Images satellitaires terrestres avec une application sur syst me embarqu .

1. Images satellitaires terrestres avec une application sur système embarqué. par Michaël Coquard & Alexandre Grison

2. Plan Introduction - Orbite des satellites L’acquisition des images - Capteurs - Techniques d’acquisition Transmission des images - Généralités - Les normes Systèmes embarqués - Généralités - Exemple de réception d’image satellite sur un système embarqué Conclusion

3. Introduction Le 4 octobre 1957 sera lancé le 1er satellite artificiel par l'union soviétique : Spoutnik-1. Depuis ce jour, des centaines de satellites ont été envoyés en orbite autour de la Terre dans de multiples buts : télécommunications, système de positionnement (GPS et bientôt Galiléo), observation de l'espace (Hubble) ou de la Terre...

4. Introduction Les satellites d'observation terrestres sont utilisés depuis plusieurs années dans beaucoup d'applications. L'application la plus connue et que l'on rencontre quotidiennement est sans doute la météorologie mais il existe beaucoup d'autres domaines tels que la recherche de ressources naturelles, la détection des feux de forêt, l'analyse de la température des océans ou encore la surveillance militaire...

5. Orbite des satellites La 1ère différence entre les satellites se situe dans leur orbite. On situe de manière globale deux type de satellites : - les satellites géostationnaires - les satellites d'orbite basse (ou a défilement)

6. Satellites géostationnaires Comme leur nom l'indique, ils semblent être immobiles depuis la Terre. Leur orbite est calculée de telle manière à ce que leur période de rotation coïncide avec celle de le Terre. Ces satellites se situent environ à 36000Km de la surface de la Terre sur le même plan que l'équateur. Il permettent d'avoir une vision globale de la planète (un satellite de ce type peut observer 42% de la surface totale du globe) Dans cette catégorie, on peut citer les satellites Météosat lancés par l'Agence spatiale européenne (ESA)

7. Satellites d’orbite basse Ils se situent à une altitude beaucoup moins élevée (600 à 1500Km). Ils ont donc une période de révolution beaucoup plus faible suivant la 3ème loi de Kepler (a³/T² = C où a est le demi-grand axe de l'orbite, T est la période de révolution et C une constante qui dépend notamment de la masse de la planète)

8. Satellites d’orbite basse En imagerie, on utilise des satellites dits polaires. Leur caractéristique est que le plan de leur orbite est perpendiculaire à l'équateur et leur altitude de 850Km. Ce type de satellite possède une période de révolution de 100 minutes ce qui lui permet de balayer toute la surface terrestre en 12H. Son énorme avantage est qu'il survolera toujours un point de la Terre à la même heure chaque jour. L'image obtenue sera donc dans les mêmes conditions d'ensoleillement. C'est la raison pour laquelle on appelle aussi ce type de satellite héliosynchrone.

9. Satellites d’orbite basse L’avantage de ces satellites est de se trouver plus proche de la Terre et donc de pouvoir capter plus de détails que les satellites géostationnaires. Ils permettent aussi d’avoir des images des pôles et des hautes latitudes.

10. Plan Introduction - Orbite des satellites L’acquisition des images - Capteurs - Techniques d’acquisition Transmission des images - Généralités - Les normes Systèmes embarqués - Généralités - Exemple de réception d’image satellite sur un système embarqué Conclusion

11. Acquisition : Capteurs Les satellites d'observation terrestre disposent chacun d'un ou de plusieurs capteurs spécialisés dans un domaine précis du spectre électromagnétique appelés « radiomètres ». Les domaines les plus utilisés sont : - le domaine du visible de 400 à 700nm pour les observations directes le jour (google earth...) - le domaine infrarouge de 700 à 1mm pour capter les différences de températures et observer le déplacement des nuages

12. Acquisition : Capteurs

13. Acquisition : Capteurs La raison pour laquelle ces deux domaines du spectre sont utilisés est très simple. Les ondes courtes (<700nm) proviennent du rayonnement solaire alors que les ondes longues (>700nm) sont émises par la Terre.

