Satellitenwelt - APT Empfang von umlaufenden Wettersatelliten

APT Empfang von umlaufenden Wettersatelliten

Autor: Maik Hermenau

Für die heutige Wettervorhersage sind Wettersatelliten einfach unverzichtbar. Aus den Satellitenbildern heraus kann man die meteorologischen Vorgänge im Gesamtbild viel besser beobachten, als man es von Stationen am Boden je machen könnte. Mittels der gewonnenen Wetterdaten von den Satelliten, ließ sich so die Wettervorhersage in den letzten Jahren von drei auf fünf Tage steigern. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Wettersatelliten. Einmal die umlaufenden Wettersatelliten die sich in einer Flughöhe von ca. 800 km über der Erde bewegen und in 12 Stunden jeden Punkt der Erde überfliegen. Zum anderen die Wettersatelliten die sich in einer geostationären Umlaufbahn in 36.000 km Höhe, praktisch an einer festen Position am Himmel verweilen und einen steht’s aktuellen Anblick der Wettersituation ermöglichen. Mit dem eigenen Empfang von Wetterbildern kann man sich ein unabhängiges Bild der Lage von Wolkenfeldern und ihre Zugrichtung verschaffen. Die umlaufenden Wettersatelliten sind weniger aufwendig zu empfangen und bieten zugleich auch eine bessere Auflösung der Bilder. Aber auch für denjenigen der sich nicht unbedingt mit der Wettervorhersage beschäftigen möchte, sind selbst empfangenen Wetterbilder immer wieder ein Reiz die Erde aus dem Weltraum zu sehen, so wie es sonst nur Astronauten können.

APT Empfang

Im Dezember 1963 wurde der amerikanische Tiros 8 (Television and Infra-Red Observation Satellite) Wettersatellit gestartet. Mit Tiros 8 erprobte man erstmals die Übertragung von Wetterbildern im APT (Automatic Picture Transmission) Format. Während eines Umlaufes wurden rund 30 Einzelbilder vom sonnenbeschienenen Teil der Erde, auf ein Bandaufzeichnungsgeräte im inneren des Satelliten gespeichert. In Funksicht zu einer amerikanischen Kontrollstation wurden alle bis dahin gespeicherte Wetterbilder auf ein Kommando, mit dem 30fachen der normalen Aufnahmegeschwindigkeit abgespielt und zum Boden gesenden. Später wurde dann begonnen eine durchgehende Echtzeit-Übertragung von Wetterbildern zu realsieren, um einen weltweiten Empfang zu ermöglichen. Zu dieser Zeit war es aber nur sehr wenigen vorbehalten eigene Wetterbilder empfangen zu können. Es war sehr aufwendig und setzte die Anschaffung teurer Technik voraus. Da es noch keine geeigneten Computer gab, wo man die Wetterbilder hätte dekodieren können, mußte man die Signale anstatt mit Hilfe eines FM-Demodulators in Bildimpulse umsetzen und an einen Telebildschreiber leiten, der die Wetterbilder mit einer helligkeitsgesteuerten Lampe auf lichtempfindliches Photopapier zeichnete. Anschließend mußte noch das Photopapier in der Dunkelkammer entwickelt, fixiert und getrocknet werden, bis man das fertige Wetterbild in den Händen halten konnte.
Ob wohl sich viel verändert hat, werden auch heute noch Wetterbilder mit dem alten analogen APT Format von damals übertragen. Es sind nur noch ausschließlich amerikanische NOAA Satelliten, welche das APT Format verwenden. Diese bewegen sich in sonnensynchrone Umlaufbahnen, ca. 800 km über der Erdoberfläche und überfliegen im Laufe eines Tages mit bis zu 6 Überflügen von max. 15 Minuten Länge pro Überflug den eigenen Standort. Dabei sind Wetterbeobachtungen im Umkreis von 6.000 km um den eigenen Standort möglich. Ein an Bord der Satelliten befindliches Radiometer AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), tastet mit Hilfe eines rotierenden elliptischen Spiegelsensor, kontinuierlich im Winkel von ±55,4 Grad die Erdoberfläche ab und sendet dies als fortlaufendes schwarz/weiss Endlosbild zum Boden. Die NOAA Satelliten übertragen gleichzeitig das Wetterbild in zwei verschiedenen Spektralkanälen. Einmal im sichtbaren Bereich, so wie man es mit seinen eigenen Augen sehen würde und im infraroten Bereich, wo man auch noch bei völliger Dunkelheit auf der Nachtseite der Erde eine exzellente Sicht hat. Zusätzlich können mit dem Infrarot-Kanal Temperaturunterschiede am Boden, in Wolken und in Gewässern gemessen und dargestellt werden. Die Auflösung der NOAA Bilder im APT Format beträgt 4 km, bei einer Abtastrate von 4 Zeilen pro Sekunde und max. 1024 Pixel pro Zeile.

