Sääsatelliittien vastaanotto ohjelmistoradiolla

Maan kiertoradalla viuhuu monia sääsatelliitteja, jotka kuvaavat Maata ja sen säätilaa yötä päivää valon eri aallonpituuksilla. Harva tietää, että sääsatelliittien radiolähetyksiä voi nykyään kuka tahansa vastaanottaa kotikonstein varsin halvalla. Tarvitaan vain antenni, tietokone ja tietokoneen USB-väylään kytkettävä sopiva digi-TV-tikku.

Digitelevision vastaanottamiseen tarkoitettuja hyvin halpoja USB-laitteita on ollut myynnissä jo useamman vuoden. Osa laitteista perustuu Realtekin valmistamaan RTL2382U-piiriin, joka vastaa signaalin digitoinnista, demoduloinnista ja USB-yhteydestä. Vuonna 2012 Antti Palosaari muutaman muun harrastajan kanssa onnistui ohjaamaan laitetta siten, että tietokoneella oli mahdollista tallentaa radiosignaalia miltä vain laitteen kuulemalta taajuudelta. Laitteiden suosio räjähti ja niitä käytetään nykyään laajasti halpoina radiovastaanottimina. RTL-piirin lisäksi laitteissa on viritinpiiri, joista yleisimmät ovat nykyään E4000, R820T ja uusimpana edellisiä vähäkohinaisempi R820T2.

Tällaisen vastaanottimen käyttöön viitataan usein termillä RTL-SDR, jossa RTL tarkoittaa Realtekin piiriä. SDR on taas lyhenne sanoista Software-Defined Radio, eli ohjelmistoradio. Ohjelmistoradio tarkoittaa sitä, että radiovastaanotin muuntaa vastaanottamansa signaalin digitaaliseen muotoon ja syöttää sen suoraan tietokoneelle, joka on vastuussa signaalin demoduloinnista ja dekoodaamisesta. Ennen tämä on yleensä hoidettu erillisellä tarkoitukseen valmistetulla analogielektroniikalla. Signaalinkäsittely tietokoneella on halvempaa ja joustavampaa, mutta vaatii kohtalaisen paljon laskentatehoa.

Olen ostanut Ebaysta muutamia hyvin halpoja digi-TV-vastaanottimia kaikenlaisia kokeiluja varten, ja jokin aika sitten ostin hieman laadukkaamman vastaanottimen rtl-sdr.com-sivustolta. Vastaanottimessa on herkkä R820T2-viritinpiiri, häiriöiltä suojaava alumiinikotelo sekä mahdollisuus syöttää jännitettä vastaanottolinjaa pitkin etuvahvistimen tai muiden laitteiden käyttämiseksi ilman erillisiä virtalähteitä. Tikussa on radiokäytössä yleinen SMA-liitin antennia varten. Ebayn halvemmissa tikuissa on usein hieman hankalampi MCX-liitin. Vastaanottimen mukana tuli myös kaksi kohtalaisen laadukasta teleskooppiantennia, yksi pieni ja yksi suuri. Tikku pystyy vastaanottamaan taajuuksia 24 - 1766 MHz.

Vastaanottimen käyttämiseen on saatavilla useita ilmaisia ohjelmia. Windows-puolella näistä yleisin lienee Airspy SDR#. Ohjelmaan on saatavissa useita lisäkkeitä, joilla voi esimerkiksi lennosta demoduloida tiettyjä signaaleja tai olla yhteydessä satelliitinseurantaohjelmiin kuten Orbitron. SDR#:lla voi tallentaa signaaleja kovalevylle tai lähettää ne eteenpäin muille ohjelmille joko lisäkkeiden avulla tai äänisignaalina.

Yleisimmät harrastajien kuuntelemat sääsatelliitit ovat Yhdysvaltalaisia NOAA-satelliiteja, joita on edelleen aktiivisena kolme kappaletta. Satelliitit lähettävät 137-138 MHz taajuuksilla Automatic Picture Transmission (APT) -muotoista analogikuvaa yksi rivi kerrallaan sitä mukaa kun satelliitti etenee kiertoradallaan. NOAA-satelliitit lähettävät siis “suoraa lähetystä” näkymästä, joka on kullakin hetkellä satelliitin alapuolella. Tarkemmat lähetystaajuudet näkyvät alla olevassa taulukossa.

NOAA-satelliitit kiertävät Maapalloa niin kutsutulla aurinkosynkronisella polaariradalla, mikä tarkoittaa sitä että ne näkyvät joka päivä samaan aurinkoaikaan samassa paikassa. Suoraan Suomen ylitse ne viilettävät joka päivä aamulla ja illalla.