14. Acquisition : techniques L’acquisition directe : L’image est récupérée directement via un capteur CCD bidimensionnel. Cette technique est assez coûteuse mais elle permet de capturer d’un coup une zone visée, elle est utilisée en astronomie sur Hubble par exemple mais rarement pour l’observation de la Terre.

15. Acquisition : techniques Le capteur est de dimension 1 voir de dimension 0 (une photodiode ou une antenne radar par exemple) C’est le déplacement du satellite et éventuellement du capteur lui même qui permet l’acquisition. Cette méthode est, contrairement à la précédente, très utilisées pour les satellites météorologiques d’autant plus qu’elle permet l’utilisation de capteurs autres que les CCD (comme les radiomètres mais aussi des radars etc…)

16. Acquisition d’image d’un satellite Polaire

17. Plan Introduction - Orbite des satellites L’acquisition des images - Capteurs - Techniques d’acquisition Transmission des images - Généralités - Les normes Systèmes embarqués - Généralités - Exemple de réception d’image satellite sur un système embarqué Conclusion

18. La transmission des images vers la Terre : Satellites Météorologiques Toutes les transmissions de données des satellites vers la Terre s’effectuent pour la plupart dans le domaine des ondes Radio (et parfois les Micro Ondes). Les satellites météorologiques émettent entre 100Mhz et 2Ghz mais d’autres fréquences sont utilisées dans d’autres domaines (plus de 10Ghz pour la télévision par satellite par exemple)

19. La transmission des images vers la Terre : Satellites Météorologiques Les satellites météorologiques correspondent à la plus grande part des satellites d’observation. Ils ne sont pas seulement utilisés pour la météo mais aussi pour des domaines très proches tels que l’étude de l’environnement, du changement climatique à long terme etc… Cette partie détaillera les normes utilisées par ces types de satellites avec leurs aspects techniques.

20. Généralités Les satellites météorologiques utilisent chacun des protocoles de transmission de données spécifiques. Ces protocoles sont similaires à ceux que l’on peut rencontrer sur un réseau filaire classique (par exemple, Ethernet) La plupart de ces protocoles sont normalisés par la CGMS (Groupe de Coordination pour les Satellites Météorologiques) Certaines données sont cryptées et ne sont utilisables que par des stations réceptrices enregistrées auprès de l’organisme gérant le(s) satellite(s) concerné(s) La plupart des images sont transmises en clair et peuvent être récupérées par n’importe quelle personne. Beaucoup de radioamateurs arrivent à recevoir des images très bonne qualité avec peu de matériel.

21. Matériel pour recevoir des images d’un satellite Météorologique (APT)

22. Généralités : modulation de signal

23. Généralités : modulation de signal Les 3 types de modulations les plus connus sont AM, FM et PM :

24. Généralités : modulation de signal Les formules des courbes précédentes : Signal de départ : sin(x) Porteuse : sin(10x) Modulation AM : sin(10x)*(sin(x)+1) Modulation FM : sin(x(10+sin(x)) Modulation PM : sin(10x+10*sin(x) La formule générale : amplitude*sin(x*(fréquence)+phase) Il existe d’autres types de modulation de signal que nous détailleront pas.

25. Les normes Cette partie présentera les principaux protocoles utilisés par les satellites météorologiques Ces protocoles sont analogiques ou numériques Leurs spécificités seront détaillées pour chacun d’eux

26. Norme APT(automatic picture transmission) Cette norme est la plus ancienne, elle a été mise en place vers 1970 pour les satellites polaires Américains (les satellites NOAA l’utilisent encore actuellement). Son principe est très simple : - les données issues du capteur (en général unidimensionnel) modulent un signal de 2400Hz en amplitude (AM) - ce signal est lui-même modulé en fréquence sur 137Mhz qui est transmis vers la Terre (cette fréquence peut varier suivant les satellites) Ce signal est le plus simple à recevoir avec le matériel de base cité plus haut (il ne nécessite qu’un récepteur 137Mhz de bande passante 40Khz)

27. Norme APT(automatic picture transmission) La résolution est environ de 4Km / pixel pour une image de 1000 pixels de large environ (le signal brut issu du capteur est échantillonné de manière à compenser la courbure de la Terre et ainsi de garder une résolution constante) Deux images sont transmises : une sur un canal visible et une dans l’infrarouge (pour la visibilité de nuit) Le canal visible peut être remplacé par un autre canal infrarouge la nuit. Les données étant transmises en série, ce protocole utilise des moyens de synchronisation pour reconstruire l’image.

