Satellitenmeteorologie Datenerfassung

KRIEG IM AETHER
Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich
im Wintersemester 1975/1976
Leitung: Abteilung für Übermittlungstruppen, Divisionär A. Guisolan
Satellitenmeteorologie
Datenerfassung, Übermittlung, Anwendung
Referent: Dr. A. Piaget
Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als
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Satellitenmeteorologie - Vorlesung Krieg im Aether 1975/1976 (ETH Zürich)
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1-1
SATELLITENMETEOROLOGIE
Datenerfassung, Uebermittlung, Anwendung
Dr. A. Piaget
Einführung
Mit dem Aufkommen der Satelliten ist der Meteorologe in den Bereich der Astrophysik vorgestossen Er
versucht aus der Ferne durch Messung der einfallenden Strahlung die Gesetzmässigkeit der Atmosphäre
zu ergrunden Er bedient sich der gleichen Methode, wenn auch die ausgewählten Spektralbereiche des
elektromagnetischen Spektrums zum Teil andere als diejenigen der Astrophysiker sind.
Die extraatmosphärische Erkundung der Lufthülle hat knapp nach dem Zweiten Weltkrieg angefangen Die
Raketen wurden frühzeitig mit Kameras ausgerüstet. Freilich war die wissenschaftliche Keugîer mehr
auf die Erdoberflache und das sich darauf Befindliche als auf die Wolken gerichtet. Es wurden aber
rasch auch die meteorologischen Vorteile dieser neuen Beobachtungsmittel erkannt (und auch früher
realisiert als in der Fernökographie) und seit Beginn systematisch erforscht. Versuche wurden schon
mit dem ersten Exp orer-Satelliten gemacht. Die noch mangelnde Stabilisation dieser Satelliten hat
geliefert
Verwendbarkeit einer solchen Methode gezeigt, jedoch kein brauchbares Bild
Die amerikanischen Wissenschaftler haben nicht auf solche Versuche gewartet. Sie machten sich an die
Realisierung der ersten meteorologischen Satelliten, der erfolgreichen TIROS (Television nd In?ra
Satellite), noch bevor der erste Satellit auf seine Umlaufbahn gebracht wurde In
ihrer Weitsicht haben sie sogar auch angefangen, sich mit der Möglichkeit der Gewinnung vertikaler
Tempera urprofile aus Satellitenmessungen zu beschäftigen. Der erste TIROS ist erfolgrei h m
1. Apr 1 1960 in Um auf gesetzt worden. 17 Jahre später, im September 1977, wird METEOSAT, der erste
europaische meteorologische Satellit auf seine Umlaufbahn gebracht.
Die Umlaufbahnen
Von allen möglichen Umlaufbahnen, auf welchen ein Satellit kreisen kann, sind zwei Kategorien für die
a
Tur Qle
Meteorologen von besonderem Interesse:
a)
die sonnensynchronen Bahnen
b)
die sogenannte "geosynchrone" Bahn.
a)
Die Bahnebene des Satelliten bleibt nicht fix in bezug auf die Sterne. Sie hat eine Präzessionsb wegung wei die Erde keine perfekte Kugel ist. Diese Präzession hängt für die Höhe
uf we her
der Satellit kreist von der Neigung der Bahn ab. Diese letztere ist für die meteorologischen
Satelliten so gewählt, dass die Bahnebene eine Umdrehung um die Polachse in einem Jahr macht Die
Sonne ist somit immer im gleichen Winkel zu sehen. Solche Umlaufbahnen sind unter dem Namen
»sonnensynchrone» bekannt. Der Satellit überfliegt nicht die Erdpole, kommt aber genü gen T na h
um
sie standig d.h. bei jeder Umlaufbahn, zu überwachen. Für die operationellen amerikanischen
Wettersatelliten NOAA - auf einer Höhe von ca 1500 km - ist die Neigung 78° retrograd d h geaen
Westen geneigt. D e Beleuchtung der im sichtbaren Licht aufgenommenen Binder und d"e thermischen
Bedingungen der IR-Bilder bleiben jeden Tag gleich.
tnermiscnen
"Krieg im Aether", Folge XV
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b)
Für einen Beobachter auf der Erde erscheint ein Satellit stationar über dem Horizont, wenn die (Anlaufzeit 24 Stunden beträgt und die Bahnebene mit derjenigen des Aequators identisch ist. Diese
Umlaufbahn ist die "geosynchrone Umlaufbahn". Der Satellit kreist in einer Hohe von ca 36 000 km
um die Erde. Er überwacht nicht die ganze Erde, aber ständig den gleichen Anteil.
In der Realisationsphase "Welt-Wetter-Wacht" der meteorologischen Weltorganisation (WMO = World
Meteorological Organization) ist ein Satelliten-Beobachtungssystem vorgesehen, bestehend aus:
- 2 Wettersatelliten in sonnensynchronen Umlaufbahnen und
- 5 geostationären Wettersatelliten, ca 70° von einander entfernt. Einer davon wir d METEOSAT, bei
0°, sein.
Die
Erkundungsmöglichkeiten
Wie in der Einführung bereits dargelegt wurde, hat der Meteorologe die selben Möglichkeiten wie der
Astronom. Er beobachtet die Erde und ihre Lufthülle in verschiedenen empfangenen Wellenlangen.
