Satélites metereológicos

              Rev.Acad.Canar.Cienc., III (Núm. 2) ,9-20 (!991)
SATELITES METEREOLOGICOS
F.Herrera y M.Arbelo
Dpto. Física Fundamental y Experimental, Universidad de La Laguna
38204-La Laguna, España
ABSTRACT
It ' s described the system used to obtain APT images from
geostationary and polar orbit satellites and the data supplied by
them in arder to interpret metereological phenomena like low
pressure areas, saharian dust, volcanic activity and Persian Gulf
events that disturbs globally. or locally our planet.
KEY IVORDS
IR, IVV.
Teledetection, APT, Meteosat, NOAA,Meteor,radiometer,
RESUMEN
Se describe el sistema utilizado para la obtención de
imágenes APT de satélites de órbita polar y geoestacionaria y los
datos aportados por estas para la interpretación de situaciones
metereológicas como borrascas, polvo sahariano, actividad
volcánica y bélica, que afectan de forma global o local a nuestro
planeta .
PALABRAS CLAVE
radiómetro, IR, \VV.
Teledetección, APT,
INTRODUCCION
Meteosat, NOAA, Meteor,
Dentro de la linea de Sistemas de Comunicaciones por
Satélite, actualmente desarrollamos la Teledetección, y mas
concretamente, lo que se refiere a la información recibida en
baja resolución <APT) de los sensores remotos de los Satélites
9
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
Metereológicos , que nos permiten investigar la superficie y la
envolvente de nuestro planeta .
En la recepció n de imágenes APT, incluimos la de los
satélites geoestacionarios METEOSAT ºS y los de órbita polar de
la serie NOAA y METEOR.
El METEOSAT está situado a unos 35.800Km de altura en el
plano ecuatorial a una longitud de o. . lo que corresponde a la
intersección del meridiano de Greenwich con el ecuador, en un
punto situado sobre el Golfo de Guinea.
El satélite dispone de un radiómetro multiespectral con
sensores remotos para captar la radiación en las bandas de O. 4-
1. lμm VIS <visible), 5.7-7.lμm V/V <banda infrarroja de absorción
del vapor de agua ) y 10.5-12.5¡..im IR ( infrarrojo ) los cuales
generan imágenes en visible, IR y V/V que son transmitidas durante
24 horas, estando el hemisferio observado por el satélite
comprendido entre aprox. la longitud 60ºW y 60"E.
Las
fotograf ias
imágenes
tomadas
en
en
e l
el
visible
rango
corresponden a simples
de O. 4-1. lμm y las
correspondientes a IR y V/V dan los valores de temperatura de
continentes, océanos, nubes etc., correspondiendo las zonas
oscuras de la imagen a temperaturas al tas y las claras a las
bajas.
Estas imágenes son transmitidas primero a
Darmstad<Alemania ) donde procesadas y divididas en 9 sectores,
se realzan, se corrigen las distorsiones causadas por la
curvatura terrestre y otras fuentes de distorsión y se le afiaden
las lineas de costa constituídas por una serie de puntos para
10
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
facilitar
devueltas
la
al
identificación
satélite donde
de
son
los continentes, siendo
retransmitidas con algunos
minutos de retraso a una velocidad de 240 lineas/min. a todas las
estaciones terrestres.
La serie NOAA y METEOR está constituida por satélites de
órbita polar que situados a unos 850Km de altitud, circunvalan la
Tierra aprox. cada 102 minutos, de forma que el desplazamiento
del satélite y la rotación de la Tierra dan lugar c/u a unos 4
pases diarios sobre nuestras coordenadas, 2 matutinos y 2
vespertinos, barriendo la franja de superficie terrestre que vá
desde aprox. 50 ºN <Canal de la Mancha) a OºN <Golfo de Guinea)
y desde 45ºW a 25ºE. Las imágenes captadas por los sensores
remotos operando en las bandas de 0.58-0.68¡.im en el visible y
10.3-11.3¡.im en el IR permiten obtener información similar a la de
los METEOSAT ' S, debiendo ser tratadas en las estaciones
terrestres a fin corregir las distorsiones.
