APT-Signale von Satelliten empfangen
Automatic Picture Transmission (APT) ist ein Protokoll zur Übertragung von Bildern über Radiowellen. Es wird aktuell von den Satelliten NOAA-15, NOAA-18 und NOAA-19 genutzt um aktuelle Fotos aus dem Weltraum von der Erde an Bodenstationen zu übertragen. Die Fotos werden dabei auf der Radiofrequenz zwischen 137MHz und 138MHz Amplitudenmoduliert übertragen. Dadurch ist das Signal durch einen DVB-T bzw. SDR-Stick wie z.B. dem Nooelec NESDR SMArTee v2 empfangbar. Dieser Blog-Artikel enthält die notwendigen Schritte von Hard- bis Software um ein APT-Bild aufzunehmen.
Über die NOAA-Satelliten
Bei den Satelliten NOAA-15, NOAA-18 und NOAA-19 handelt es sich um Wettersatelliten der Vereinigten Staaten. Diese umkreisen die Erde in einem polaren Orbit. Das heißt sie überfliegen einen großteit der Erde von Nord- nach Süd oder umgekehrt. Ausnahmen dabei gibt es nur für die Polregionen.
Eine Umkreisung dauert je nach Satellit etwas mehr als 100 Minuten. Dabei werden von Zeit zu Zeit alle Kontinente überflogen, da sich die Erde gleichzeitig um ihre eigene Achse dreht.
Die Satelliten fotografieren zweimal pro Sekunde eine ca. 8km breite und 7600km lange Linie welche von Westen nach Osten verläuft. Diese Aufnahme wird dann live auf eine für jeden Satelliten unterschiedliche Frequenz amplitudenmoduliert und über Radiowellen zurück zur Erde gesendet.
Wie man auf der Grafik oben sieht können die Radiowellen nur immer auf einem Teil der Erde im sichtbaren Bereich des Satelliten empfangen werden. Man muss sich also für den ca. 10 Minuten langen überflug auf die Lauer legen. Die Software gpredict zeigt die aktuell durch die Satelliten überflogenen Bereich der Erde an.
Ausserdem kann einem gpredict das Zeitinterval des nächsten Überflugs vorhersagen. Somit weiß man wann man auf welcher Frequenz horchen muss.
Die Antenne
Es gibt diverse Antennentypen mit denen die APT-Signale der NOAA-Satelliten empfangen werden können. Im Folgenden wird eine selbst bastelbare V-Dipolantenne beschrieben. Schematisch ist die Antenne so aufgebaut:
Der schematische Aufbau stammt aus dem Artikel DIY 137 MHz APT Weather satellite antenna – Or, do we need a circular polarization? von Adam-9A4QV.
Die von mir gebaute Antenne benutzt Aluminium mit jeweils 3mm Durchmesser für die beiden Antennendrähte. Laut Adam müssen die 53,4cm Drahtlänge von der Spitze der Antenne bis zum Ende des Drahts in der Lüsterklemme gemessen sein. Also nicht einfach nur bis zur 90° Biegung. Ausserdem habe ich eine Lüsterklemme mit drei einzelnen Adaptern verwendet, damit die Klemme besser an einer Aufhängung fixiert werden kann. Somit wird eine vertikale Drehung der Antenne verhindert. Bei den Antennendrähten reicht es wenn sie so im großen und ganzen gerade sind. Meine waren ursprünglich aufgewickelt und mussten von Hand gerade gebogen werden.
Das andere Ende des Koaxialkabels sollte mit einem SMA-Adapter, welcher mit dem Adapter des SDR-Stick kompatibel ist, versehen werden.
Der SDR-Stick
Wie bereits erwähnt verwende ich den Nooelec NESDR SMArTee v2 SDR-Stick. Die Linux-Installationsanleitung für den Stick besteht im Wesentlichen aus folgenden Schritten.
Zuerst verhindert man, dass das DVB-Kernelmodul geladen wird:
$ echo 'blacklist dvb_usb_rtl28xxu' > /etc/modprobe.d/blacklist-dvb.conf
Danach stellt man sicher, dass das RTL SDR Kernelmodul installiert ist:
$ apt install rtl-sdr
Wenn man rtl_test in der Konsole ausführen kann, ohne
dass sich das Programm unmittelbar beendet funktioniert das
Setup. Die eventuellen Fehlermeldungen zu verlohrenen Bytes bei der
Übertragung kann man ignorieren.