Heute ist die Fernerkundung
passiv.
Aktive Sensoren können bis jetzt noch nicht an Bord meteorologischer Satelliten eingesetzt werden. Die
ständigen Fortschritte der Technologie und die immer grösseren Leistungen der Trägerraketen werden
dies in einer nahen Zukunft erlauben. Der amerikanische Satellit SEASAT, dessen Start des ersten Flugmodelles für den Anfang der 80er Jahre vorgesehen ist, wi rd nicht nur ein Radioaltimeter, sondern auch
zwei "Side-looking radars" mitnehmen. Bedenken wir auch, dass das Radioaltimeter von 800 km Hohe aus
die Höhe der Meereswellen bis auf 10 cm genau messen wird!
Die Fernerkundung der Atmosphäre ist bis heute auf operationeller Basis auf Abtasten des reflektierten
Sonnenlichtes und der eigenen Strahlung der Erde im Wasserdampf-Fensterbereich um 1 V
begrenzt Die
nächste, dritte Generation der operationellen, amerikanischen meteorologischen Satelliten, die TIROS N
Serie
sie löst ab Ende 1978 die heutige TIROS M ab - wird die Erde in fünf Wellenbereichen abtasten,
in 0.5 - 0.9/i (sichtbar), 0.7 (Nahe IR), 3.5 - 4 M (IR, Wasserdampffenster), 10.5 - 1 1 . 5 ^
(IR-Wasserdampffenster). Die fünfte Wellenlänge ist noch nicht definitiv gewählt worden, konnte aber
n 6 - 7 u (Wasserdampfabsorption) liegen. Im Grunde genommen geben die sichtbaren und die im Was erdampffenster liegenden Wellenlängenbereiche gleiche Resultate. Die gewonnenen Bilder gleichen sich
nicht, aber sie deuten beide auf gleiche Interpretation (Fig. 1).
Die IR-Bilder geben zusätzliche Aussagen Uber die Temperatur und als Folge auch über die Höhenverteilung der emittierenden Schichten (Erdoberflächentemperatur, Höhe und Temperatur der Wolkenfeiderobergrenze). Diese Daten erlauben im wesentlichen die Beobachtung und die Verfolgung der polaren Luftmassen und ihre gelegentlichen Vorstösse gegen die niedrigen Breiten. Das Ausweichen der Warmluft am
Pande dieser Vorstösse und die Bewölkung der innertropischen Konvergenzzone können ebenfalls uberwacht
werden Aus der Bewegung der Wolken ist es mögli ch, die Winde zu bestimmen. Die Bewegungen der tropischen Luft gegen die mittleren Breiten erfolgen in der oberen Troposphäre und haben eine a b s ] ™ e ™ e
Komponente. Sie können infolgedessen nicht beobachtet we rd e n, weil sie meistens nicht von Wolken begleitet sind. Die zukünftigen Messungen im Bereich der W a s s e r d a m p f - A b s o r p t i o n s b a n d e r werden dieses
Ueberwachen ermöglichen (METEOSAT und voraussichtlich TIROS N) (Fig. 2).
Die Möglichkeiten der "passiven" Fernerkundung der Atmosphäre können wie folgt zusammengefasst werden:
Ultraviolett:
Ozonverteilung, Variationen der Solarkonstante
Sichtbares Licht:
Wolkenverteilung, Windmessung, Schnee
Nahe (solare) IR:
Wolkenverteilung, Schnee, Eis
IR (Fenster):
Wolken und Temperaturverteilungen
IR (Absorption):
Wasserdampfgehalt und -Verteilu ng, Komponente der Atmosphäre
Mikrowellen:
Temperatur- und Wasserdampfverteilungen, Druckmessungen, Regen, Schnee und Eis
Alle:
Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre
Die Möglichkeit, dass man von Satelliten aus das vertikale Temperaturprofil (und, was demnächst möglich sein w i rd , dasjenige der Feuchtigkeit) gewinnen kann, w u rd e , wie schon erwähnt, frühzeitig erkannt. Das Prinzip der Messung beruht auf den Absorptionseigenschaften der Luftkonstituenten der
Atmosphäre wie z.B. der des Kohlendioxyds oder der emittierenden, wie im Falle der Mikrowellen, des
Sauerstoffs.
Der Radiometer an Bord des Satelliten misst die gesamte Strahlung, emittiert durch die Luftsäule, die
gerade zur Zeit der Messung im Gesichtsfeld der Optik liegt. Der Anteil jeder Tei Schicht am Ganzen
ist ungleich und hängt einerseits von der Temperatur, andererseits von der Wellenlange ab Im Fensterbereich kommt der Hauptteil aus den warmen unteren Schichten. Der Betrag der oberen Schichten ist wegen
der Temperaturabnahme mit der Höhe immer geringer. Wenn die Strahlung schwach absorbiert ist, erreicht
ein Teil der Strahlung der unteren Schichten den Satelliten nicht mehr und die nächsthöheren Schichten
liefern den Hauptanteil. Im Absorptionsbereich sind es nur die höheren Atmosphärenschichten, die zum
Ganzen beitragen. Die Anteile der unteren Schichten sind fast gänzlich absorbiert.
