О приёме снимков Земли с метеорологических спутников

В настоящее время на Земной орбите находится порядка 10 спутников, используемых в метеорологических целях. Эти спутники непрерывно сканируют поверхность и атмосферу Земли и осуществляют непосредственный сброс информации на землю в соответствующие научные центры, лаборатории и всем кто может принять. Приемная станция, находящаяся в зоне радиовидимости спутника, в реальном времени видит то, что видит спутник. Данные с него поступают непосредственно в момент съемки. Аппаратно изображение принимается не только в видимом спектре, но и на некоторых частотах инфракрасного диапазона. Правильнее даже сказать, что все основные каналы – инфракрасные, их намного больше. Эти каналы намного важнее для практических целей, потому что в них можно выделить водяной пар, дым, тепловое излучение от лесных пожаров или определить температуру поверхности планеты. С помощью таких снимков можно определить даже созревание урожая на колхозных полях. Эта статья рассказывает о технике практического приема изображений со спутников дистанционного зондирования Земли, благодаря которой любой человек может зайти на такие сайты как meteosputnik.ru и увидеть те самые настоящие космические снимки.

По концепции «открытое небо» Всемирной Метеорологической Организации (WMO) метеорологическая информация распространяется бесплатно, и даже вы, находясь у себя на даче, можете принимать незашифрованный спутниковый сигнал в реальном времени, пока спутник пролетает над горизонтом. Сейчас постоянно вокруг Земли летают и передают изображение на частоте 137 МГц: спутники NOAA15, NOAA18, NOAA19, на частоте 1,7ГГц: NOAA15, NOAA16, NOAA18, NOAA19, MetopA, MetopB, FENGYUN, Meteor-M1, на частоте 8ГГц: Terra, Aqua, Aura и Calipso.

image
Рис.1. Формат APT.

Форматы.


Прибор AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) на спутнике NOAA является сканером с разрешением 1 км/пиксель, он формирует изображение в 5 ИК-каналах. Российский МСУ-МР (Многоканальное Сканирующее Устройство Малого Разрешения) на спутнике Метеор-М1 формирует 6 каналов. На Terra и Aqua устройство MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) сканирует в 36 спектральных каналах с 12-битным разрешением в видимом, ближнем, среднем и тепловом инфракрасном диапазонах.

На частоте 137МГц в аналоговом формате (APT) передается картинка с разрешением 4км/пиксель, состоящая из двух ИК-каналов, полученная в результате геометрической коррекции перспективных искажений и уменьшения масштаба. На частоте 1,7ГГц уже используется цифровой формат HRPT (High Resolution Picture Transmission) (в NOAA – манчестерский код, а в Metop – код Рида-Соломона и алгоритм Витерби) – разрешение 1км/пиксель, на частоте 8ГГц тоже используется цифровой код для передачи данных с максимальным разрешением 250м/пиксель.

Поток данных в формате в общем случае состоит из строк, каждая из которых содержит:
• синхробайты
• данные о спутнике
• метку точного времени для каждой строки растрового изображения
• калибровочные значения
• нужную нам информацию о яркости пикселя в каждом канале
• последние форматы предусматривают передачу GPS-координат положения спутника на орбите.

Цифровой сигнал формируется 10-битными байтами (в MODIS 12 бит), т.е. по 10 бит на пиксель каждого канала. Строки идут одна за другой, в соответствии с направлением полета фото-сенсора, т.е., если спутник летит с севера на юг, то картинка строится сверху вниз, а если он возвращается к нам с Антарктиды, то прежде чем смотреть, картинку надо переворачивать. Сенсор устроен таким образом, что строки сканируются одна за другой, непрерывно. Он постоянно смотрит в центр Земли, а сканируемая строка перпендикулярна вектору движения, т.е. спутник производит съемку в надире. Проекция получается понятная глазу, но далеко не картографическая. Чтобы наложить карту городов и границ стран, приходится использовать редкие, никому неизвестные и ненужные в обычной жизни программы. Орбита, по которой летают метеоспутники, называется солнечно-синхронной. Запущенные по такой орбите объекты сохраняют свое положение относительно Земли и Солнца на каждом витке, т.е. если спутник пролетел над Москвой вечером, то на следующем витке он пролетит над Европой тоже вечером и вообще все время он попадает в вечер, а на обратной стороне Земли, значит, он всегда бывает утром, т.е. Земля фактически прокручивается под ним внутри его орбиты.

