Workshop
Wettersatellitenempfang
im Klassenzimmer
Unsere Erde aus dem Weltraum betrachtet
VIERLING  Pretzfelder Straße 21  D-91320 Ebermannstadt  Phone: +49 (0)9194 97-0  Fax: +49 (0)9194 97-100  Homepage: www.vierling.de
Die Grundidee des Schulprojektes
Wettersatellitenempfang im Klassenzimmer

Praktische Anwendung des erlernten Stoffes

Eigeninitiative der Schüler wird gefördert

Aktives Lernen an praktischen Beispielen

Interessanterer Unterrichtsablauf

Besserer Bezug zu technischen Anwendungen im Alltag

Einsatz und Anwendung in allen naturwissenschaftlichen Fächern
Folie 2
 BMS - Bs
 23.02.2009
Weitere Themenbereiche:

Entstehung von Wolken und Wirbelstürmen

Dopplereffekt bei Satelliten

Darstellung und Berechnung von Satellitenbahnen

Satellitentypen und ihr Einsatz im täglichen Leben

Bodenerwärmung in den verschiedenen Regionen Europas

Informatik, Umgang mit Programmen, Dateien, Datenbanken

Verteilen der Wetterbilder über das Schul-Internet und andere
Bildungseinrichtungen

Ableiten von Facharbeiten
Folie 3
 BMS - Bs
 23.02.2009
Was leistet das Satellitenempfangssystem?

Wetterbeobachtungen im Umkreis von 6.000 km
um den eigenen Standort

Empfang der Bilder an jedem Ort der Erde

Automatischer Empfang der verschiedenen NOAA - Wettersatelliten

Online-Verbindung zum Satelliten während des Überfluges

Aktuelle Wetterbilder, unabhängig vom Internet und anderen Quellen

Aktuelle Wetterbilder im sichtbaren und infraroten Bereich mit Boden-,
Wolken- und Gewässertemperaturen

Mobiler Einsatz ohne besondere Vorrichtungen

Softwareregistrierung aktiviert zusätzliche Leistungsmerkmale:
Ländergrenzen, Entfernungsmessung und Koordinatensystem
Folie 4
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 23.02.2009
Die Satellitenempfangsanlage WEATHERMAN
und ihre Komponenten
 QFH-Antenne mit Koaxialkabel
 Audiokabel und Steckernetzteil
 Weather Satellite Receiver für 137 MHz
 CD mit Dokumentation und Software
Folie 5
 BMS - Bs
 23.02.2009
Polar umlaufende Satelliten
Während die polar umlaufenden Satelliten wie die vom Typ NOAA
(National Oceanographic and Atmospheric Administration) ein "unendlich" langes Bild
von ihrer Überflugbahn ohne Anfang und Ende aussenden, haben die
Bilder der geostationären Trabanten Anfang und Ende, die durch
Start- und Stopptöne gekennzeichnet sind.
Folie 6
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 23.02.2009
Der Bahnverlauf der NOAA Satelliten auf die
Erdoberfläche projiziert
Polar umlaufende Satelliten sind nur während ihres Überfluges des jeweiligen
Empfangsstandortes zu empfangen. Für die Berechnung der Flugbahn helfen
Bahn-Berechnungsprogramme wie „WXTRACK“, die aus den Keplerelementen der
Satelliten die aktuelle Position und den Zeitpunkt des Überflugs berechnen. Das
Programm „WXtrack“ kann kostenfrei aus dem Internet geladen werden:
www.satsignal.net Software
TWO-LINE-Datensätzen
NOAA 19
1 33591U 09005A 09051.16116254 -.00000151 00000-0 -60318-4 0 156
2 33591 98.7337 0.0423 0013479 212.6686 147.3647 14.10935311 1937
Folie 7
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 23.02.2009
NOAA Satelliten scannen das überflogene Gebiet
Mit dem Advanced Very High Resolution Radiometer wird das überflogene Gebiet
in 5 Spektralkanälen abgetastet. Die NOAA Satelliten senden diese Daten als APTBilder ( Automatic Picture Transmision ) im Bereich von 137 MHz aus. Das
empfangene Funksignal welches von der Empfangsstation decodiert wird, zeigt
das jeweilige überflogene Gebiet wie hier im Bild. Die Überflüge der NOAA
Satelliten liefern ein Bild mit einer Breite von ca. 3000 km und einer Länge von ca.
6000 km. Die Bildauflösung aus einer Umlaufbahnhöhe von
820 km beträgt dabei 4 km x 4 km.
Radiometrische Genauigkeit:
10bit  1024 Graustufen
Folie 8
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 23.02.2009
Anwendungsbereiche Physik, Mathematik
und Informatik: Dopplereffekt

Durch die relativ hohe Bahngeschwindigkeit der
Satelliten von 7,4 km/s kommt es bei der
Empfangsstation zu einer Frequenzverschiebung der
Empfangsfrequenz von +/- 3 kHz.