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Bild 1: Das Wetter über dem Atlantik am 29. Januar 1976
Die gut sichtbare Spirale entspricht in den meteorologischen Karten einem kräftigen Tief. Die
Bewölkung in der gegen die südlicheren Breiten vorstossenden Kaltluft ist "zellenartig" organisiert (Bildmitte links). Die Kaltfront ist durch das breite, halbmondförmige Wolkenfeld gekennzeichnet. Dort sind Jet-Stream-Wolken (Cirren: weiss im IR Bild) vorherrschend. Die Wirbelung
des zentralen Teiles der Polarluft ist deutlich erkennbar. Die zwei Spiralen im Norden (im VIS
nicht sichtbar, weil dort die Polarnacht herrscht) entsprechen alten Kaltluftvorstössen im
Auflösungsstadium.
(Bildaufnahme: Radio Schweiz AG und Schweizerische Meteorologische Zentralanstalt)
Die beiden Bilder auf der folgenden Seite 4-4 zeigen, trotz gewissen Aehnlichkeiten wesentliche Unterschiede. Die zwei markantesten sind:
- Die Vorstösse (im 6,7ft) über gewissen Gebieten der Tropikluft (Grautöne zwischen Aequator und mittleren
Breiten)
- Das Absinken der stratosphärischen Luft entlang der Frontflächen (dunkle, dünne Bänder in mittleren
Breiten, gut sichtbar z.B. im unteren Bildviertel (Süd-Hemisphäre) des 6,7fi -Bildes)
Im 6,7,u,-Bild ist Uber der iberischen Halbinsel ein Wirbel
erscheint.
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sichtbar, der auf dem 11,5/x-Bild nicht
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8 A U G U S T 1973
6 . 7 fjm
Vergleich von zwei
IR-Bildern
Oberes Bild:
Unteres Bild:
Wasserdampfabsorption 6,7/i
Wasserdampffenster
11,5,»
(US-Experimenteller Satellit Nimbus 5)
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Durch einer komplizierten mathematischen Prozess ist es möglich, aus der gemessenen Strahlung die
Temperatur der am meisten beitragenden Schicht oder die Temperaturprofile, die diese Strahlungen erzeugen, zu bestimmen. Letztere Methode wird operationell angewendet. Die Repräsentation der Messung
hängt von dem Auflösungsvermögen der Optik ab. Mit den heutigen Instrumenten bekommt man die mittlere
Temperatur einer 10 x 70 km-Fläche pro Schicht (im Mikrowellenbereich nur von 140 x 140 km). Dank den
schwachen horizontalen Temperaturgradienten sind sie mit den punktmässigen Messungen der Radiosondierungen vergleichbar.
Die aus den Satelliten gewonnenen Daten liefern, abgesehen von den Temperaturprofilen, ganz neuartige
meteorologische Beobachtungen. Bis heute bildeten die synoptischen Karten das Grundmaterial. Jetzt
sieht sich der Meteorologe direkt mit dem Wetter konfrontiert. Es ist die Meinung des Verfassers, dass
ein voller Gewinn nur dann zu erreichen ist, wenn die Meteorologie eine Richtungsänderung erfährt. Ist
man schon sicher, dass man einen besseren Weg begehen wird? Dieses Unternehmen wird Zeit erfordern in
einem Moment, wo die gerade vor den meteorologischen Satelliten hervorgetretenen numerischen Methoden
so erfolgreich sind und ein grosses Forscherpotential beschäftigen.
Datenübertragung
Wie gelangen diese Informationen an den Benutzer? Es ist selbstverständlich, dass sie im täglichen
Wetterdienst nur nützlich sind, soweit es gelingt, sie möglichst verzugslos zu verbreiten. Die Uebermittlung solcher Daten muss zwei verschiedene Aspekte berücksichtigen. Einerseits muss die Uebermittlungsart so einfach wie möglich sein, so dass die Bodenstationen unkompliziert bleiben. Nur dies
sichert eine weltweite Verbreitung solcher Empfangsstationen. Das meteorologische Bodenübermittlungsnetz ist schon leistungsfähig, besonders in Europa und Nord-Amerika, kann aber nicht die zusätzliche
Last aufnehmen. Andererseits ist der Datenfluss verschieden, je nach dem Radiometer. Er ist wesentlich
dichter für hochauflösende Instrumente als für diejenigen mit einem mittleren Auflösungsvermögen. Die
Bilder sind in Linien, die Linien in Bildpunkte, sog. "Pixels" geteilt. Je höher die Auflösung, desto
grösser die Zahl der zu übermittelnden Pixels. Die Uebermittlung aller Daten mit einem einzelnen System
ist nicht möglich. Es wurde auch für jeden operationellen Radiometer ein eigenes System entwickelt.
Eine andere Möglichkeit besteht für die Verbreitung der Daten, die von einem geostationären Satelliten
gesendet werden. Die Daten werden durch Kombination in der Zentralstation reduziert und in einfachem
Format via Satellit wiedergesendet.
Der erste direkte Empfang wurde anfangs 1966 operationell eingeführt, nach erfolgreichen Versuchen
mittels der Wettersatelliten TIROS 8, 1963, und Nimbus 1, 1964, beide aus den USA. Dieses System wurde
auch für die US-Air Force entwickelt. So kann jede Basis ausgerüstet werden und ist in der Lage, die
Wetterbedingungen in und weit über ihrem Gebiet zu überwachen. Die Daten der experimentellen Satelliten
werden nicht in Echtzeit gesendet, aber an Bord auf Magnetbänder registriert und später von der Kommandostation aus abgefragt.
