Fotók az űrből: a Kozmosz Kör műholdvevős projektje

Minden nap számos műhold halad el a fejünk felett észrevétlenül. Ezek rengeteg olyan feladatot végeznek el, melynek eredményeit mindannyian hasznosítjuk, gyakran úgy, hogy nem is gondolunk arra, hogy azok az űrtechnológia vívmányainak köszönhetőek. Tipikusan ilyenek a meteorológiai műholdak: Föld körüli pályán keringve folymatosan fotókat készítenek a Földről, így mi (többek között) biztosabban dönthetünk reggel arról, hogy kell-e magunkkal esernyőt vinnünk.

Igen kevéssé ismert azonban, hogy számos meteorológiai műhold adása szabadon fogható, így a megfelelő eszközökkel bárki tölthet le az űrből a Földről készített fotókat. Mi ebből a videóból értesültünk a lehetőségről, és azonnal kedvet kaptunk a műholdvevős projekt elindításához. A projekt célja az volt, hogy egy RTL2832U alapú, olcsó szoftveres rádióval venni tudjuk poláris pályán keringő meteorológiai műholdak kódolatlan, 137MHz körül fogható adását, melyek képeket szolgáltatnak áthaladás közben az alattuk elterülő Földről.

Ezen írás célja kettős: szeretnénk egyrészt megosztani az érdeklődőkkel az eredményeinket, másrészt egy hiánypótló magyar nyelvű összefoglalót, kiindulási pontot biztosítani azoknak, akik kedvet kapnak ahhoz, hogy megismételjék ezt.

Fontos még megjegyezni, hogy a projektben a BME Egyetemi Kozmosz Körének olyan tagjai vettek részt, akik mind a Műegyetem Gépészmérnöki Karán tanulnak: így semmilyen rádiós előképzettségünk nem volt az autós rádiótól és a walkie-talkie-któl eltekintve; éppen ezért biztosan nem hibátlan a projektünk leírása, szívesen veszünk észrevételeket. Bár nyilvánvalóan tudtunk volna kihez fordulni az egyetemen ezzel kapcsolatban, kihívásként tekintettünk arra, hogy önálló utánajárással, lényeges szakmai útmutatás nélkül valósítsuk meg a projektet.

Áttekintés

Két olyan típusú meteorológiai műhold van, melyek adásai könnyen elérhetőek az átlagember számára, és érdeklődésre is számot tartanak: a NOAA POES műholdjai, és az orosz METEOR-M2.

Az USA-beli National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) szervezet POES műholdjaiból a cikk írása idejében már csak négy működik, a NOAA-15, NOAA-18, NOAA-19 és a NOAA-20. Ezekből háromnál (NOAA-15, -18, -19) elérhető analóg, ún. APT (Automatic Picture Transmission) adás is. Ez egy '60-as évekbeli technológia, a képek felbontása kb. 4 km/pixel. Ez egyben az előnye és a hátránya is: viszonylag könnyű venni a jelet, azonban a képek elég gyenge felbontásúak lesznek a Google Maps-hez szokott emberek korában, bár a meteorológiailag hasznos földrajzi jellegzetességek jól kivehetőek. További korlát, hogy csak két csatorna továbbítására alkalmas a technológia, így valódi színes képet nem, csak hamis színes képet lehet előállítani. Elsőként ilyen APT képek vételét tűztük ki célul.

Az orosz METEOR-M2 az APT továbbfejlesztett, digitális változatát használja, az LRPT-t (Low-Rate Picture Transmission). Mivel a kódolás digitális, megfelelő minőségű vétel esetén a hibakorrekciónak köszönhetően kristálytiszta képeket kaphatunk; viszont ellenkező esetben semmilyen képet nem tudunk előállítani. Azonban ezek a képek megérik a fáradtságot: kb. 1 km/pixel felbontásúak, és valódi színes kép állítható össze a három csatornából. A projekt végső célja ilyen képek megbízható készítése volt. Sajnos jelenleg a METEOR-M2 az egyetlen LRPT-t kínáló műhold, azonban ez a jövőben változhat.

