一种典型的遥感卫星地面站系统概述

发布日期:2014/12/23

文/西安航天恒星科技实业(集团)公司

胡琼 孟明 田利辉 谭金林

 

一、引言

       航天技术是探索、开发和利用太空的综合性工程技术,它包括空间技术、空间应用和空间科学,是当今世界高科技群体中最具影响力的科学技术之一。随着人类社会的不断发展,它越来越广泛地渗入到人类生产和生活的各个领域。昔日海洋、高山、沙漠等限制人们进行研究的地区以及如台风、洋流等地面调查中难以宏观观测的自然现象,利用空间遥感技术取得了全面的观测资料。

       随着我国经济建设的快速发展,广大用户对高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和全天候的卫星遥感数据的需求十分迫切,急需能够共享的、标准化的、能满足不同需求的不同类型的卫星遥感数据。国家根据这一经济大发展需要,提出建设“天地一体化的对地观测体系”的发展思路,要逐步建设具有全球数据获取、处理、存档和分发能力的国家级陆地观测数据处理中心,积极推进空间技术和地面支持技术的发展及产业化进程,逐步实现卫星应用从试验应用型向业务服务型转变。

       空间对地观测系统一般由遥感卫星和地面应用系统两大部分组成。该系统利用卫星上的各种遥感设备获取地物或人为目标辐射和反射的多种谱段的电磁波信息,并将这些信息送回地面进行处理和应用。目前广泛应用的各种遥感卫星包括地球资源卫星、气象卫星、成像侦查卫星、海洋监视和观测卫星、导弹预警卫星、点子侦查卫星和测绘卫星等。地面应用系统主要包括卫星跟踪与接收地面站(固定地面站和可移动地面站)、信息处理与解译系统、系统管理控制与情报信息分发系统等。

       进入二十一世纪以来,随着我国航天事业的蓬勃发展,遥感卫星的研制和发射任务日益增加。随着2012年9月29日,委内瑞拉所购遥感卫星一号的发射成功,标志着中国遥感卫星实现了0出口的突破;2012年1月9日资源三号发射成功,作为中国首颗民用高分辨率传输型立体绘图卫星,集测绘和普查功能于一体,不仅正视分辨率达到了2.1米的高水平,而且前后视和正视相机获取立体影像的设计,实现了更好的立体绘图效果,综合性能已经超过了印度的IRS P5卫星。值得骄傲的是,上述两颗卫星的有效载荷部分均由航天五院西安分院研制。以中国航天遥感技术的进步为基础,中国正在建设由十几颗遥感卫星组成的民用陆海联合观测星座,并具备了向国际市场提供2米级分辨率光学遥感卫星的能力。

       遥感卫星的技术进步必然带动遥感地面应用领域的发展,在整个对地观测系统中,它包括了数据的接收、处理、传输、存档、发布和产品处理等多个环节。本文在着眼国内外有较大影响力的遥感卫星及应用的基础上,通过一个典型遥感地面站系统解决方案的介绍,同时对其中涉及到的部分核心技术进行总结,以形成对遥感卫星数据获取、处理和应用全过程的了解和掌握。

二、一种典型遥感卫星地面站系统概述

       一种典型遥感卫星地面站的系统组成及分层体系架构分别如图1.1和图1.2所示。按照功能、性能优化组合和实际工作的需要,划分为1个平台和4个分系统。分别为:数据接收与基带处理分系统、数据预处理分系统、数据后处理与应用示范分系统、数据归档与信息管理分系统和公用平台。

