Progetto alternanza scuola-lavoro “Guardiani della costa”

Contest "Stazione meteo marina"

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.