Saiba como funciona o sistema APT usados nos satélites NOAA

Não há a menor sombra de dúvida de que o maior benefício do programa espacial norte-americano tenha sido o da observação meteorológica através de satélites. A possibilidade de poder observar as massas de ar e seus deslocamentos, fez dos satélites meteorológicos uma ferramenta sem igual na análise e previsão do tempo.

Desde o início dos anos 60, quando se iniciou o programa de desenvolvimento de satélites meteorológicos, foi mantida a filosofia de permitir a qualquer cidadão receber e decodificar os sinais emitidos por estes satélites de modo que não fosse mais necessário esperar aos jornais ou telefonais para que fosse possível a observação da “foto do satélite”.
De fato, a agilidade em poder receber estas imagens no momento exato em que o satélite passa sobre a estação, faz com que diversas vidas humanas possam ser salvas. Fenômenos de grande escala, como furacões, podem agora ser vistos à longa distância permitindo a evacuação das áreas de risco em tempo recorde.

A maioria dos satélites operacionais da atualidade cumpre esta missão enviando imagens digitais de alta-resolução às estações de terrenas especialmente equipadas. São imagens que podem facilmente chegar a mais de 100 Mbytes por passagem do satélite e requerem que as estações sejam equipadas com antenas parabólicas, rotores de posicionamento, receptores de microondas e decodificadores digitais. Apesar de serem imagens de alta resolução, faz com que apenas alguns centros de aquisição de imagens possam delas usufruir. Estas imagens são conhecidas como HRPT – High Resolution Picture Transmission.

Felizmente estes satélites também transmitem imagens analógicas de menor resolução, permitindo que com modestos receptores e decodificadores (foto ao lado) qualquer pessoa possa recebê-las. A recepção das imagens dos satélites meteorológicos é tão comum que diariamente milhares de radioamadores ao redor do planeta fazem desta atividade seu maior passatempo.

Estas transmissões são conhecidas como APT – Automática Picture Transmission.

Atualmente os satélites meteorológicos podem ser divididos em duas categorias distintas: satélites de Órbita Polar e satélites de Órbita Geoestacionária. Por hora vamos nos deter apenas aos satélites de órbita polar.

Satélites de Órbita Polar
Os atuais satélites de órbita polar de “sinal aberto” são os da série TIROS-NOAA operado pelo governo dos Estados Unidos e os satélites da série METEOR-COSMOS operados pela Rússia.
Orbitando em uma altitude de 1200 Km os satélites russos METEOR podem ser sintonizados na freqüência de 137.850 kHz. A série METEOR consiste de dezenas de satélites, porém por razões obscuras somente um deles, o satélite METEOR 3-5 é recebido normalmente.

Já os satélites americanos da série NOAA podem ser sintonizados nas freqüências de 137.500 kHz e 137.620 kHz. Orbitando a uma altitude de 840 Km, todos os satélites operacionais podem ser ouvidos sem dificuldades. Até o momento desta matéria estavam operacionais os seguintes satélites: NOAA-12 NOAA-15 E NOAA-17.

Os satélites da série NOAA são precisamente orientados no espaço em um tipo de órbita conhecida como hélio-síncrona (sincronizado pelo Sol). Isto significa que durante o transcorrer do ano a órbita do satélite com relação ao sol permanece praticamente constante, desta forma o satélite passa todos os dias sobre o mesmo ponto da Terra na mesma hora solar.

No início do programa, os satélites meteorológicos carregavam câmeras de TV a bordo para que as imagens pudessem ser captadas. No entanto devido a rápida deterioração do sistema captador de vídeo, aliado à extrema delicadeza do tubo captador empregado, resolveu-se substituir o sistema de captação de imagens empregado.

Hoje em dia nenhum satélite de observação meteorológica utiliza câmeras de TV a bordo.

Todos estes sistemas foram substituídos por um sistema eletro-óptico de altíssima precisão conhecido por Scanning Radiometer.
O scanning radiometer é basicamente composto por um sistema de lentes, um sistema de espelhos acoplado a um motor e alguns sensores de luz do tipo foto-diodos.

