Satelliti Meteosat

La serie Meteosat è finanziata dall'ESA (Agenzia Spaziale Europea) che dal 1977, anno di lancio del Meteosat 1, ha messo in orbita ben sette esemplari: attualmente è operativo Meteosat 7. Il satellite è gestito da Eumetsat, con sede a Darmstad in Germania, che riceve le immagini grezze riprese dal Meteosat, le corregge geometricamente, le elabora e le ritrasmette al satellite. Quest'ultimo, infatti, funge anche da ripetitore per le PDUS (trasmissioni digitali) e per le SDUS (trasmissioni analogiche). Il programma di diffusione delle immagini ne prevede anche alcune captate dai satelliti GEOS, GOMS e GMS.
Meteosat è composto da quattro cilindri sovrapposti: il primo, contenente il radiometro, è interamente rivestito di celle solari; il secondo incorpora strumenti per le telecomunicazioni quali, ad esempio, l'antenna a rotazione elettronica, mentre gli ultimi due sono antenne toroidali per la banda S (UHF). Il diametro maggiore del satellite è di 2,1 m, e l'altezza totale è pari a 3,2 m. Il peso complessivo è di 293 Kg. Il telescopio è posto in un'apertura ovale situata nel primo cilindro. Lo strumento principale è un radiometro a scansione ad alta risoluzione. Questo è in grado di riprendere immagini in tre finestre spettrali:

Durante una giornata, il Meteosat invia a Terra immagini riprese nei vari canali spettrali, così da fornire un quadro completo della situazione meteorologica. Il programma di diffusione delle immagini è liberamente distribuito da EUMETSAT, ecco il dissemination schedule di Meteosat-7:

Per garantire una copertura completa di un emisfero, 24 ore su 24, si è scelto di porre il Meteosat in orbita geostazionaria, ed esso è posizionato a 0° di longitudine e 0° di latitudine: il suo sub-point cade, quindi, nel Golfo di Guinea.
Il Meteosat ha il proprio asse parallelo a quello terrestre ed è in rotazione continua ad una frequenza di 100 volte al minuto. Ad ogni giro, il telescopio risulta orientato verso il nostro pianeta per una breve frazione di secondo, corrispondente a 1/20 di rotazione (appena 3 centesimi di secondo!). Durante questo periodo la memoria di bordo registra la linea dell'immagine e la trasmette a Terra nei 19/20 restanti. Alla successiva rotazione, il telescopio viene leggermente inclinato in modo da esplorare una fascia 5 Km più a nord della precedente. Il radiometro in 25 minuti genera un'immagine completa della superficie terrestre, composta da ben 2500 linee.
Prima si era parlato dell'antenna a rotazione elettronica a bordo del Meteosat: si tratta di un ingegnosa soluzione per permettere la trasmissione in banda UHF con polarizzazione orizzontale. Come si è appena appreso, infatti, ruotando 100 volte al minuto, il satellite non può utilizzare un comune dipolo per trasmettere (e ricevere) i segnali. In passato si erano montate antenne che ruotavano alla stessa velocità angolare del satellite ma in direzione opposta, così da annullare lo spin. Forse a causa della maggiore complessità meccanica, o piuttosto dei problemi riguardanti la stabilità dell'assetto, Meteosat ha abbandonato questa soluzione per una più intelligente. Il secondo cilindro è formato da una moltitudine di dipoli disposti a raggiera: una sofisticata elettronica attiva in sequenza ogni antenna, in direzione opposta a quella di rotazione del satellite, in modo da ottenere una polarizzazione lineare orizzontale.

E' possibile anche ricavare analiticamente la risoluzione angolare del Meteosat (quella lineare, come già detto, è di 5 Km), semplicemente dividendo l'angolo di escursione del telescopio, pari a 18°, per le 2500 linee prodotte:

Il telescopio riesce dunque a risolvere dettagli che sottendono angoli di 26 secondi d'arco. E' ora dimostrabile trigonometricamente la risoluzione lineare del radiometro, tenendo presente che questa è valida solo per il sub-point, infatti più ci si allontana da esso più la prospettiva "schiaccia" la Terra diminuendo considerevolmente tale risoluzione, fino ad annullarla ai poli:

La lieve discordanza del risultato è dovuta ai valori iniziali approssimativi. E' da precisare, inoltre, che essendo presenti a bordo due sensori al visibile (nella stessa banda spettrale), quando questi vengono attivati contemporaneamente si ha un raddoppio della risoluzione, cioè i dettagli risolvibili passano dai 5 Km ai 2,5 Km. Questa condizione si verifica solamente nei settori Cnn (vedi oltre) ed è immediatamente rilevabile in quanto nell'intestazione dell'immagine è presente la dicitura: "VIS1+2".

Il radiometro genera dunque una nuova immagine globale ogni 25 minuti (2500 linee/100 linee al minuto): a questi vanno aggiunti 2,5 minuti, necessari a riportare il telescopio nella posizione iniziale, e altri 2,5 minuti per garantire una stabilizzazione meccanica del sistema dopo la ritraccia. In definitiva si ha un aggiornamento dell'immagine ogni mezz'ora.