Приемная аппаратура.


Зная орбиту летающего в космосе радиопередатчика, надо вычислить его положение относительно приемной антенны. Для этого есть программа Орбитрон, под которую пишется драйвер поворотного устройства направленной антенны. Входными данными для программы являются: точное время (точность 1с) и кеплеры (кеплеровы элементы орбиты) в формате TLE – они доступны в Интернете и их надо периодически обновлять. На выходе получаются углы: элевация и азимут – насколько поднять тарелку и в какую сторону повернуть. Пока мы принимаем спутники L диапазона (1,7ГГц), углы корректируются раз в секунду и этого достаточно. Чтобы принимать эти спутники, нужна тарелка от 1,5 м диметром. Для облегчения веса можно применять сетчатую антенну. В фокусе параболы установлен облучатель с круговой поляризацией, фильтр и понижающий конвертор, преобразующий частоту 1,7 ГГц в частоту 150 МГц. С головки по коаксиальному кабелю радиосигнал приходит в приемник, а затем логически расшифровывается декодером, который выделяет 10-битные синхробайты, синхронизируется с потоком, и по USB данные попадают в программу, которая отслеживает наличие полезного сигнала и записывает его в файл на диск. Если кто-то хочет узнать подробности, то может почитать про PSK-модуляцию, манчестерский код, бинарное кодирование NRZ. В компьютере перед нами готовые структуры HRPT Minor Frame Format и т.п. На этом аппаратная часть заканчивается.


Видео 1. Прием данных со спутника NOAA.

Программная дообработка.


Получаемые с разных спутников данные должны быть пересобраны в какой-то единый формат, чтобы их могла открыть какая-то универсальная программа. Поэтому та программа (BMsat), что принимает цифру с декодера, переупаковывает данные на лету и пишет на диск в таком формате, чтобы их открыла программа HRPT Reader, которая может строить цветные картинки, накладывать карту и сохранять в BMP или JPEG! Это вторая в цепочке программа, которой тоже надо подкачивать из Интернета файлы орбит (TLE). Чтобы изображения, получаемые в инфракрасных спектрах, выглядели достаточно адекватно для слепого в этом диапазоне RGB-зрителя, т.е. для вас, есть специальный алгоритм, названный в программе False color. Таким образом, вам должно быть понятно, что те метеорологические изображения, которые есть в Интернете, имеют не настоящие цвета, а смоделированные на основе полосок ИК-спектра. Вообще, основой для алгоритма False color могут служить разные каналы – здесь выбор за оператором. В функционал программы еще входит возможность выпрямления перспективных искажений. Те пиксели, которые отсканировались с поверхности Земли прямо из под спутника отображают 1км, а те пиксели, которые расположены ближе к горизонту охватывают по несколько километров, и чтобы Земля казалась не круглой, а плоской, как на картах, можно вытягивать края картинки в ширину. При этом качество изображения страдает, размер JPG-файла растет, на экране помещается еще меньший фрагмент. Но так или иначе дальше, все отправляется по FTP на сайт, а про это вы уже сами все хорошо знаете. Разве что можно упомянуть разбиение большого снимка на тайлы (маленькие квадратики), которые бы закачивались для тех мест, на которые смотрит пользователь сайта. Как это делается в яндекс- и гугл-картах.


Видео 2. Обработка данных с метеоспутника.