Useimpien satelliittien lähetys on pyöröpolarisoitua, jotta satelliitin ja vastaanottajan keskinäinen asento ei vaikuttaisi vastaanotetun signaalin voimakkuuteen. Lineaaripolarisoituneet antennit kuten monopoli- ja dipoliantennit vastaanottavat signaalia huonommin kuin tarkoitukseen valmistetut antennit, mutta niitä on helppo valmistaa. Olen saanut vastaanotettua NOAA-satelliittien kuvia jopa vastaanottimen mukana tulleella monopoliantennilla omalta parvekkeeltani. Kuvaan kuitenkin jää väkisinkin kohinaa ja kuuluvuus matalalla horisontissa on huono. Signaalin saa paljon paremmin kuuluviin tarkoituksenmukaisella antennilla ja aukealla havaintopaikalla kaukana esteistä tai häiritsevistä radiolähettimistä.

Omaan käyttööni rakensin yksinkertaisen V-dipoliantennin rtl-sdr.comin blogissa olleen artikkelin perusteella. Antenniin ei tarvita muuta kuin kaksi sopivanmittaista alumiinitankoa, “sokeripalan” ja hieman koaksiaalikaapelia. Antenni on palvellut yksinkertaisuuteensa nähden varsin hyvin ja se on helppo purkaa osiin kuljetusta varten. Seuraavaksi voikin kokeilla pyöröpolarisoidun ristidipoli- tai QFH-antennin rakentamista.

NOAA-satelliiteista tulevaa APT-signaalia voi tulkita ainakin ilmaisella WXtoImg-ohjelmalla. Lähetyksen mukana tulee telemetriatietoa satelliitista sekä kaksi harmaasävykuvaa, joista yksi on kuvattu pitkäaaltoisella infrapunalla (10,8 mikrometrin aallonpituudella) ja toinen vaihdellen joko lähi-infrapunalla (0,86 mikrometriä) tai keskipitkällä infrapunalla (3,75 mikrometriä).

APT-kuvien tarkkuus on noin 4 kilometriä per pikseli. NOAA-satelliiteista on mahdollista vastaanottaa myös digitaalisia kuvia 1,1 km/pikseli tarkkuudella, mutta lähetys tapahtuu noin 1,7 GHz taajuudella, jonka vastaanottaminen vaatii erilaisen antennin.

Alla on NOAA-15-satelliitista vastaanottamiani kuvia sunnuntailta 18.6.2017.

WXtoImg osaa myös analysoida kuvia ja tuottaa karttoja esimerkiksi meriveden lämpötilasta tai mahdollisista sadealueista. Ohjelma ei osaa suoraan käyttää SDR-laitetta, vaan vastaanotto on tehtävä SDR#:lla tai muulla vastaavalla, josta FM-demoduloitu äänisignaali voidaan lähettää esimerkiksi Virtual Audio Cable -ohjelman avulla WXtoImg:lle.

Tarkempi ohje NOAA-satelliittien vastaanottoon löytyy englanniksi jälleen rtl-sdr.comista. Jos et ole jo huomannut, sivusto on seuraamisen arvoinen!

Myös venäläinen METEOR-M2 -sääsatelliitti lähettää kuviaan 137,9 MHz taajuudella. Kuvat ovat NOAA-kuvista poiketen digitaalikuvia, ja niiden tarkkuus on huikeat 1 km/pikseli. Hyvälaatuisen digitaalisignaalin vastaanottaminen luotettavasti vaatii kuitenkin hyvän antennin, ja olen itse onnistunut saamaan satelliitista kuvia vain hetkittäin. Signaalin tulkkaamiseen tarvitaan eri ohjelmia kuin NOAA:n tapauksessa, ja venäläisten harrastajien tekemät ohjelmat ja ohjeet eivät ole aina kovin selkeitä. Tilanne kehittyy kuitenkin koko ajan ja parempia ohjelmia tulee jatkuvasti saataville. Lisätietoa satelliitin vastaanottamisesta löytyy täältä.

Laitoin näistä kokeiluista innostuneena tilaukseen Uputronicsin vähäkohinaisen etuvahvistimen, joka toivottavasti saapuu tällä tai ensi viikolla. Vahvistimen avulla on odotettavissa parempaa signaalia, ja METEOR-satelliitistakin saa toivottavasti enemmän kuvaa talteen.

Radiovastaanotto tarjoaa hyvän keinon jatkaa avaruuden tarkkailua näin kesäaikaan kun taivas on liian vaalea valokuvaamiseen ja visuaalihavaintoihin. Alkuinvestoinnitkaan eivät ole kummoisia. Tällä hetkellä käyttämäni tikku näyttää maksavan 20 dollaria plus toimituskulut. Jos satelliittien vastaanotto ei ota onnistuakseen, tikulla voi aina kuunnella tavallista FM-radiota tai katsoa digitelevisiota!