Derzeit gibt es noch drei funktionsfähige NOAA Satelliten, welche noch im analogen APT Format senden. Noch vor einigen Jahren gab es nebenher auch russische umlaufende Wettersatelliten vom Typ Meteor, Resurs, Okean und Sich. Die Meteor und Resurs Satelliten sendeten ähnlich wie die NOAA Satelliten ein Endlosbild, befanden sich aber in einer höheren Umlaufbahn von ca. 1.200 km, hatten eine bessere Auflösung von 2 km, konnten aber nur entweder im sichtbaren oder infraroten Bereich arbeiten. Die Okean und Sich Satelliten hingegen dienten nur zur Eiskontrolle und Sturmbeobachtung des Polarmeeres. Sie wurden nur sporadisch auf Kommando verschiedener russischer Kontrollstationen, in denen von Deutschland aus weit östlichen Überflügen eingeschaltet. Im Vergleich zu den Meteor und Resurs Satelliten, hatten die Okean und Sich Satelliten eine noch sehr viel bessere Auflösung von 200 m im sichtbaren und 600 m im infraroten Bereich. Der letzte russische aktive Wettersatellit der im APT Format senden konnte, war der im Dezember 2004 gestartete Sich 1M. Nach einem teilweise versagen der Oberstufe beim Start, gelangte er in eine zu tiefe Umlaufbahn und hatte somit eine Lebensdauer von nur 15 Monaten. Es gibt noch eine Reihe von amerikanischen untoten Wettersatelliten, die auf den üblich genutzten Frequenzen mit unmodulierten Trägern, Interferenzen mit noch aktiven Wettersatelliten verursachen können.

Hard- und Software

Alle umlaufenden Wettersatelliten nutzen für die APT Übertragungen das internationale Satelliten-Telemetrieband zwischen 137-138 MHz. Die FM-Sender der Satelliten verwenden eine etwas untypische Bandbreite von 34 kHz. Der Empfang ist somit mit normalen Funk-Empfängern nicht möglich, da diese eine meist zu schmale Filterbandbreite von nur 12-15 kHz besitzen. Eine zu schmale Filterbandbreite verstümmelt das APT Signal und die dekodierten Wetterbilder wirken stark gestört. Daher ist für das empfangen von Wetterbildern im APT Format, ein spezieller Wettersatellitenempfänger nötig. Die wohl beiden besten Empfänger im Preis/Leistungsverhältnis wären einmal der R2FX von Holger Eckardt ,DF2FQ und der APT-06 von Wraase. Beide Empfänger haben eine sehr gute Empfängerempfindlichkeit mit einer AFC-Schaltung für den Ausgleich des Dopplereffektes.
Da die NOAA Satelliten mit einer recht hohe Sendeleistung von 5 Watt arbeiten, genügen für den Empfang schon Rundstrahlantennen. Es ist zu beachten daß die Signale eine zirkular rechtsdrehende Polarisation aufweisen und daher sollte für einen optimalen Empfang am besten Turnstile oder QFH (Quadrifilar Helicoidal) Antennen verwendet werden. Ich selbst habe aber auch mit einer linearen Groundplane Antenne schon gute Ergebnisse erzielen können.

