Recepción de imágenes satélites de órbita polar usando software y hardware libre.

1. Recepción de Imagenes Meteorologicas de Satélites
de Orbita Polar.
Xavier Alexandro Torres Amaya.
Estudiante miembro IEEE.
Universidad de El Salvador
El Salvador
xavier.t.sv@ieee.org
Fredy Antonio Patriz Rafael.
Estudiante miembro IEEE.
Universidad de El Salvador
El Salvador
patrizjohnson@gmail.com
Resumen—El presente trabajo permite obtener imágenes
meteorológicas en tiempo real, de los satélites de órbita polar
administrados por la National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA). Para poder acceder al servicio de
transmisión de imágenes del clima solo es necesario un
dispositivo RLT-SRD (RTL2832U). La visualización de las
imágenes requiere de tres programas software: un sintonizador,
un seguidor de satélites y un decodificador los cuales son
explicados en este documento.
Palabras claves— Imágenes APT, Orbitron, RTL-SDR,
Satélites NOAA, SDRsharp. WXtoImg.
I. INTRODUCCION.
Hoy en día es posible aprovechar ciertas tecnologías que en
años anteriores eran de difícil tener acceso. Con cierto
conocimiento básico de comunicación por radio es posible
sacarle más provecho a una de las tecnologías empleadas para
la recepción de señales de televisión digital. Por una parte, el
hardware usado es el RTL-SDR (RTL2832U) [2]. Por otra
parte, se utilizan tres programas software: SDRsharp [3],
Orbitron [4] y WXtoImg [5]. La comunicación satelital
requiere la utilización de una antena adecuada para la
recepción de la señal emitida por el satélite de orbita polar. Por
ello se construyó una antena cuadrifilar helicoidal (QFH) [6].
El presente artículo se divide de la siguiente manera: En la
sección II se describen las características de los satélites de
orbital polar los cuales fueron nuestro objeto de estudio; En la
sección III nos enfocaremos en describir de manera breve los
softwares utilizado; En la sección IV se hablara sobre la
unificación de los tres programas software con sus respectivas
dependencias; En la sección V se encuentra el diseño y
construcción de la antena cuadrifilar helicoidal (QHF); Y en la
sección VI se da a conocer el resultado obtenido al realizar las
pruebas pertinentes.
II. INFORMACIÓN SOBRE SATÉLITES NOAA.
Los satélites de órbita polar sobrepasan un mismo punto en la
tierra dos veces al día. Pero en realidad, pueden hacer una
órbita alrededor de la Tierra aproximadamente una vez cada
hora y media, haciendo varias vueltas completas por día. En
este caso los satélites de NOAA [1] pasan sobre el territorio
salvadoreño normalmente en horas de la mañana y en horas de
la tarde. En la Fig. 1 podemos observar los horarios en los
cuales pasaran los satélites sobre la posición geográfica
previamente especificada en el software de seguimiento
satelital.
Fig. 1 Hora para realizar las pruebas con satélites NOAA.
Los datos mostrados en la Fig.1 fueron tomados del programa
WXtoImg, el cual se explicará en breve. Este proporciona
predicciones orbitales, ya que dicho programa contiene un
algoritmo basado en las ecuaciones de Kepler.
La frecuencia de estas señales se encuentra alrededor de 137
MHz, y la cobertura dada por un satélite se suele denominar
“huella satelital”, la cual corresponde al área de tierra que
cubren sus transportadores, determinando de esta forma el
diámetro de las antenas (terrenas) para la recepción de su
señal. Para nuestro caso sólo cuando la huella satelital de
cualquiera de los tres satélites está pasando sobre la antena se
puede entablar el enlace (el cual tiene una duración de
aproximadamente 15 minutos). Cada satélite tiene una
frecuencia diferente. Actualmente, sólo los satélites NOAA
15, 18 y 19 están en funcionamiento, sus frecuencias se
muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Frecuencia de los satélites NOAA disponibles.
Satelite Frecuencia
[MHz]
NOAA 15 137.6200
NOAA 18 137.9125
NOAA 19 137.1000

2. III. SOFTWARE UTILIZADOS.
A. SDR Sharp.
Radio definida por software escrito en lenguaje C que al
combinarlo con el RTL-SDR (RTL2832U) podemos recibir
señales de radio analógicas y digitales en nuestra
computadora. En la Fig. 2 se muestra la interfaz de SDRsharp
usando el dongle RTL-SDR (RTL2832U) para la recepción de
señales de radio analógicas.
Fig. 2 Interfaz gráfica del SDRsharp.