La sef\.al que recibimos corresponde a la salida analógica
de los sensores remotos modulando una subportadora de 2400Hz, la
cual tambien lleva incorporada las seffales de sincronismo que
luego constituirán la base de tiempo del Frame Store donde los
2400Hz son filtrados recuperándose los datos de imagen.
PARTE EXPERI MENTAL
El sistema .que utilizamos para el seguimiento, recepción,
decodificación y registro de las seffales APT <fig. 1) consta de
los siguientes equipos:
11
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
L,N,fl,
C((\ILIER S()<
1. 7 Q1;¡
............... .. .... .... ... ......... .. . .. . .. .... .. . .. . . .
. :¡ A· l.l.!.lU...IS..IC..IC. ».l
1-i'.)TóRt:S
AZ-E:L
CONTROL
AZ-EL
:i4~
12.4
INTERF~SE
SEGUUUDiTO
l\UTOMUICO
Fig, 1,- DiagraMa de bloques del sisteu de recepción APT
B.P.F.
LIMIT~DOO
DETECTOR
FI l TRO
L.P.F.
fJillMI-SIORi
IM59¡ 0.:5 SEGUNDOS
2511l MS,;
321:'liz seña 1 arranque - 3 59
señal de fase :5 sg
1
900 1 ineas
200 sg
00 pixel,.
~
~ (/) z CM~L A
o
lt
~ .... 1213 1 ineas
Q)
Marcador di?
r;in. 4 1 ineas
J_
8 1 ir.ea;;
T
1
450 Hz señal de p.rada !!i SS Tele..elr ia frv. B j'
METEOSAT NOAA
Fig.2.- Foruto de Ja imagen APT correspondiente a Jos
satélites de Ja serie Meteosat y NOAA
12
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
ANTENAS y SISTEMA DE SEGUIMIENTO. -
Se..d...e.. METEOSAT "S
Consta de un paraboloide de 90crn orientado hacia el
satélite. operando en l.7GHz, seguido de un LNA (Con GaAsFET con
un NF < 1. 0 dB ) cuya salida va conectada por rnedi o de u nél. 1 i nea
coaxial de 5 db de atenuación o. un conversur· de i. 7G Hz-137 MHz.
Util~ . -,,rno:;; una antena ornnidireccional constituida por un
dipolo cruzado operando en RHCP, cuya ganancia de 3db es
suficiente dada la potencia de emision <~ wlde estos vehiculos. El
dipolo es seguido de un PRE con un NF de l.5db, c uya .;;a l ida va
conectada al receptor, el cual re c ibe las señale:=> de 137MHz del
conversor y del PRE.
Asimismo , para el seguimiento disponemo:=. de un sistema
automático controlado por ordenador, el c ual hemo:;; diseñado y
construido perrni tiendo el movimiento en AZ y EL de un sistema de
antenas
137, 145
Yagi de distinta
y 435 MHz. Estas
ganancia y polarizacion
se utilizan tanto para
metereol ógicos,
recibirnos.
corno para los Microsatélites
RECEPTOR. -
oper·ando en
los satélites
que tambien
El receptor, que opera a Xtal. , perrni te recibir la banda
de 137MHz de los NOAA "S y METEOR "S y los 1.691MHz <canal l) y
1.694,5MHz <canal 2> de los METEOSAT S. Tiene una sensibilidad de
O, 4μV, un ancho de banda de 3MHz en RF y 50KHz en IF , un fa ctor
de rechazo de imagen >70db y una salida de 800rnV conectada al
13
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
Frame Store y a un cassette estéreo que provee los 2400Hz
necesarios para el sincronismo en el caso de algunos METEOR ' S.
DECODIFICADOR. -
Constituido por el Frame Store tr;,:.11sforma la información
an:i.:ogica a la s .~lida del receptor en digital, mediante un filtro
que extrae la informacíon de la subportadora de 2400Hz que
contiene lo::; datos de imagen y canales de telemetría, los cual~s,
en forma de pulsos, van a un Conversor A/D de 6 bits y a la
unidad de Memoria. Simultaneamente, la señal del receptor pasa
por un fi 1 tro paso bajo y un detector de tonos para extraer la
información de sincronismo de comienzo y final de linea, además
de comienzo y final de imagen, la cual difiere, según se trate de
satélites de orbita geoestacionaria <METEOSAT "S) o polar <NOAA ' S
y METEOR ' S) y cuyas características pueden observarse en la fig .