Das Uebermittlungsprinzip wird auf Grund zweier Beispiele beschrieben, jenes der polaren Wettersatelliten NOAA und jenes des METEOSAT. Gleichzeitig wird ebenfalls die Eigenart der aufgenommenen Daten
besprochen.
CONTROLE
THERMIQUE
Bild 3: Schema eines USA-meteorologischen Satelliten der Serie TIROS-M, im Umlauf
NOAA genannt.
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Bild 3 zeigt ein Schema der NOAA. Die Stabilisation ist gyro-magnetisch. Sie bewirkt, dass die die
Instrumente tragende Bodenfläche immer gegen die Erde gerichtet ist. Die Doppelführung der Instrumente
an Bord ist nur bedingt als Redondanz. Das "Back up" ist in Wirklichkeit durch einen zweiten Satelliten
auf Umlaufbahn gesichert. Nebenbei bemerkt: Es hat sich erwiesen, dass der Reservesatellit im Weltraum weniger leidet als im bestklimatisierten Raum!
Die Abtastung erfolgt senkrecht zur Bewegungsrichtung mittels eines rotierenden Spiegels. Die Umdrehgeschwindigkeit ist so gewählt, dass der im Infrarotbereich abgetastete Streifén sich unmittelbar an
den vorhergehenden anlehnt. Weil die Geschwindigkeit des Projektionspunktes des Satelliten auf der
Erdoberfläche für eine Kreisbahn konstant ist, hängt diese Rotation von der Optik ab. Selbstverständlich ist letztere von der gewünschten Qualität der Beobachtung abhängig. Schliesslich bestimmt das
diesbezüglich gewählte Uebermittlungssystem das Ganze.
Zwei verschiedene Radiometer rüsten den Satelliten aus: die SR-Radiometer (Scanning Radiometer) für
die Aufnahme von Bildern mittlerer Auflösung und die VHRR-Radiometer (Very High Resolution Radiometer)
für die Aufnahme von Bildern hoher Auflösung.
SR-Radiometer
Die Rotationsgeschwindigkeit der SR beträgt 48 U/min, was einer Abtastungszeit von 1250 m/sec pro
Linie entspricht. Die Auflösung der Bilder ist ca 4 km im sichtbaren Bereich (VIS) und ca 8 km im
Infrarot (IR). Die simultane Uebermittlung beider Kanäle ist mit dem ausgewählten VHF-System nicht
möglich. Die IR-Signale eines SR werden durch diejenige VIS-Signale des zweiten SR gefolgt, weil beide Spiegel mit einer 180O-Verschiebung drehen. Beide werden mit einem Zeitmultiplexverfahren kombiniert. Das resultierende Analogsignal moduliert die Amplitude eines Hilfsträgers von 2400 Hz. Dieses
moduliert anschliessend die Frequenz des VHF-Trägers.
Die Hauptmerkmale dieses Systems, als APT (Automatic Picture Transmission)-System bekannt, sind:
Frequenz
137,5 oder 137,62 MHz
Senderstärke
5 Watt (+ 37 dBm)
Trägermodulation
FM
Spitzenabweichung des Trägers
9 KHz - 1 KHz
HF Bandbreite
27,2 KHz
Hi 1fsträger-Frequenz
2400 Hz
Spitzenabweichung des Hilfsträgers
90 %
HiIfsträger-Modulation
AM
Antennenpol arisati on
Linear
Video-Bandbreite
IR-Daten 450 Hz, VIS-Daten 900 Hz
Die beiden Frequenzen wurden gewählt, um Interferenzen zwischen zwei sendenden Satelliten zu vermeiden. Die Reihenfolge der verschiedenen Teilperioden der gesamten 1250 msec Abtastungszeit für jeden Radiometer ist in der nächsten Tabelle angegeben:
Synchronisation, bestehend aus 7 "300 Hz-Impulsen"
30
msec
Verstärker-Regenerierungsperiode
20
msec
Weltraumabtastung
Erdabtastung
Weltraumabtastung
Spannungskalibrierungssignale
(5 Schritte)
Gehäuseabtastung (gleichzeitig Uebermittlung des 2. Kanals)
41
msec
378
msec
61
msec
60
msec
660
msec
1250
msec
Die relativ einfache Empfangsstation besteht im wesentlichen aus einer steuerbaren Antenne (mit
Steuerung), einem Bandfilter, einem Vorverstärker und einem VHF-Empfänger (siehe entsprechende Komponente in Bild 4).
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ANTENNE VHF
13 7 MHz
CHAINE DE RECEPTION APT
ENREGISTREUR
REPRODUCTEUR
RECEPTEUR
FM BP 40kHz
(5) •
AFFICHAGE DE
LA POSITION
VIS+IR DIRECT
SEPARATEUR
D'IMAGES
VIS / IR
COMMANDE
MANUELLE
POSITIONNEMENT <[
il
APT i
j AMPLI j
m-ISM
1
LIGNE TEL.
