LOGO

低軌道氣象傳真衛星簡介
(Low Earth Orbit Weather Fax Satellite)

No.12   1993 Nov   p22~29,   by 莊焜亮 / BV1AF 羅東郵政 98 號信箱



    所謂 " 低軌道氣象傳真衛星 " (Low Earth Orbit Weather Fax Satellite,簡寫作 "LEO WEFAX SAT."),以下簡稱為「低軌道氣象衛星」,是指離地球表面約 800Km~1300Km 高度,以觀測地球氣象資料為主要功能的人造衛星,這些衛星以近乎圓形的軌道,繞著地球南北極跑,而地球就在這圓形軌道中間自轉,故這種衛星又稱「繞極軌道衛星」 (Polar Orbit Sat.),它們每天會經過地球上同一地點的上空兩次 (多者三次):一次在白天,另一次在晚上,每一次都有兩個相隔大約 100 分鐘的 "PASS",每一 PASS 的時間大約是 14 分鐘的長度,因 此在地球上的任一地面電台,每天可以接收到同一顆衛星的訊號有四個 PASS 之多 (在地球的南北極地區,每天會有 13 至 14 個 PASS 之多)。

    LEO 氣象衛星上攜帶有不同波長的輻射儀 (Radiometer) 用來觀測地球 (因為自然界任何溫度高於絕對零度的物體都會產生輻射能,且其能量與溫度成正比);可見光波長的輻射儀用來觀測白天的氣象資料,而紅外光的則白天、晚上皆可用來觀測氣象資料。這些衛星是在繞著地球跑的同時,以輻射儀掃描其正下方的地面區域 (掃描速率為每秒鐘兩次),並將影像資料即時 (Real Time) 傳回地球。每一條掃描線涵蓋地面約寬度約為 3000km,厚度約為 3.5km,因此對任一地面電台而言,每一 PASS (14 分鐘) 所能接收到的訊號內容相當於掃描了 3000km x 5880km 的地球面積之影像訊號。



LEO氣象衛星沿革

    目前,美、蘇兩國擁有最多一系列運轉中的 LEO 氣象衛星;中國大陸也曾發射過這類衛星,名為 "FENGYUN" (風雲號),但目前因故障,並沒有運作:

美國

    美國最早的 LEO 氣象衛星是 "TIROS 1" 號,於 1960 年啟用,它攜帶的是電視攝影機,將拍攝的影像錄在 VTR 帶上,等衛星繞經美國境內的地面電台時,才將影像訊號傳回。到了 1963 年 12 月發射的 "TIROS 8" 號時,開始使用一種新型的 " 自動影像傳送 " (Automatic Picture Transmission,即 APT) 功能,進入了 " 即時 " 觀測地球氣象資料的時代。由於衛星是全天候 24 小時工作,因此,不管在那個地區,只要地面電台處於衛星訊號的覆蓋範圍 (Recoverage Range) 內,即可接收到它當時所掃描的地面影像內容。

    第二代的 LEO 氣象衛星名為 "NIMBUS" (雲雨號) 系列,在 1964 ~ 1965 年間共發射了八顆,其主要任務在測試新型的探測儀器,以便將來使用於氣象、陸地及海洋資源調查衛星上 (即後來的 "LANDSAT" 和 "SEASAT")。

    第三代 LEO 氣象衛星為 "ESSA" 系列,使用新型的 "Vidicon" 攝取地球影像,這一系列的衛星為往後十年的衛星技術立下了更扎實的基礎,其最後一顆 "ESSA 8" 在 1976 年間關閉,結束了長達 7 年的影像傳送任務。

    第四代 LEO 氣像衛星為 "ITOS" (Improved TIROS Opertional System) 系列,從 1970 年開始服役,而此系列之衛星每當完全上軌道正常運作之後,即更名為 "NOAA" 系列,NOAA 為 " 美國國家海洋及大氣管理部 "National Oceanic and Atmosperic Administration" 之簡稱,正是此系列衛星之責任單位。NOAA 系列衛星目前尚在運轉的有 "NOAA-9 ~ NOAA-12",這四顆衛星每顆都攜帶有改良自 NIMBUS 系列的最新型輻射儀,稱為 "AVHRR" (Advanced Very High Resolution Radiometer),這種輻射儀的掃描裝置是以一面轉動的小鏡子來取代原來的 攝影機,轉動的鏡子將所 " 看到 " 的地球影像傳送到具有五個頻道的「多頻譜感測器」 (Multi Spectral Sensor,簡稱 MSS),它能對同一地面區域產生五個不同頻譜的衛星影像。這五個頻道有兩個在可見光範圍,三個在紅外光範圍,可見光用來觀測白天的影像,紅外光則不管白天或晚上皆可用來產生 " 熱感影像 " (Thermal Picture),可觀測陸地或雲層的溫度。這五個頻道的高解析度影像訊號使用 1.7GHZ 的載波,以 665K 的 Baud Rate,將數位化影像傳送下來,稱為 "HRPT" (High Resolution Picture Transfer),同時擷取其中的兩個影像 (白 天為一個可見光、一個紅外光,夜間為兩個紅外光)並排成一個,轉換成較低解析度的 APT 訊號,在 137MHz 頻帶傳送下來。最近的報導顯示:一顆新的 NOAA 系列衛星 (暫定名為 NOAA-I,正常運作之後即編為 NOAA-13),預定將於今年六月送入軌道,因限於 NOAA 系列地面追蹤站的工作能量無法同時監控五顆衛星,將選擇 NOAA-9、10、11 之中的一顆,把它 Turn Off,以維持衛星的全面正常運作。