A két képtovábbítási technológiában közös, hogy soronként érkezik a kép, melyet a műhold áthaladás közben közvetlenül az alatta elfekvő területről készít. Ennek két lényeges vonzata van: az egyik, hogy így egy felhasználó a saját környezetéről kaphat képet; a másik, hogy ha megszakad a vétel valamilyen okból, az nem jelenti a teljes kép elveszítését, csak üres csíkokat a végleges képen. Szintén ide kapcsolódik az is, hogy ezek a műholdak nem tárolnak képeket, folyamatos az adatküldés: így ha sikerül fognunk egy képet, és a közvetlen földrajzi környezetünkben más nem teszi meg ugyanezt, egy teljesen egyedi képünk lesz.

Ahhoz, hogy ezeket az adásokat jól venni tudjuk, három fő dologra volt szükségünk: egy vevőegységre, egy jó antennára és egy megfelelő vételi helyre a megfelelő időpontban, ezeket fogjuk az alábbiakban részletesen bemutatni.

Vevőegység

Az már a projekt kezdetekor biztos volt, hogy egy RTL2832U alapú szoftveres rádiót (RTL-SDR) fogunk használni: olcsó, könnyen elérhető, és tulajdonképpen ezeknek a vevőegységeknek a néhány évvel ezelőtti megjelenése indította be a meteorológiai műholdak hobbi-szintű vételét, így az interneten igen sok információ található egy ilyen projekthez. Mi konkrétan ezt a modellt használtuk.

Mivel szoftveres rádióról van szó, szükség van egy számítógépre, amely egy megfelelő szoftverrel fel tudja dolgozni az RTL-SDR által digitálizált rádiófrekvenciás jelekből származó adatokat. Ehhez az SDR# programot használtuk, melyhez a METEOR műholdak adatainak feldolgozásához szükség van egy kiegészítőre is. Bár nyilvánosan elérhető a fentebb említett kommunikációs protokollok specifikációja, igen nagy segítséget jelentett, hogy korábban lelkes amatőrök nyilvánosan elérhető szoftverek formájában már implementálták azokat.

Így a NOAA műholdak esetében az SDR# által feldolgozott jelet a minden további nélkül fel tudtuk dolgozni a kiváló WXToImg szoftverrel (sajnos az eredeti honlap már nem elérhető, azonban a program, és a dokumentáció továbbra is elérhető itt). Az egyes műholdak a következő frekvenciákon adnak:

  • NOAA-15: 137.6200 MHz
  • NOAA-18: 137.9125 MHz
  • NOAA-19: 137.1000 MHz

A jel szélessége 32 kHz, azonban az áthaladás alatt a Doppler-effektus miatt a vivőfrekvencia eltolódhat, így egy kb. 40 kHz-es sávra érdemes hangolni, ha a teljes áthaladás alatt le akarjuk fedni a jelet. Ez egy RTL-SDR esetében könnyen kivitelezhető. A WFM módban demodulált jelet a Virtual Audio Cable szoftver segítségével továbbítottuk a WXToImg-nek.

A METEOR-M2 vivőfrekvenciája 137.9000 MHz, kb. 150 kHz-es szávszélesség pedig lefedi az egész jelet. A 72000 bps-es QPSK modulációjú jelet a fentebb említett kiegészítő segítségével tudjuk demodulálni és fájlba írni. Ebből a fájlból a beszédes nevű LRPTOfflineDecoder segítségével tudtuk előállítani a kép három csatornáját; majd az ebből kombinált képet a Smoothmeteor program segítségével nyújtottuk és szépítettük.

