Receptor de seales APT de Satlites Meteorolgicos UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA AUTOR:Juan Pablo Ciafardini DIRECTOR:Jose Alberto Bava AO: 2010 2 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin LaAdministracinNacionalOcenicayAtmosfricadeEE.UU. (NOAA) dispone de 4 satlites que transmiten datos en tiempo real de parmetros atmosfricos y climticos. Estos datos se pueden capturar con un equipo receptor adecuado y mtodos de procesamiento. La transmisin de los datos a tierra se realiza mediante el sistema APT (AutomaticPictureTransmission).Esteesunsistemasencilloy robustoquepermiteacualquierestacindetierrarecibirla comunicacin del satlite meteorolgico mientras la sobrevuela o bien recorre alguna rbita adyacente. 3 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin Elobjetivodeestetrabajoeseldediseareimplementaruna estacin(receptoryantena)capazderecibirlassealesAPTtransmitidasporlossatlitesNOAA,procesarsuinformaciny generar imgenes satelitales de baja resolucin. Para lograrlo necesitamos rastrear al satlite (saber en que momentos estavisibledesdelaestacinterrena),recibircorrectamentelaseal de RF durante toda la pasada, amplificarla, demodularla y procesarla. Existe softwaredisponible tanto para el rastreo de los satlites como paraladecodificacindelasimgenes,porlotantoeltrabajose enfoca en el diseoylaconstruccindelaantenayelreceptorde la estacin. Objetivo del Trabajo 4 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin Elementos a disear y construir Estacin receptora APT El satlite transmite informacin en formato APT directamente a tierra en la banda deVHF. La seal de RF es captada porla antenadelaestacinreceptora mientrasduralapasadadesatlite(durante aproximadamente15 minutos). Luego de ser captada por la antena, la seal es amplificada y demodulada por el receptor, que opera entre 137MHz y 138MHz permitiendo sintonizar un satlite en particular entre los cuatro disponibles. El receptor demodula la portadora deRFyentregaunasub-portadora,queconsisteenuntonodeaudio(2400Hz)moduladoenamplitud,elcual contiene la informacin a ser procesada para obtener la imagen. La sub-portadoraes ingresada en la placa de sonido deunacomputadora personalquerealizarlaconversinAnalgicoaDigitalysegraba enunarchivo.WAV. Luego este archivo es decodificado por un softwareque genera la imagen. Computadora Personal 5 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA LossatlitesNOAAqueoperanenla actualidadformanpartedelprogramaPOES (Polar-orbitingOperacionalEnviroment Satellite).Esteprogramafuerealizado conjuntamenteporNOAAyNASA.Consiste enunpardesatlitesrecorriendounarbita sincrnicasolar,escaneandolatierrade polo a polo, a una altura de aproximadamente 850Km.Lasorbitassincrnicasconelsolson tales que durante eltranscursodel aola relacin entre la orbita del satlite y la posicin delsolpermanececonstante.Estoprovoca queelsatlitepasediariamenteporlos mismoslugaresdelatierraaproximadamente a la misma hora. Estossatlitestrabajandeapares,uno proveecoberturadurantelamaanamientras el segundo provee cobertura por la tarde. rbita sincrnica solar Satlites NOAA Introduccin 6 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin Configuracin en vuelo del Satlite NOAA Radimetro de observacin meteorolgica AVHRR Antena de VHF para trasmisin en tiempo real (Helice Cuadrifilar) 7 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin ElprincipalinstrumentoquetransportanlossatlitesNOAAeselRadimetro AVHRR.Elobjetivocientficodeesteinstrumentoesladeteccindenubes, determinacin de la temperatura de la estratosfera y la troposfera, la deteccin del intercambio de radiacin de la tierra,estudio de la qumica del aire (dixido decarbono,ozonoconcentracindegasesvolcnicosydeaerosoles),determinacin del movimiento del hielo y las corrientes martimas, temperatura delasuperficiedelmar,cartografadelasuperficieterrestreyestudiodelos contornos tierra