Оборудование и программы, которые используются для приема, начиная двухосевыми поворотками, заканчивая HRPT Reader’ом очень специфичны и в магазинах на полках не лежат. Все это надо разрабатывать своими силами, используя свой опыт и опыт тех, кто этим уже занимается, либо платить за разработку специалистам. Вообще всякое оборудование, конечно, уже существует, но цены на него космические. Благодаря ebay, можно попробовать купить списанный экземпляр того или другого устройства на свой страх и риск, попробовать починить его и доработать. Чтобы было возможно принимать 8ГГц спутники с разрешением 250м/пиксель необходимо увеличить:

• точность позиционирования параболической антенны до 10’ (10 угловых минут)
• частоту позиционирования – тарелка должна двигаться плавно
• диаметр до 3м

Кроме этого надо полностью заменить аппаратную часть. Перейти на другие частоты и т.д. Снимки, генерируемые такими спутниками формируются уже не построчно, а полосками ощутимой ширины, в связи с этим нормально смотреть на них не возможно, т.к. перспективные искажения дублируют кусочки изображений, близких к горизонту. Т.е. тут тоже есть математическая задача, которую надо будет решать.

Для расширения функционала проекта «Фото со спутника в реальном времени» (он представлен на сайте www.meteosputnik.ru) необходимо решать разные задачи, например, преобразование проекции в Меркатор, слияние наших сервисов с другими, например, подключение к бесплатной программе-карте SAS.Planet, установки нового оборудования и открытия новых приемных станций для увеличения количества и качества снимков. Для ускорения этого и всего другого было бы неплохо расширить группу энтузиастов, готовых бесплатно поучаствовать в проекте и найти спонсоров.

В настоящее время наш проект предоставляет открытый доступ ко многим уникальным и полезным данным. Смысл его очень многогранен. Спрогнозировать облачность и изменение погоды иногда гораздо проще и интереснее смотря на метеоснимки, чем на прогнозы разных метеосайтов. Еще можно понимать попадаешь ли ты в центр циклона, на грозовой фронт или погода будет меняться плавно в течении нескольких дней. В частности, один мой знакомый использовал эти снимки три года назад, когда всё было в дыму от лесных пожаров, чтобы принять решение, куда уехать из Московской области на выходные: на снимках было видно, что прозрачный воздух начинался тогда аж в Белоруссии. Но это пример краткосрочного применения технологии. Полученные нами данные используются в обучении студентов метеорологических факультетов. Очень важно понимать, что эти данные представляют собой не просто оперативные данные, а уникальную область технологий. Такие вещи могут заинтересовать школьников и стимулировать их к обучению сразу по нескольким предметам, кроме физики сюда подключаются знания о природе, атмосферных, водных процессах, метеорологии, географии, астрономии, геометрии, информатике и радиоэлектронике. Можете попробовать проверить свои знания о географии, мысленно представив текущее состояние пересохшего Аральского моря и сравнив со снимком из космоса. Вы чувствуете разницу между теоретическим знанием и практическим, разве было бы возможно просто взять и посмотреть на Аральское море, довольствуясь редкими распечатками из учебников, которых нет и старинными картами? Или вспомните трагедию в Крымске – городе, где в свое время с участием Д.И. Менделеева была открыта первая нефтедобывающая установка. Сейчас же при таком уровне технического развития не нашлось ни одного человека в той местности, чтобы создать ситуацию, в которой люди были бы хотя бы предупреждены о приближающейся катастрофе. Т.е. вопросами выживания почему-то никто не занимается, даже не кто-то там, кто должен, а вообще никто, наверно тысячу лет назад была такая же ситуация. Никто не знает, как резко сможет взлететь наука о Земле, если в такие знания будут окунаться не только штучные доктора наук, но хотя бы 1% школьников. Хотели бы вы, чтобы у вас в ваше время в школе был компьютер, спутниковый приемный комплекс? Наверное, и сейчас половина из вас мечтают, если не о телескопе, то о связи со спутниками, приеме какой-нибудь совершенно новой для разума информации. При самом скромном желании можно внедрить технологии в образование. Но мы то с вами знаем, что вообще в настоящее время в образование внедряют.

image
Рис.2. Формат HRPT.

