气象卫星云图接收

气象卫星云图观测接收

MeteorologicalSatellite Observation And Receiving

摘要

     卫星通信对于普通人来讲，似乎是觉得很遥远，但是随着广大业余无线电爱好者群体夸大及科学技术的发展，业余无线电卫星活动似乎已经不是一件新鲜的事物了。卫星作为现代通信重要的媒介，在现代通信领域具有不可替代的作用。关于气象卫星云图，相信大多数人都见过，天气预报中关于天气的24小时云图，即气象卫星云图。本篇报告旨在用最简短的语言向广大业余无线电爱好者介绍了业余卫星通信之气象云图接收的操作流程，希望可以激发起广大无线电爱好者的兴趣。本篇报告共分四为个部分，分别为：接收系统框图、业余卫星的运行方式、业余卫星的工作方式及频率、气象卫星接收方法。

 

关键字：无线电；气象云图；卫星定位；天线；云台；

 

一、接收系统框图

上图是业余气象卫星接收的原理图，主要分为以下几个部分：

1、通过电脑控制云台转动天线接收来自卫星的信号；

2、使用前置放大器放大来自卫星的信号；

3、信号进入手台进行调制；

4、信号进入电脑，通过专用解码软件解码成像；

下面将简短介绍卫星的有关基础知识及气象卫星接收各个部分的具体方法。

二、业余卫星的运行方式

   卫星一般分两种，一种是地球同步卫星，一种是极轨卫星。同步卫星一般都运行在高度为“36000千米的地球静止轨道上，其优点是只需三四颗卫星就能覆盖全球，而中低轨道通信卫星运行在高度为500～10000千米间的轨道上， 其特点是离地较近信号比较好，只需很小的功率就可完成地面--卫星---地面三方通信，但它的缺点是覆盖范围小，而且随时移动。

     我们说的业余卫星大多属于中低轨道卫星，这是因为一般的业余卫星的发射器、 转发器的功率都比较小，而且为了有利于全球的业余无线电爱好者都能使用。

三、业余卫星的工作方式及频率

  业余卫星的工作方式常用的是FM和SSB，数据通信模式也是业余卫星通信的一种，但相对要求较高，到目前为止仍不够普及。业余卫星的工作方式主要有两种：一是转发方式、二是信标，其实还有另外一种那就是前段时间比较热门的ISS国际空间站宇航员直接和地面业余爱好者进行的通信，但只有在空间站宇航员有时间、有心情的时候才会出来和地面的HAM们直接通联，另外就目前的情况来看宇航员们对欧美国家的HAM们比较热心。

   业余卫星的转发方式说白了就是在卫星上放一个小功率的中继，而且一般都是跨段的中继，地面站发射信号到达卫星，经转发后回到地面。理论上只要在卫星的覆盖范围内的电台都能利用卫星转发与同在覆盖范围内的其它业余电台进行联络。卫星信标其实就是在卫星上装了一个功率超小的发射机，不停地向地面发送CW信号， 信号中虽然包含了一些卫星的基本信息，但对一般使用者来说这些信息无关紧要，只是利用这信号来判断卫星是否已在自已的可通联范围之内，通过观察信号的强弱，可以大致判断出可通联的程度。

四、气象卫星接收方法

   ㈠卫星选择

作为我们业余接收的对象，我国的同步气象卫星、风云系列的都不适合，主要是频率太高，而且还有加密系统。相比之下美国的NOAA系列的气象卫星频率较低，且处在离地球比较近的极轧上，相对接收比较容易。

NOAA系列现在能听得到的也就NOAA-15、17、18、19.其中NOAA18、19差不多是一样的高度，一样的周期而且基本上是在同一时间过顶。所以这几颗卫星我们选择哪一个理论上都可以，对于西安电子科技大学新校区，我们可以选择N0AA-18，其工作模式为FM，由于我们只做卫星信号接收这一部分，因此只需要关注它的下行频率，为137.7MHZ。