28. Norme APT : synchronisation La transmission s’effectue à raison de 120 lignes par minute environ. Il n’y a aucun signal de synchronisation pour le début et la fin de l’image (celle-ci est transmise de manière continue jusqu’à ce que le satellite ne soit plus visible) Il y a par contre un signal de synchronisation pour chaque début de ligne. Ci-contre, le format d’une trame APT (expliquée après)

29. Norme APT : détail d’une trame Les images APT sont subdivisées en trames faisant chacune 128 lignes (exemple d’une trame ci-dessus) Une trame est composée d’un signal de synchronisation à chaque début de ligne qui alterne un signal fort suivit d’un signal faible (ce qui correspond à un point noir suivit d’un point blanc) ce signal permet de compenser les écarts dans la longueur de lignes (certaines sont plus petites que d’autres lors de l’acquisition) Un second signal visible comme une ligne noire horizontale de deux pixels d’épaisseur sert pour la synchronisation temporelle. (cette ligne n’apparaît pas à la même fréquence que les trames) Le dernier signal correspond à un signal de télémétrie qui donne des informations supplémentaires sur l’état actuel du capteur (température, calibrage etc…)

30. Norme APT : exemple d’image

31. Norme APT : remarque sur le capteur Le capteur le plus utilisé dont les données sont transmises par le flux APT est le AVHRR (Radiomètre Avancé à Très Haute Résolution) utilisé notamment sur les satellites NOAA Américains Ci-dessous, le diagramme indique la manière dont est échantillonné le signal brut du capteur pour être envoyé en trames APT avec une résolution constante de 4Km / pixel. Le AVHRR possède une résolution native de 1.1 Km /pixel à la verticale du satellite. Cette résolution se dégrade en s’éloignant de la verticale (schéma à bas à droite)

32. Norme WEFAX (Weather Facsimile) Cette norme a été introduite par le CGMS. Elle correspond au standard de transmission pour les satellites géostationnaires. Son mode de fonctionnement est basé sur le protocole APT mais améliore son concept. La transmission toujours analogique s’effectue de cette manière : - le signal module toujours une porteuse de 2400Hz en AM (variable, voir plus bas) - cette porteuse module en FM un signal de 1700Mhz envoyé vers la Terre (variable suivant les satellites) Les images ont une résolution de 800*800 pixels, 9 images permettent d’afficher la Terre entière.

33. Norme WEFAX : synchronisation Comparé au format APT, les images ne sont plus transmises par lignes mais par blocs d’images complètes. Les images sont envoyées toutes les demi-heures. Une image complète est envoyée en 3 minutes et demi environ. La synchronisation qui permet de connaître le début et la fin d’un bloc se fait par changement de la fréquence de porteuse qui passe de 2400Hz à 300Hz pour le signal de début et 450Hz pour le signal de fin. La synchronisation pour le début de chaque ligne est la même que pour la norme APT Ci-contre, le codage d’une image envoyée via WEFAX

34. Norme WEFAX : détail d’une image Ce format n’est pas totalement analogique puisque des données sont transmises en numérique pour préciser quelques informations sur l’image (nom du satellite, date de l’image, type de l’image…). Ces informations sont codées en ASCII en utilisant deux pixels noirs pour représenter le bit 0 et deux pixels blancs pour le bit 1. L’information est répétée sur deux lignes (en cas de mauvaise réception) La taille de la chaîne ASCII maximale est donc de 400 bits soit 50 caractères (8 bits chacun) L’image elle-même reste codée de manière analogique.

35. Norme WEFAX : exemple d’image Image reçue d’un satellite Météosat On peut remarquer que l’image n’est pas brute puisque les contours des continents sont visibles. Les images sont en fait d’abord envoyées vers des stations au sol qui réalisent un traitement avant de les renvoyer vers le satellite qui les renvoient finalement vers les utilisateurs.