2. La salida del detector de tonos va conectada también al A/D y
a la unidad de Memoria, donde tenemos almacenada, en forma
digital, toda la información, la cua l debe s er transformada
mediante un Conversor DI A en la sefíal que es
subsistema de registro.
REGISTRO.-
mostrada en el
Además de un monitor RGB de 14 pulgadas, utilizamos un
cassette estéreo con cintas normales que nos permite grabar unos
6 pases y una impresora de video de baja resolución. Para el
procesamiento de los datos de NOAA 'S, utilizamos una interfase y
el software adecuado que nos permiten pasar a diskettes
la información. Actualmente se encuentra en proceso de desarrollo
lo relativo a METEOSAT S y METEOR º S .
14
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Los datos recibidos de los geoestacionarios permiten
analizar situaciones a nivel global, como es el caso de fenómenos
metereologicos ,actividad volcánica, etc., mientras que los
polares permiten identificar más detalles, pero de superficies
menores, circunscritas al area de recepción, de ahí que se
complementen . Como prueba de el lo, analizaremos diferentes
situaciones que confirman esto.
SITUACIONES METEREOLOGICAS.-
Las imágenes en el visible del area de Canarias (fig.3 y
4), que hemos recibido el 4 de Julio de 1991 a las 08: 17 TUC y
07:40 TUC corresponden a los satélites polares NOAA12 y METEOR3/4
respectivamente en su desplazamiento de N a S y barriendo aprox.
la misma superficie. En ellas se puede observar la mejor
resolu c ión del METEOR, así como unas franjas horizontales debidas
a cambios de contraste ocasionados por el sistema radiométrico de
este satélite al adaptarse a las condiciones de radiancia a
medida que se desplaza en su órbita.
En la imagen en visible de la fig.5, recibida el
4 de Enero de 1989 a las 13:31 TUC del METEOR3/2, se puede
observar una borrasca sobre el área de Azores puesta en
evidencia por una espiral nubosa en sentido ciclónico como
corresponde al hemisferio norte en el que nos encontramos, al
contrario de lo que ocurre en anticiclones o centros de al tas
presiones. Es evidente que el anti ciclón que normalmente está
situado en estas islas y de las que recibe el nombre ha quedado
15
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
16
l r
1
1, 1
Fig,3 ,- Ima·~en en visible ,je[
área de Canarias, recibida el
4 .Julio 1991 a las 08;17 TUC del
satélite polar NOAA12<F.Herrera)
Fi·~ . 4 . - I~agen en visible ,jel
área de Canarias, rec ib1da el
4 .Julio 1991 a las 17: 40TUC del
satélite P•)lar METEOR3 /4
<F.Her rera )
Fig,5 ,- Imagen en visible ,jel
4 Enero 1989 a las 13:31 TUC
del satélite polar METEOR /217,
,fonde se ap recia una borrasca
en el área de Azores<F ,Herrera)
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
Fig,6.- Imagen en visible del área de Canarias , recibida
el 18 Febrero 1989 a las 16;41 TUC, del satélite polar
MET/217, ,jonde se aprecia una nube 1je polvo sahariano que
dificulta la visión del continente africano y se adentra
en el océano IF,Herrera l
18 ·Z·89
~-______¡__ ___ J
Fig,7 ,- Mapa sinóptico del 18 Febrero i 989, correspondiente
al área anteri•Jr
17
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
desplazado,
soviético.
no pudiendo apreciarse en la imagen del satélite
POLVO SAHARIANO.-
La imagen en visible del a rea de Canarias (fig.6),
recibida el 18 Febrero de 1989 a las 16: 41 TUC del :M:ETEOR/217,
muestra una tenue nube blanca que atravesando la foto, c onstituye
un clásico episodio de tiempo sahariano que dificulta la visión
de la costa africana, pudiendo observarse como ésta masa de aire
cargada de polvo invade el Atlántico hasta los 15ºVI y desde 2 0
hasta los 35ºN. Esta situación se corresponde con el mapa
sinóptico mostrado ( fig.7). Canarias se encuentra en medio de una
borrasca y un anticiclón centrado en el norte del continente
africano que provoca el desplazamiento de aire cargado de polvo
hacia las islas orientales, estableciendo su circulación hacia el
norte entre las isobaras de 1016 y 1020rnb. En el resto del
archipiélago, la depresión y las particulas en suspensión que
se comportan como núcleos de condensación, provocan
precipitaciones de consideración, destacando los 22 litros/ ro'· en
la isla de La Palma .
