La réception des satellites

La réception des satellites

Antenne METEOSAT.

La réception des images météos (II)

Reprenons le cas idéal où vous disposez d'une antenne directionnelle VHF fixée sur un petit moteur. Une fois la partie hardware installée, vous devez disposer d'un logiciel de poursuite satellitaire tel WXTrack, il est gratuit et supporte la carte UNI-TRAC ou l'ancienne carte Kansas City Tracker et bien d'autres interfaces.

Citons également les logiciels Orbitron (copie d'écran) et Nova for Windows (copie d'écran) ainsi que les logiciels d'astrophotographie FireCapture (copie d'écran) et Stellarium (copie d'écran) qui gèrent également les montures des lunettes et télescopes ainsi que les caméras CCD. Parmi les logiciels sous licence citons SkyTrack (copie d'écran). Tous tiennent compte des éléments Képleriens ou TLE décrivant les paramètres orbitaux des satellites.

Lorsque les différents composants sont reliés, alimentés et leur bon état vérifié, vous pouvez prendre en chasse le satellite de votre choix.

Mais même si votre antenne n'est pas directionnelle vous aurez besoin d'un logiciel de poursuite satellitaire ne fut-ce que pour pouvoir localiser le satellite en temps réel. Dans ce cas évidemment votre ordinateur ne doit pas être relié à votre antenne, il s'agit d'une simple simulation en temps réel.

Les signaux que vous pouvez capter sont multiples, allant des données télémétriques (température du satellite, orientation, courant disponible, etc) transmises en mode AX.25 (packet), à des images digitales encryptées ou des signaux analogiques transmis en clair en mode SSB, SSTV, AM, FM ou dans des modes dédiés tels que l'APT ou WEFAX dans le cas des satellites météos.

La durée de passage d'un satellite en orbite basse durant environ 10 à 15 minutes, il prudent de préparer vos manips à l'avance car si vous ratez un passage, vous devrez à nouveau patienter au moins une heure pour faire une nouvelle tentative. Heureusement, aujourd'hui les logiciels de poursuite et de décodage facilitent grandement le travail et il suffit souvent de presser sur un bouton pour lancer la séquence d'acquisition, la sauvegarde des images s'effectant automatiquement dans certains logiciels.


A gauche, réception d'images fixes transmises par METEOSAT 6 le 15 avril 1997 sur 1691 MHz avec une parabole de 90 cm de diamètre équipée d'un convertisseur 137 MHz placée juste à la sortie d'antenne. Au centre, une image transmise le 18 mai 1998 sur 137.620 MHz par le satellite défilant NOAA 14 en orbite polaire. L'image a été décodée avec WXSAT. A droite, la réception de signaux WEFAX transmis par NOAA 14 sur 137.620 MHz via la carte WinRADIO WR-1550i équipée du module FAX. Toutes ces images ont été transmises et N/B et traitées ultérieurement en fausses couleurs. Documents F1DTU, Les Hamilton et WinRADIO.

Réception des satellites météos

Les satellites météos débitent leurs données de façon continue sur plusieurs fréquences, dans des modes de transmission et des résolutions variées. Il existe 4 principaux modes de transmission :

- APT utilisé par les satellites en orbite polaire, WEFAX et HRI (PDUS) utilisés par les satellites en orbite géostationnaire

- MSG, utilisé par les METEOSAT de la seconde génération.

- Il faut y ajouter des modes plus difficiles à décoder comme HRPT ou CHRPT qui requièrent du matériel plus spécialisé.

Les deux principaux modes sont APT and WEFAX. Leurs différences résident dans le mode de modulation, respectivement FM et AM, la vitesse de transmission de 120 lignes/minute (lpm) contre 240 lpm et l'Indice de Co-operation (IOC) de 576 contre 267.

- Mode APT : APT signifie Automatic Picture Transmission. C'est le mode de transmission FAX par satellite le plus vieux et le plus simple. Il permet une réception automatique et non programmée des images météos qui se déclenchent grâce à des tonalités de mise en marche et d'arrêt particulières que reconnaît le décodeur.

