Cómo bajar imágenes desde un satélite

por Mario 24 septiembre, 2009, 6:26 pm 11 Votes 88 Comments

Arduino en el espacio exterior (Endeavour)

Allí arriba de nuestras cabezas existe una constelación de satélites que supera en gran cantidad al número imaginado por cualquiera. Cada satélite cumple una función específica y son muchos los países y consorcios económicos del mundo que invierten en ellos para obtener o brindar información de la más variada índole. Los más atractivos para el usuario común son los satélites que permiten obtener imágenes con muy pocos recursos y con resultados más que interesantes. Aficionados de todo el mundo los utilizan para observar los fenómenos más increíbles que la Tierra puede brindar. Entérate de qué se trata esta actividad y qué elementos son necesarios para obtener imágenes increíbles.

Girando alrededor del planeta encontramos muchos satélites que hoy podemos considerar como activos, es decir, que están en funcionamiento, y otros que ya permanecen inactivos desde hace años y a los que se los considera basura espacial, basura que algún día se desintegrará en la atmósfera. Otros trabajan de manera parcial, como es el caso de muchos satélites rusos y chinos que sólo envían información a la Tierra cuando sobrevuelan su espacio aéreo o cuando desde la Tierra los habilitan para tal fin. Por supuesto que la información que pueden brindar está muy enfocada a estos países; este modo de proceder obedece a cuestiones de estado naturalmente. Por último, vale la pena destacar que existen varias formas de mantener un satélite allí arriba y dos tipos de órbitas: entre las más populares y conocidas encontramos la Heliosincrónica y la Geoestacionaria.

Cómo bajar imágenes desde un satélite

Los satélites de órbita geoestacionaria permanecen a una altura de 36 mil kilómetros desde la superficie de la Tierra y se desplazan a una velocidad que se equipara con la velocidad de rotación de la Tierra. De esta forma, al girar juntos, se genera la sensación de que el satélite está “colgado y quieto” en su posición cuando, en realidad, está viajando a una velocidad constante de 11 mil kilómetros por hora para mantenerse siempre en la misma posición relativa respecto a la Tierra. Estos satélites se ubican sobre la línea ecuatorial y con sólo 3 de ellos sería posible cubrir toda la superficie del planeta. Pero en la realidad no hay sólo 3 sino cientos de ellos.

El primer satélite geoestacionario fue el Syncom 3 lanzado en Cabo Kennedy el 19 de agosto de 1964. Era un satélite experimental de comunicaciones ubicado sobre el ecuador, a 180 grados de longitud en el Océano Pacífico. Este satélite cubrió televisión en vivo sobre los Juegos Olímpicos de 1964 en Tokyo, Japón, y fue utilizado para varias pruebas de comunicaciones. Los beneficios de esta clase de nave es que las antenas ubicadas en Tierra se instalan y se fijan en una posición invariable, pudiendo obtener servicios en forma permanente, como telefonía, Internet, televisión, datos meteorológicos y una cantidad innumerable de datos tácticos y estratégicos de las naciones.

Por último, podemos decir que los satélites geoestacionarios (geosíncronos) también poseen sus desventajas. Una de las más importantes a destacar es que se requieren de artificios espaciales de gran precisión y operativos desde Tierra para poner en órbita a este tipo de naves. También se requiere de propulsión a bordo del satélite para mantenerlo en su órbita respectiva, lo que genera un coste y un peso extra que nunca es sencillo de ubicar dentro del cuerpo orbital. Los equipos de recepción deben ser de características muy especiales, en cuanto a sensibilidad y a complejidad circuital, lo que encarece las terminales haciéndolos útiles para muy pocas aplicaciones específicas por parte del público en general, como es el servicio de televisión, cierta clase de telefonía y los posicionadores conocidos como GPS.

