Vệ tinh NOAA là những vệ tinh quan sát môi trường do Cơ quan Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA) vận hành.

Vệ tinh NOAA

Vệ tinh NOAA được phóng lên quỹ đạo để thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu quan trắc môi trường từ và thời tiết. Cơ quan khí tượng và đại dương Hoa Kỳ (NOAA) cho rằng các vệ tinh này sẽ giúp nâng cao khả năng phân tích và dự báo thời tiết, nghiên cứu khí hậu, giám sát mực nước biển, cũng như phân tích tình trạng thực vật trên toàn cầu.

Mỗi vệ tinh NOAA sẽ có tên được đặt theo thứ tự thời gian phóng, bao gồm NOAA 15 phóng năm 1998, NOAA 16 phóng năm 2000, NOAA 17 năm 2002, NOAA 18 năm 2005, và NOAA 19 phóng năm 2009.

Tới thời điểm hiện tại (17/4/2024), chúng ta chỉ thu thập thông tin của các vệ tinh NOAA 15, NOAA 18, và NOAA 19. Vệ tinh NOAA 14 và NOAA 12 đã được ngừng hoạt động vào tháng 5 và tháng 8 năm 2007.

Quỹ đạo của NOAA 15 đi qua phần lớn phần lãnh thổ của Việt Nam, nên chúng ta lựa chọn vệ tinh này để thực hiện thu thập tín hiệu.

Quỹ đạo vệ tinh NOAA

Tuỳ thuộc vào các chiến dịch triển khai hay sứ mệnh nhiệm vụ khác nhau mà các vệ tinh sẽ có các quỹ đạo khác nhau. Các quỹ đạo phổ biến gồm quỹ đạo cực (polar orbit) hoặc quỹ đạo địa tĩnh (geostationary orbit).

Quỹ đạo cực (Polar orbit)

Quỹ đạo cực (polar orbit) là một quỹ đạo trong đó một vệ tinh quay vòng quanh và đi qua hoặc gần cả hai cực của một vật thể vũ trụ (trường hợp này là Trái Đất) trên mỗi vòng quay.

• Quay quanh Trái Đất theo quỹ đạo cực, đi qua hai cực.
• Cung cấp dữ liệu toàn cầu về khí quyển, đại dương, và bề mặt đất.
• Được sử dụng cho mục đích phân tích thời tiết, nghiên cứu khí hậu và các ứng dụng môi trường khác.
  

Vệ tinh NOAA thuộc loại vệ tinh POES (Polar Operational Environmental Satellites), thực hiện việc quan sát từ quỹ đạo cực của Trái Đất. Vệ tinh NOAA thường cách trái đất từ 800 tới 1000 km.

Khi nó đang quay ở trên quỹ đạo, đồng thời trái đất quay ở bên dưới. Nên năng lực quan sát của nó gần như toàn bộ bề mặt Trái đất.

Mỗi vệ tinh NOAA sẽ mất khoảng 102.1 phút để hoàn thành một vòng quay, và cho phép chúng quay quanh trái đất 14.1 lần mỗi ngày.

Quỹ đạo địa tĩnh (Geostationary orbit)

Quỹ đạo địa tĩnh (geostationary orbit) là quỹ đạo vòng quanh Trái đất phía trên đường xích đạo theo chiều từ Tây sang Đông ở độ cao khoảng 36.000 km. Bởi vì nó quay theo vòng quay Trái đất, mất 23 giờ 56 phút và 4 giây, các vệ tinh theo quỹ đạo địa tĩnh dường như luôn giữ tại một vị trí cố định. Tốc độ của chúng là khoảng 3 km/s

Định vị tại một điểm cố định trên xích đạo, quay quanh Trái Đất đồng bộ với tốc độ quay của hành tinh, cho phép theo dõi liên tục một khu vực nhất định.

Chủ yếu được sử dụng để theo dõi các điều kiện thời tiết trong thời gian thực như bão, áp thấp nhiệt đới, và các hệ thống mây khác.

Kênh liên lạc vệ tinh

Ngoài các cảm biến hay hệ thống điều khiển quỹ đạo của vệ tinh. Kênh liên lạc giúp các trạm mặt đất gửi hoặc nhận các tín hiệu của vệ tinh. Dưới đây là một số khái niệm trong kênh liên lạc, chúng ta cần biết về mục đích trước khi tiến hành làm việc với nó

Uplink là quá trình truyền tín hiệu từ một trạm mặt đất (Ground Station) lên vệ tinh. Mục đích để gửi lệnh điều khiển, cập nhật phần mềm, hoặc thông tin các cấu hình của các cảm biến. Việc này sẽ giúp các nhà khoa học điều chỉnh quỹ đạo, hiệu chỉnh cảm biến hoặc reset lại toàn bộ vệ tinh.