蘇聯

    蘇聯的 "METEOR" 系列氣象衛星計劃始於 1966 年,是從 "COSMOS" 系列的照像衛星改進而來,METEOR 系列衛星外型是 1.5M 直徑,5M 高的圓筒狀物體,重達 2 噸左右,衛星上攜帶兩具攝影機,一具白天使用,另一具夜間使用 (紅外光攝影機)。1971 年的 "METEOR 1-10" 為這一系列衛星的先鋒,它也是在 137MHz 的頻帶,以 APT 方式傳送影像訊號。到 1980 年時, METEOR 1 系列的衛星被確認的就有 30 顆之多。

    METEOR 2 系列的氣象衛星於 1975 年開始,使用了較佳功能的攝影機以改善畫質。另一項特殊的設計是在同一軌道上相隔 120°即放置一顆衛星 (即每一軌道上有三顆衛星),如此一來,只要相隔幾個小時就會有一衛星經過,能攝取更多地球影像,以供科學研究之用。此系列衛星在白天傳送可見光影像;在夜間傳送紅外光影像,並且在到達某些地區時會自動的 On/Off,只傳送特定地區的氣象資料。這系列的最後一顆衛星是 "METEOR 2-20"。

    METEOR 3 系列氣象衛星能產生一般或高解析度的 APT 影像,影像格式似乎很接近美國 NIMBUS 系列實驗衛星。這一系列的氣象衛星之 APT 功能是由地面電台來控制其 On 或 Off,甚至有時候關閉達數月之久,顯示其可能在為未來的新型設備做試驗。目前服役中的 ME3TEOR 3 系列計有 3-2 ~ 3-5 等四顆,最近常聽到的只有 3-3 和 3-4 在工作。


LEO氣象衛星使用頻率

  APT HRPT
NOAA-9 137.62MHz 1707MHz
NOAA-10 137.50MHz 1698MHz
NOAA-11 137.62MHz 1707MHz
NOAA-12 137.50MHz 1698MHz
METEOR 3-2 137.30MHz  
METEOR 3-3 137.85MHz  
METEOR 3-4 137.30MHz  
METEOR 3-5 137.85MHz  
FENGYUN 1-2 137.795MHz  

    以下是目前美國 NOAA 系列、蘇聯 METEOR 系列和中國大陸的 LEO 氣象衛星所使用的頻率表:

    雖然表中顯示某些頻率為兩顆衛星所共用,但它們會被安排在不同的軌道,例如 NOAA 9、10、11 三個衛星都是太陽同步衛星,它們出現的時間分別安排在早上、下午和傍晚,而當 NOAA 12 和 NOAA 10 相衝突時,會暫時關掉其中一顆,直到不會衝突時再恢復。


APT影像訊號調制方式

    目前使用 VHF 頻帶的氣象傳真,全都是 APT 模式,APT 影像訊號是先把輻射儀測得的掃描影像亮度以 AM 方式來調制一個 2400Hz 的副載波,此一帶有影像訊號的 2400Hz AM 波形再以一般 FM 方式來調制射頻載波,此 FM 波再經由螺旋狀天線傳回地球。地面電台以 FM 接收到調解後,輸出的音頻就是帶有影像訊號的 2400Hz 正弦波,這個波形再造一步作 AM 解調及 A/D 轉換 (需要特殊設計之介面電路) 之後,由電腦處理成影像,顯示出來或儲存起來。

    地面接收站 FM 接收機之中頻頻寬約需 35KHz~40KHz 之間,若考慮都卜勒效應引起的頻率偏移,最好是有 40KHz ~ 45KHz 的頻寬,如此,則在接收一個完整 PASS 的 14 分鐘之間,接收機的頻率幾乎可以不必調整,要作自動接收的功能才有可能。中頻頻寬太窄或太寬,都會對接收到的影像有不良的影響;太窄時 (像一般業餘 VHF 頻帶的收發機或 Scanner,約只有 15KHz),影像訊號中的高頻部份 (代表影像中較細緻的部份) 將會被濾除而降低影像的解析度,使整個影像變得很粗糙;太寬時 (像 FM 立體聲收音機有 75KHz),將會降低訊號靈敏度, 並且容易產生嘶聲,干擾到影像訊號內容而無法辨識。