NOAA 18 auf 137.9125MHz

Für die Dekodierung der empfangen APT Signale zum Wetterbild, hat sich die Software WXtoImg (Web-Archiv) von Craig Anderson aus Neuseeland zu einer der professionellsten entwickelt. In der Freeware-Version von WXtoImg stehen alle benötigten Grundfunktionen frei zur Verfügung, um atemberaubende Resultat erzielen zu können. Weitere Funktionen wie z.B. die Erstellung von 3D-Bildern, die automatische Erzeugung von Web-Seiten mit den eigenen empfangenen Wetterbildern oder die Steuerung von Empfängern, sind nur bei der käuflichen Standart-Version mit inbegriffen. Mit dieser Standart-Version ist es dann auch möglich die beiden Wettersatellitenempfänger R2FX und APT-06, über die serielle Schnittstelle steuern zu lassen und vollautomatisiert Wettersatellitenbilder empfangen zu können, ohne dabei sein zu müssen. Über das interne Bahnberechnungsprogramm wird bei erscheinen des Satelliten die richtige Frequenz/Kanal gewählt und schaltet den Empfänger nach Abschluss des Empfangs wieder in den Standby.
Wenn man bei Google die Suchbegriffe "Powered by WXtoImg" eingibt, bekommt man hunderte Treffer mit erzeugten Web-Seiten von WXtoImg aus aller Welt.

Zukunftsvisonen

Der im Februar 2009 gestartete NOAA 19 wird der letzten Wettersatelliten sein, welcher noch analoge APT Signale ausgesendet hat. Bei einer Lebenszeit von ca. 14 Jahren kann man davon ausgehen, dass er noch bei ohne Zwischenfälle, bis zum Jahr 2023 aktiv bleiben kann. Danach wird das analoge APT gänzlich vom zukunftsorientierten digitalen LRPT (Low Rate Picture Transmission) abgelöst worden sein. Im Oktober 2006 wurde der ESA-Satellit MetOp-A gestartet, welcher der erste Wettersatellit ist, der im 137-MHz-Band Wetterbilder im digitalen LRPT Format aussenden konnte. Leider aber hatte er nach wenigen Wochen in der Umlaufbahn eine Fehlfunktion im Instrument des LRPT, so dass dieses dauerhaft deaktiviert werden mußte.

MetOp-A am 24.10.2006 auf 137.100MHz LRPT Signal (schmalbandiger Empfang)

Das LRPT wird im wesentlichen mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 72.000 oder 80.000 bps in QPSK übertragen. Das Signal selbst hat eine Bandbreite von 100 kHz. Der Fortschritt des digitalen LRPT besteht darin, daß man eine wesentlich bessere Auflösung von 1,09 km liefern kann. Im September 2009 wurde der russische Wettersatellit Meteor M-N1 gestartet. Zu aller Überraschung konnte dieser auch im 137-MHz-Band Wetterbilder im LRPT Format aussenden. Ab dem Sommer 2014 kam der Empfang von digitalen LRPT Wetterbildern mit Hilfe eines RTL-SDR auf.

Meteor M-N1 auf 137.100MHz

POES Spacecraft Status
Weather Satellite Reports von Douglas Deans
Polarumlaufende Wettersatelliten Wetterbilder von Helmut Reinhardt

letzte Änderung: 28.02.2013

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Satellit: NOAA 15 NORAD Nr.: 25338 Downlink-Frequenz: 137.620 MHz APT
Satellit: NOAA 18 NORAD Nr.: 28654 Downlink-Frequenz: 137.9125 MHz APT
Satellit: NOAA 19 NORAD Nr.: 33591 Downlink-Frequenz: 137.100 MHz APT