Непосредственная польза человечеству от снимков, кроме колоссальной научной, очень разносторонняя:
• на фотографиях видны различные пожары, их очаги, направление распространения, эта информация формируется в соответствующих противопожарных службах сразу же, как только пролетел спутник
• в сельской местности на просторах нашей Родины по цветовой информации полей можно определить степень созревания сельскохозяйственных культур, отслеживать сбор урожая и количество снега зимой
• также осуществляется мониторинг паводков и ледовой обстановки, так пару лет назад можно было наблюдать замерзшее Азовское море и ледоход. А в Белом море знание ледовой обстановки жизненно необходимо для судоходства
• в мире происходит бесчисленное множество природных явлений, кроме самого наблюдения за ними, можно оценить степень и масштаб их влияния

Век компьютеризации пока что шагает по планете в виде экономики продаж бытовой техники и электронных игрушек со стеклом, до которого можно дотронуться пальцем. Если взглянуть на это со стороны, то даже может стать немножко стыдно, как человечество, получив такие совершенные технологии, их использует. С другой стороны, в масштабах государственных служб, существуют глобальные проекты, но на примере нашей космической отрасли тоже становится немножко стыдно, когда видишь, что построенные за народные деньги ракеты и летающие на них спутники, собирающие информацию принадлежат как бы не нам, а узкому замкнутому кругу лиц, в который попасть почти нереально по комплексу причин. Простому смертному россиянину увидеть нормальный космоснимок можно только благодаря иностранным сайтам тех стран, где хоть какое-то участие в образовательных процессах этому предусматривается, а в реальном времени снимок можно увидеть только у нас. Ситуация такова, что в то время как польза любому человеку от своевременно полученной метео-инфромации может быть сопоставима с пользой от яндекс-пробок, те госслужбы, которые занимаются непосредственно приемом изображений, считают выкладывание снимков в открытый доступ нецелесообразным. Т.е. они существуют, строят ракеты и спутники за наш счет, а потом нам же предлагают покупать у них наши же снимки.

Сейчас у всех нас есть возможность конструктивно работать в параллель государству. Нужно открывать новые приемные станции, разрабатывать, изготавливать и устанавливать новое оборудование, писать новые программы для расширения охвата земной поверхности. На днях мы договорились о сотрудничестве с энтузиастом из Японии, у которого тоже есть собственная приемная станция, теперь мы получаем его исходные данные, обрабатываем их и публикуем снимки от Байкала до Камчатки. Среди пользователей нашего сайта появилось много жителей Дальнего Востока. Таким образом, покрытие фото-данных расширилось от Лиссабона до Владивостока и даже дальше. Сейчас абсолютно всё: изготовление оборудования, эксплуатация, обслуживание помещения приемной станции, работа оператора никем и ничем не финансируется – все делается за свой счет. Мы делаем это бесплатно и открыто. Для поддержания и устойчивого развития проекта нужны заинтересованные люди и финансирование.

У нас есть снимки туч на Черном море и Кавказе тех дней, когда в Крымске погибли тысячи людей. Если бы хотя бы 10 человек в стране искренне интересовались подобными явлениями, начиная со школы или с сознательного возраста, вполне возможно, что опасные явления (ОЯ) предсказывались бы не просто как «ОЯ», а «уровень затопления местами составит более 2 метров». Кстати метеослужбы по самым пессимистичным прогнозам давали до 100мм осадков ту ночь, а реально было под 300мм. Вот вам и эффективность подхода сокрытия метеоданных, пусть и не физического, но идеологического.

Similar posts

Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 25

  • UFO just landed and posted this here
      –1
      Почему так уверены?
        +2
        Если вы про это, то вот.
          0
          Вы можете все меня заминусовать, но вы привели данные той стороны, для которой показать полные обобщенные данные смертельно опасно. Т.е. вы привели наименьшее количество из всех оглашенных. Наименьшее, значит с высокой долей вероятности, заниженное. Я не знаю ни одного способа, каким бы я мог проверить реальное количество погибших. Если не отвергать элементарную логику, получается больше, ведь город был превращен в пруд с холодной водой. Тем не менее, статья вообще не об этом — не о числинности, я мог бы указать любую, но выбрал ту, при которой будет лучше понятно смысл статьи. Вы же поняли о чем я писал? Возможно это статья не для вас.
            0
            Ваше отношение к информации не может не удивлять. И смысл слова «логика» вы не понимаете.
            метеослужбы по самым пессимистичным прогнозам давали до 100мм осадков ту ночь, а реально было под 300мм

            Вот цитата из Википедии (со ссылкой на Гидрометеоцентр России)
            Сильнейшие дожди и ливни продолжались в течение ночи с 6 на 7 июля. 7 июля к 10 часам на метеостанциях было зафиксировано (дополнительно к осадкам предыдущего периода): в Геленджике — 51 мм, в Новороссийске — 187 мм, в Крымске — 156 мм.