ACTIVIDAD EN EL PERSICO.-
La fig. 8 en el visible, recibida el 24 Febrero de 1991 a
las 12:40 TUC desde el :M:ETEOSAT-4, muestra una nube de humo sobre
la región de Kuwait como consecuencia del inicio de las
hostilidades en esa zona. Imágenes posteriores nos permiten
seguir la evolución de esta nube y la aparición de otras en la
zona de conflicto.
18
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
19
Fig,8,- Imagen en visible dei GoJlf•J
Pérsic•J , rec1bi•Ja del Mete•Jsat-A , el
2A Febrero 1991 a las 12:AOTIJC,•joJn•Je
se aprec ¡.; una nube sobre el área ,je
Ku~ait •lrig1na.ja al rnm1enz,¡ del rnn­flicto
béllcoJ (f ,Herrera )
Fig ,9,- Ima•Jen en infra r r•Jj,¡ dei
hemisferi•l terrestre,rec1b1da ojel
Meteosat-A , el A Juli•l 1991 a las
12: 1 A TIJC, •fon,je se observa SoJbre
la zona ecuatorial del continente
africaM, la nube de so, y cenizas
eyecta•Ja p•Jr el Y•Jlcán fil 1p1M
Pinatub•l (F ,Herrera )
Fig , 10, - En ésta imagen en visible ,
recibida el 29 Diciembre 1988 a
las 09:27 TIJC, •Jel Mete•ir / 217 se
pueden observar las Islas Canarias
y la costa africana C•Jn la c•irdi­llera
del Atlas (F,Herrera )
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017
ACTIVIDAD VOLCANICA DEL PINATUBO.-
En la imagen en el infrarrojo (fig.9), recibida el 4 de
Julio de 1991 a las 12: 14 TUC desde el METEOSAT-4, se puede
observar el hemisferio terrestre visto desde el satélite. En ella
se aprecia una franja nubosa sobre el centro del continente
africano, entre las latitudes 15ºN y 5ºS originada por el SO"'
y cenizas eyectados por el volcán filipino Pinatubo alcanzando
la estratosfera. Dicha nube se ha ido desplazando sobre la
región ecuatorial, causando, en el caso que nos ocupa, una
absorción de la radiación solar que llega al suelo, lo que se
pone en evidencia por la disminución de temperatura observada en
el IR en todo ese a rea En esta imagen, también se puede
observar la disminucion progresiva de temperatura hacia el Sur,
como consecuencia de la inclinación del eje terrestre <Invierno en
el hemisferio Sur) y hacia el W debido a la posición del Sol
( inicio del dia en el continente americano).
BIBL IOGRAF I A
Arthur Schwalb, "THE TIROS-N/ NOAA A-G SATELLITE SERIES" .NOAA
Technical Memorandum NESS 95 (1978)
F. A.Herrera Priano, 11 Sistema de Seguimiento Automático de
Satélites". Proyecto de fin de Carrera presentado en la Esc uela
de Ingenieria Téc ni c a de Telecomuni c a c ión de Las Palmas (1989)
F.Herrera Cabello, "Experiencias de la Física Actual". Revista de
la Academia Canaria de Ciencias., I, 273-283 (1990 )
F.Herrera, " Space Education in La Laguna University". The
Proc eedings of the AMSAT-UK Colloqium · 90, University o f Surrey,
93- 100, 124- 126, <July 1990)
Recib ido : 29 d e Jul io de 199 1
20
© Del documento, de los autores. Digitalización realizada por ULPGC. Biblioteca Universitaria, 2017