La tabella seguente riporta le principali caratteristiche della trasmissione analogica del Meteosat:

Frequenze di trasmissione	Canale A1: 1691,0 MHz Canale A2: 1694,5 MHz
Polarizzazione	Lineare orizzontale al sub-point
Modulazione della portante	FM, analogica
Deviazione della portante	± 9 KHz
Frequenza della sottoportante	2400 Hz
Modulazione della sottoportante	AM 80%, max = bianco
Frequenza max. video	1600 Hz
Linee al minuto	240
Indice di cooperazione (IOC)	267,36
Formato dell'immagine	800 x 800 pixel

A partire da questi dati, è possibile formulare interessanti osservazioni, utili soprattutto alla ricezione delle immagini. Innanzitutto, la frequenza di trasmissione è in banda UHF, si ha quindi la necessità di utilizzare un'antenna parabolica, dotata di un LNA (Low Noise Amplifier) a basso rumore. Inoltre è da tenere presente che la polarizzazione è orizzontale al sub-point e di conseguenza a tutte le stazioni riceventi poste alla stessa longitudine di Greenwich. Discostandosi da essa, infatti, la polarizzazione subisce una rotazione ("screw") tanto maggiore quanto più ci si avvicina ai 90° di longitudine. Questo fatto non è da trascurare, in quanto, lavorando su segnali debolissimi, perdere del segnale utile per un non corretto orientamento del dipolo ricevente non è consigliabile.

Il Meteosat fornisce importanti informazioni alle SDUS (Secondary Data User Station), praticamente alla massima parte degli utenti, attraverso il programma di diffusione delle immagini in formato analogico. Il sistema di trasmissione è simile a quello APT dei satelliti polari, con l'unica differenza che il Meteosat produce formati immagini ben definiti (i polari invece, continuano a trasmettere durante il loro percorso orbitale). Per indicare un'immagine trasmessa dal Meteosat, si utilizza il termine quadro. Di seguito viene analizzato il quadro WEFAX di Meteosat:

L'intestazione digitale, riporta le stesse informazioni che si trovano in un angolo dell'immagine: è usata per il riconoscimento automatico del quadro da parte del computer. La codifica dell'intestazione è la seguente:

Verrà ora analizzato il quadro WEFAX da un punto di vista tecnico, riportando sia la forma d'onda dei principali segnali sia lo spettro corrispondente. Per informazione i segnali analizzati sono reali, sono stati cioè ricevuti da me ed elaborati via software: non si tratta perciò di simulazioni o artifici, ma sono così, come apparirebbero sugli schermi di strumenti da laboratorio.

Oscilloscopio	Analizzatore di spettro

Come si può notare dall'immagine spettrale, la modulazione è di ampiezza e si notano benissimo i due picchi di frequenza rispettivamente maggiore e minore di 300 Hz della sottoportante di 2400 Hz. Questo segnale non contiene informazioni (la modulante è una sinusoide) ma è importante poiché identifica l'inizio della trasmissione: i programmi di ricezione possono perciò attivarsi e predisporsi alla registrazione automaticamente.

In questo caso non è necessario visualizzare l'analizzatore di spettro poiché non fornisce informazioni di rilievo: da notare invece la chiara composizione del segnale di fase. Essendo la modulazione positiva, alla massima ampiezza corrisponde il bianco: per cui il primo 5% della riga è nero, il resto bianco.

Oscilloscopio	Analizzatore di spettro

Anche qui risultano molto chiare le immagini e si nota benissimo la complessa modulazione digitale. La presenza di una moltitudine di picchi nella figura dell'analizzatore di spettro è indice di una elevata frequenza di trasmissione e, allo stesso tempo, di dati digitali.

Immagine: di seguito è riportata la parte iniziale della linea, ove sono contenuti i sincronismi di riga

Oscilloscopio	Analizzatore di spettro

Oscilloscopio	Analizzatore di spettro

Questo segnale è analogo allo Start di quadro, per cui valgono le medesime considerazioni: qui, però, la frequenza della modulante è di 450 Hz.

Il Meteosat invia all'Eumetsat, immagini grezze, che vengono corrette ed elaborate prima di essere ritrasmesse al satellite, che provvede poi a inviarle alle SDUS. L'elaborazione consta anche in una settorializzazione dell'emisfero, così da ingrandire alcune zone, ad esempio l'Europa. Il programma di diffusione delle immagini Meteosat, stabilisce minuto per minuto quale settore viene trasmesso: questo è identificato da un codice, che permette di risalire alla zona terrestre ripresa. Le immagini seguenti illustrano i formati propri del Meteosat.

6.3 Trasmissioni HR

Il Meteosat trasmette, oltre alle immagini WEFAX analogiche, anche alcuni formati HR digitali. Questi possono essere propri del Meteosat (formati A e B) oppure derivati dal GOES-E (formato X). Il programma di diffusione distribuito da EUMETSAT, prevede trasmissioni in digitali in vari istanti della giornata. La codifica dei segnali digitali è piuttosto complessa e, inoltre, esula dallo scopo della presente trattazione.
E' però da sottolineare che se una maggiore complessità circuitale necessaria alla decodifica e quindi un più consistente impegno economico, sembrano scoraggiare la ricezione delle immagini digitali, un'occhiata a questo quadro alla massima risoluzione non può che dimostrare il contrario:

In particolare i principali vantaggi di una ricezione digitale dei dati e delle immagini sono:

Queste trasmissioni, per quanto eccezionali da un punto di vista estetico e tecnico, non sono utilizzate dalle organizzazioni per effettuare previsioni meteo o animazioni da trasmettere nei Telegiornali. I motivi possono essere due: sia, come si è già detto, la maggior complessità circuitale e le impegnative dimensioni dell'antenna per garantire una corretta decodifica (Eumetsat consiglia una parabola di oltre 3 m), sia la minor frequenza delle immagini digitali rispetto a quelle analogiche (inoltre molti slot vengono trasmessi criptati). Per fare un esempio nel formato WEFAX il Meteosat trasmette quadri relativi all'Europa ogni mezz'ora, in quello HR tra un'immagine e un'altra europea possono trascorrere anche più ore. Risulta evidente che non è quindi possibile utilizzare le trasmissioni digitali per realizzare animazioni o previsioni a brevissimo termine.

Satelliti Meteosat

6.2 Trasmissioni WEFAX

6.3 Trasmissioni HR