agua. Elinstrumentoproveeinformacinenseiscanales.Uncanalenlaregin visibledelespectroelectromagntico,doscanalesenlaregindelinfrarrojo cercano y tres en la regin del infrarrojo trmico. EnelformatoAPT,dosdelosseiscanalesdelsensorAVHRRson seleccionados por el comando del satlite en tierra para ser transmitidos. GeneralmenteseseleccionanloscanalesvisibleeInfrarrojotrmicodurante laspasadasdiurnasyloscanalesinfrarrojocercanoeInfrarrojotrmico durante las pasadas nocturnas. Radimetro de observacin meteorolgica AVHRR 8 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin Radimetro de observacin meteorolgica AVHRR A medidaque el satlite avanza sobre un determinado lugar, el sensorAVHRRvaescaneandoelterrenoenunafranjade 3000KMdeancho,enngulorectoconlatrayectoriadela orbita.Esteprocesoserealizacontinuamentemientrasavanza el satlite formando una imagen. El barrido vertical de la imagen esprovistoporeldesplazamientodelsatliteatravsdesu orbita.Elcomienzoyfindelaimagenestndadosporla adquisicindesealylaprdidadesealenlaestacinde tierra La informacin generada por el radimetro modula enamplitudauntonode2400Hz.Tambinse insertan datos de telemetra y sincronismo El tono generado modula en frecuencia a la portadora de RF en la banda de VHF (137MHz) que finalmente se trasmite a Tierra por la antena correspondiente. 9 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Introduccin Caractersticas de la transmisin APTBanda de FrecuenciaVHF, Banda de 136MHza 139MHz.Frecuencias de Portadora 137.1MHz, 137.5 MHz, 137.62MHZ, 137.9125MHzEstabilidad de frecuencia 0.002%Desplazamiento Doppler 3 KHzAncho de Banda de la Informacin Transmitida2080HzModulacin de PortadoraSubportadorade2,4KHzmoduladaen Amplitud,sobrePortadoramoduladaen Frecuencia. Desviacin de Portadora 17 KHzPotencia del Transmisor (EOL) 5 W (37 dBm)Potencia Radiada Efectiva Isotrpica (PIRE) 33.5 dBmPolarizacin Circular Derecha (RHC)Umbral de S/N para una visualizacin aceptable10 dB 10 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Laantenadebersersensiblealapolarizacincircularderecha(RCH).Los satlitesNOAAtrasmitessussealesdeAPTutilizandopolarizacincircular derecha, por lo tanto la antena debe ser sensible a esta polarizacin. Por otro lado, cuandolasondaselectromagnticaspolarizadascircularmetesereflejan,lohacen conunainversinenelsentidodesuhelicidad.Porestemotivo,tambines deseableque la antenapresenterechazoalapolarizacincircularizquierda(LCH). De esta manera la antena es insensible a las reflexiones. DIRECCIONAL:Tiene buena ganancia (Tpicamente 10 dB). Requiere un sistema de seguimiento del satlite. OMNIDIRECCIONAL: Se puede instalar en una posicin fija. Tiene menor ganancia que la anterior (Aprox. 4dB) Planteo de los Requerimientos de la Antena QUE TIPO DE ANTENA CONVIENE UTILIZAR ? 11 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Enelhemisferioinferiorla sensitividaddebeserreducidaal mnimoparaevitarquelaantena capteruidoprovenientedela radiacin de la tierra. Lomismoparangulosde elevacin del satlite entre 0 y 10, ya que en estos ngulos arriba a la antenaelruidodeorigenartificial generado por el hombre. Resultaentonesqueeldiagrama deradiacindelaantenadeber tenerlamximagananciaposible paraentre-80y80ylamnima gananciaposibleparaelrestodel diagrama. Elpatrnderadiacin,comoconsecuenciadelaeleccindelaantena omnidireccional, debe ser igualmente sensitivo en todo el hemisferio superior. Radiacin Terrestre Ruido Artificial Generado por el Hombre Alta Ganancia Baja Ganancia 12 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Teniendo en cuenta los requerimientos planteados y en base a unanlisisdedistintasreferenciasbibliogrficasseeligieron dos antenas que cubren muy bien las necesidades planteadas. Estas antenas son: la antena Dipolos Cruzados (Turnstile)y la antena Hlice Cuadrifilar. Se decidi realizar ambas antenas, comenzando por el diseo y laconstruccindelaantenaDipolosCruzados, mecnicamente mas simple, para luego continuar con la antena HliceCuadrifilar,queenprincipiotendramejores caractersticas. Finalmentesecomparanlosresultadosobtenidosconambas antenas. 