DE L 'ANTENNE
COMMANDE
AUTOMATIQUE
HORLOGE
A QUARTZ
PROGRAMMABLE
TRANSPORT MANUEL
DES BANDES
MAGNETIQUES*
PROGRAMMATEUR
< 0
^SUR BANDE
ANTENNE UHF
1697,5 MHz
COMMANDE
AUTOMATIQUE
POSITIONNEMENT
(sUs)
REPRODUCTEUR
11,43cm/sec
( 2 ) ©
(5)
• J
DE L 'ANTENNE
—
ENREGISTREURS
MAGNETIQUES
REPRODUCTEUR
19,05cm/sec
D'IMAGES
48/96/240 t/min
COMMANDE
(5)
SCHEMA GENERAL
DE L'INSTALLATION
AFFICHAGE DE
LA POSITION
AMPLI
PARAMET.
CONVERTISSEUR
RECEPTEUR
60 MHz
CHAINE DE RECEPTION HRPT
CONVERTIS.
HRPT / APT
R E C E P T I O N DES
SATELLITES
MÉTÉOROLOGIQUES
Bild 4: Schema der Empfangsstation von Colovrex/GE (Radio Suisse SA)
Die demodulierten Signale werden auf einem Bildwiedergabegerät sichtbar gemacht und gleichzeitig auf
Magnetbander aufgenommen. Eine Zeitmessung (Quarzuhr) zwecks geographischer Bestimmung der Bildpunkte
ist notwendig fur die spateren meteorologischen Auswertungen.
Die schweizerische Empfangsstation wurde von CIR (Compagnie pour l'Industrie Radioelectrique) in Bern
und von Radio Schweiz AG konzipiert und realisiert. Sie befindet sich in Colovrex bei Genf und wird
von Radio Schweiz AG fur die Meteorologische Zentralanstalt betrieben. Die Bilder werden mittels Telep h o n l i m e n an die Zentrale und die Annexanstalten der MZA in Echtzeit weitergeleitet.
Die empfangenen Bilder
Kurzmittelfnstprognose
hang er Wolkenfelder.
nächsten sind wichtig,
Dynamik der Troposphäre
dienen hauptsächlich der Synoptik und infolgedessen auch der Kurzfrist- bis
(12 Std - 2 Tage). Daraus ersieht der Meteorologe den grossräumigen ZusammenNicht nur die feststellbaren Bewegungen und Transformationen von einem Tag zum
sondern auch das "Aussehen" der Wolkenfelder gibt wertvolle Angaben über die
a
(siehe Bild 1).
Die VHRR-Radiometer
Die VHRR haben eine Auflösung für beide Kanäle im Unterschied zur SR von ca 900 m auf die
Dle e ts rech
nÛh.?î
. " P
f ? d e Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels ist 400 U/min. Der
geha t jeder Linie ist wesentlich grösser als vorher und die Abtastungsgeschwindigkeit ist
75 msec fur jeden Kanal, herabgesetzt. Wenn die SR-Abtastungslinie ein Aequivalent von 800
betragt diejenige der VHRR 3200 Pixels, also das Vierfache des SR-Radiometers.
Senkrechte
Informationsauf 150 m se c,
Pixels hat
Verschiedene Sendeverfahren sind vorgesehen. Im Normalfall - die beiden vor der Optik montierten Soieael
drehen wie vorher mit einer Phasenverschiebung von 180° - „erden die beiden Signale In einer Art "t me
sharing« kombiniert. Das resultierende Signal erzeugt eine Frequenzmodulation eines 99 KHz-HiIfsträgers
Im Falle einer Störung eines der beiden Radiometer sind zwei Möglichkeiten offen. Die einfache ist nur
da Senden der Signale des funktionierenden VHRR-Kanals. Die zweite Alternative beding? eine Reduktion
des Signal/Rausch-Verhältnisses. Die beiden VIS- und IR-Signale können durch ein Frequenzmultiplexver24 "KHz 9 Ììfìltllll
^
" K H z " H i 1f s t ™ g e r «Ird durch das IR-Si nal ein
d e
249 KHz-Hi fstrager durch das VIS-Signal frequenzmoduliert. Für jedes der besprochenen Verfahren wird
anschliessend der UHF-S-Träger (1697,2 MHz) durch den oder die Hilfsträger ebenfalls frequenzmodul ert
Im Normalfal1 wird ein Modulationsindex von 2, in Ausweichfällen einer von 1/3 für L n 99 KHz-Hi f
trager und einer von 1/2 für den 249 KHz-Hilfsträger benützt.
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Die wesentlichen Merkmale sind die folgenden:
1697,5 MHz
Frequenz
5
Senderstärke
Trägermodulation
HF-Bandbreite
(Normal 1 fai 1 )
HF-Bandbreite
(Back up 1. Hilfsträger)
HF-Bandbreite
(Back up 2. Hilfsträger)
Videobandbreite
Antennenpolarisation
W a t t
FM
0.9 '"1Hz
0,9 MHz
1 MHz
35
KHz
kreisförmig, nach rechts
Die Merkmale des Signals eines Kanals (nur in sehr vereinfachter
Synchronisation
Weltraumabtastung
Erdabtastung (SR 378 msec)
Weltraumabtastung
Kalibrierung
Gehäuseabtastung + Multiplex-Toleranz
(Uebermittlung des 2. Kanals)
Form):
m s e c
2,1
45,3
msec
msec
4
>6
m s e c
10
>3
m s e c
77,6
150
msec
msec
Die Empfangsstation besteht im wesentlichen aus einer Parabolantenne, einem parametrischen Vorverstärker einem UHF/VHF-Converter, einem Empfänger/FM-Demodulator und zwei Hilfstragern/FM-Demodulatoren
Die Energiebilanz (Sendestärke: 37 dBm; "Path loss" für eine Distanz von ca 4000 km, entsprechend einer Elevation von 5°, für einen Satelliten auf einer Höhe von 1500 km kreisend:_
-169 2 dBm- u a.) verlangt für einen guten Empfang einen Parabolreflektor der Antenne von einem
Durchmesser von mindestens 3 m. Die manuelle Steuerung ist in diesem Fall nicht mehr möglich und muss
durch eine programmierte Steuerung oder durch Autotracking erfolgen.