Durch Messen der Regelspannung am Receiver kann
dieser Effekt beim Überflug des Satelliten den Schülern
vorgeführt werden.

Beispiel: Frequenzabweichung eines Autos bei einer
Reisegeschwindigkeit von 160 km/h und einer
Bahngeschwindigkeit des Satelliten von 7,4 km/s.
Folie 9
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 23.02.2009
fe = fs (1+v/c0)
fe = vom Empfänger aufgenommene Frequenz
fs = vom Sender abgestrahlte Frequenz
v = (+/-) rel. Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger
c0 = Lichtgeschwindigkeit in 3,0*108 ms-1
Geschwindigkeit Satellit:
v = (2π(r+h))/T = (2π(6371km+800km))/102min = 7,36kms-1
Beim „Aufgang“ des Satelliten
fo = 137,5000MHz * (1+7360ms-1 / 3*108ms-1)
fo = 137,50337MHz
fdoppler = +3,37kHz
Beim „Untergang“ des Satelliten
fo = 137,5000MHz * (1+(-)7360ms-1 / 3*108ms-1)
fo = 137,49663MHz
fdoppler = -3,37kHz
Beim „Untergang“ des Satelliten kehrt sich das Vorzeichen
der rel. Geschwindigkeit um ( - )
Folie 10
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 23.02.2009
Beim „Überkopfflug“ v=0  keine Dopplerverschiebung
Im Satellitenempfänger muss die Frequenzverschiebung mit der
AFC Regelung elektronisch ausgeglichen werden.
Mögliche Übungsaufgabe:
Ermittle die Frequenzverschiebung, wenn beim Radioempfang im
Auto eine Frequenz von 107,6 MHz eingestellt ist und das Auto mit
160 km/h auf der Autobahn fährt. Vergleiche die Ergebnisse
untereinander. Ist eine AFC (Automatic Frequency Control)
Schaltung im Autoradio unbedingt erforderlich?
 Ermittlung der Größenunterschiede bei unterschiedlichen
Reisegeschwindigkeiten und Interpretation der Ergebnisse.
Tritt beim Empfang von geostationären Satelliten wie
ASTRA, METEOSAT oder HOT-BIRD auch eine Dopplerverschiebung auf?
Folie 11
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 23.02.2009
Frequenz , Wellenlänge und Ausbreitung
Die NOAA Satelliten senden mit einer Frequenz von 137,5 MHz
oder 137,62 MHz
c


Die Wellenlänge bestimmt sich wie folgt:
f
f = Frequenz in Hz
c0 = Lichtgeschwindigkeit in 3,0*108 ms-1
λ = Wellenlänge in m
Folie 12
 BMS - Bs
 23.02.2009
Kreisbahnen um die Erde
Ein Satellit wird durch die Erdanziehung auf seiner Kreisbahn um
die Erde gehalten. Dies kann so beschrieben werden:
4 2 ( R  h)
M

G
T2
 ( R  h) 2
wobei T=Umlaufzeit; R=Radius d. Erde = 6370 km;
M=5.976 . 1024 kg; G=6.67*10–11 Nm2kg–2
Höhe des Satelliten über der Eroberfläche
2
GMT
h3
-R
4 2
Für T=24h  h=35.877 km
Umgekehrt lässt sich natürlich aus der Höhe über der Erde die Umlaufzeit
bestimmen:
T
Folie 13
4 2 ( R  h) 3
GM
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 23.02.2009
Für einen Satelliten, der 370 km über der Erde kreist,
ergibt sich so eine Umlaufzeit von ca. 92 Minuten.
Das entspricht der typischen Umlaufzeit des ISS.

Lösungsvorschläge

In den Aufgaben wurde immer angenommen, dass alle Satelliten in der
Äquatorialebene der Erde kreisen. In Wirklichkeit ist das natürlich nicht für alle
Satelliten richtig.
Gravitationsgesetz
Basierend auf den folgenden Informationen, können weitere Aufgaben
konstruiert werden. Grundlage sind das Gravitationsgesetz und die
Zentripetalbeschleunigung.