Antenna

Mivel a műholdak nem geostacionáriusak, a Földről nézve folyamatosan változik a helyzetük. Így a megfelelő vételhez vagy egy folyamatos követést biztosító antennamozgatóra van szükség, vagy egy olyan antennára, amelynek a műhold áthaladásának irányában nagyjából azonosan jók a vételi tulajdonságai. Az utóbbi megoldás egyszerűbb és költséghatékonyabb, így ezt választottuk. Három antennatípust találtunk, melyek megfelelnek a célnak, és mások is sikerrel alkalmazták őket erre a célra:

  • Vízszintes fekvésű, É-D orientációjú, 120°-os dipólus. Egyszerű, de nem lehetne jobb a vételi karakterisztikája, nem teljesen irányfüggetlen, de nagyon egyszerű megépíteni. [Forrás]
  • Double Cross Antenna (DCA): mivel ezek a műholdak jobbraforgó körkörösen polarizált rádióhullámokat küldenek, egy szintén körkörösen polarizált antannával jelentősen javíthatunk a vételen. Meglehetősen irányfüggetlen, és viszonylag könnyen megépíthető. [Forrás]
  • Quadrifilial Helix Antenna (QFA): szintén körkörösen polarizált, a  karakterisztika irányfüggetlen. Kicsit nehezebb megépíteni, de még mindig nem túl bonyolult. [Forrás]

Mivel a vevőegységünkhöz járt egy egyszerű, állítható dipólus, ezért először azzal próbálkoztunk.

Jó helyen, jó időben

Mindez azonban mit sem ér, ha nem megfelelő a vételi helyünk; illetve éppen nincs felettünk a műhold. Az utóbbit az ingyenes Orbitron program segítségével egyszerűen orvosolhatjuk: tetszőleges időre előre kiszámítható vele a számunkra érdekes műholdak pályája, így az áthaladások időpontjai is. Mivel ezek a műholdak közel poláris pályán keringenek, naponta többször is áthaladnak ugyanazon földrajzi hely felett; valamint a keringési idejüknek nem egész számú többszöröse egy nap, így előbb-utóbb minden lehetséges áthaladást megvalósítanak egy konkrét hely felett. Azaz, rendszeresen találhatunk olyan áthaladási időpontokat, mikor szinte teljesen felettünk halad el a műhold (azaz 90°-hoz közeli az eleváció): értelemszerűen ezek az áthaladások a leghosszabbak, és ezeknek a legjobb a vétele is.

Az utolsó fontos faktor az antenna konkrét helye. Egy kis utánaolvasás után arra jutottunk, hogy a legfontosabb, hogy az antenna pozíciójából nézve az égnek minél nagyobb része látszódjon (hiszen ellenkező esetben valami el fogja takarni előlünk a műholdat): vagyis minél magasabban vagyunk, annál jobb. Illetve az is segít, ha a lakott területeken keletkező rádiózajtól, illetve nagy adótornyoktól minél messzebb vagyunk.

Budapesten, a Műszaki Egyetemhez közel mindhárom feltételt kielégíteni nem egyszerű, de a Sas-hegy csúcsa kettőt teljesít a háromból: remek a kilátás a magasságnak és a kopár hegytetőnek köszönhetően; bár lakott területen belül van, a csúcs környéke természetvédelmi terület; abban pedig reménykedtünk, hogy az ott található adótorony nem fog nagyon zavarni.

Eredmények

(A képekre kattintva azok teljes felbontásban nyílnak meg!)

Miután mindent gondosan megterveztünk, és az Orbitron által kiszámított időpont előtt fél órával felmentünk a kiszemelt helyszínre, váratlan gond akadt: a Sas-hegy csúcsán található természetvédelmi terület tanösvényként körbe van kerítve, mely hétfőn és kedden zárva tart, más napokon pedig tíztől látogatható csak (belépőjegy ellenében): ami különösen azért okoz gondot, mert az általunk kiválasztott, ideális elevációjú áthaladások reggel tíz előtt történnek. Azonban az antennánkat (két egymáshoz erősített partvisnyél segítségével) pár méter magasan rögzítve így is látványos eredményeket tudtunk elérni két próbálkozás alatt. Az első alkalommal sikerült megvalósítanunk az első lépést: sikerült a NOAA-15 jelét vennünk.

