Űrvilág.hu - Műholdak mint oktatási segédeszközök (1. rész)

Űrkutatás, űrtevékenység - űrvilág.hu űrkutatási hírportál

Műholdak mint oktatási segédeszközök (1. rész)

2022.07.05. 07:15 Korszerű oktatás, Lássuk és halljuk egymást, Időjárás és előrejelzése

Kétrészes sorozatunkban először a meteorológiai műholdak adta lehetőségekről esik szó.

Napjainkban, amikor műholdak ezrei, majd rövid időn belül tízezrei keringenek Földünk körül, természetes elvárás, hogy az oktatás minél szélesebb köreiben megjelenjenek. Lényeges szempont, hogy a megjelenítés formái életszerűek, valósághűek legyenek. Ezzel a feltétellel lehet az érdeklődést felkelteni, és maradandó motiváltságot elérni. Ennek azonban ára van. Cikkemben olyan megoldásokat ismertetek, amilyeneket már megvalósítottak. Az interneten keresztüli egyszerű, széleskörű hozzáféréssel használatuk alacsony költséggel megvalósítható. A műholdak vételének alapvető célja a vezeték nélküli kommunikációval foglalkozó oktatás segítése. A képek megjelenítése a vétel minősítését segíti, „hab a tortán”.

A régi-új kedvencek: analóg jelkezelést alkalmazó meteorológiai műholdak

Megjelenésük legalább annyira várt volt, mint a hírközlés területén működőké. A Föld felszínét figyelő kameráik/érzékelőik adatait az APT (Automatic Picture Transmission, automatikus képtvitel) rendszer továbbította a Földre. A számítógépek megjelenéséig a képeket a képtávíró segítségével lehetett láthatóvá tenni. Ennek az eszköznek a használatával vette először hazánkban a Tiros műhold képeit az 1960-as években a műegyetemi hallgatók lelkes csoportja. Az APT közel 60 éve üzemel különböző műholdakon. A „beragadt” analóg rendszer vétele, képeinek feldolgozása a számítástechnika hardver- és szoftveroldalainak gyors fejlődése következtében leegyszerűsödött. Ez igaz a vételtechnikára is, ahol az egyszerű antennák és az olcsó SDR (Software Defined Radio) vevők nagyban leegyszerűsítették az APT rendszer vételét, képeinek megjelenítését. Napi szintű, iskolai tanulmányokba illeszkedő vevőállomás nézhető meg itt. Ez a lehetőség a tanulóknak újdonságként mutatkozhat az égi mechanikai alapok megismerésében (műholdpályák, előrejelzésük, Doppler-hatás…). Az állomás létrehozása, üzemeltetése olcsó. Internetes irodalmakra támaszkodva sok, a megvalósítást segítő cikk található. Az APT hátránya, hogy nem mutatja be a korszerű, ma már a híradástechnika minden területén alkalmazott digitális távközlést. Az APT megszűnése a hozzá kapcsolódó műholdak élettartamának lejártával néhány éven belül várható.

Amennyiben már rendelkezésre áll egy APT vételre alkalmas állomás, érdemes próbálkozni az orosz Metyeor-M2 (Meteor-M-N2) műholddal, mely megnyitja az ismerkedést a digitális műhold–Föld jelátvitellel. A műhold 75 kb/s sebességgel továbbítja az APT-nél közel tízszer nagyobb bontású képeit annak ellenére, hogy a rendszert alacsony felbontásúnak nevezik (LRPT, Low Resolution Picture Transmission). A jelek demodulálására, feldolgozására segítséget kaphatunk itt. A vételhez az APT kültéri egységei (antenna, előerősítő ) használhatók. Az SDR vevőnket kell digitális jelek demodulálására alkalmassá tenni. Az oktatási segédeszközként jól használható műhold hátránya, hogy bekapcsolása bizonytalan, hol van vehető jel, hol nincs. Az előzőekben bemutatott, oktatási segédeszközként is felhasználható műholdak vétele, jeleinek feldolgozása kis anyagi ráfordítással megvalósítható. Elvileg ahány iskola, annyi vevőállomás.

Az alacsony pályás (LEO) meteorológiai műholdak új generációja

Csak a pálya maradt, más minden megváltozott. A képek/adatok lehozása teljesen digitalizálódott. A megvalósító, üzemeltető országtól függően különbözik a fedélzeten lévő érzékelők specifikációja. A nagyobb adatsebesség, mennyiség miatt az 1,7 GHz-es frekvenciasávot használják. Vételükhöz minimum 1,2–1,5 m átmérőjű parabola reflektorral rendelkező antenna szükséges. Ráadásul mozgásukat követni kell, aminek a megvalósításához meglehetősen drága forgató rendszer szükséges. A Műegyetemen működő vevőállomás antennájának képe az 1. ábrán látható.

Néhány éve még a nagy adatsebességű vétel megvalósítása, a hozzá tartozó hardver- és szoftverkövetelmények teljesítése is jelentős pénzügyi terhet jelentett. Napjainkban ezek elérhetőbbé váltak, de még mindig jelentős kiadást jelentenek egy-egy oktatási intézménynek. Minimalizálható a költség, ha egy állomást több felhasználó „néző” számára teszünk hozzáférhetővé. Ma már az internet korában ez könnyen megvalósítható. A TeamViewert vagy a Chrome távoli hozzáférését használva, számítógép előtt ülve azonos élményhez jutunk, mintha a valóságos állomáson lennénk. A műegyetemi állomás egyik kezelőfelületét mutatja be a 2. ábra. Időrendbe téve látható a fölöttünk átvonuló műholdak neve. Összesen hat műholdat tudunk venni: MetOp-B és -C, NOAA-18 és -19 valamint Meteor-M2 és -M2-2. A táblázatból kiolvashatjuk, hogy mikor, milyen szög alatt bukkan fel, hol éri el a maximális magasságát, hol és mikor bukik horizontunk alá. A venni kívánt műholdat magunk választhatjuk ki.