Fluchtgeschwindigkeit
v
2GM
R
Berechnung nur mit Integralrechnung möglich,
wobei G=6.67.10-11 Nm2kg-2; M=5.976.1024 kg; R=6370 km
Erstaunlicherweise ist die Fluchtgeschwindigkeit eines Körpers nicht von dessen
Masse abhängig. Somit müssen schwere und leichte Raketen genau gleich
schnell sein, wenn sie zum Mars wollen.
Folie 14
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 23.02.2009
Die Softwarekomponente WXtrack

Bahnberechnungsprogramm mit dem Sie für ihren Empfangsstandort

die Überflugzeiten und

den Bahnverlauf der Satelliten

berechnen, anzeigen und
voraussagen können

zeigt die Weltkarte mit dem
Empfangsstandort sowie die
ausgewählten Satellitenbahnen
zum aktuellen Zeitpunkt des
Beobachtungsstandortes

den Sonnenstand und Jahreszeiten

Spezielle Darstellungen erlauben
den Blick auf Süd oder Nordpol
Folie 15
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 23.02.2009
Die Softwarekomponente Wave Trace
Programm zum automatischen Aufzeichnen der APT-Audiodaten






Folie 16
Automatisches aufzeichnen des Satelliten Signal im Bereich (200Hz
bis 5000Hz) als „ *.wav " Datei .
Einstellungen der Triggerbedingungen im Pegelbereich oder
Frequenzbereich.
Abtastraten von 11025Hz (Sampling)
Auflösung von 8 Bit oder 16 Bit.
Es wird ein „ Trace-File “ erzeugt mit dem entsprechenden Zeitstempel
Bargraph (Pegel/dB) zur Indikation der augenblicklichen
Pegelverhältnisse
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 23.02.2009
Die Softwarekomponente Weathermancontrol
Programm zum automatischen Aufzeichnen der APT-Audiodaten






Folie 17
Automatisches aufzeichnen des Satelliten Signal im Bereich (200Hz
bis 5000Hz) als „ *.wav " Datei .
Einstellungen der Verzeichnisse und Directory.
Auswahl der Signalquelle im Audiomenü
Spektrographische Anzeige des Satellitenempfangssignal
Erzeugung eines „ Trace-File “mit entsprechenden Zeitstempel
Indikation von (Pegel/dB) und Signalrauschabstand SNR des
augenblicklichen Satellitensignals
 BMS - Bs
 23.02.2009
Die Softwarekomponente SatSignal
Analog-Digital-Wandlung des Empfangssignals
Das decodierte Bild kann
 im sichtbaren Bereich Channel A bei 680nm,
 im Infrarotbereich Channel B bei 10µm oder




als Falschfarb-Bild False Colour dargestellt werden
warme Gebiete zeigen dabei rote Einfärbung
kalte Gebiete zeigen eine blaue Einfärbung.
Intensität der Einfärbung gibt
die Temperatur an
Folie 18
 BMS - Bs
 23.02.2009
Die Softwarekomponente SatSignal
Analog-Digital-Wandlung des Empfangssignals




Die mit dem Programm WaveTrace aufgezeichnete Dateien werden mit
dem Programm SatSignal decodiert
decodiertes Wetterbild setzt sich aus dem sichtbaren Channel A und
dem Infrarot Channel B zusammen
Falschfarbbild False colour wird aus Channel A + B elektronisch zusammen
gestellt
Channel A
Channel B
Channel A + B
Folie 19
 BMS - Bs
 23.02.2009
Darstellungsmöglichkeiten von SatSignal
Die mit dem Programm SatSignal dargestellten Bilder Channel A und Channel B
werden zum Falschfarbbild False Colour aus den Channel A + B zusammengestellt. Durch einblenden der Koordinaten, des Gradnetz, der Küstenlinien und
Ländergrenzen sind mit Wolken bedeckte Gebiete besser zu zuordnen. Mit dem
Mauszeiger können die Temperatur und Koordinaten direkt abgelesen werden.
Folie 20
 BMS - Bs
 23.02.2009
Vom Satellitensignal
zum Wetterbild von Europa
Grafikkarte
zur Darstellung der
decodierten Tonsignale
zum Satellitenbild
QFH-Empfangsantenne
Speichermedium
Festplatte
Soundkarte
analog/digital
Wandler mit Mic
Eingang
Wettersatelliten Empfänger
Folie 21
 BMS - Bs
 23.02.2009
Programm Wavtrace
zum Aufzeichnen
der digitalen Signale
Betriebssystem (WINDOWS) mit
Satsignal-Decodiersoftware zur Darstellung der
empfangenen Wetterbilder
Beispiele für den Anwendungsbereich Informatik
Praktische Übungsaufgaben:
 Installation der Programme WXTRACK und SatSignal aus den Internet
 Einstellen der Setup-Parameter im Programm WXTRACK
 Einstellen der Setup-Directory im Weathermancontrol
Schriftliche Übungsaufgaben:
 Erläutern Sie, warum der Standort und die genaue Ortszeit von
Bedeutung ist!
 Wie wirken sich Sommer und Winterzeit auf das Programm und die
Satellitenbahnen aus?
 Wie verhält sich das Programm SatSignal mit der Einblendung der
Ländergrenzen, wenn der Standort im Programm WXtrack geändert
wurde? (z.B.: New York) Interpretieren Sie den Zusammenhang
zwischen den beiden Programmen.
Folie 22
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
Zeige die Größenverhältnisse zwischen Erdradius und
Satellitenbahnhöhe Altitude auf. Wähle dabei einen geeigneten
Maßstab. (z.B.: A4 Erdradius ca. 6400 km, Altitude NOAA Satellit 800
km, Altitude ISS Höhe ca. 360 km, Altitude GPS Satellit 20000 km,
Fernsehsatellit ASTRA 1C Altitude 35800 km).