Basicamente o scan radiometer enxerga a Terra por uma estreita faixa que pode ser comparada à linha horizontal de um receptor de TV. A varredura vertical é efetuada pelo próprio deslocamento orbital do satélite.A figura abaixo ajuda a compreender melhor este processo.

O sistema de varredura opera continuamente de modo que enquanto o satélite estiver ao alcance da estação receptora a imagem estará sendo recebida e processada. Assim podemos deduzir que ao contrário de uma imagem de fac-símile, a foto de satélite não possui início nem fim. Seu início é determinado no momento em começamos a ouvir seus sinais e termina no momento que seus sinais não são mais captados.

A imagem produzida depende basicamente do tipo de sensor utilizado. Os sensores dos satélites NOAA respondem a vários comprimentos de onda e cobrem desde o espectro visível até o espectro infravermelho fazendo com que as imagens possam ser recebidas mesmo durante o período da noite.

Devido ao radiômetro operar em 5 comprimento de onda diferentes é também conhecido por radiômetro multiespectral. No formato digital HRPT todos os 5 canais podem ser recebidos simultaneamente à uma taxa de 600 Kbps, totalizando como foi dito anteriormente aproximadamente 100 Mbytes de imagens de alta-resolução. No entanto para recebê-las são necessários caros equipamentos.
Felizmente os computadores de bordo do satélite fazem uma “amostragem” destas imagens e as envia à estação receptora de APT em formato analógico, permitindo que a um custo relativamente baixo as imagens possam ser processadas em estações “não tão sofisticadas”.

Cada rotação do espelho do radiômetro eqüivale à uma linha na tela do monitor. Durante 1 minuto são executadas 120 rotações ou 120 linhas por minuto (LPM) sendo que cada linha contém tanto as informações da imagem visível como da imagem em infravermelho.

A primeira metade corresponde à imagem infravermelho e a segunda metade da linha corresponde à imagem visível sendo que uma linha completa tem duração de ½ segundo ou 500 milisegundos.

A qualidade da imagem recebida bem como seu brilho e contraste variam conforme o horário da passagem do satélite e da qualidade do sinal recebido. Com o sol muito acima, ou seja meio-dia local, a imagem parece mais chapada, com pouca acentuação do relevo. Já com o sol iluminando a Terra lateralmente o relevo é acentuado podendo-se distinguir inclusive as áreas de sombra, montanhas, serras e grandes lagos.

As imagens em infravermelho são bem diferentes, já que o que é mostrado são as diferenças de temperatura. Neste tipo de imagem os objetos mais quentes são mostrados em preto ao passo que os mais frios são apresentados em branco. As diferenças de temperaturas é que permitem distinguir entre lagos, áreas desertas, nuvens altas e baixas, etc.

Funcionamento
O sistema APT foi desenvolvido de modo que com pequeno custo pode-se montar uma verdadeira estação de recepção de imagens de satélites. O modo APT, assim como o fac-símile, permite a transmissão de imagens com boa resolução – 4 Km – em uma largura de banda relativamente estreita.

Quando dizemos resolução estamos nos referindo à resolução espacial. Isto significa o menor tamanho que um objeto deve possuir para que possa ser detectado e visualizado. No caso das imagens dos satélites NOAA esta resolução ou tamanho dos objetos é da ordem 4 Km

Quando você sintoniza um sinal APT, o tom de áudio que se ouve é o sinal da subportadora de vídeo modulando em amplitude um sinal de 2400 Hz. Este tom de áudio lhe parecerá contínuo porém notará que o mesmo parece estar “gorjeando”,um pouco tremido.

Esta tremulação é devida à modulação dos diferentes tons de cinza da imagem varrida pelo radiômetro. Os picos de amplitude desta subportadora correspondem as porções mais claras da imagem ao passo que as amplitudes mais baixas representam as áreas mais escuras. As amplitudes intermediárias entre destes dois extremos representam as áreas cinzas da imagem.

Ao contrário da transmissão de fac-símile onde as variações de brilho e contraste da imagem são feitas variando-se a freqüência do sinal de áudio transmitido, no caso da imagem APT estas variações são transmitidas variando-se (modulando) a amplitude do sinal de 2400 Hz presente no sinal de VHF sintonizado em 137 mHz.

Na figura abaixo podemos ver uma linha completa de uma imagem NOAA no formato APT.