            Тем не менее, статья вообще не об этом — не о числинности, я мог бы указать любую, но выбрал ту, при которой будет лучше понятно смысл статьи.
            Вы считаете, что это нормально — выдавать недостоверные данные, чтобы проще было кого-то убедить?

            Так вы запросто начнете фальсифицировать космоснимки, если это будет вам выгодно. Например, сейчас самое время предъявить снимок, на котором видно 300 мм осадков.
              0
              Все понимают слова по-разному, согласно жизненному опыту (телевизор, воспитание, детский сад, школа,...). Можете попробовать дать определение Логике, а еще лучше Элементарной логике:) Наверняка у нас разное понимание, но это не значит, что у меня его нет. В догонку дайте определение Пониманию и Смыслу. Если вы не поняли, что я намекнул на то, что минимальное значение может быть не равно истинному…
              Будьте аккуратнее. Мне кармы не жалко. Мой вопрос был адресован Лизе: «Почему так уверены?», докатилось до того, что меня тыкают в википедию.
              Было бы не плохо, если бы вы сразу же раскрыли смысловое содержание «осадков предыдущего периода», а то непонятно. Вы перечислили города, в которых, примитивно говоря, в некоторых местах стоят такие баночки..., в которые набирается водичка. А вокруг городов есть горы — это огромные территории, додумайте сами о полезности беседе этих доказательств. Кстати, в вашем духе, я мог бы вообще заявить что затопление было по щиколотку, ну… чуть-чуть выше. Если бы баночка в Крымске наполнилась бы на 0 мм, то можно было бы сказать, что все покончили жизнь самоубийством. По мнению специалистов ФГБУ “Краснодарский ЦГМС”, катастрофическое наводнение в бассейне реки Адагум связано с тем, что в районе Мархотского перевала (верховья рек Баканка и Неберджайка) выпало катастрофическое количество осадков - 300 мм.
              Если вы влезли в разговор и хотите ответить за Лизу, что во всём этом уверены, потому что доверяете в этом деле википедии, то так и скажите.
              Вообще вся эта тема с самого начала — она очень мутная, она не может быть другой — это ясно видно.

              На счет фальсификации. Вы можете только меня упрекнуть в том, что я фальсифицирую официальные отчеты — только эти данные существуют в том виде, в котором я бы мог их прочитать и сфальсифицировать. Больше мне фальсифицировать нечего. Я нигде не писал, про данные по официальной версии и не перевирал их. Но я писал, что доверие официальным источникам — это весьма странное поведение. А теперь я еще добавлю, что доверие википедии — это тоже странное поведение (даже если ссылка указана прямая и рабочая — это не отменяет того факта, что информация подана недостаточно объективно: официальных данных там много больше, чем данных очевидцев). А также критика моих данных, которые, очевидно взяты с потолка, такая, будто предполагается, что в них надо верить — тоже странное и недостойное взрослого человека поведение. Я вышел сюда не с лозунгом разоблачения. Достаточно было только уточнить, что кроме моей версии, есть еще версия людей, причастных к трагедии, по ней представлено здесь 153 человека. Надеюсь вы слышали, что Крымск подтапливало не впервые за последние 10 лет и что системы оповещения сработали очень поздно, в виде бегущей строки по телевизору, в то время, когда основное население спит.

              У меня нет достоверных данных, я думаю, что лучше дать недостоверные и что-то важное объяснить, чем посидеть, помолчать. Если у меня будут достоверные данные, конечно я свои на них заменю.