Les signaux APT sont émis directement par les satellites météos défilant en orbite polaire (NOAA 12 et 15 sur 136.50 MHz, NOAA 14 sur 137.62 MHz, NOAA 15 sur 137.5 MHz, METEOR 3 sur 137.85 MHz, etc) sans traitement intermédiaire par les stations au sol. Ces dernières upload des corrections logicielles, modifie l'état du satellite mais ne modifient pas le contenu des images.

Les signaux APT sont transmis sur 137 MHz. Cette bande est facilement accessible sur des récepteurs bon marché à condition qu'ils disposent d'un filtre FM de F.I. offrant une bande passante de 30 à 50 kHz. En effet, beaucoup de récepteurs toutes bandes et de scanners sont proposés avec des filtres FM soit trop étroits (15 kHz) soit trop larges (230 kHz).

Photograpie de l'Europe transmise en mode APT par un satellite NOAA. L'image originale N/B a été traitée en fausses couleurs.

Beaucoup de logiciels supportent ce mode de transmission. Ces satellites passent deux fois au-dessus d'une même région en 24 heures et presque toujours à la même heure, une fois dans le sens Nord-Sud puis dans le sens inverse.

Le signal APT est facilement reconnaissable à l'audition par sa fréquence modulée (FM) et la tonalité de sa porteuse comprise entre 1500-2500 Hz. Les nouveaux satellites ont une porteuse de 2400 Hz comme ce signal APT de NOAA 14.

En mode APT, les satellites transmettent leurs images à la vitesse de 120 lpm en alternance sur deux canaux, l'un pour l'image visible, l'autre pour l'image infrarouge. C'est à travers le logiciel d'acquistion d'image que vous sélectionnez l'un ou l'autre canal. La résolution est de 4 km/pixel. Les images sont enregistrées en échelle de gris mais un logiciel comme WXSAT ou SIAMIV peut les traiter en fausses couleurs. Le signal APT comprend des signaux de synchronisation pour chaque ligne de la trame (c'est la télémétrie), information qui est analysée par les stations au sol. C'est cette information qui est affichée à gauche et à droite de chaque image.

Les satellites météos russes transmettent uniquement des images infrarouges à la vitesse de 120 lpm. Le son de leur transmission est donc légèrement différent de celui des autres satellites météos tel celui du satellite RESURS 01-N4 avec un IOC de 382. De son côté le satellite METEOR 3-05 utilise une porteuse proche de 2500 Hz avec un IOC de 382 également.

- Mode WEFAX et HRI : WEFAX signifie Weather Facsimilé. Comme l'APT, les images commencent et se terminent par des tonalités comme les transmissions fax par onde-courte (fax HF ou HFFAX). WEFAX est aujourd'hui supporté par la plupart des satellites défilants et géostationnaires.

L'Europe et le Maghreb photographiés par METEOSAT 7 le 3 juin 2004 à 18h TU.

Les transmissions s'effectuent en utilisant un canal vocal ordinaire sur une porteuse AM de 2400 Hz modulée avec un signal vidéo de 1.6 kHz.

Les cartes fax HF sont généralement transmises en N/B, raison pour laquelle un décodage sur 2 bits est suffisant. METEOSAT au contraire transmet ses images en échelle de gris à la vitesse de 240 lpm alternant image visible et infrarouge. Chaque tonalité correspond à un gris particulier encodé pendant que le satellite observe la Terre. Le signal de départ des METEOSAT est modulé à 300 Hz (le même que les fax HF) et comprend également des données sur l'image (par ex. la télémétrie).

La tonalité de fin est à 450 Hz, la même que celle des fax HF. Il y a enfin des tonalités de synchronisation horizontale pour chaque trame. Ces derniers sont aisément identifiables à leur "tic-toc". Ces signaux de synchronisation commencent par un signal de 1040 Hz ("tic") pour le scan visible, suivi par un signal de 832 Hz ("toc") pour le scan infrarouge.

En raison de cette modulation périodique particulière, le signal audio composite présente une fréquence modulée FM très reconnaissable sur les fréquences de 1691.0 MHz (canal A1) et 1694.5 MHz (canal A2).

Un satellite tel que METEOSAT transmet ses images toutes les demi-heures aux stations de poursuites au sol. Ces données brutes sont reformatées en temps réel, les ingénieurs ajoutant les limites des états et identifiant chaque image. Elles sont ensuite retransmises au satellite qui les rediffuse vers la Terre à 1.691 GHz à l'intention de tous les utilisateurs.