A digitálisan, fázisban modulált vivő demodulálását, majd a képtartalom megjelenítését SDR vevőre támaszkodó szoftver végzi (Satdump). Valós idejű kép megjelenítésére nincs lehetőség. Elvégzi a gömb síkba terítését is (gömb korrekció). A látható tartományon kívül még, műholdtól függően, több hullámhosszon is készül kép. Felbontásuk a kép közepén, a látható tartományban 1 km, míg szélein 15 km körül van. A látható tartományban készült kép terjedelme akár 40 MB is lehet. Érdekességként egy NOAA-19 által az infravörös tartományban hazánkról készült képet mutat be a 3. ábra. Jól láthatók a nagyvárosok meleg foltjai.

Elmondható: ahány üzemeltető, annyiféle képkészítési mód. Ezért a Satdump szoftvert minden alkalommal, indítása előtt, a venni kívánt műholdnak megfelelően fel kell paraméterezni. A 4. ábrán a MetOp műholdak vételére felkészített, indulásra kész szoftver képernyűképe látható.

A demodulálási folyamatot követhetjük a start feliratra bökés után. Ekkor jelenik meg az az oldal, amelyik a demodulálás folyamatát valós időben teszi követhetővé (5. ábra).

Az SDR vevő panelja a szoftver által beállított frekvenciát, erősítést, az interferenciaszűrők (DAB, FM) bekapcsolt állapotát mutatja (Hack RF Control). A jelátvitel minőségére utal a jel/zaj (SNR) érték számszerű és időbeni változás formájában jelenik meg. Ezt a célt szolgálja a négy fázisállapotot (QPSK moduláció) bemutató konstellációs ábra is. További „csemege” a jelátvitel részleteire is kíváncsiak számára a Viterbi és a Reed-Solomon kódolás működését szemléltető számok. A vett jelek által elfoglalt frekvenciaspektrumot (sávszélességet) is valós időben láthatjuk, bár ez inkább tájékoztató jellegűnek tekinthető. Igazi „kuriózumok” a jelátviteli megoldások után érdeklődőknek. Az 5. ábrán van a „stop” felirat, mellyel a műhold elvonulása után bezárhatjuk a vételt. A képek kibontása, megjelenítése a vett jelsorozatból a vétel befejezése után automatikusan indul. A dekódolás befejezése után, a szoftver a vételt megelőzően általunk kijelölt mappába teszi a képeket.

A NOAA-18 vételének jellemzői láthatók a 6. ábrán. Az RF átvitel két fázisállapotú (QPSK) modulációt alkalmaz.

Az előzőkben leírtakból kikövetkeztethető, hogy a műholdak vétele, a képek feldolgozása, rögzítése jó minőségű, meglehetősen drága számítógépet kíván. Összességében az állomás létesítése néhány millió Ft-ba kerül, és megvalósítása szakértelmet kíván. Ezért válik jelentőssé a TeamViewer vagy a Chrome távoli hozzáférés használata, melynek segítségével az állomás távolról is kezelhetővé válik, üzemeltetése gyorsan elsajátítható.

A geostacionárius (GEO) pályán lévő meteorológiai műholdak vétele

Nagy könnyebbség, hogy mivel Földünkkel szinkronban mozognak, a felszínről nézve állónak látjuk őket. Az antennákat egyszer kell irányba állítani, nincs szükség forgató mechanikára. A nehezítés, hogy tőlünk 36–40 ezer km távolságra vannak. Ezért vételükhöz nagyobb nyereségű (méretű) antennára van szükség. A lehetőségek között válogatva sajnálattal kell megállapítanunk, hogy a reális vételi követelményeket támasztók közül egy sincs „alattunk”, azaz a 0–30 fokos földrajzi hosszúság tartományában, illetve azok nem az 1,7 GHz-es sávban küldik le az adatokat. A számításba jövő, a hozzánk legközelebbi az EWS-G1 (régi nevén GOES-13), amely keleti 61,5° hosszúságnál, az Indiai-óceán fölött helyezkedik el. Tőlünk K 127° azimut és 22° eleváció irányából vehető. A közel 40 ezer km távolságból érkező jeleknek a zajos városi környezetben történő kifogástalan vételhez legalább 2 m átmérőjű parabola tükrű antennára van szükség. A Műegyetem V1 épületének tetején lévő antenna képét a 7. ábra mutatja.

A fázismodulált jelek vétele, demodulálása az RSP1A típusú SDR vevővel, a Satdump szoftver felhasználásával történik. A 8. ábrán a vétel követését, minősítését segítő képernyő képe látható. A kép bal felső sarkán szürke tónusú kép mutatja, hol tart az adatok (képek) lehozása.

A képek folyamatosan érkeznek. Leküldésükhöz fél óra szükséges. A legtöbb információt a látható tartományban felvett kép hordozza. Mérete 220 MB körüli. Vele együtt még öt hullámhosszon érkezik kép. A leglátványosabbat a 9. ábra mutatja.