              К последнему абзацу статьи есть притензии. Вероятно, не все понимают о чем он — придираются к цифрам и т.д. Если есть сложности, скажите, я этот абзац разжую, он действиельно очень сжатый.
        0
        2 децитысячи
          0
          это шутка?
        +1
        На днях мы договорились о сотрудничестве с энтузиастом из Японии, у которого тоже есть собственная приемная станция, теперь мы получаем его исходные данные, обрабатываем их и публикуем снимки от Байкала до Камчатки

        meteosputnik.ru/ — ваш проект, я верно понял?
          +1
          Я в нем участвую
          0
          Я когда-то показывал спутниковые снимки (американских метеоспутников) на своем погодном сайте, но решил закрыть раздел, т.к. космоснимки оказались никому не интересны. Очень немногие могут что-то по ним понять. Это с учетом того, что основные посетители моего сайта — пилоты (парапланеристы, дельтапланеристы).

          Но способствовать свободному распространению информации — это хорошо.
            0
            Если бы из свежих снимков генерились бы анимированные gif-картинки, то было бы нагляднее — куда что движется и ожидается.
              0
              Не gif-картинки, а нормальный интерфейс «плеера», в котором можно было бы просмотреть снимки в анимации или полистать вперед/назад. Gif-картинки — это бесполезные мелькания, в которых ничего не понятно, если не привык к такому.
                +1
                У меня был вот такой «плеер». В вебархиве грузится только последняя картинка, но смысл понятен:
                — есть анимация;
                — индикатор загрузки картинок (когда имеет смысл включать анимацию, если у вас медленный интернет);
                — возможность переключиться на произвольную картинку (нажав на время);
                — возможность переключаться вперед/назад.

                Это не идеальное решение, но гораздо лучше gif-анимации. И трафика уйдет меньше, т.к. это как бы jpg-анимация.
                  0
                  Анимировать хорошо, когда картинка с геостационара, т.е. когда спутник не летит никуда, а висит в одной точке. Наши всё время летают, каждый раз ракурс разный.
                    0
                    Снимать картинку каждый день в одно и то же время — получится посуточная анимация без сдвигов :)
                    Для понимания больших процессов (циклон идет, например), вполне достаточно
                      0
                      Что не мешает преобразовывать снимки в традиционную картографическую проекцию, например, этим www.satsignal.eu/software/groundmap.htm а потом, средствами GDAL/OGR конвертировать вообще во что угодно.
                    0
                    Интересная статья!
                    Может быть практической пользы от таких снимков для рядового пользователя и нет, но зато весьма интересно поковыряться с железом, настроить и в итоге получить данные со спутника.

                    В этой связи было бы интересно почитать за технические моменты — какой диаметр тарелки нужен для того или иного региона приема, какой ресивер и т.п. железки нужны.
                      –1
                      meteosputnik.ru/item244 — это цветопередача такая, или люди настолько загрязнили планету, что она теперь не зелено-голубая, а грязная и коричневая?
                      • UFO just landed and posted this here
                        • UFO just landed and posted this here
                          +1
                          Я уже не один год использую для себя sat24.com, а ранее смотрел снимки с hobitus.com. Hobitus тоже любители, но у них получалось только со 137МГц.

                          Замечательно, что проект meteosputnik смог продвинуться намного дальше.
                            0
                            Хорошая статья. Удачи!
                              0
                              за статью спасибо

                              однако вынужден заметить что на них ничего
                              существенно не различимо даже на квадратах 100 на 100 километров
                              сами снимки могу посмотреть т.к. в нашей организации они есть

                              есть ли какая то возможность увеличить детализацию чтобы видеть район километров 50 на 50 к примеру
                              ?
                                0
                                Я не понял о чем вы говорите, попробуйте задать вопрос по-другому. Принимаемые и выкладываемые снимки имеют разрешение 1км на пиксель. Я не понял что вы хотите увидеть и на каком масштабе вы смотрите. Может быть вы хотели спросить о наложении карты? И самое непонятное при этом, что у вас за организация, где все снимки и так есть:)

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.