A la réception, les images WEFAX sont coupées en sections de 800x800 pixels et annotées. Une ligne de 800 pixels étant transmises en 250 ms, une image complète est élaborée en 3m33s.

Les signaux WEFAX sont transmis par les satellites géostationnaires METEOSAT, GOES, INSAT et GOMS, chacun couvrant un secteur bien particulier du monde (METEOSAT 8 par exemple couvre l'Europe et l'Afrique, METEOSAT 5 et INSAT couvrent l'océan indien, GOMS couvre la Russie, GMS couvre l'Extrême Orient et GOES l'Amérique).

A l'image des satellites EUMETSAT, tous ces satellites transmettent deux types d'images : HRI ou PDUS (images digitales en haute résolution et encryptées) et WEFAX (mode analogique). Les images WEFAX sont les plus faciles à capter. Si vous ne disposez pas d'antenne satellite accordée sur 1.69 GHz (genre parabole TV d'au moins 1m de diamètre), vous pouvez utiliser une antenne Yagi SHF, une hélicoidale quadrifilaire ou même une antenne GPS dite "micropatch flat antenna" de 22.5 cm de longueur. Dans tous les cas votre antenne doit être reliée à un convertisseur 1690/137 MHz (voir plus bas) ou directement à un décodeur WEFAX comme nous l'avons expliqué précédemment.

A lire : Web-based signal decoder for NOAA weather satellites, RTL-SDR, 2022


Entourant le satellite MSG-1, alias METEOSAT 8, deux images WEFAX captées sur 137 MHz et transmises l'une en mode analogique, la seconde en mode ADTPEC par le satellite NOAA 14.

- Mode MSG : le satellite géostationnaire MSG-1, alias METEOSAT 8 est opérationnel depuis fin 2002 et remplace METEOSAT 7 à la longitude de 0°. Il transmet des images en basse et haute résolution (LRIT et HRIT) en bande C entre 3.7 et 4.2 GHz.

- Modes HRPT et CHRPT : il s'agit de deux modes de transmission en haute résolution utilisés par des satellites en orbite polaire émettant sur la fréquence de 1.69 GHz. Travaillant en mode multispectral nécessitant entre 5 et 10 canaux, la résolution des images atteint 1.1 km/pixel. La taille des image peut atteindre 120 MB sur disque. A réserver aux spécialistes !

Certains fabricants comme Timestep fournissent le matériel digital nécessaire pour décoder les modes LRIT, HRIT, HRPT et CHRPT.

Le récepteur

En tant qu'écouteur (SWL), pour capter les signaux APT des satellites météos entre 136-138 MHz - la façon la plus simple de commencer - vous pouvez acheter un récepteur radio couvrant les bandes VHF et UHF équipé du filtre approprié pour obtenir une bande passante de 30 à 50 kHz. Vous pouvez trouver ce matériel pour quelques centaines d'euros dans une brocante spécialisée.

Plus facile à manipuler et parfois moins cher, depuis quelques décennies il existe des récepteurs couvrant tout le spectre. Il y a d'abord les scanners qui sont des récepteurs toutes bandes et tous modes. L'idéal serait de trouver un modèle offrant une bande passante adaptée aux signaux APT (environ 30 kHz). Très peu de modèles présentent cette caractéristique. Citons les modèles AOR 5000 (10 kHz-3 GHz, 1900 €) et le AOR 5001 (40 kHz-3.15 GHz, environ 4500 €).

A l'ère du numérique, une solution très appréciée des amateurs car très complète et compacte est l'interface SDR (Software Defined Radio) à connecter sur le port USB de votre ordinateur. Il s'agit par exemple des récepteurs RTL-SDR, SDRPlay, AirSpy HF Plus, DX Patrol, HackRF, SDR Sharp (dont le logiciel est gratuit) ainsi que Orbitron si vous disposez déjà du récepteur. Certaines interfaces ne sont pas plus grandes qu'une clé USB comme le dongle Funcube ou Realtek.