Ezt a két külöböző hullámhosszon készült képet a WXToImg multispektrális analízissel egy látványos hamis színes képpé tudja alakítani, amelyen látszik, hogy hol van föld, víz, illetve felhők:

Sőt, még egy megszokottabb térképes vetítést is alkalmazhatunk a képen, a kontinens- és országhatárok megjelenítésével:

Sajnos ezzel az alkalommal nem sikerült képet letöltenünk a METEOR-M2-ről: nagyjából ugyanakkor haladt át felettünk a NOAA-18 is, amely nagyon hasonló frekvencián küld jeleket, így tönkretette a METEOR-M2 vételét; azonban a NOAA-18 által küldött képet meg tudtuk menteni:

Ezt az első áthaladás kiválasztásakor is észrevehettük volna, azonban elkerülte a figyelmünket. Így a második áthaladási időpont kiválasztásakor már különösen ügyeltünk erre.

Másodszorra azintén a Sas-hegyre mentünk, az antennát azonban magasabbra helyeztük, így a NOAA-18-ról is egy tisztább képet kaptunk:

Valamint sikerült teljesítenünk a projekt fő célját is! Sikeresen vettük a METEOR-M2 által küldött adatok nagy részét az áthaladás során: kaptunk egy színes képet Európa nagy részéről:

Ezt tudtuk még javítani a SmoothMeteor segítségével:

Valamint egy, a hőmérséklet-eloszlást ábrázoló képet is készít a program (bár ennek helyességét nem tudtuk megerősíteni):

A sávoktól eltekintve, ahol elvesztettük a vételt, nagyon meg vagyunk elégedve ezzel a képpel. Jól látszanak például Európa körvonalai, az Alpok havas csúcsai, a Balaton, a Fertő-tó, a Duna, sőt egészen beleközelítve még nagyobb városok is kivehetőek: a lakott területek szürkébbek, mint a környező, természetes zöld.

További célok

Szeretnénk egy szofisztikáltabb, jobb vételt biztosító antennát készíteni,mellyel rosszabb körülmények között is tudunk venni. Ez az antenna egy DCA vagy egy QFA lesz, melynek a tulajdonságait már ki is szeretnénk mérni az optimális működés érdekében. Ehhez már formálódik egy együttműködés a Simonyi Szakkollégium HA5KFU rádiamatőr klubjával.

Tervben van az is, hogy egy jobb vételi hellyel próbálkozunk: a Sas-hegyen lévő természetvédelmi terület határán még vannak fák, villanyoszlopok stb: ezek jelenlétének tudjuk be jel elvesztésére utaló üres sávokat a képeken.

Még nagyobb kihívás lenne a NOAA eddig nem említett, GOES-15/16/17 nevű geostacionárius műholdjairól képet letölteni, azonban megérné az extra erőfeszítéseket: gyönyörű, nagyfelbontású képek készíthetőek a Föld egy teljes féltekéjéről.

Szeretnénk továbbá a projekt eredményeit arra is felhasználni, hogy minél több emberhez eljuttassuk azt az üzenetet, hogy az űrtechnológia kézzelfogható eredményei tulajdonképpen karnyújtásnyira vannak: remek példa erre a tény, a megfelelő utánajárással, viszonylag kis összegből tudtunk fél Európával egy nagy közös szelfit készíteni; egy olyan kamerával, ami kb. 800 km-el felettünk kering az űrben.

Felhasznált ill. ajánlott irodalom:

NOAA műholdak vétele [rtl-sdr.com]

METEOR-M2 vétele [reddit.com/r/RTLSDR]

Automatizált NOAA és METEOR vétel [init.sh]