13 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Consisteendosdipolosmontadosen ngulorectoyalimentadosconuna diferencia de fase de 90. Paralograreldesfasajede90seutiliza una lnea de /4. La longitud de cada dipolo esta dada por: Lalongituddelcoaxilqueproduceel desfasaje de 90 esta dada por: Antena Dipolos Cruzados ( )| | Metros LD295 , 0 = | || | MetrosMHz f300= ( ) | | Metrosvpn41 2 +Vp= factor de velocidad del cable. En nuestro caso se uso un tramo de cable RG59 con vp 0,66Lalongituddecadadipoloparaunafrecuencia de 137,5MHz (frecuencia central de la transmisin APT) result ser 1,036 metros. La longitud del coaxil desfasador para la misma frecuencia result ser 0,36 metros (36 cm). 14 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Antena Dipolos Cruzados Simulacin en Software FEKO 6.0 Ganancia de la antena referida a un radiador isotrpico Elngulodepotenciamitaddelaantenaesde180.Esto significaquelaantenaesbuenapararecibirseales provenientesdecualquierdireccin,comportndosede manerasemejanteaunradiadorisotrpico.Sinembargo, ennuestrocaso,estorepresentaunproblema.Enel hemisferioinferiorlasensitividaddebeserreducidaal mnimoparaevitarquelaantenacapteruidoproveniente de la radiacin de la tierra. 15 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena AntenaDipolos Cruzados con Plano de Tierra Ganancia de la antena referida a un radiador isotrpico Se agrega un reflector por debajo de la antena a una distancia de /4. 16 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Elreflectorconsisteenotrosdosdipoloscruzados,conunalongitud10% mayorqueladelosdipolosqueconformanlaantena.Elreflectoroplanode tierrasuubicaaunadistanciadeaproximadamente/4pordebajodela antena. Para determinar la distancia exacta a la que se debe ubicar el reflector, setrabajenelsimuladorvariandosuposicinhastaobtenereldiagramade radiacin deseado. Conelagregadodelreflectorseconsigueelobjetivobuscado.Ellbulo inferior disminuye notablemente hasta terminar en un pequeo lbulo vestigial y aumenta la ganancia de la antena en el hemisferio superior, presentando un valor de 5,76 dB en la direccin de mxima radiacin. El ngulo de potencia mitad de la antena es de 110. En el plano horizontal de la antena, la ganancia cae prcticamente 8 dB con respecto a la ganancia en la direccindemximaradiacinycontinadisminuyendohaciaelhemisferio inferior del diagrama. Para un ngulo =130 la diferencia es de 13 dB. Antena Dipolos Cruzados con Plano de Tierra 17 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena CIRCULAR DERECHA CIRCULAR IZQUIERDA CIRCULAR IZQUIERDA POLARIZACIN CIRCULAR POLARIZACIN LINEAL Componentes de Polarizacin Relacin Axial Para un ngulo = 0 la componente de polarizacin circular derecha es 57 dBsuperioralacomponentecircular izquierda. Enelngulodepotenciamitad,= 55, la diferencia es de 10,5 dB. Enelplanohorizontal,=90, ambas componentes se igualan. Indicalapurezadelapolarizacin circular: Valoresbajosderelacinaxialindicanpolarizacin circular. Valoresmediosindicanpolarizacin elptica. Valores altos indican polarizacin lineal. 18 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo de la Antena Antena Dipolos Cruzados con Plano de Tierra Conclusin: En los polos del diagrama de radiacin de la antena lapolinizacinescircularpura,circularderechaen elhemisferiosuperiorycircularizquierdaenel hemisferio inferior. Parangulosintermedios,0 30dB. Impedancia de Entrada: 50. Impedancia de Salida: 1500. Elfiltrodefrecuenciaimagendebedejar pasar as seales en el rango de frecuencias de137a138MHzyrechazarlasseales fueradeesterango.Ademssirvecomo adaptador de impedancias entre la salida del AmplificadordeBajoRuidoylaentradadel Mezclador. Filtro Doble Sintonizado Acoplado Capacitivamente: C1=C2= 