Satélites Meteorológicos

En esta clase de nave encontramos dos tipos de artefactos bien definidos. Los de órbita geoestacionaria y los de Órbita Polar, también conocidos como heliosincrónicos o de órbita baja (LEO, Low Earth Orbit). En su incesante viaje, estos complejos laboratorios giran en torno a la Tierra unas 14 veces al día, a una altura orbital de 830 a 890 Kilómetros de altura, cubriendo en cada imagen recopilada un ancho aproximado de 3000 kilómetros. De estos satélites LEO vamos a tomar las imágenes que a su paso por cada punto del planeta vayan tomando línea a línea y vayan retransmitiéndola a Tierra en forma constante y en tiempo real. Helio significa Sol; por lo tanto, una órbita heliosincrónica significa que está sincronizada con el Sol, orbitando alrededor del planeta de polo a polo con una frecuencia establecida o sincronizada.

Al suministrar información visible, infrarrojo cercano y térmico permiten seguir las condiciones de la vegetación en períodos de corto tiempo, lo que los hace idóneos para estudiar fenómenos muy dinámicos como la desertificación, la deforestación tropical o los incendios forestales de gran magnitud. Entre los instrumentos que trasladan a bordo, se encuentra un sensor que es un radiómetro llamado AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) que barre línea por línea la superficie de nuestro planeta a medida que avanza, utilizando cinco detectores para colectar simultáneamente la radiación en cinco diferentes partes del espectro electromagnético (la banda 1 es visible, la 2 infrarrojo cercano, 3 infrarrojo medio, 4 y 5 infrarrojo térmico) con una resolución de 1.1 Km en su línea media o nadir. Astronómicamente hablando, se entiende que el cenit es la intersección de la vertical de un lugar con la esfera celeste, por encima de la cabeza del observador, mientras que el nadir es el punto de la esfera celeste diametralmente opuesto al cenit, atravesando por el centro del planeta.

Actualmente, encontramos 4 satélites meteorológicos de órbita baja activos en el modo de transmisión de imágenes llamado APT (Automatic Picture Transmition): el NOAA 15, NOAA 17, NOAA 18 y el NOAA 19. Estos satélites transmiten la información hacia la Tierra en dos modos: uno de baja resolución APT en la banda de los 137Mhz. y otro de alta resolución HRPT (High Resolution Picture Transmition) en 1,7Ghz. En esta última banda los datos bajan codificados en forma digital, por lo que resulta muy complejo para el aficionado reunir el equipo necesario para su correcta recepción. Además, existen otros satélites de la constelación NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) de órbita baja que sólo transmiten en modo HRPT o que están desactivados y en reserva.

Por el lado de los soviéticos, el satélite Meteor 3-5 es del tipo polar de baja altura. El resultado es que realiza una órbita cada 109 minutos aproximadamente. Este satélite no es heliosincrónico. Cada día hay una leve modificación en el horario de pasaje, lo cual hace difícil el uso para observación de ciertos fenómenos debido a que la intensidad de la luz es diferente todos los días. Sin embargo, al emitir una sola imagen por línea, tiene una resolución muy buena. El Meteor 3-5 fue lanzado el 15 de agosto de 1991 y es actualmente el único satélite de la serie Meteor que está en actividad. Tiene aparentemente serios problemas con el sistema de alimentación de abordo: solamente está activo cuando recibe luz solar. Las variaciones rápidas de intensidad de la imagen se deben probablemente a fluctuaciones del sistema de poder. La resolución de la imagen es el doble de la serie NOAA.

Sistema APT de transmisión de imágenes

El sistema de transmisión de imágenes que usan estos satélites, como se ha comentado anteriormente, es el APT (Automatic Picture Transmision) y consiste en una portadora modulada en frecuencia por una sub-portadora de 2.400 Hz, que cambia de amplitud con la señal de vídeo. Las diferentes tonalidades, desde el nivel de negros hasta el de blancos, dependen de la profundidad de la modulación. De esta forma, se definirán la intensidad de los puntos que forman la imagen o pixels.