Downlink là quá trình truyền tín hiệu từ vệ tinh về trạm mặt đất (ngược lại với Uplink). Mục đích của kênh truyền này để gửi dữ liệu mà vệ tinh đã thu thập xuống trạm.

Các thông tin trong dữ liệu của vệ tinh có thể bao gồm hình ảnh quan sát môi trường, dữ liệu khoa học, các phép đo đạc đã được thực hiện trong không gian.

Nhằm tránh nhiễu tín hiệu, đảm bảo việc truyền tin hiệu quả và chính xác giữa Ground Station và mặt đất. Các kênh truyền Uplink và Download sẽ được tách biệt về tần số. Ngoài ra, để đảm bảo tính bảo mật, giúp các vệ tinh an toàn hơn trong những cuộc tấn công mạng. Các kênh này sẽ áp dụng thêm các phương thức mã hoá hoặc xác thực khác.

Kênh liên lạc với vệ tinh NOAA

Các vệ tinh của NOAA sử dụng nhiều kênh downlink khác nhau để truyền dữ liệu về Trái Đất. Mỗi kênh downlink có những đặc điểm và mục đích sử dụng khác nhau. Tần số Uplink & Downlink cũng sẽ khác nhau ở mỗi vệ tinh.

• Kênh Downlink HRPT – High Resolution Picture Transmission sẽ cung cấp dữ liệu và hình ảnh chất lượng cao từ các cảm biến AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Những dữ liệu này thường phục vụ các nhà khoa học, cơ quan phân tích môi trường. Nó hoạt động trên tần số 1702.5 MHz (L-Band) và có tốc độ truyền dữ liệu cao lên tới vài Mbps

• Kênh Downlink APT – Automatic Picture Transmission sẽ cung cấp ảnh có độ phân giải thấp. Hoạt động ở băng tần VHF, tần số 137 MHz và tốc độ truyền tin thấp hơn. Với tần số này, các giáo viên, hoặc các nhà nghiên cứu nghiệp dư dễ dàng tiếp cận và chế tạo thiết bị thu không quá đặc biệt.

Trạm mặt đất (Ground Station)

Trạm mặt đất (Ground Station) đóng vai trò quan trọng trong việc gửi và nhận dữ liệu từ vệ tinh một cách hiệu quả. Các vệ tinh NOAA không công bố kênh Uplink và phương thức kết nối vì lí do bảo mật và an toàn nên chúng ta không thể thực hiện việc gửi tín hiệu. Việc duy nhất chúng ta làm được là nhận tín hiệu vệ tinh NOAA và xử lý thông tin từ kênh Downlink.

Để xây dựng một trạm mặt đất (Ground Station) cần có:

Vị trí địa lý thuận lợi. Trạm mặt đất phải đặt ở vị trí có thể “nhìn thấy” hay thu được tín hiệu vệ tinh khi nó đi qua quỹ đạo. Nếu khu vực có nhiều vật cản như núi cao, nhà cao tầng hoặc nơi có nhiều trạm phát vô tuyến (điện đàm taxi) sẽ gây ra nhiều tín hiệu nhiễu và khó thu thập dữ liệu

Thiết bị Anten: Mỗi vệ tinh sẽ có các tần số hoạt động khác nhau. Nên việc sử dụng hay chế tạo các Anten đặc thù dành riêng cho từng loại tần số, sẽ giúp quan sát các tín hiệu dễ dàng hơn.

Bộ thu sóng (Receiver) để nhận tín hiệu vệ tinh. Với các tần số nhỏ như của vệ tinh NOAA. Chúng ta có thể dễ dàng sử dụng các thiết bị như RTL-SDR USB hoặc bộ đàm cầm tay

Hệ thống định vị và điều khiển Antena. Hệ thống sẽ thực hiện bám sát vệ tinh theo quỹ đạo trên bầu trời (bao gồm hướng, cao độ). Nếu không có các thiết bị này, việc điều khiển này phải chạy bằng tay.

Hệ thống xử lý tín hiệu: Máy tính cài đặt hệ điều hành Windows, Linux hoặc MacOS. Kèm theo các phần mềm chuyên dụng như SDRSharp, SDRPLus, Satdump, GQRX,.. sẽ giúp chúng ta thu và xử lý tín hiệu vệ tinh hoặc điều khiển các hệ thống định vị hoặc điều khiển Antena.

SDRSharp hay SDRPLus (SDR Software) chỉ có vai trò thu và tinh chỉnh tín hiệu sóng điện từ bằng phần khiến chúng trở nên rõ ràng hơn. Để biến dữ liệu thô thành hình ảnh, chúng ta cần “gỉai mã” các tín hiệu APT bằng các công cụ chuyên dụng (Satellite Image Decoding Sofware) như wxtoimg, Satdump hay NOAA-APT.