутники NOAA также оснащены системами поиска и спасения (S&R), которые к настоящему времени помогли спасти более чем 20 тысяч человеческих жизней [2]. Первый спутник NOAA 1 (POES) был запущен 11 декабря 1970 года, последний GOES 15 – 3 апреля 2010 года. Сейчас (март, 2014) действуют 4 спутника POES (NOAA 15, 16, 18, 19) и 3 спутника GOES (GOES 13, 14, 15) – [3, 4].

APT (Automatic Picture Transmission) – аналоговая система передачи изображений, разработанная для метеорологических спутников. Была введена в эксплуатацию в 1960-е годы. Кроме американских спутников NOAA. Ее использовали советские (а потом российские) спутники МЕТЕОР [5]. На текущий момент эту систему (формат) используют спутники NOAA 15, 18, 19. На действующем спутнике NOAA 16 система APT перестала функционировать вскоре после запуска [5, 6].

Спутники NOAA имеют на борту AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) – радиометр с высоким разрешением. Изображения с максимальной разрешающей способностью (1км/пкс) передается в цифровом формате HRPT (High resolution picture transmission) на частоте 1,7 ГГц. Для аналогового режима APT, на частоте 137 МГЦ используются только два из 5 спектральных каналов. Они имеют “ухудшенную” разрешающую способность (4км/пкс) и передаются в двух полустроках с различным содержанием (канал А и B) – т.е. осуществляется временное мультиплексирование. Каждый из каналов имеет собственные синхронизирующие сигналы (7 импульсов частотой 1040 Гц для канала A и 7 импульсов частотой 832 Гц для канала B). Эти две полустроки передают изображения различных спектральных областей. Частота передачи - 120 строк в минуту, то есть две полустроки каждую четверть секунды. [7]. Пример полного кадра приведен на рис. 1.

Рисунок 1 – Примеры изображений с метеоспутника

Подробное описание протокола передачи данных APT (Automatic Picture Transmission) можно найти на сайте [2]. Мы же рассмотрим краткие общие сведения. В табл. 1 приведены частотные диапазоны спектральных каналов.

Таблица 1– Спектральные каналы радиометра

Каналы 1 и 2 показывают землю в отраженном солнечном свете. Они подходят для наблюдения облаков, границ земли/воды, особенностей ландшафта и льда. Каналы 4 и 5 измеряют излучение поверхности земли непосредственно. Эти каналы подходят для оценки температур и наблюдения облаков, особенно ночью. Канал 3 находится в спектральном "промежутке" между отраженной солнечной лучевой и земной собственной радиацией. Этот канал чувствителен к критическим источникам теплоты типа пожаров.

Обычно каналы 2 (VIS) и 4 (IR) передаются днем, а каналы 3 (mIR) и 4 (IR) вечером и ночью. Программы декодеры используют оба канала, чтобы генерировать цветные изображения.

Передатчик УКВ-диапазона имеет выходную мощность 5 Вт и работает на частоте 137.48 или 138 МГц. Передача информации осуществляется постоянно по протоколу APT. Выбор одной из двух возможных частот передачи осуществляется таким образом, чтобы избежать взаимного влияния сигналов, передаваемых с двух различных спутников NOAA, одновременно находящихся в зоне радиовидимости наземной станции.

Таблица 2 – Значение основных параметров радиолинии

После синхронизации следует метка длительностью 11,3 мс, представляющая излучение свободного пространства для выбранной спектральной области. Метка будет темной для видимых каналов и яркой для инфракрасных каналов(1 и 2), как показано на рисунке 2. Сгенерированный из этих меток столбец прерывается минутными маркерами (4 горизонтальные полосы: 2 черные и 2 белые).

Рисунок 2 – Пример изображения после синхронизации

На противоположной стороне изображения находятся данные телеметрии, представленные на рисунке 3.

Рисунок 3 – Изображение с данными телеметрии

       Данные телеметрии состоят из:

1) индекс модуляции 10.6 % (высокая температура)

2) индекс модуляции 21.5 %

3) индекс модуляции 32.4 %

4) индекс модуляции 43.4 %

5) индекс модуляции 54.2 %

6) индекс модуляции 65.2 %

7) индекс модуляции 78.0 %

8) индекс модуляции 87.0 % (низкая температура)

9) индекс модуляции 0 % (нулевая ссылка, самая низкая амплитуда)

10) температурный датчик 1

11) температурный датчик 2

12) температурный датчик 3

13) температурный датчик 4

14) коррекция температуры

15) обратное сканирование

16) клин идентификации канала (1 – 5 канал AVHRR).

Таким образом, картинка состоит из восьми градаций яркости. Каждому уровню яркости соответствует определённая температура. Чем ярче участок, тем он холоднее (облака, снег, лёд и т.д.). Каждая строка сообщения состоит из 2080 пикселей, состав которых представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Состав каждой строки изображения

Данными телеметрии и изображением модулируют по амплитуде тон с частотой 2400Гц. До модулятора используется 3 полосный ФНЧ Баттерворта-Томсона с частотой среза 2,4 кГц. Затем этим промодулированным по амплитуде тоном модулируют по частоте несущую частоту передатчика. Девиация частоты составляет +/-17кГц.

Каждый из каналов имеет собственные синхронизирующие сигналы 7 импульсов частотой 1040 Гц для канала A и 7 импульсов частотой 832 Гц для канала B (рис. 4).

Рисунок 4 – Синхроимпульсы канала А и В

В каждой строке содержится 2080 слов. Кадр содержит 128 строк. Частота передачи - 120 строк в минуту, один кадр передается 64 секунды (рис. 5). Сравните структуру, изображенную на рис. 5 с реальным снимком, показанным на рис. 1.

Рисунок 5 – Структура кадра APT протокола