A rejoindre : APT Group sur Facebook

A lire : Receiving NOAA Weather Satellite Images, RTL-SDR


A gauche, la carte WinRADIO G303i accordée sur la bande VHF dans le shack de VK5ZAI. Au centre, le plugin SDR# pour l'interface RTL-SDR accordé sur le signal d'un satellite météo NOAA émettant sur 137.910800 MHz en mode WFM. A droite, le dongle Funcube Pro+ est l'un des plus petits récepteurs SDR travaillant de 150 kHz à 1.9 GHz qui se connecte dans le port USB d'un ordinateur. Le port opposé se connecte au câble coaxial d'une antenne discône, quadrifilaire, hélicoidale, parabolique ou magnétique.

Mieux encore, il existe des récepteurs pour ordinateur, tel que l'ancien boîtier externe ICOM PCR-1000 (100 kHz-1.3 GHz, $629) et ses successeurs (PCR1000-02, PCR1500-30 et PCR2500) mais dont la production a été arrêtée, le récepteur externe WinRADIO WR-G31DCC "Excalibur" (9 kHz-50 MHz, $850) ou la beaucoup plus onéreuse carte WinRADIO WR-3500i DSP (150 kHz-2.6 GHz, $2495) ou WR-3700i DSP (150 kHz-4 GHz, $2995).

Rappelons que si la détention d'un récepteur toute bande est autorisée, l'écoute de certaines bandes réservées (militaires entre autres) est interdite aux amateurs sauf si vous pouvez apportez la preuve que vous travaillez à titre professionnel avec ce genre d'appareil ou dans le cadre de vos activités annexes (service de secours, etc).

Pour le radioamateur, donc licencié et autorisé d'émettre, il n'existe pas de transceiver tous modes et couvrant toutes les fréquences entre 150 kHz et 4 GHz. Toutefois, il peut utiliser un transceiver intégré de bureau ou portable couvrant les bandes HF jusqu'aux UHF (ICOM IC-7000, IC-9100, Kenwood TS-2000, Yaesu FT-100, FT-857D, FT-991, etc) même si la plupart des amateurs écartent cette solution car une éventuelle panne immobilisera l'appareil et empêchera tout trafic sur toutes les bandes durant plusieurs semaines. L'alternative est d'utiliser un transceiver HF classique et lui ajouter un convertisseur VHF ou UHF adéquat.

Ceci dit, la plupart des amateurs préfèrent acheter plusieurs émetteurs-récepteurs (transceivers), chacun étant dédiés à certaines bandes, afin de couvrir tout le spectre des bandes LW ou HF aux UHF et plus hautes si nécessaire (voir ce ham shack). L'amateur peut commencer avec le transceiver portable Yaesu FT-2800M ou le modèle plus récent FT-1900R ou FT-2900R qui couvre la bande des 2 mètres en émission et de 137 à 174 MHz en réception.

Bien entendu, quelle que soit la solution, ces systèmes doivent être connectés à une antenne accordée à la fréquence de travail et l'interface doit être complétée par un logiciel de décodage pour visualiser les images météos tel WXtoImg ou HRPT Reader.

Si vous utilisez un système SDR, vous avez également besoin de transférer le canal audio au logiciel de décodage. Dans ce but il existe un câble audio virtuel, un petit outil qui permet d'échanger très facilement les flux audios entre applications sans devoir passer par le haut-parleur, le micro ou des convertisseurs intermédiaires. Un autre programme est VB-Audio Software.

A voir : How to take NOAA satellite pictures using RTL-SDR for under 50$

Receiving NOAA weather satellite using SDR# and WXtoImg

Démos du WR-G31DDC 'EXCALIBUR', WinRADIO

Récepteur digital de 9 kHz à 50 MHz

Ci-dessus, l'interface graphique du système WinRADIO WR-G31DDC "Excalibur" installé sur un PC. Ce programme combiné à un récepteur externe couvre en continu tout le spectre compris entre 9 kHz et 50 MHz. Ci-dessous, l'interface graphique de la carte WinRADIO WR-3000i accordée sur la bande aviation VHF.

Pour recevoir les signaux WEFAX sur 1.69 GHz, vous pouvez utiliser votre récepteur APT et lui ajouter un downconverter 1690/137 MHz, mais souvent les images reçues présentent une moindre qualité et une plus faible résolution qu'un système dédié. Pour améliorer vos images vous pouvez acheter un récepteur WEFAX tel le modèle proposé par Timestep.

