Introduzione
CORIOLIS è un satellite meteorologico che misura, tra le altre cose, la velocità e direzione del vento sulla superficie dei mari ed oceani. La misura avviene grazie al fatto che un mare increspato dal vento riflette in modo diverso le microonde (inviate dal satellite), con alcuni calcoli è possibile quindi risalire alla velocità e persino alla direzione del vento. Dato che le microonde sono anche assorbite dal vapore acqueo, il satellite può anche misurare precipitazioni, umidità atmosferica e nuvole, rendendolo particolarmente interessante.
©US Navy
Descrizione del segnale
Il CORIOLIS trasmette i suoi dati tramite formato standard CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems) con modulazione BPSK, correzione errori FEC Viterbi e Reed-Solomon, in banda S con larghezza di banda pari a 2 MHz. La frequenza del satellite è di 2221.5 MHz e i dati (inusualmente per i satelliti in banda S) vengono trasmessi in continuazione, come qualunque satellite meteo.
Hardware
SDR
Va bene qualunque SDR che sia di qualità sufficiente. Io uso una Nooelec SMArtee, del costo di circa 30 euro, basata sul chip RTL2832u e sintonizzatore R820T2. Non ci sono particolari requisiti di frequenza perché come vedremo, si utilizzerà un downconverter che porterà la frequenza a circa 220 MHz.
Downconverter
Una SDR adatta a 2 GHz di frequenza sarebbe inutilmente costosa, oltre che necessiterebbe sia di un LNA, che di un cavo adatto a portare le microonde senza perdite eccessive. Per fortuna, in USA e in Asia si usa un particolare tipo di TV, chiamato MMDS (Microwave Multichannel Distribution System) che utilizza le frequenze tra 2.2 e 2.7 GHz. Naturalmente per le ragioni descritte sopra tale frequenza non viene inviata direttamente al televisore, ma viene utilizzato un downconverter che si occupa di spostarle in una banda ricevibile da qualunque TV.
Il downconverter MMDS utilizza al suo interno un oscillatore locale (LO) da 1998 MHz, pertanto la frequenza in uscita sarà esattamente 1998 MHz più bassa della frequenza in ingresso.
Nel nostro caso, il CORIOLIS trasmette a 2221.5 MHz, quindi 2221.5-1998=223.5 MHz, ampiamente ricevibile da un'economica chiavetta RTL-SDR.
Il convertitore andrà poi modificato, rimuovendo l'antennina integrata (non adatta ai nostri scopi perché a polarizzazione orizzontale) e sostituendola con un buon connettore adatto alle microonde, ad esempio un connettore N, BNC o SMA. Nel mio convertitore i fori delle viti che tenevano l'antennina integrata avevano esattamente le dimensioni di un connettore N, perciò ho usato quello ottenendo quindi un risultato eccellente.
Attenzione: bisogna assicurarsi che il convertitore sia del tipo corretto: Banda di ingresso 2.2-2.4 GHz, oscillatore locale (LO) 1998 MHz. Esistono anche altri tipi di convertitori MMDS, quindi leggere bene le caratteristiche tecniche!
Questo è il downconverter che utilizzo io, è stato reperito su Aliexpress ma naturalmente si trova anche su altri siti.
Alimentatore (bias tee)
Il downconverter va alimentato a 12 V, per fare ciò basta utilizzare un comune alimentatore per amplificatori d'antenna da palo reperibile presso qualunque elettricista.
Parabola
Utilizzo una parabola da 100cm offset, ma una normale parabola Sky da 80 cm darà risultati più che buoni dato che il segnale è molto forte. Naturalmente non devono esserci ostacoli intorno alla parabola; gli alberi possono passare se sono piccoli e con poche foglie, ma alberi che bloccano molto la luce solare bloccheranno anche il segnale satellitare.
Illuminatore
Non esiste un illuminatore da 2.2 GHz in commercio, quindi dovremo costruirlo da noi. Queste sono le misure per un illuminatore elicoidale (helix feed):
- Lunghezza d'onda: 13.63 cm
- Lato riflettore: 11 cm
- Diametro spirale: 4,4 cm
- Spaziatura tra spire: 2,45 cm
Notare che un illuminatore da 1.7 GHz (per ricezione HRPT) riuscirà con discreta soddisfazione anche a ricevere il CORIOLIS. Infatti, le antenne elicoidali hanno una larga banda passante (una calcolata per 1.7 GHz lavora bene e con quasi lo stesso guadagno fino a oltre 2 GHz); in aggiunta a ciò la parabola a frequenze più elevate guadagna di più, compensando eventuali perdite dovute al fatto che l'illuminatore lavora un po' al di sopra delle sue capacità.
DerekSGC ha preparato delle strutture da stampare in 3D che semplificano notevolmente il lavoro. Tra i file disponibili, quello da scegliere è 2250L_5.5T_0.14S_4D_10-80M.stl (2250 MHz, polarizzazione LHCP).
Software
Si può usare direttamente SatDump per ricevere e decodificare il satellite in tempo reale, ma data la sua natura ancora sperimentale preferisco prima registrare una baseband da un qualunque software SDR (io uso SDR++), poi passarla a SatDump. In questo modo non rischio che un eventuale crash comprometta la registrazione.
Previsione
Si può prevedere il passaggio di un satellite utilizzando Orbitron su Windows o Linux (Wine), Gpredict su Linux, oppure Look4Sat su Android.
Puntamento
Non disponendo di un rotatore bisognerà puntare la parabola a mano, non è così difficile come sembra ma richiede comunque una discreta concentrazione e un po' di pratica. Non c'è molto da spiegare; ci si può aiutare con Look4sat per vedere più o meno dov'è il satellite, poi si aggiusterà la posizione cercando di mantenere il segnale migliore possibile.
Ecco come appare il segnale:
Decodifica
Per decodificare il segnale, basterà aprire SatDump, selezionare dall'elenco Coriolis S-band Tactical DB, poi scegliere il file della baseband e una cartella di uscita. SatDump farà il resto.
Elaborazione dati
Attualmente il modulo di elaborazione dei dati su SatDump è ancora in sviluppo, perciò bisogna aiutarsi con del software esterno.
La prima cosa da fare è ritagliare e specchiare l'immagine usando GIMP (o Photoshop) in modo da eliminare le parti degradate e dare un senso a ciò che si vede.
La seconda cosa consiste nell'utilizzare un piccolo script Python da me creato in modo da equalizzare e applicare una mappa di colore sull'immagine.
Il comando sarà quindi: python3 heatmap.py nomefileimmagine.png ocean_r.
Già da questa immagine è possibile interpretare lo stato del mare. Infatti, guardando la scala degli azzurri sul mare, si può associare mare calmo a tonalità più scure, e mare agitato a tonalità più chiare.
Naturalmente questo rappresenta solo una piccola parte dei dati che lo strumento è in grado di fornire, ma è un buon punto di partenza.
Buona ricezione!