36. Formats LRPT & HRPT Ces deux formats sont ou seront utilisés sur les satellites polaires. LRPT sera le format numérique remplaçant le vieillissant format APT. HRPT est un format numérique déjà utilisé sur les satellites NOAA pour la transmission haute résolution du Radiomètre AVHRR. Il permet la transmission des images à 650Kb/s. Les satellites Metop de EUMETSAT (le programme européen pour l’exploitation des satellites météorologiques) utilisent aussi un protocole nommé HRPT mais incompatible avec celui des satellites NOAA.

37. Formats LRIT & HRIT Ces sont les futurs formats numériques qui remplaceront le WEFAX analogique et le format numérique haute résolution numérique HRI sur les satellites géostationnaires. Ce seront les standards adoptés par le CGMS (Groupe de Coordination des Satellites Météorologiques) Le principal avantage sera la qualité apporté par le format numérique. Par ailleurs les images seront compressées (avec et sans pertes suivants le canal : visible, infrarouge etc…) Les images en hautes résolutions resteront sous forme cryptées (voir autres formats)

38. Autres formats Il existe d’autres formats ou normes moins connus comme le HRI utilisé par les satellites Météosat (géostationnaires) Ce format est crypté et n’est seulement exploitable que par les stations ayant payé une redevance à EUMETSAT.

39. Plan Introduction - Orbite des satellites L’acquisition des images - Capteurs - Techniques d’acquisition Transmission des images - Généralités - Les normes Systèmes embarqués - Généralités - Exemple de réception d’image satellite sur un système embarqué Conclusion

40. Systèmes embarqués On désigne par système embarqué un système (matériel et logiciel) autonome ayant des ressources limitées, par exemple la place disponible pour stocker des données, ou la taille de la mémoire disponible. On retrouve des systèmes embarqués dans divers secteurs, comme l'automobile, l'aéronautique, la téléphonie, ... Un système embarqué doit être fiable et sûr, robuste, et capable de traiter des informations dans un temps limité. Ces systèmes sont parfois dis critiques. On associe souvent les systèmes embarqués aux systèmes temps réel. Un système embarqué peut-être simplement composé d'un processeur, qui exécute un logiciel dédié à une tâche bien précise. Il n'est pas forcément équipé de clavier ou de possibilitées d'affichages quelconques.

41. Contraintes de temps Un système est dit temps réel lorsque l'information après acquisition et traitement reste encore pertinente. Il garanti un temps maximum d'exécution et non un temps moyen. Par exemple un satellite qui aurait pour but de prévenir de l'avancement d'un cyclone toutes les 10 minutes, n'aura qu'un peu moins de 10 minutes pour capter les données, les traiter, et les émettres aux stations météo terrestres. Le système doit être déterministe et préemptif c'est à dire avoir toujours le même comportement pour une même suite d'actions, et qu'il peut à tout moment intérompre une tâche pour donner la main à une autre qui en a le plus besoin.

42. Contraintes de fonctionnement Comme dis précédemment, un système embarqué doit être robuste, car on ne peut pas contrôler l'environnement dans lequel il évoluera. Il doit être sûr et fiable, pour garantir la sécurité des personnes en jeu, si il y'en a, et toujours fonctionner correctement. Personne n'étant parfait, il doit donc pouvoir tolérer certaines fautes. On doit veiller à son poids et à son encombrement, par exemple un satellite plus lourd coûtera plus cher à envoyer dans l'espace. On doit également veiller à sa consommation, pour une plus grande autonomie et donc plus de services rendus. Ainsi qu'à son coût, pour des dépenses moins importantes lors d'une fabrication en série.