Erkläre, warum die Überflugrichtung der NOAA Satelliten
am Vormittag von Nord nach Süd und am Nachmittag
von Süd nach Nord verläuft.
Warum ändern Sie ihre Flugrichtung?

Die vom Weather Satelliten Receiver empfangenen analogen Signale
werden mit der Soundkarte im PC A/D gewandelt und anschließend mit
dem Programm SatSignal zum Wetterbild decodiert.
Nenne andere Beispiele aus dem täglichen Leben, bei denen Signale,
die uns umgeben, A/D bzw. D/A gewandelt werden.
Nenne mindestens drei Beispiele.
Folie 23
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
Auflösung der CCD Zeile beim AVHRR

CCDElement = ( Boden * b ) / h

Bestimme die Auflösung ( Abstand zweier Rezeptoren auf der Netzhaut) des
menschlichen Auges!
Der Abstand zwischen Pupille und Netzhaut liegt bei ca. 1,7cm.
Wie könnte eine Versuchsanordnung aussehen?
Rezept_auge = ( Abstand zweier Punkte * 1,7cm ) / Abstand Punkte zum Auge
4,25µm
= 0,001m * 0,017m/ 4m



68,4µm = 1100 * 0,051/ 820000
Auf ähnliche Weise kann man die Auflösung
seiner Digitalkamera ermitteln.
Wie könnte hier die Versuchsanordnung
aussehen?
Was versteht man unter
-geometrischer Auflösung ?
-radiometrischer Auflösung ?
-spektraler Auflösung ?
-temporaler Auflösung ?
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Fernerkundung Klima und Umwelt




Der Aralsee ist ein abflussloser, mittlerweile wegen Austrocknung in
mehrere Teile zerfallener Salzsee in Asien
1960 lag der Wasserspiegel noch bei etwa 53,4 m, seitdem ist er
um ca. 23 m gesunken
Gleichzeitig stieg der Salzgehalt auf 78 g/L
Folgen: Salz- u. Staubwüste, Fischsterben, Umweltverschmutzung
16. Mai 2005 – 10:25 Uhr
Aralsee und Kaspisches Meer
empfangen in Ebermannstadt
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 23.02.2009
Fernerkundung Klima und Umwelt
19. Oktober 2005 – 16:17 Uhr Madeira
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 23.02.2009
16. Mai 2005 – 10:25 Uhr Aralsee und
Kaspisches Meer empfangen in Ebermannstadt
Fernerkundung Klima und Umwelt
16. Mai 2002 – 18:55 Uhr empfangen in Ebermannstadt
Folie 27
 BMS - Bs
 23.02.2009
Fernerkundung Klima und Umwelt
21. Juli 2005 – 09:20 und 17:36 Uhr Ortszeit, Nähe Nordkap
Folie 28
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 23.02.2009
Fernerkundung Entstehung eines Sturms (1)
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 23.02.2009
Fernerkundung Entstehung eines Sturms (2)
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 23.02.2009
Fernerkundung Kyrill über Europa
18. Januar 2007 – 11:32 Uhr
Kyrill über Europa empfangen in Ebermannstadt
Folie 31
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 23.02.2009
Regengebiete
Durch verschiedene False Colour Modelle
können Regengebiete, Temperaturverteilung
der Wolken und des Boden besser
dargestellt werden. Regengebiete sind hier
grün bis rot eingefärbt.
Folie 32
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 23.02.2009
Wettersatellitenempfang im Klassenzimmer

Anwendungsbereiche
 Mathematik
 Physik
 Informatik
 Geographie
 Astronomie
+
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 23.02.2009
=
Unsere Erde aus dem Weltraum betrachtet
Wettersatellitenbilder „live“
auch in Ihrem Klassenzimmer.
Seien Sie dabei!
Ihr Kontakt
VIERLING Communications GmbH
Dipl.-Ing. Wolfgang Baschant
Pretzfelder Str. 21
91320 Ebermannstadt
Tel.:
Fax:
09194 / 97-224
09194 / 97-101
E-Mail: [email protected]
Internet: www.vierling-group.de
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit.

ppt-Präsentation