Das demodulierte Signal kann nicht mehr durch die gebräuchlichen Facsimile-Geräte sichtbar gemacht
werden
Die für diesen Zweck entwickelten Bildwiedergabegeräte, meistens auf moduliertem Laserstrahl,
sind heute ebenso teuer wie die übrigen Empfangseinrichtungen. Trotz ihrer guten Qualltaten vermögen
sie auch nur einen Teil der Grautöne wiederzugeben.
Dieses System ist bekannt unter dem Namen HRPT-System (High Resolution Picture Transmission). Die
Empfangsstation von Colovrex wurde modifiziert und ergänzt, um ebenfalls diese Daten zu empfangen.
Die Installation und Konzeption wurde wieder von CIR, Bern, in Verbindung mit Ingenieuren der Radio
Schweiz AG, realisiert (Bild 4).
Um eine Uebermittlung der Daten, trotz der Bandbreite des Videosignals, nach der Landes- und Regionalwetterzentrale der Meteorologischen Zentralanstalt zu ermöglichen, wird folgendermassen vorgegangen:
Das empfangene Analogsignal wird mittels eines A/D-Umwandlers digitalisiert. Jede L i m e (VIS oder IR)
wird dadurch in 3200 Punkte zu 5 (später 8) Bits aufgelöst. Die ersten 800 Punkte werden einem ersten
Zwischenspeicher zugeführt, die 800 nächsten einem zweiten, usw. Die Registrierzeit pro Speicher beträgt 12,5 msec. Die restlichen 137,5 msec, die übrig bleiben, bevor die Angaben der nächsten L i m e
kommen, werden für das Ablesen des Speichers mit reduzierter Geschwindigkeit verwendet.
Das Digitalsignal wird anschliessend mittels eines D/A-Umwandlers wieder in ein Analogsignal umgewandelt. Letzteres wird auf einem Magnetband zugeführt und mit einer Geschwindigkeit von 19.05 cm/sec
registriert. Die Wiedergabe erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 11.4 cm/sec. Das Verhältnis 19.0b/
11.4 entspricht jenem von 400/240, wobei 240 die Umdrehungsgeschwindigkeit der Facsimile-Gerate ist
(zusätzlich zu 48 u/min), und die Trägerfrequenz ist auf 2400 Hz herabgesetzt.
Dieses Verfahren erlaubt nicht nur die Fernübertragung des VHRR-Bildes mit leichter Verspätung, sondern entspricht auch einer Vergrösserung des übermittelten Teiles. Nur die Alpen und die umliegenden
Gebiete werden so übermittelt. Die empfangenen Bilder (s. Bild 5) dienen hauptsächlich der sehr kurzfristigen Prognose (Warnung u.a.) und dem Flugwetterdienst. Mit ihnen hat der Meteorologe einen besseren Ueberblick über die Wolkenfelder in seinem "Prognosengebiet".
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IR
Die Alpen sind gut erkennbar (Bildmitte). Die
tiefverschneiten Gebirge
heben sich deutlich hervor. Die Seen erscheinen
in beiden Bildern (VIS
und IR) dunkel, im VIS
durch den Kontrast gegenüber den schneebedeckten Ufern (Mittelland), im IR wegen dem
Temperaturunterschied
zwischen dem kalten Boden und den wärmeren
Wasseroberflächen.
Ueber dem Mittel land
sind die Seen zum Tei 1
durch eine Hochnebeldecke verdeckt. Das untere Rhonetal und die
Po-Ebene sind schneefrei . Die aus dem Tief
fliessenden Cirren (rechte Bildhälfte) sind
antizyklonal gekrümmt.
VIS
Bild 5: Das Wetter in der Schweiz am 29. Januar 1976
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Die neue Generation von operationeilen Satelliten, die TIROS N, wird die VHRR-Daten in fünf, statt
wie bisher in zwei Bändern des elektromagnetischen Spektrums aufnehmen. Die Signale werden an Bord
digitalisiert. Ein kleiner Rechner im Satellit generiert daraus die APT-Signale.
METEOSAT
METEOSAT ist eine europäische Entwicklung, die im Rahmen der ESA (European Space Agency) stattfindet
und die durch acht Länder (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Grossbritannien, Italien,
Schweden und Schweiz) finanziert wird. Bild 6 zeigt das thermische Testmodell.
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2-11
METEOSAT wird voraussichtlich im September 1977 auf eine erdsynchrone Bahn in Umlauf gebracht. Der
Satellit wird bei 0° stationär in bezug auf die Erde sein. Das METEOSAT-System ist im Bild 7 schematisch dargestellt.