B. WXtoImg.
Es un programa decodificador de imágenes APT [7]. Los
datos APT son transmitidos continuamente como una señal
análoga, usando modulación de amplitud de una portadora de
2400 Hz. Una nueva línea de dato es transmitida cada medio
segundo, conteniendo una línea de imagen desde dos canales
AVHRR [8]. Además cuenta con la función para predicción de
orbita satelital usando archivo Kepler.
Fig. 3 Interfaz gráfica del WXtoImg.
C. Orbitron.
Programa de seguimiento de satélites que se encuentran en
orbitas ya sea en tiempo real o simulado este programa es
usado por radio aficionados, profesionales del clima y
usuarios de comunicación satelital.
Fig. 4 Interfaz grafica del Orbitron.
IV. CONFIGURACION DE LOS PROGRAMAS.
A. Instalación de Driver RTL-SDR.
Se conecta el dongle a la pc, automáticamente se instalan los
driver para su reconocimiento y funcionamiento. Como parte
de la instalación de los driver es necesario descargar
controladores adicionales denominados ZADIG [11]. Estos
se instalan para poder hacer uso del programa SDRsharp, que
permite surcar, escuchar, grabar, las ondas recibidas. Además
de presentar otras herramientas de manipulación de las señales
en rangos diferentes de frecuencias de acuerdo a la elección de
tipo de señal.
Fig. 5 Instalación del driver para el dongle.
B. Configuración WXtoImg.
Como requerimiento inicial se debe identificar las
coordenadas de donde estará colocada la antena para realizar
las pruebas (13.6688664N y -89.2889304O). WXtoImg
proporciona una la lista de los satélites que pasan sobre la
ubicación selecciona gracias a que se descarga la base de datos
(archivo Kepler) de la página Celestrak [12].
Para saber que satélites pasan a diario lo primero que se debe
hacer es ir a la opción “File” del programa y luego “Update
Keplers”. Esto actualiza la información de los satélites en
órbita. Para poder observar la lista se selecciona nuevamente
en la opción “File” y luego “Satellite Pass list”. Con ello se
podrá observar información de satélites, incluyendo las horas
y frecuencias (como se mostró en la Fig. 1). Para decodificar
una señal descargada del satélite lo que se debe hacer es ir a
la opción “File” y luego “Record” hasta que perdamos la

3. cobertura del satélite, para luego darle a la opción stop y
presentar la imágenes decodificadas automáticamente.
C. Configuración de Orbitron.
La configuración de Orbitron es necesario al igual que
WXtoImg introducir las coordenadas del lugar de pruebas para
tener información más precisa. Luego de la instalación es
necesario descargar archivos LTE que contiene la información
actualizada de los satélites en órbita, para el caso la selección
de archivos LTE NOAA.
Fig. 6 Actualización de los archivos LTE.
Para actualizar solo se necesita ingresar a la opción
“configuración” del Orbitron y ubicarse en la pestaña
“Actualizar TLE”, se da click en el botón en forma de la
Tierra con un rayo y con esto descargara la nueva base de
datos de los satélites y sus trayectorias. Aplicamos los
cambios y cerramos la ventana.
D. Configuración de Mezcla Estéreo.
Esta opción instalada por defecto en Windows nos permite
transferir al software WXtoImg de manera digital la señal que
se captura con el software SDRsharp y de esta forma
decodificarla de manera automática.
La manera de activarla es entrada al panel de control y en la
opción “Sonidos”, escogemos la pestaña “Grabar” para activar
“Mezcla Estéreo” y seleccionándolo como dispositivo
predeterminado como se observa en la Fig. 7.
Fig. 7 Configuración de Mezcla Estéreo.
E. Acoplamiento de programas.
Para poder obtener imágenes de los satélites es necesario que
los programas definidos anteriormente estén sincronizados
principalmente SDRsharp y el Orbitron. Para ello es necesario
configurar el primero de tal forma que cuando se esté
corriendo Orbitron podamos correr los driver de SDRsharp,
teniendo una sincronía con los valores de frecuencia del
satélite, así como se muestra en la Fig. 8.
Fig. 8 Driver de SDRsharp en Orbitron.
Al cargar los driver desde Orbitron, se abrirá el programa
SDRsharp ya sincronizados. Solo se debe habilitar en el plugin
Packet Tracer de SDRSharp al programa Orbitron para que
SDRsharp pueda dar el seguimiento del satélite en ruta,
mostrado en la Fig. 9.
Fig. 9 Satellite Tracker en SDRsharp.

4. Luego de realizar la configuración de WXtoImg como se
mostró en el apartado B nos mostrara el siguiente cuadro en el
cual debemos dar click en “Auto Record” para que de manera
automática se reciba la señal del satélite y posteriormente
comiendo el proceso de decodificación.