145,3 pF L1=L2= 9 nH C12= 3,37 pF 32 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Filtro de Frecuencia Imagen 33 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Perdida de Insercin del Filtro de Frecuencia Imagen Perdida de insercin y perdida de retorno del filtro expresadas en Veces. Detector a Diodo (1N60) Midiendo en la zona de trabajo cuadrtica del Diodo: P KVo 34 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Mezclador y Oscilador Local Se Implementaron con el Circuito Integrado SA602 Esunmezcladordoblebalanceadodebaja potenciaparaVHF,contieneenlamismapastilla unamplificadordelasealdeentradayun oscilador capaz de trabajar hasta 200 MHz. ElmezcladoresunaCeldadeGilbertconfigurada comomultiplicadoranalgicoqueproveeuna gananciatpicade18dByescapazdetrabajar hasta los 500 MHz Caractersticas: Cifra de ruido baja, tpicamente de 5dB a 45MHz. Puntodeintercepcindetercerordende-15dBm referenciadoalaentradaencondicionesde adaptacin(serecomiendanosuperarunnivelde seal de entrada de -25dBm). Impedancia del puerto de entrada de 1500. Impedancia del puerto de salida de 1500. Tensin mxima de alimentacin de 8 voltios. Consumo de corriente es de aprox. 3 miliamperes. Lospuertosdeentradaysalidadelmezcladorse pueden usar en forma balanceada o desbalanceada. El puerto de entrada se conect a la salida del filtro de frecuencia imagen, en forma desbalanceada, mediante un capacitor de desacople de continua y entrando por elpin1.Laotraentradadelpuerto,elpin2,se conect a tierra mediante un capacitor. Elfiltrodefrecuenciaimagenfuediseadopara trabajarconlaimpedanciadelpuertodeentradadel mezclador como impedancia de carga. Elpuertodesalida,atravsdelpin5,seconectal filtrodefrecuenciaintermediamedianteuntransistorque adapta las impedancias. 35 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Oscilador Local | |LCdHz ft 21=Oscilador interno del SA602 Permite distintas configuraciones: Osciladoracristaltrabajandoenmodo fundamental. Osciladoracristaltrabajandoen sobretono. Oscilador LC en configuracin Colpitts. Oscilador LC en configuracin Hartley. Selogrunrangodefrecuenciasdetrabajodesde110MHzpara Vt=1V hasta 200MHz para Vt=9V. 36 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Filtro de Frecuencia Intermedia Zi=1645 Zo=1000 Av=38 veces Ai=85 veces Ap=3230 veces 35dB Paraadaptarlasimpedanciasdelaetapaprevia (salida del mezclador) con la impedancia de entrada delfiltro,seutilizountransistortrabajandoen configuracin emisor comn: Etapa basada en el filtro cermico LTT4.5MA de TOKEN: Frecuenciacentraldetrabajodelfiltro=4,5MHz.(En baseaestevalorseestablecielvalordetrabajode frecuencia intermedia del receptor). Ancho de banda de 3dB = 80KHz. Prdida de insercin = 10dB. Impedancias de entrada y de salida del filtro = 1000. 37 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Amplificador de Frecuencia Intermedia, Limitador y Demodulador. Se Implementaron con el Circuito Integrado CA3089 Esunsubsistemadefrecuencia intermedia de FM. Elintegradoproveetodaslas funcionesquecomprendenun sistema de FI de FM. Incluye un amplificador/limitador deFIdetresetapascon detectores de nivel de seal para cada etapa, un detector de FM de cuadraturadoblebalanceadoy un preamplificador de audio Las principales caractersticas del CA3089 son: Tensin de operacin entre 8.5 y 16 Voltios. Est diseado para operar en alta fidelidad, la distorsin es una funcin de la linealidad de fase de la bobina externa del detector de cuadratura. Sensibilidad de limitacin a -3 dB tpica de 12V. Alto nivel de audio recuperado, 400mV tpicos. La impedancia de entrada se seta mediante una resistencia externa. 