Ground Facilities Meteosat
PDUS
G/T » 6 dB/°K
Data Acquisition
Telecommand anc
Tracking Station
Operation
and
Control
Center
Oata Referencing and
Conditioning
Center
Meteorological
Information
Extraction
Center
Bild 7:
Hauptkomponenten des METEOSAT-Systemes
Die Ausrüstung umfasst, abgesehen von den üblichen, für das Ueberwachen und Funktionieren des Satelliten benötigten Geräten und Aggregaten, einen dreikanaligen (VIS und IR: Wasserdampffenster, wie bei
den operationellen Satelliten, dazu auch im dritten Kanal, jenen der Wasserdampfabsorption bei 6 . 7 ^ )
Abtastradiometer und ein System für das Abfragen von Bodenstationen (wie Bojen, driftende Ballone,
Stationen in unwegsamen Gebieten usw.) und das Weiterverbreiten der empfangenen Meldungen. METEOSAT
wird mehr als 1000 solcher Stationen abfragen können.
Die Bilder werden ebenfalls Linie pro Linie aufgenommen. Die Stabilisierungsrotation dient der Linienabtastung (100 Umdrehungen in der Minute). Das Umschwenken des Radiometers erlaubt den Uebergang von
einer Linie zur nächsten. Bei jeder Umdrehung werden abgetastet:
- in der Nacht zwei Linien (die beiden IR)
- am Tag
drei Linien (die beiden IR und eine VIS oder eine IR und die beiden VIS)
Die Auflösung der VIS-Bilder ist somit linear zweimal besser als diejenige der IR, d.h. 2.5 km gegen
5 km am Aequator bei 0°. Es ist heute technisch noch nicht möglich, eine bessere IR-Auflösung zu erreichen (Grenze des Fühlers), wobei in VIS von geostationären Satelliten aus (USA SMS = Synchronous
Meteorological Satellite) bereits eine Auflösung von 800 m erreicht ist!
Die Signale werden in Echtzeit an die Zentralstation gesendet. Eine Bildaufnahme benötigt 25 Minuten,
weil das Bild 2500 IR-Linien und 5000 VIS-Linien beinhaltet. Fünf Minuten sind notwendig, um den Radio
meter wieder auf seine ursprüngliche Anfangslage zu bringen. Der Bildaufnahme-Rythmus ist somit eine
Bildserie pro halbe Stunde.
Die Signale werden an Bord des Satelliten digitalisiert. Die IR-Linie besteht aus 2500 Punkten zu
8 Bits (256 Grautöne, was einer Temperaturauflösung von 1° K entspricht), diejenige im sichtbaren
Licht aus 5000 Punkten zu 6 Bits (64 Grautöne). Die 80 1 Q00 Bits, die pro Umdrehung anfallen, werden
durch einen Zwischenspeicher aufgenommen während der Zeit, in der die Erde im Gesichtsfeld liegt. Sie
werden anschliessend mit reduzierter Kadenz (ein Echtzeitempfang im Falle eines Ausfalles des Zwischen
Speichers ist vorgesehen) nach der Zentralstation gesendet. Weil die Erde auf diese Distanz (ca
36'000 km) einen scheinbaren Durchmesser von 18° hat, dauert die Aufnahmezeit einer Linie 30 msec und
die Sendezeit beansprucht die restlichen 570 msec (inklusive die Synchronisationsangaben). Die Sendekadenz ist 168 KBits/sec.
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Die empfangenen Signale erfahren eine erste Behandlung (z.B. Korrektur wegen der Optik oder der abweichenden Lage der Satelliten), bevor sie via Satellit an die sogenannten PDUS ("Primary Data" User
Station) Ubermittelt werden.
Die Normen sind noch nicht endgültig festgelegt. Die Sendefrequenzen werden 1694.5 und 1691 MHz sein
und das Signal PCM-SP/PM moduliert. Die Sendestärke ist 1 Watt für das direkte Bild und 10 Watt für
die Wiedergabe an den PDUS.
Die Energiebilanz erfordert für einen guten Empfang eine Parabolantenne mit einem 4.5 m-Durchmesser
des Reflektors. Die Elemente der PDUS weichen nicht.von denjenigen einer HRPT-Station ab. Weil die
Uebermittlung digital erfolgt, müssen sie durch einen Digitalformat-Modulator, einen Bit- und einen
Synchronisator ergänzt werden. Das Bildwiedergabegerät muss in der Lage sein, 5000 Punkte pro Linie
wiederzugeben. Die heute existierenden HRPT-Bildwiedergabegeräte wurden bereits für solche Bedingungen
entwickelt.
Es ist nicht zu erwarten, dass die PDUS eine weite Verbreitung (besonders in Afrika) finden werden.