Fig. 10 Grabación de señal de satélite en WXtoImg.
V. DISEÑO DE ANTENA CUADRIFILAR HELICOIDAL (QHF).
A. Antena cuadrifilar helicoidal (QFH).
Esta antena es ideal para la recepción de imágenes APT a una
frecuencia 137 MHz, ya que en esta frecuencia operan los
satélites antes mencionados. Se basa en el diseño de una
antena previa a esta, la cual consiste en una espira circular
atravesada por un dipolo; además si la antena está alimentada
correctamente se consigue una polarización como se observa
en la Fig. 11.
Fig. 11 Espira circular atravesada par un dipolo.
Está antena está compuesta por dos espiras para obtener
polarización circular, ya que es preciso que las corrientes en
ambas espiras estén desfasadas por 90 grados. Aunque existe la
posibilidad (popular con la antena turnstile) de utilizar un
desfasador formado con un trozo de cable (con 50Ω de
impedancia), en todo caso la antena QFH utilizar anillos de
tamaños diferentes. Un anillo levemente largo reacciona
inductivamente, mientras que uno más corto es capacitivo (en
este caso el anillo superior es mayor que el inferior) esto lo
podemos observar en la Fig. 12.
Fig. 12 Diseño de la antena QFH.
B. Diseño de la antena cuadrifilar helicoidal.
Usando la calculadora que se muestra en la Fig. 13, creada por
John Coppens [13] y sabiendo que la frecuencia de transmisión
de los satélites de NOAA es de 137 MHz, se obtiene los
resultados mostrados en la Tabla 2 correspondientes para las
longitudes mostradas en la Fig. 12.
Fig. 13 Calculadora para parámetros de antena.
Tabla 2 Parámetros de la antena.
Parámetro.
Espira [mm]
Grande Pequeña
Largo total. 2397.4 2278.3
Caño vertical. 889.6 845.8
Largo total compensado. 2423.2 2304
Caño total compensado. 859.6 815.8
Altura de la antena. H1 731.8 H2 695.8
Diámetro Interno. Di1 315 Di2 299.1
Separador Horizontal. D1 322 D2 306.1
Separador horizontal
compensado.
Dc1 292 Dc2 276.1
Se requiere realizar una compensación para que los dobleces de
las espiras sean de forma circular y no formen un ángulo de
90° lo cual generaría problemas en la recepción de la señal
además de causarle un efecto de rotura al cable, la solución a
este problema consiste en redondear los dobleces (como se
mencionó antes) agregando 15mm más (longitudes
compensadas) por cada dobles a la longitud total de cada espira

5. En la Fig. 14 se muestra la antena ya colocada para realizar las
pruebas pertinentes.
Fig. 14 Antena Ubicada para realizar las pruebas.
VI. RESULTADOS.
Luego de realizar múltiples pruebas además de calibrar la
ganancia de antena y ancho de banda del filtro utilizado en el
software SDRsharp, la mejor recepción se obtuvo el día 6 junio
del presente año, usando las coordenada 13.6688664N y -
89.2889304O (latitud y longitud respectivamente), situándola a
una elevación de 1.5 respecto al suelo se obtuvo la señal del
satélite NOAA-18 mostrado en la Fig. 15
Fig. 15 Imagen recibida del NOAA-18.
En esta ocasión el satélite inicio el enlace con nuestra antena a
las 13:45 (hora de Centro América) con una duración de 13:45
minutos en los cuales WXtoImg realizo la decodificación
dando como resultado la imagen mostrada en la Fig. 15. En
dicha imagen se puede notar la división política de Centro
América y parte de Norte y Sur América respectivamente.
La calidad de la imagen es muy baja debido a muchos factores
que se enumeran en las conclusiones, esto se comprobó al
comparar la imagen anterior, con una imagen recibida el
mismo día en el Geostationary Satellite Server [14], mostrada
en la Fig. 16. Notándose las precipitaciones climáticas que no
se puede obtener en la imagen obtenida en la prueba.
Fig. 16 Imagen recibida usando un equipo profesional.
Al observar ambas imágenes se puede notar que a pesar de la
mala calidad de imagen que decodifico el WXtoImg ha sido
una prueba satisfactoria ya que se cumplió con el objetivo
primordial el cual era poder recibir imágenes satelitales de
órbita polar.
Para la continuidad del proyecto se deberá enfocar en la
recepción de imágenes de mejor calidad, considerando las
conclusiones presentadas.