    這種特定中頻頻寬的 FM 接收機,最好是選用專為此而設計的機種,或者比較經濟的作法是,把 Scanner 的中頻電路稍加修改,擴展其頻寬之後亦可用,不過這也要有專門技術才行。


APT 影像訊號格式

Fig 01
圖一:1992 年 7 月 25 日下午,NOAA-9 的 PASS,左邊是 IR 影像,右邊是 VIS 影像,整個影像只擷取大約十分鐘的掃描內容。
Fig 02
圖二:將圖 (一) IR 影像的中央部份放大二倍後的影像,左邊可以清楚的看到同步訊號和時間 MARK。
Fig 03
圖三:將圖 (一) VIS 影像的中央部份放大後的影像,台灣、菲律賓、大陸東南的陸地都可辨認。左邊的同步訊號因曝光過度,未能顯現。
Fig 04
圖四:將圖 (二) 加以對比調整之後的影像,陸地輪廊 (深色都份) 隱然可見。
Fig 05
圖五:將圖 (三) 中央都份再放大兩倍,台灣及大陸東南沿海一帶,如長江口、杭州灣、太湖、巢湖、洪湖、鄱陽湖、洞庭湖等皆清晰的呈現出來。
Fig 06
圖六:METEOR 系列白天 VIS 影像,其對比相當強烈,兩旁同步訊號與遙測資料幅度都比 NOAA 系列寬,台灣的位置在左下角隱約可見。
Fig 07
圖七:NOAA-11 的 VIS 影像,台灣附近晴空萬里,東北方向太平洋上有一颱風,可惜沒有完全攝入影像中。

    實際的影像訊號格式,除了前述的掃描影像內容之外,還加上同步脈波 (Sync. Pulse) 和遙測資料 (Telemetry),組成實際的傳真訊號內容。由於 NOAA 的 APT 影像是兩個並排傳送,因此,同步脈波和遙測資料是穿插在每個影像之前後,與 METEOR 系列的單一影像大不相同。

    現在就以圖片來實地說明影像訊號格式之組成:

    圖 (一) 是典型的 NOAA 氣象衛星影像 (白天),從圖中可看出左邊為 IR (紅外光) 影像;右邊為 VIS (可見光) 影像,兩者的平均亮度相差很大,此二影像是對同一地區的兩個不同輻射儀所 " 看 " 到的結果。APT 的傳真掃描線速是 120LPM,即每秒鐘兩條掃描線,每一條掃描訊號的組成,從左到右依序是:

一、IR同步訊號:832Hz,7 個週期。
二、IR Pre-Scan:白色線段,時間 Mark為黑色線段。
三、IR Earth-Scan:實際的影像內容。
四、IR Telemetry:溫度資料。
五、VIS同步訊號:1040Hz,7 個週期。
六、VIS Pre-Scan:黑色線段,時間 Mark為白色。
七、VIS Earth-Scan:實際的影像內容。
八、VIS Telemetry:遙測資料。

    圖 (二)、(三) 分別是將 IR 和 VIS 影像中央部份放大後之圖形,可以看得比較詳細。從圖 (二) 中可看出左邊垂直的細線,即 832Hz 的同步訊號 (圖三中亦同,但間隔較密,照片上可能不易辨識),它右邊白色垂直寬條紋上有黑色線段 (圖三中則相反),即為 Pre-Scan 的時間 Mark,每一間隔為一分鐘,以便於和影像內容對照參考。照片中央是實際影像內容,它涵蓋的範圍應有 3000km 之廣,由於 IR 影像是屬於熱感影像,平均亮度比較高,若不經過對比調整,很難辨認雲層和陸地。圖 (二) 最右側有不同色階之水平線段,是影像的溫度 資料,藉此可以比對出影像中的溫度值。圖 (三) 中的這個部份卻不代表溫度值。當把圖 (二) 的內容稍加對比調整處理之後,變成圖 (四) 的樣子,其雲層的高度以及陸地輪廓就明顯的浮現了出來。而圖 (五) 是把圖 (三) 中央部份再放大兩倍,並且調整一下對比值,台灣及大陸東南沿海一帶之地形都清晰可辨,圖中可看出長江口、杭州灣、太湖、巢湖、洪湖、鄱陽湖、洞庭湖等地理位置。

    圖 (六) 是 METEOR 系列的 VIS 影像 (白天),比起 NOAA 影像格式,它就顯得比較簡單,同樣是 120LPM 的掃描線速,其訊號內容依序是:

一、13 個週期黑白相間線條組成的同步訊號
二、影像內容
三、遙測資料

    因為本圖是取自一個由南向北的 PASS,為了符合我們平常的觀看習慣,把它上下顛倒了過來,以致同步訊號與遙測資料就左右相反了。METEOR 系列的 VIS 影像另一特徵是對比特別強,所以有時難以辨識地形 (圖六中台灣的位置在左下角)。而 METEOR 的 IR 影像 (夜間) 是以反白的方式傳送,在接收到影像之後必須加以反相顯示,才能看出實際內容。

    從以上可知,NOAA 和 METEOR 影像格式有很大的差異,因此若將接收到的 FM 解調音頻輸出,則 NOAA 發出像 tick-tack 之類的聲音;而 METEOR 發出像 honk-honk 之類的聲音,只要稍加經驗即能分辨。


What do you need?

    要接收 LEO 氣象衛星的 APT 影像訊號到底需要哪些軟硬體設備呢?

接收機
具有 137MHz~138MHz 頻帶之 FM 接收機,中頻頻寬應為 40KHz 左右。
天線
1、固定式、無方向性天線 (Omnidirectional Turnstyle Antennan),並配有增益為 15dBi 以上之低雜音前置放大器。
2、五節以上之 Cross Yagi,裝置在配有方位角及仰角控制之 Rotator 上,接收效果最佳,可以收到 14 分鐘的完整 PASS。以業餘頻帶 144MHz 的衛星天線代用,亦可有不錯的效果。
解調器與軟體
它是裝在 PC 內的介面卡 (或外部裝置,藉由 RS-232 與 PC 連接),能將調制在 2400Hz 副載波上的影像訊號解調出來,數位化之後立即能顯示在螢幕上,並可儲存在磁碟中,作進一步之處理分析用。
微電腦系統
最好是 386 級以上,有 4MB 的 RAM Disk,大客量的硬碟 (最好具有低於 18ms 的存取時間) 和 Super VGA 規格的影像介面及螢幕。
衛星追蹤軟體
很多 BBS 站可以找到這一類軟體,若用買的,其價格約在 U5$50-70 元之譜。


筆者目前使用的設備

接收機
Uniden BC-145XL,Modified 3 Band FM Scanner,可以在 HF、VHF、UHF 三個頻帶中任選 16 個頻率來掃描。
天線
SSC AN-137 Turnstile + GAsFET Pre-Amp (18dBi)。
自製五節 Yagi x 2 組 (cross Arranged)。
解調器與軟體
Multi FAX Internal Demodulator 及 MFMAP5 軟體,可做定時接收,所收到的影像可以放大、南北倒向、色盤調整、人工假色、黑白反相、存檔、取檔等處理。
微電腦系統
386DX-33 CPU
8MB RAM
40MB H.D. + 40MB 抽換式 H.D.
ET4000 Super VGA (Local Bus) +
NEC Multi-Sync 3D 顯示器。
衛星追蹤軟體
TRAKSAT Ver2.80:採用麥卡脫投影圖作衛星地面追蹤,可隨時知道任一衛星在何處,可同時追蹤六個衛星,可顯示都卜勒效應之頻移量等功能。


結語

    筆者認為,這些低軌道氣象衛星應是衛星通訊愛好者的最佳入門教材,它 24 小時不停的對地球發送氣象傳真訊號,利用這些耳朵就能辨識到的訊號,我們可以練習做衛星軌道的預測、追蹤以及衛星天線的架設、操作等工作,對於衛星訊號的傳送特性 (如都卜勒效應) 也能有很好的體驗,將來在操作業餘衛星時必能得心應手。

    很可惜近一兩年來,業餘頻道上香腸族競相以大功率互相較量,以及非法電話界面之侵佔頻道;更有通訊品質極差的計程車無線電台之諧波穿插其間,使得 VHF 頻帶 APT 影像傳送所用的 137MHz ~ 138MHz 已被干擾得無法使用,在一個衛星 PASS 中想要接收到連續 5 分鐘不受干擾的影像實在很困難,若要接收完整的 14 分鐘 PASS,簡直是天方夜譚。如今之計,除了禱告上蒼快快使所有非法電波消聲匿跡,不再干擾正常通信之外 (除非奇蹟出現),反求諸己,只有努力工作,多賺銀子,然後把接收設備提升到 S-Band 的 1.7GHz 去接收 HRPT 的影 像訊號,就不會再受到干擾了!阿門!


    參考資料

  1. Weather Satellite Handbook, by Ralph E. Taggart, WB8DQT ARRL ISBN:0-87259-319-3
  2. The Satellite Experimenter's Handbook, by Martin Davidoff,K2UBC ARRLISBN:0-87259-318-5
  3. The ARRL Handbook For Radio Amateurs, by ARRL ISBN:0-87259-170-0
  4. Weather Satellite Report, No.4~ No.1O, by R. Myers Communications END


    雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類