Die Aufnahme
Für die Aufnahme des APT-Signals eignen sich Orte mit freier Rundumsicht bis zum Horizont. Zwischen der Antenne und dem Satelliten sollte sich im Idealfall während der Aufnahme ausser Luft nichts befinden.
Die Ansteuerung des SDR-Sticks erfolgt über das Programm gqrx. Nach dem Start wird man aufgefordert das I/O-Device zu konfigurieren. Mit den folgenden von Lucas Teske beschriebenen Einstellungen klappte bei mir die APT-Aufnahme:
- Device: Realtek RTL2838UHID
- Input rate: 2560000
- Decimation: 32
Im Hauptfenster von gqrx konfiguriert man links oben die Trägerfrequenz des aufzuzeichnenden Satelliten.
| Satellit | Frequenz Hz |
|---|---|
| NOAA-18 | 137.912.500 |
| NOAA-15 | 137.620.000 |
| NOAA-19 | 137.100.000 |
Mode stellt man auf "WFM (mono)" und AGC auf "fast". Nun kann man mit dem Start-Button links oben in der Toolbar den SDR-Stick aktivieren. Es empfiehlt sich den Ton anzuschalten. Bevor der Satellit am Horizont aufgeht wird man nur Rauschen hören. Wenn das Signal dann mit dem Überflug besser wird verschwindet das Rauschen und ein markantes Pipen und klackern stellt sich ein. Bei guten Bedingungen hört sich das Signal so an:
Wenn nun ein leises Pipen in dem Rauschen auftaucht drückt man der "Rec" Knopf links unten. Damit wird das Signal für eine spätere Visualisierung in einer WAV-Datei gespeichert.
Wenn der Satellit ca. 10 Minuten später wieder langsam am Horizont verschwindet und das Pipen wieder im Rauschen untergeht beendet man die Aufnahme.
APT-Decoding
Ich habe eine leicht modifizierte Version von apt-decoder verwendet um die WAV-Datei in ein Satellitenbild umzuwandeln. Die Modifikation bezieht sich auf einen mit aktuellem Python nicht mehr kompatiblen PIL-Import. Dieser wird in PR#5 von apt-decoder behoben. Das aus der Aufnahme generierte PNG-Bild sieht dann z.B. so aus:
Was sieht man hier nun? Links ist die Aufnahme in sichtbaren Licht. Rechts die Aufnahme im Infrarotbereich. Daher treten rechts die Wolken besser zum vorschein. Zum Zeitpunkt meiner Aufnahme herrschte Dunkelheit. Daher sieht man im linken Teil nicht viel.
Zu beachten ist ausserdem, dass oben im Bild der vom Satelliten zuerst aufgenommene Teil als er am Horizont erschien zu sehen ist. Unten im Bild der Teil als der Satellit wieder am Horizont verschwand. Es ist daher wichtig ob der Satellit von Süden nach Norden oder von Norden nach Süden geflogen ist. In meinem Fall überflog mich der Satellit von Süden nach Norden. Daher ist im Bild oben Süden und Norden ist unten.
Um zu Zeigen, dass die Aufnahme den Angaben von professionellen Meteorologen entspricht habe ich meine Aufnahme gedreht (also Norden "nach oben") und neben das Wolkenradar von der tagesschau gelegt:
Dabei ist eine Übereinstimmung der Wolkenformationen zu erkennen.
Meine aktuellen APT-Aufnahmen können über earth.ma300k.de durchstöbert werden. Auf den besseren Aufnahmen kann man die Küste der Bretagne sowie die Adria erkennen.
Fazit
Solange die NOAA-Satelliten noch das APT-Signal aussenden kann man mit relativ geringem Aufwand selbst Satellitenbilder empfangen. Wie die Historie zeigt kann dies auch plötzlich Enden. Beim Meteor-M Satellit mussten z.B. nach dem Einschlag eines Mikrometeoriden diverse Instrumente abgeschaltet werden.