¿Qué necesito para bajar y ver las fotos?

Lo primero que se necesita tener es un receptor de VHF FM de banda ancha (WFM – 50Khz.) (Wide Frequency Modulation) que cubra la porción comprendida entre los 137Mhz. y los 138Mhz. Es posible bajar las imágenes en FM angosto (NFM) (Narrow Frequency Modulation), pero los blancos resultarán invariablemente ruidosos y recortados. La estrechez de banda será también causa de gran cantidad de ruido, excepto cuando el satélite esté directamente encima de nuestra ubicación. El efecto Doppler al que es sometida la señal, combinado con la estrechez de la frecuencia intermedia del canal de audio dentro de un receptor de comunicaciones, da como resultado una señal muy pobre.

En términos prácticos, un transceptor portátil de VHF que pueda recepcionar la porción del espectro mencionada puede servir para comenzar a recibir imágenes hasta alcanzar práctica y conocimientos. Luego, desearemos mejorar los resultados y avanzaremos hacia un receptor de frecuencia intermedia ancha. ¿Cómo se escucha la señal que envía el satélite en un equipo portátil? Así:

Lo que le sigue al receptor en orden de relevancia es una antena apropiada para obtener los mejores resultados en las imágenes. Aquí es donde muchos se deben imaginar las enormes parábolas metálicas; sin embargo, nada de eso es necesario en nuestra primera incursión “satelital”. Bastará con un elemento aislante central y cuatro pequeños tubos de aluminio de 10 milímetros de diámetro que se instalan en forma de cruz. El tipo de caño utilizado para instalar pequeños cortinados es una opción económica y que cualquiera puede conseguir fácilmente a un bajo costo.

Con un poco de habilidad y buena voluntad podemos lograr una construcción sólida y prolija que nos permita disfrutar de una antena de características muy importantes. Las conexiones de los tubos de aluminio se realizarán teniendo en cuenta que estamos conectando dos antenas dipolo que comparten una misma base de soporte. Es decir, hacia un lado debes conectar el conductor central del cable coaxil, y hacia el tubo ubicado en el otro extremo debes conectar la malla exterior del coaxil. La medida de cada tubo de aluminio es la misma para los cuatro “elementos” y surge del siguiente cálculo: la longitud del dipolo es igual a 142,5 dividido por la frecuencia de resonancia expresada en Megahertz. El resultado obtenido será la longitud total del dipolo (ambos elementos) y vendrá expresado en metros.

L = 142,5 / F (Mhz) => L = 142,5 / 137,5 = 1,036 metros

Esta ecuación nos indica que resultarán 51,8 centímetros para cada tubo, pero como debemos restar un espacio central para el montaje, resumimos en una medida final de 50,5 centímetros por cada “elemento” de los dipolos que formarán nuestra antena. La conexión entre dipolos debe realizarse con cable coaxil de 75 ohms que llevará una medida específica (nada es arbitrario en radiofrecuencia). La medida de cada cable de conexión será equivalente al producto de ¼ de longitud de onda de la frecuencia de resonancia de la antena multiplicado por la constante de propagación de la señal dentro del cable. El valor de ¼ de longitud de onda para estas frecuencias sería de 300 (300 mil km/seg = velocidad de la luz) / F (Mhz) y a dicho valor se lo divide por cuatro.

300 / 137,5 = 2,18 metros => 2,18 / 4 = 0,54 metros

En un cable coaxil cuyo dieléctrico central es de espuma (Foam), la constante de propagación equivale a 0,82, mientras que si es de plástico, equivale a 0,66. Es por este motivo que deberás hacer las cuentas de acuerdo al cable que utilices en el armado de la antena. En nuestro caso, utilizamos Foam y la medida final de cada cable resultó ser de 44 centímetros. Por último, se conectan ambos cables en paralelo y se conecta una bajada de cable también coaxil, pero ya de 50 ohms, hasta el equipo receptor. A esta construcción le agregamos un soporte central rígido, un cable de bajada de no más de 10 metros y ya tendremos una antena lista para ser emplazada en un lugar alto y despejado de objetos cercanos que puedan interferir en la correcta recepción de las débiles señales provenientes del satélite.