（二）位置定位及卫星跟踪

能够准确无误的接收到卫星的信号，有两个必要的前提条件，那就是必须知道观测所在的位置和卫星所在的位置。

 a观测者位置定位

   对于观测者，以前的定位是非常麻烦的，但是在信息化的现代社会，           已经变得非常容易了。手机里面的全球定位系统（GPS）可以迅速给出观测者的位置坐标；还可以利用手机或电脑里面的地图软件了解到自己的地理信息，本次项目使用专用的卫星跟踪软件Obition，可准确定位西安电子科技大学新校区。

      b卫星位置定位

   对于卫星而言，我们可以使用专用的跟星软件，而且大多数卫星跟踪软件都是为Windows、Mac和Linux编写的，方便无线电爱好者使用。使用此软件，我们可以很方便准确的获取到我们所需要的一些关键参数，如方位角，仰角，过顶时间，多普勒频移，倾斜角，偏心率等。实际上我们在工程实践的过程中，只需要关注它的方向角，仰角及过顶时间即可，关于多普勒频移等因素的影响，我们可以通过接收频率的修正或拓展带宽等方式消除。

     载入星历，并选择我们所需要的卫星，并将观测点设在西安电子科技大学新校区，软件会自动给出观测者的位置坐标和卫星的位置参数，对卫星实时跟踪，极大的减轻了我们认为找卫星的负担。以下是此软件的截图：          

 

（三）接收天线及云台

      a.接收天线

由于卫星发射信号的功率本身就很小，加之长距离的传输和复杂空间环境对信号的衰减，能到达地面并顺利被我们接收的信号已经非常的微弱了（关于卫星信号的链路衰减这里不做详细描述），因此一个好的天线便显得尤为重要，天线的种类也非常的多，主要分为全向性和单向性。我们选择八木天线作为卫星信号的接收信号，是因为它是单向天线，具有很好的定向性，对于信号有良好的接收能力，一般来说，天线的单元数越多，天线的增益性能越好，为了工程方便起见，我们选择五单元的八木天线，既可以完全由自己制作（关于八木天线的制作，此处不做详细介绍，具体可参照书籍《天线手册》），也可以在网上买一个现成的天线回来加以改造，使天线的驻波比越小越好，而增益越大越好。（注意天线的阻抗要为50Ω，方便与后面的电路进行阻抗匹配，防止信号被人为衰减）。

     b旋转云台

   如果我们只是想简单的接收一次卫星信号，旋转云台也可以不做，我们可以手持天线找到合适的接收方向。但是若想自动控制天线对准卫星的话，卫星旋转云台是一个必选的模块，关于这个模块，我们也可以在网上买现成的，但是现成的云台价格昂贵，对于业余无线电爱好者是一项不小的开销，因此，最适合行之有效的方法就是自己亲手做一个卫星旋转云台。

   最简单的便是用两个电机分别控制八木天线的方向角与仰角，注意这两个电机是互相垂直90°的，云台的控制，我们也可以用卫星跟踪软件Obition的旋转器/云台选项对其进行控制，简单有效。

（四）放大与调制

     由于接收到的信号非常的微弱，并伴随着极大的干扰，因此在信号进入手台调制之前，必须对信号进行放大。卫星通信最怕的就是噪声，因此在前面云台的制作过程中，要格外注意，必要时应采用继电器隔离法对信号进行隔离，并采取一些可降低噪声的方法。同样，在前置放大阶段，我们也需要选择低噪声、高增益的射频放大器，并最好采用无源器件高频三极管，电路采取A类放大器即可满足要求。

     对于放大后的信号，我们需要对它进行调制，最简单的便是用手台，但手台的选型非常重要，我们需要选全频段的手台，至少能够在接收137.7M的情况下，可采用WFM接收模式（由卫星的信号调制方式决定），带宽至少达到卫星下行信号带宽要求，一般为几十KHZ。我们此次使用的手台为型号VX-8DR，这是业余无线电手台中的顶级手台，分辨率为0.18uf。由于接收信号的幅值一般很低，因此也需采用分辨率较高的手台。

（五）信号的解码与显示

     经手台调制后的信号为一段音频信号，我们需要对其进行解码，网上一般有专门的解码软件，如Wxtoimg，在电脑上安装此软件并按照具体操作解码音频信号便可最终得到气象卫星图。如下图（这是在西安电子科技大学操场收到的卫星云图，由于噪声较大，还有信号强度问题，只接受了一半，仔细看还能看到西安上空的天气情况呢）：