Enfin, à titre d'information, pour capter les communications satellites Inmarsat vers 1.5 GHz, outre les cartes SDR ou WinRadio et les scanners (cf. cette vidéo), la solution la plus robuste et la plus efficace est d'utiliser un récepteur dédié tel l'Inmarsat Pilot de Miteq ou un modèle concurrent. Cela vous évite d'acheter ou de fabriquer un downconverter UHF et le signal sera de très bonne qualité. Ce récepteur utilise des techniques digitales (DSP) ainsi qu'un synthétiseur de fréquence. Il est compatible avec la plupart des applications maritime et aéronautique.

Convertisseur et démodulateur

Seuls les satellites géostationnaires tels les METEOSAT émettent à haute fréquence et en mode digital. Pour vous éviter d'acquérir un récepteur spécifique pour la bande des 1.69 GHz et si vous ne voulez pas investir dans une carte WinRADIO avec son module FAX qui reste onéreuse (au moins $600), vous pouvez utiliser votre récepteur 136-138 MHz, celui-là même qui vous sert à capter les émissions des satellites polaires défilants (NOAA, METEOR, RESUR, SICH, OKEAN). Noter toutefois que la plupart des satellites METEOR et tous les RESUR, SICH et OKEAN ne sont pas actifs en mode APT.

Pour cela, il suffit d'équiper votre récepteur VHF d'un convertisseur 1690/137 MHz tel le TV970 présenté ci-dessous ayant une bande passante de 30 kHz. Ce "downconverter" doit être placé directement à la sortie d'antenne (si la parabole est assez grande on peut le placer dans le feedhorn également) car à si haute fréquence les pertes de signaux sont importantes.

Votre installation doit être complétée par un convertisseur Analogique/Digital (A/D) pour démoduler les signaux reçus que vous relierez à la sortie série de votre ordinateur. Cet adaptateur A/D est souvent remplacé par la carte son qui équipe aujourd'hui tous les ordinateurs (même principe que la SSTV). Vous pouvez également le construire ou éventuellement acheter l'adaptateur MFJ-1213 ou ceux proposés par Bonito Communication Technologies.

Ci-dessus, le matériel de réception vendu par Comelec, constitué d'un récepteur météo analogique, d'un convertisseur 1690-137 MHz et d'une parabole en grille offrant un gain de 24 dBi (450 €. Ceci dit il existe des configurations dix fois plus chères, fonction du récepteur et des antennes utilisées. Ci-dessous, si vous désirez uniquement capter les messages météorologiques, Bonito Communication Technologies vend une interface "BoardTerminal '98" et un logiciel baptisé "ProMétéo". Il permet, en autres choses, à partir d'un ordinateur et d'un récepteur ondes-courtes de sélectionner les fréquences radio des centres météos diffusant les messages SYNOP, télex et autres fax et d'afficher ces données en clair.

Dans une installation classique (toutes sauf WinRADIO) pour décoder les images météos vous devez enfin installer un bon logiciel de décodage capable de traiter les formats APT, WEFAX et assimilés. Parmi les programmes gratuits citons WXSAT et JVComm32/JVFax. Un très bon décodeur multi-modes mais commercial est Skysweeper Pro (cf. cette revue en anglais). Le site d'AMSAT, HF-FAX ainsi que celui de Dave Ransom proposent également une longue liste de produits.

Pour être complet, rappelons que si seules les données météorologiques vous intéressent, il est possible de les recevoir en direct via le réseau APRS, qui sont quelquefois relayées par les stations relais amateurs (répéteurs).

Enfin, comme expliqué précédemment, tout récepteur doit être relié à une antenne. Les modèles décrits en première page sont suffisants et les antennes magnétiques ou log périodiques compactes à large bande suffisent amplement pour les dongles SDR.

L'avenir

METEOSAT effectua ses dernières transmissions analogiques fin 2005, lorsque tous les satellites MSG (METEOSAT Second Generation) furent en place. La même chose se produira avec les satellites GOES. Dans tous ces satellites, des récepteurs digitaux sont déjà utilisés pour démoduler les signaux PSK, BPSK et QPSK. Certains récepteurs comprennent un formateur interne capable de supporter les formats standards tels que MSG HRIT, MSG LRIT, MTSAT LRIT, NOAA HRPT, GOES GVAR, M-22 AMB, GMS S-VISSR, DOD DMSP, Fengyun 1 CHRPT et Fengyung 2 S-VISSR.