VII. CONCLUSIONES.
A través de los resultados obtenidos se concluye que los
siguientes aspectos contribuyen con la mala recepción de
imágenes entre los cuales se tienen:
A. Perdidas por cable y conectores.
Las pruebas se realizaron con un cable de 6 metros usando
conectores PL machos en ambos extremos esto genera
pérdidas ya que la RTL-SDR (RTL2832U) cuenta con un
conector para antena tipo MCX hembra, para darle solución a
este problema se tuvo que utilizar un adaptador de conector PL
hembra a MCX macho.
B. Altura a la cual se coloca la antena.
La altura es un factor importante, ya que en cuanto más altura
se tenga (respecto al nivel del mar) es beneficioso para evitar
pérdidas por vegetación o construcciones aledañas al lugar
donde se realiza la prueba.
C. Capacidad de la computadora.
Se comprobó que al usar un puerto USB 3.0 la calidad de la
imagen decodificada mejora grandemente debido a la
velocidad con que los datos son transferidos al software
WXtoImg, además de usar una computadora de gama media
ya que en este caso entre mejores recursos tenga la
computadora serán mejores los resultados obtenidos

6. D. Mala configuración del software utilizado.
En las primeras pruebas los resultados fueron malos ya que el
software Orbitron estaba mal referenciado dando un
seguimiento satelital equivocado.
VIII. TRABAJOS FUTUROS.
La versatilidad de la RTL-SDR (RTL2832U) fue de gran
ayuda a la realización de este proyecto ya que permitió realizar
pruebas usando un hardware de bajo costo. Sin duda es de gran
beneficio para que los desarrolladores sigan realizando mejoras
a este proyecto. Es por eso que para trabajos futuros se plantea
mejorar los aspectos que causaron inconvenientes y para esto
se sugieren futuras soluciones:
A. Diseño y elaboración de un LNA (Low Noise Amplifier).
Este dispositivo nos servirá para optimizar la figura del ruido
(SNR) de la señal recibida por el satélite.
B. Minimizar el uso de conectores extras.
Se ha planteado la elaboración de un cable equivalente a 6
metros usando conectores PL macho en una punta y MCX
macho en la otra y con esto tratar de evitar las perdidas por
conectores extras.
C. Mejorar el diseño de la antena.
Mediante la experimentación se buscara un diseño más óptimo
para la antena cuadrifilar helicoidal, y de esta forma mejorar la
calidad de recepción.
IX. REFERENCIAS.
[1] National Oceanic and Atmospheric Administration,
http://www.noaa.gov/about-noaa.html
[2] Dongle RTL-SRD (RTL2832U),
http://www.rtl-sdr.com/about-rtl-sdr/
[3] Radio definida por software SDRsharp,
http://sdrsharp.com/
[4] Software para seguimiento de satelites Orbitron,
http://www.stoff.pl/
[5] Software decodificador de imágenes APT WXtoImg,
http://www.wxtoimg.com/
[6] Descripcion de antena cuadrifiliar helicoidal (QFH),
http://jcoppens.com/ant/qfh/index.php
[7] Descripcion de imágenes APT,
http://www2.elo.utfsm.cl/~elo352/experiencias%20satelitales/apt/APT.h
tm
[8] Descripcion sobre canales AVHRR,
https://en.wikipedia.org/?title=Advanced_Very_High_Resolution_Radio
meter
[9] Estandar DVB-T,
https://es.wikipedia.org/wiki/DVB-T
[10] Caracteristicas del chip RTL2832U,
http://www.realtek.com.tw/products/productsView.aspx?Langid=1&PFi
d=35&Level=4&Conn=3&ProdID=257
[11] Driver para dongle RLT-SDR (RTL2832U),
http://zadig.akeo.ie/
[12] Base de datos sobre el posisionamientos de satelites de orbita polar,
http://www.celestrak.com/
[13] Calculadora para parametros de antenas cuadrifilar helicoidal,
http://jcoppens.com/ant/qfh/calc.php
[14] Geostationary Satellite Server,
http://www.goes.noaa.gov/index.html
X. BIOGRAFIA DE LOS AUTORES.
Fredy Antonio Patriz Rafael.
Nació en San Antonio del Monte,
El Salvador en 1987.
Actualmente realizando su trabajo
de graduación en la Universidad de
El Salvador en la Carrera de
Ingeniería Eléctrica. Miembro
activo de la Rama Estudiantil IEEE
de la universidad de El Salvador.
Xavier Alexadro Torres Amaya.
Nacio en la ciudad de
Sensuntepeque Cabañas en 1988.
Actualmente realizando su trabajo
de graduacion en la Universida de
El Savador en la carrera de
Ingenieria Electrica. Miembro
activo de la rama Estudiantil IEEE
de la Universidad de El Salvador.