Progetto alternanza scuola-lavoro “Guardiani della costa”
Classi: IV sez.B – V sez. I
Tutor: prof.ssa Maria Antonietta Baiamonte
Docente: prof. Giuseppe Luigi Di Bella
Satelliti ambientali in orbita polare
Il
sistema di satelliti ambientali USA è gestito dal “National Environmental
Satellite, Data, and Information Service” (NESDIS) e dal “National Oceanic and
Atmospheric Administration” (NOAA)
http://www.ospo.noaa.gov/Operations/POES/status.html . NESDIS gestisce i
satelliti e gestisce l'elaborazione e la distribuzione dei milioni di bit di
dati e immagini che i satelliti producono quotidianamente. Il cliente principale
è il National Weather Service della NOAA, che utilizza i dati satellitari per
creare previsioni per i servizi di consulenza pubblica, televisiva, radiofonica
e meteorologica. Le informazioni satellitari sono condivise anche con varie
agenzie federali, come i dipartimenti dell'agricoltura, degli interni, della
difesa e dei trasporti; con altri paesi, come Giappone, India e Russia, e membri
dell'Agenzia spaziale europea (ESA) e dell'Ufficio meteorologico del Regno
Unito; e con il settore privato.
Il
sistema satellitare meteorologico operativo della NOAA è composto da due tipi di
satelliti: satelliti ambientali operativi geostazionari (GOES) per avvertimento
a corto raggio e satelliti in orbita polare per previsioni a lungo termine.
Entrambi i tipi di satellite sono necessari per fornire un sistema globale di
monitoraggio meteorologico completo.
Una
nuova serie di GOES e satelliti in orbita polare è stata sviluppata per NOAA
dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA). La nuova serie
GOES-R offre immagini ad alta risoluzione spaziale e temporale e sondaggi
operativi a tempo pieno (temperatura verticale e profili di umidità
dell'atmosfera). I nuovi satelliti meteorologici in orbita polare (sistema
operativo satellitare ambientale operativo in orbita polare nel 2014) forniranno
dati migliori sulla temperatura atmosferica e sull'umidità in tutte le
situazioni meteorologiche. Questa nuova tecnologia contribuirà a fornire al
Servizio meteorologico nazionale il sistema di previsioni meteorologiche più
avanzato al mondo.
A
complemento dei satelliti geostazionari ci sono due satelliti in orbita polare
noti come satellite avanzato di osservazione a infrarossi televisivi (TIROS-N o
ATN), che girano costantemente attorno alla Terra in un'orbita quasi nord-sud,
passando vicino a entrambi i poli. Le orbite sono circolari, con un'altitudine
compresa tra 830 km (orbita mattutina) e 870 km (orbita pomeridiana, e sono sole
sincrone. Ad esempio: Un satellite attraversa l'equatore alle 7:30, l'altro alle
13:40. L'orbita circolare consente un'acquisizione dati uniforme da parte del
satellite e un controllo efficiente del satellite da parte delle stazioni CDA (Command
and Data Acquisition) NOAA situate vicino a Fairbanks, in Alaska e Wallops
Island, in Virginia. Operando come coppia, questi satelliti assicurano che i
dati per qualsiasi regione della Terra non abbiano più di sei ore.
Gli
strumenti a bordo sono in grado di misurare molti parametri dell'atmosfera
terrestre, la sua superficie, la copertura nuvolosa, i protoni solari in
entrata, gli ioni positivi, la densità del flusso di elettroni e lo spettro di
energia all'altitudine del satellite. Come parte della missione, i satelliti
possono ricevere, elaborare e ritrasmettere i dati dai trasmettitori di ricerca
e salvataggio e le piattaforme di raccolta automatica dei dati su terra, boe
oceaniche o a bordo di palloni liberi. Lo strumento principale a bordo del
satellite è il Radiometro Avanzato ad altissima risoluzione o AVHRR.
I
satelliti polari sono in grado di monitorare l'intera Terra, monitorando le
variabili atmosferiche e fornendo dati atmosferici e immagini di nuvole.