38 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Funcionamiento del Detector de Cuadratura ) ( t Vsen Vin e =f t e 2 =FI f =C2esuncapacitordealtareactanciaque colocadoenserieconelcircuitoresonante formado por R1, L, C1 produce un desplazamiento defasede90.ElcircuitoparaleloR1,L,C1resuena en . Las variaciones en la frecuencia de la seal de FI producen un desplazamiento de fase adicional que es proporcional a la desviacin de frecuencia.etu A = A K2) cos( )2( e e ete A = A + = K t V K t sen V Vo) (2) 2 (22 2e e e A + A = K senVK t senVVo Vine e A ~ A K K sen ) ( 39 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Amplificador de Audio Se implement con el Circuito Integrado LM386 Este integrado esta diseado para ser utilizado como amplificador de audio en radiorreceptores porttiles. En condiciones de reposo presenta muy bajo consumo. Es capaz de entregar una potencia de audio de hasta 500 mW sobre una carga de 8. El valor de ganancia de tensin se puede seleccionar ente 20 y 200 veces. Elvalordedistorsintpicoparaunagananciade tensin de 20 veces es de 0,2%. Presentarespuesta en frecuencia plana hasta los 100 KHz. Elniveldelasealdaaudioobtenidodelaetapa anterioresdeaproximadamente100mVpicoapico.A la salida del amplificador de audio se puede obtener un nivel de 2 V pico a pico. 40 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor Mapa de la distribucin de Potencia del Receptor. 41 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Diseo del Receptor 42 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Decodificacin del Audio Recibido Para decodificar las seales recibidas se utilizo un software de distribucin gratuita a travs de Internet denominado WXtoImg. Esunsoftpoderoso,quepermitelagrabacinydecodificacindelas sealesprocedentesdelossatlitesmeteorolgicosascomolaediciny visualizacin de las imgenes. Ademspermite: Enriquecimientos cromticos adelantados. Superposicin de transparencias de mapas. Transformacin de proyeccin (e.g. Mercator). Visualizacin de la temperatura captada por el instrumento AVHRR. Composicin de imgenes procedentes de mltiples pases. www.wxtoimg.com 43 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Imgenes Recibidas Imagen sin procesar obtenida el 5/11/2010 del satlite NOAA19. 44 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Imgenes Recibidas La misma imagen que el caso anterior pero procesada con Anlisis Multiespectral. (basndose en las dos imgenes anteriores determina que regiones sonnubes, tierra o mar. El resultado es una imagen de un falso color). 45 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Imgenes Recibidas Imagen procesada con el enriquecimiento HVCT, vista en proyeccin Ecker IV, obtenida el 2/7/2010 del satlite NOAA17. Se puede ver la nieve sobre la Cordillera de los Andes. 46 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Imgenes Recibidas Imagen procesada con el enriquecimiento NO (proporciona una indicacin de la temperatura de las nubes fras superiores), vista en proyeccin Ecker IV. El color rojo representa las partes mas fras de las nubes. 47 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA Conclusiones Elreceptordesarrolladopresentacaractersticasequiparablescon receptores comerciales que se consiguen en el mercado internacionalpara larecepcindesealesAPT.Sinembargo,comofuediseadocon componentes estndar y fciles de conseguir se logr construirlo a un costo deaproximadamenteuncuartodelvalordeventadelosreceptores comerciales. Sedesarrollarondosantenasparalarecepcindesealesdesatlites polares que pueden ser escaladas para trabajar en otras frecuencias. Sedesarrollunamplificadordebajoruido(LNA)conmuybuen desempeo. Su uso se puede extender hasta frecuencias en la banda de UHF reemplazando las redes adaptadores de entrada y salida. El conjunto antenas LNA puede ser adaptado para la recepcin de seales de otros satlites de rbita baja. Secumplielobjetivopropuesto:sediseoeimplementun sistemacapaz de recibir y procesar la seal APTtransmitida por los satlitesNOAAyvisualizarlasimgenesmeteorolgicasconmuy buena calidad. Tambin se puede destacar que: 48 de 48 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERA FIN GRACIAS