Luego de haber fabricado la antena y de escuchar los satélites en sus pasos por nuestra zona de residencia (cada paso dura entre 8 y 12 minutos según la inclinación respecto al cenit), construiremos un cable que vaya desde la salida de audio del receptor a la entrada de MIC o la de LINE IN de la placa de sonido en la computadora. Aquí hay que tener un especial CUIDADO para no dañar la placa de sonido. A pesar de ser una conexión muy sencilla donde no se requiere más que un cable con dos plugs en sus extremos, una salida de audio muy elevada en el receptor puede dañar la entrada de la placa de sonido irremediablemente.

Siempre es bueno efectuar ensayos antes de intentar bajar las imágenes para ajustar todas las variables posibles, como ser la altura de la antena, la frecuencia correcta de recepción, el volumen de salida de audio del receptor y, por supuesto, todos los parámetros importantes del último elemento necesario: el software.

Existe una gran variedad de programas en la Web para satisfacer todos los gustos. En nuestro caso, hemos seleccionado el WXtoImg. Este programa puede funcionar con Windows 95/98/Me/2000/NT/XP/Vista, Linux, FreeBSD con Linux compatibilidad instalada, MacOS X 10.4.1 o la versión anterior, según la Web de sus creadores. Durante la instalación, nos pedirá ingresar el nombre de nuestra ciudad y las coordenadas (latitud y longitud) del emplazamiento de nuestra estación. Si decidimos saltear este paso podemos realizarlo luego seleccionando la opción Ground Station Location desde el menú Options.

Luego tildamos las opciones Disable PLL, Resync y Despeckle dentro del mismo menú Options. Con estos ajustes seleccionados, en el menú File pulsamos Update Keplers para ajustar los tiempos del programa a los de los satélites que están en órbita. También es importante sincronizar el reloj de nuestra máquina con cualquier reloj de Internet. De esta manera, al seleccionar el arranque automático del rastreo de imágenes, el programa sabrá en el preciso momento en que debe iniciar la captura de imágenes. Al hacer las primeras pruebas no será raro que obtengas imágenes inclinadas y hasta “muy inclinadas”. Esa corrección se realiza con la función Slant que encontrarás en el menú Image. Una vez que el programa comience a funcionar, déjalo actuar sólo. Él se encargará de generar todas las imágenes posibles a partir de la recibida.

Resumiendo

Los elementos necesarios para obtener imágenes satelitales son cuatro: receptor, antena, cables y software apropiado. El resto es práctica y mucha paciencia, como por ejemplo esperar los pasajes con mayor elevación para obtener buenas señales y, por ende, mejores imágenes. Otra cosa que aprenderás rápidamente es que las mejores imágenes las obtendrás al mediodía ya que la iluminación solar estará a tu favor en esos momentos. Por supuesto que de noche obtendrás una imagen totalmente oscura aunque útil para ajustar inclinación (slant), calibrar antenas y otros detalles que deben estar prestos al momento de intentar capturar una buena imagen.

Los satélites meteorológicos empezaron a lanzarse en 1960 y desde entonces se han convertido en una de las herramientas prácticas más útiles que ha producido la tecnología espacial. En futuras entregas profundizaremos en la recepción de imágenes satelitales y lo haremos utilizando nuestro primer receptor basado en el TDA7000. La ventaja que tendremos con ese receptor, por sobre un receptor VHF convencional, es el ancho de banda del canal de FI. Al disponer de un receptor WFM, como es el TDA7000, las imágenes resultarán más nítidas y sin distorsiones. Por ahora puedes aprender a descargar imágenes y a conocer los secretos que nos tienen preparados los incansables “pájaros de lata” que orbitan nuestro planeta.

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