Tracciano le condizioni meteorologiche che alla fine influenzano il clima. I
satelliti forniscono dati radiometrici visibili all'infrarosso utilizzati per
scopi di imaging, misurazioni di radiazioni e profili di temperatura. I sensori
ultravioletti dei satelliti polari forniscono anche i livelli di ozono
nell'atmosfera e sono in grado di rilevare il "buco dell'ozono" sull'Antartide
tra metà settembre e metà novembre. Questi satelliti inviano quotidianamente
oltre 16.000 misurazioni globali tramite la stazione CDA di NOAA ai computer
NOAA, aggiungendo preziose informazioni per i modelli di previsione, in
particolare per le aree oceaniche remote, dove mancano dati convenzionali.
Attualmente, NOAA sta operando in tre orbite con una nuova serie di satelliti
polari a sensori migliorati. L’ultimo NOAA-19 è stato lanciato il 7 febbraio
2009. NOAA-18 e NOAA-15 continuano a trasmettere i dati come satelliti stand-by.
NOAA-19 è classificato come satellite "operativo".
Antenna
La
ricezione delle immagini dei satelliti meteorologici APT è molto semplice ed è
possibile da qualsiasi parte sulla Terra. Attualmente, ci sono diversi satelliti
meteorologici in orbita polare che trasmettono il formato APT (Automatic Picture
Transmission) o Trasmissione automatica dell'immagine. Per la ricezione è
necessaria una antenna come quella in foto attualmente installata sulla
copertura del nostro istituto. L’antenna VHF, accordata per frequenze comprese
tra 135 e 140 MHz è del tipo QHA (quadrifilar helix antenna) della stessa
tipologia di quella a bordo dei satelliti ambientali ma autocostruita
utilizzando materiale di ferramenta (tubi in rame per le parti attive e tubo in
pvc come supporto). L’antenna QHA utilizzata ha un diagramma polare
omnidirezionale con il guadagno massimo a 75° dallo zenit e 15° dall’orizzonte,
favorendo la ricezione quando il satellite si trova alle distanze più elevate
dalla stazione ricevente.
Sullo
stesso palo dell’antenna è collocato un preamplificatore VHF per la gamma 135 ÷
140 MHz funzionante a 15V ed alimentato tramite lo stesso cavo coassiale
(impedenza 75 ohm) da un alimentatore collocato nel laboratorio di elettronica
al primo piano del plesso scolastico. Il guadagno fornito dal preamplificatore è
di circa 18dB.
Ricevitore VHF - Arduino
Il
ricevitore radio VHF, realizzato in laboratorio, è del tipo supereterodina PLL (Phase
Locked Loop) dotato di VCO (Voltage Controlled Oscillator). Il VCO è gestito da
un microcontrollore AVR ATMEGA (Arduino)
che consente la sintonia del ricevitore, sulle tre frequenze operative dei
satelliti, tramite comandi seriali provenienti dal PC. Sul display LCD 16x1 è
possibile visualizzare la frequenza di sintonia. Il ricevitore è dotato di
pulsanti per la selezione manuale delle frequenze o della gestione tramite
comandi seriali provenienti da PC. Sul pannello sono stati montati due
potenziometri per la regolazione del volume e dello squelch.
Il
ricevitore è grado di ricevere frequenze FM da 137,1 a 137,9125 MHz con una
larghezza di banda da 30kHz a 50kHz. Il segnale audio ricevuto durante il
passaggio dei satelliti è del tipo WEFAX APT strutturato come rappresentato
nella figura seguente:
Il
segnale audio fax proveniente dal ricevitore viene inviato all’ingresso
“LINE-IN” della scheda audio del PC per la decodifica dell’immagine mediante il
software freeware WXtoIMG.
Con
la configurazione descritta sopra è possibile ottenere immagini satellitari APT
molto belle, come quelle mostrate nel seguente esempio:
L’immagine a destra è quella della radiazione visibile (solo nelle ore diurne),
da notare il riflesso del sole sul mare in prossimità della costa Algerina.
Nell’immagine a sinistra è raffigurata la vista ad infrarossi (visibile anche
nelle ore notturne) che permette di valutare le temperature (più scuro > zone
piu calde, più chiaro zone più fredde). Componendo cronologicamente le immagini
dei vari passaggi è possibile valutare l’evoluzione dei fenomeni atmosferici.
Le
immagini ricevute vengono elaborate ed archiviate sul PC e sullo spazio web
dedicato.