1 – Pulso de sincronismo da imagem Infravermelho
Consiste em um trem de pulsos de 7 ciclos na freqüência de 832 Hz. Em nenhum momento usaremos este sinal em nossa interface. Apenas a título de curiosidade, este é o sinal responsável pelo “tic-toc” característico dos satélites NOAA.

2 - Pulso da pré-varredura Infravermelho
Ligeiramente antes do sensor iniciar a varredura da superfície do planeta existe um breve momento onde o que está sendo varrido é o espaço vazio. Como as áreas frias aparecem em branco na imagem infravermelho este sinal aparecerá na imagem como uma faixa branca na lateral da imagem mostrada. Uma vez a cada minuto o clock do computador de bordo do satélite insere uma marca nesta faixa, produzindo uma linha negra sob fundo branco na lateral da imagem. Estas marcas de tempo constituem uma valiosa referência da informação recebida.

3 – Varredura da imagem em Infravermelho Metade da imagem total recebida correspondente ao canal infravermelho. Caso o nível do sinal do receptor tenha sido ajustado para ótima performance na imagem do canal visível, o sinal correspondente a este lado da linha será fortemente saturado, produzindo uma imagem muitobranca no momento da aquisição. Falaremos dos ajustes do nível de recepção um pouco mais a frente.

4 – Telemetria infravermelho
Ao final de cada linha do canal infravermelho são inseridas dezenas de informações codificadaspelo computador de bordo. Informações sobre todos os sub-sistemas dos satélites são processadas e “impressas na imagem” para que programas especiais possam determinar o estado do satélite. Estas informações aparecem na imagem como uma espécie de código de barras. Também estes sinais serão ignorados por nossa interface já que não haverá decodificação de telemetria.

5 – Pulso de sincronismo da imagem Visível
Após a imagem infravermelho segue a imagem visível. Este trem de pulso é similar ao pulso de sincronismo infravermelho porém são 7 pulsos na freqüência de 1040 Hz. Da mesma forma que o pulso de sincronismo da imagem infravermelho, também não utilizaremos estes pulsos em nossa interface.

6- Pulso da pré-varredura da imagem visível
Igual ao pulso de pré-varredura da imagem infravermelho porém as marcas dos minutos são brancas em fundo preto.

7 – Varredura da imagem no espectro-visível
Segunda metade da imagem total correspondente ao espectro visível da imagem recebida. Devido a esta imagem ser exatamente igual a vista pelos nossos olhos, sua interpretação fica extremamente facilitada, principalmente se você ainda estiver iniciando na tarefa de recepção das imagens de satélites. Nesta imagem as nuvens são brancas, os rios, lagos e oceano são escuros e montanhas, vales e serras possuem tonalidades de cinza facilmente identificáveis.

Se você é iniciante em imagens de satélites esqueça inicialmente as imagens infravermelho dando atenção especial às imagens visíveis, otimizando os ajustes de recepção.

8 – Telemetria do Espectro Visível
A exemplo da imagem do canal infravermelho, a imagem visível também termina com dados de telemetria dos sistemas de bordo do satélite.

Durante a noite, devido a ausência de luz, duas situações distintas podem acorrer: o lado da imagem visível poderá estar totalmente negro devido a falta de iluminação na superfície da Terra ou o computador de bordo poderá preenchê-lo com qualquer outro canal infravermelho, já que existem 5 canais disponíveis.

Mesmo sendo canais infravermelhos as imagens parecerão diferentes pois os comprimentos de onda captados pelo radiômetro são distintos. Novamente aqui existem grandes diferenças entre as 2 metades da imagem recebida de modo que usuários iniciantes devem ajustar os níveis do receptor de VHF de modo a otimizar somente um dos canais.

Starsat Imagens Espaciais
Este artigo foi extraído do "Manual completo de recepção de imagens de satélites". Além de bastante informação sobre o tema, este manual ensina aos interessados como construir sua própria estação de sensoriamento remoto de baixo custo, exatamente igual a que aparece nas imagens acima. Não é um kit ou uma obra para leigos, mas leitura obrigatória para aqueles que têm curiosidade e interesse real em conhecer mais sobre o assunto.

Para mais informações acesse:Starsat Imagens Espaciais