Les systèmes LRIT/HRIT recoivent, archivent, affichent et traitent les données numériques LRIT et HRIT transmises par les installations EUMETCast, MSG direct broadcast, GOES et MTSAT.

Notons que pour recevoir EUMETCast et MSG direct broadcast, EUMETSAT recommande l'utilisation d'un récepteur DVB TechniSat SkyStar vers un récepteur DVB. Ce convertisseur est vendu sous forme de carte PCI ou de périphérique USB externe. Il est fourni avec les logiciels nécessaires (drivers et programme T-Systems Business TV-IP).

Certains récepteurs LRIT accepteront soit une entrée sur 137.5 MHz ou sur 70 MHz, mais vous aurez toujours la possibilité d'utiliser un downconvertor 1690/137 MHz comme actuellement.

MetOp en orbite basse au-dessus de la Terre. Document T.Lombry

Les formats LRIT et HRIT sont utilisés dans de plus en plus de domaines : nowcasting, prédictions météos numériques, surveillance du climat, recherche... Actuellement, l'imagerie MSG HRIT est disponible toutes les15 minutes – deux fois plus rapidement que les systèmes WEFAX et HRI. Couplée à une grande qualité d'image et la compilation de très nombreuses données, cette technologie améliore grandement la qualité des prévisions en cas de très mauvais temps.

Les orbiters polaires numériques de la NOAA seront mis en service dans les prochaines années. La première convergence vers les satellites NPOESS fut réalisée 2008 et dépend de l'état d'avancement des programmes POES et DMSP (militaire) américains. NPOESS améliore assez sensiblement les capacités opérationnelles des senseurs orbitaux dont bénéficent à la fois les sociétés civiles et la sécurité nationale des Etats-Unis.

Les MetOp représenteront les premiers satelllites européens défilants (en orbite polaire) dédiés à la météorologie opérationnelle. Il s'agit d'une coopération entre l'ESA et la NASA dont le but est de surveiller l'évolution du climat de la Terre et améliorer les prévisions numériques. MetOp consiste en une série de trois satellites qui furent lancés à partir de 2005 sur une période de 14 ans. Ils forment le segment polaire des systèmes spatiaux d'EUMETSAT (EPS). Ils seront placés sur une orbite située vers 830 km d'altitude. MetOp semble programmé pour fonctionner également en mode digital.

Prix de l'installation

Le coût d'investissement minimum d'une installation de réception satellite est difficile à évaluer car beaucoup de facteurs peuvent intervenir : votre goût pour le numérique et l'informatique, pour les constructions manuelles, vos compétences en électronique, le matériel dont vous disposez déjà (probablement d'un ordinateur et peut-être également d'un récepteur SDR our d'un transceiver VHF) et du type d'émission que vous souhaitez capter.

Le récepteur et l'antenne appropriée représentent certainement les deux dépenses les plus importantes de votre installation. Si un récepteur VHF d'occasion se trouve facilement dans les petites annonces entre quelques dizaines et quelques centaines d'euros, l'antenne satellite peut revenir au même prix que le récepteur, mais elle est souvent plus onéreuse, d'autant plus si vous l'équipez d'un moteur et l'installer sur un mât ou une monture orientable, d'où l'intérêt de la fabriquer soi-même.

L'un dans l'autre, que vous utilisiez un transceiver VHF ou un récepteur SDR, disons que pour commencer vous devez compter sur un investissement d'environ 450 € minimum, l'ordinateur en sus (voir ci-dessus le matériel vendu par Comelec). Bien sûr il n'y a pas de prix maximum. Timestep fournit tout le matériel de réception dans une gamme de prix oscillant entre 1000-3000 €.

Muni de ce type d'installation vous ne pouvez plus manquer le prochain passage du satellite Nimbus et consorts.

Bonne chasse et ... bonne réception !

Pour plus d'informations

Matériel radioamateur (liens, sur ce site)

Les communications spatiales avec Mars (sur ce site)

Dish antennas (sur ce site)

Ham software review sur ce site)

APT Group sur Facebook

Dave Ransom Software

David Taylor Satellite Tools

Remote Imaging Group (RIG)

HF-Fax (info, produits et live cams)