43. Partie logiciel On trouve des des systèmes d'expoitations spécialisés pour l'embarqué. Ils sont dans 60% des cas commerciaux, et le reste du temps fait soit même ou basés sur des systèmes d'exploitations libres. On pourra citer QNX, VxWorks, LynxOS, WinCE, Linux, TRON, Xthread, Integrity, VRTX, Nucleus, RTEMS, OSE et d'autres dérivés d'UNIX. Par exemple le Mars Reconnaissance Orbiter utilises VxWorks, et TRON est très utilisé par des des grandes entreprises comme Mistubishi Electronic, Hitachi et Fujitsu qui ont développés leur propres version basés sur TRON.

44. Linux comme S.E. Utiliser Linux = plusieurs avantages : La Gratuité : Linux est gratuit, et libre. Modifications possibles : Le code source étant sous licence libre, et peut donc être modifié et redistribué, ainsi il est possible d'ajuster le système à ses besoins, et même de s'inspirer de systèmes déjà modifiés et redistribués sous licence libres par d'autres. C'est un linux : Passer d'un système linux à un linux embarqué est rapide, cela réduit donc les coûts de formation. Fiabilité : Linux est un système fiable, stable et efficace. Support très large : De nombreux protocoles, pilotes, langages de développement, et applications existent déjà pour Linux, il n'y a donc pas besoin de réinventer la roue à chaque fois. GNU/Hurd est basé sur une architecture à micro-noyau (plus léger) comme QNX au contraire de la plupart des systèmes UNIX.

45. Linux comme S.E. Ainsi que : Linux bénéficie d'une longue expérience, il est devenu un système de référence dans de nombreux pays. Simple à adapter à des architectures variées. Un très grand nombre d'utilisateurs de solutions industrielles se sont tournés vers Linux cest dernières années. De plus en plus utilisé dans les pays émergents.

46. Réception d’image satellite sur système embarqué Exemple tiré du Linux Magasine Hors Série n°24 Matériel requis pour le montage : Un ordinateur portable pour l’acquisition et traitement des données. Récepteur et alimentation de PC. Dipôle croisé sur trepied. Cable coaxial RG58. Cable audio enroulé sur un noyau de ferrite.

47. Réception d’image satellite sur système embarqué Contenu du récepteur RX2 : Alimentation (12V). Embase coaxiale pour connecter l’antenne. Cable coaxial RG316. Haut parleur. Sortie audio. Afficheur et choix du canal. Réglage du niveau audio. Démodulateur de signal.

48. Réception d’image satellite sur système embarqué Exemple d’image reçue avec Octave

49. Réception d’image satellite sur système embarqué Exemple d’image reçue avec wxtoimg

50. Plan Introduction - Orbite des satellites L’acquisition des images - Capteurs - Techniques d’acquisition Transmission des images - Généralités - Les normes Systèmes embarqués - Généralités - Exemple de réception d’image satellite sur un système embarqué Conclusion

51. Conclusion Des domaines très variés sont abordés dans l’imagerie satellitaire (informatique, réseaux, traitement d’images, physique…) Les systèmes embarqués se développent de plus en plus et gagnent en complexités se rapprochant des ordinateurs tout en gardant une très grande robustesse. L’utilisation d’un système embarqué dans la réception d’images satellites permet d’en apprendre beaucoup dans ces deux domaines.

52. Bibliographie Images satellites et réception : http://www.astrosurf.com/lombry/satellites-artificiels-reception.htm détails sur les normes et le matériel pour la réception (site de radio amateurs) http://www.wmo.ch/web/sat/ les normes et utilisations possibles des images http://www.ac-nancy-metz.fr/pres-etab/baumont/3_productions/3.5_contributions_pedagogiques/bts_2002/ météosat et précisions sur la norme WEFAX http://www.hffax.de/html/hauptteil_hrpt.html encore quelques détails sur les normes http://f1agw.free.fr/index1.htm fonctionnement des satellites météorologiques http://www.weatherstation.org.uk/ images de satellites polaires NOAA (APT) http://infomet.am.ub.es/infomet/arxiu/meteosat/ images des satellites Meteosat (WEFAX) Systèmes embarqués : Linux Magasine hors série n°24 http://fr.wikipedia.org/wiki/Informatique_embarqu%C3%A9e http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_temps_r%C3%A9el http://nferre.free.fr/emlnx/rapport/node8.html

53. FIN ! :-)