Dies ist nicht nur eine Folge ihrer hohen Anforderungen und der daraus folgenden digitalen Bildauswertung, sondern ebenfalls auch des teuren Preises des Bildwiedergabegerätes. Eine zweite Art der
Datenübermittlung ist auch vorgesehen. Sie ist speziell für eine einfachere Empfangsstation des Typus
APT-Station, die SDUS ("Secondary Data" User Station), konzipiert. Die Uebermittlung der Daten erfolgt
nach dem APT-Verfahren, in Analogform. Das gesamte Bild wird in der Zentralstation bereits während des
Empfangs in Teilbilder zu 800 Linien, jede Linie mit dem Aequivalent von 800 Punkten, das IR-Bild in
9 Teilbilder, dasjenige im sichtbaren Licht in 32 Teilbilder zerlegt. Die volle Auflösung bleibt erhalten, dagegen reduzieren sich die Grautöne auf 16 Stufen (darum der Name "Secondary Data"), entsprechend den Möglichkeiten der herkömmlichen Facsimile-Geräte. Jedem Bild geht ein 3-Sekunden-300 HzStartsignal und 5-Sekunden-Synchronisierungssignal voran. Es wird anschliessend mit einer Uebertragungsgeschwindigkeit von 4 Linien pro Sekunde (240 U/min) gelesen. Die Gesamtsendedauer beträgt
3.6 Minuten. Der Unterschied zur heutigen APT-Uebermittlung besteht in der Wahl der Trägerfrequenz im
UHF-S (1694.5 oder 1691)-Bereich und nicht mehr im VHF-Bereich.
Die Sendestärke ist wie für die Digitalsignale ebenfalls 10 Watt. Die Energiebilanz erfordert für
einen guten Empfang für die Antenne der SDUS einen Durchmesser des Parabolreflektors von mindestens
3 m. Sonst ist der Aufbau einer SDUS gleich wie derjenige einer APT-Station. Die schweizerische APTHRPT-Station in Colovrex entspricht diesen Normen und wird von Anfang an in der Lage sein, die APTUebermittlung des METE0SAT aufzunehmen.
Es wird nicht möglich sein, alle Bilder vollständig in Digital- und Analogform zu übermitteln, trotz
den beiden an Bord des METE0SAT vorgesehenen Sendern. Eine Auswahl wurde bereits getroffen und eine
Arbeitsgruppe hat schon einen provisorischen Sendeplan entworfen. Die Belegung beider Sender bleibt
immerhin hoch, mehr als 90 %. Auf einem der beiden Kanäle wird ein gemischtes Digital/Analog-Programm
übermittelt. Im vorgesehenen Plan sind auch reine Uebermittlungsaufgaben inbegriffen. Eine Verbreitung
von ausgewerteten Wetterkarten, besonders für den Flugwetterdienst, die sogenannten WEFAX (Weather
Facsimile)-Sendung, ist vorgesehen. Anderseits wird die leistungsfähige französische meteorologische
Empfangsstation von Lannion (Bretagne) die von ihr aufgenommenen SMS-Bilder via METE0SAT an die PDUS
und SDUS weitersenden. Der SMS-Satellit (Geostationary Environmental Observation Satellite) ist eine
amerikanische Entwicklung und wird bei ca 75° W stationär sein.
Anwendungen
1.
Wenn METE0SAT und die TIR0S-N ihre Funktionen (
1978/79) aufnehmen werden, wird sich der Meteorologe mit einer Flut von Daten konfrontiert sehen. Eine "Bildproduktion" wird sinnlos, weil er
nicht mehr in der Lage sein wird, alle diese Bilder richtig und optimal auszuwerten. Es wird sich
eine quantitative selektive Auswertung der erhaltenen Informationen, d.h. eine Auswertung mittels
elektronischem Rechner aufdrängen.
Dies wird dadurch vereinfacht, dass die Verbreitung aller "Primary Data" digital erfolgen wird.
Eine für die Schweiz durchaus mögliche Lösung ist in Bild 8 dargestellt.
2.
Da die Satelliten den Akzent auf die Wolkenfelder und grossräumige und kleinräumige Wolkentransporte setzen, und andererseits der Meteorologe bis jetzt mit meteorologischen Karten zu arbeiten
gewohnt ist, wird eine vollkommene Integration der Satellitendaten in die Methoden nur langsam erfolgen. Bis jetzt haben im Grunde genommen nur die "konventionellen" Daten: der Wind (von der Bewegung der Wolken abgeleitet) und die Temperatur (aus den gemessenen Radianzen gerechnet) richtig
ihre Anwendung gefunden. Es ist nicht einfach und auch menschlich, wenn man langjährige bewährte
Methoden erst verändert, wenn man mehr als sicher ist, dass das Neue wirklich besser ist. Der Verfasser ist der Ueberzeugung, dass die Möglichkeit einer digitalen Auswertung für eine sinnvolle
und fruchtbare Anwendung der Satellitendaten in der Meteorologie notwendig ist.
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ANTENNA AREA
STATION BUILDING
RADIO—SUISSE ltd COLOVREX-Ger.eva
TRANSMISSION
FACILITIES
COMPUTER+DI S P L A Y
PREMISES
Institut suisse
de météorologie
ZURICH
HRPT
DIGITAL
Preprocessing
Memorizing
(Store and foreward)
Retransmission
(Remote control)
= Total information or
partial information
41
DEMODULATORS
—
VHF
PREAMPLIFIER
+ DCWN
CONVERTERS
RECEIVING CHAIN
!
RECEIVERS
1,7 GHz
-
MODEM
9600 BPS
FM
WEFAX ANALOG
AM Demodulator
Contrast equalizer
Tape record
Local display
TIROS-N + METEOSAT
RADIO-SUISSE
LTD
TELECOMMUNICATIONS + AIR NAVIGATION SERVICES
Bild 8: Möglichkeit einer quantitativen selektiven Bilsauswertung
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