图1.1  系统组成图

图1.2  系统分层体系架构图

1、    数据接收与基带处理分系统

       数据接收与基带处理分系统主要完成遥感数据的正常接收和基带数据处理,按照功能主要分为系统管理子系统、天伺馈子系统、信道子系统、数据录入子系统4大部分。

       数据接收与基带处理分系统的主要任务是接收遥感卫星下传的数据,并且进行数据解调、去格式、解压缩、分景编目及编目归档。完成的主要功能有:一是自动化任务接收:自动化接收公用平台下达的任务计划、调度命令、业务运行时间表、轨道根数及轨道预报数据等;二是自动化任务执行:根据接收到的任务计划自动化解析并生成下级子任务计划并下发至各设备,自动化调度执行各设备执行任务;三是自动化任务监控管理:在任务实时执行过程中具有自动化监控并且管理各设备状态能力,可向公用平台上报各设备运行状态、工作参数、任务执行结果报告等信息;四是自动跟踪:卫星过境时自动跟踪卫星;五是高速调制解调:对数传数据进行解调处理后送数据录入分系统,同步处理遥测数据,并传输至任务控制系统或存储;六是实时基带处理:对解调后的数据进行实时解扰、译码、去格式、解压缩、图像恢复等;七是实时编目、浏览及存档:主要包括按照载荷类型进行数据分集、以景为单位生成各景0级数据的浏览图像文件、以景为单位对各景0级数据进行自动云判。

       较先进的的地面站系统还需要考虑两点:一是兼容性设计:即可以兼容多星多源数据的接收和处理;二是以分布式架构为主的可扩展性设计:模块化的理念,体现了设备之间的松耦合,可以方便对系统设备进行增加或者删减。

2、    数据预处理分系统

       数据预处理分系统主要完成0级景数据的辐射校正、系统几何校正、几何精校正、高程校正、图像配准和去云去雾等,并把处理后的数据自动化归档到数据库中。按照数据流程和控制流程主要包括作业调度子系统和数据预处理子系统。卫星遥感器所接收到的反射光谱由于经过大气层的吸收和散射,加上卫星检测系统的非一致性以及频率特性和噪声等因素的影响,使遥感图像产生了退化失真,表现为图像分辨率和对比度下降以及出现图像模糊。另外由于卫星姿态(滚动、俯仰、偏航),卫星高度、卫星飞行速度的变化,地球曲率、地形起伏引起的畸变等原因,使图像相对地面目标发生畸变,表现为像元相对地面实际位置发生挤压、伸展、扭曲或偏移。消除图像的失真,恢复目标的反射光谱特征和正确的几何位置,是该系统方案中预处理分系统的主要任务。

3、    数据后处理与应用示范分系统

       在数据预处理数据的基础上,数据后处理主要包括图像融合、图像镶嵌、图像裁剪等图像深加工操作,对于不同的处理方式,产生不同的图像产品,将处理后的图像产品数据进行归档,并存入数据归档与信息管理分系统中。分系统主要功能包括:多星多源多波段图像融合、地图投影、重采样、图像镶嵌、图像裁剪、SAR影像纠正。

       数据后处理与应用示范分系统一方面根据用户需要对预处理后的影像产品进行深加工,另一方面研制开发以某星遥感数据为源的应用示范服务,此分系统实现面向用户的产品定制与分发。按照数据流程和控制流程主要包括作业调度子系统、数据后处理子系统、综合应用示范子系统和用户服务子系统。

4、    数据归档与信息管理分系统

       数据归档与信息管理分系统负责长期统一存储和管理遥感卫星的数据和信息,并为其它分系统提供所需的归档数据、以及对数据库的查询、添加、更新等服务,是整个地面处理系统的数据管理和存储中心。其负责标准化产品以及地面处理系统中所有数据的存档和信息管理,以及数据产品的容灾和备份、数据库的备份和恢复。灾难发生情况下,部分用户服务业务的接管等工作。由数据归档与信息管理分系统负责完成。

       空间数据采用文件存储、属性数据采用传统关系数据库存储,二者通过唯一标识值相关联的方式产生。使用基于Oracle的关系数据库模型既解决了海量遥感影像空间数据和属性数据的存储问题,又解决了空间数据和属性数据的关联问题。

5、    公用平台

       公用平台是整个地面站的自动化运行中枢,负责整个地面处理系统的网络互连、资源管理、运行管理、系统安全管理和综合保障,以及为整个地面数据处理系统的维护、扩展、升级提供必要的环境和技术支撑等。

       根据功能要求,公用平台分系统可划分为网络互联子系统、运行管理子系统、安全管理子系统和和综合保障子系统。网络互联子系统采用光纤网络和高速中心IB交换网络相结合的连接机制为系统各个模块提供了可靠、稳定和及时的数据信息传输;运行管理子系统采用分层结构、组件化、模块化技术设计,使得软件设计和开发方式更为灵活,最大限度的实现了数据接收、处理和分发的自动化,在正常情况下,实现无人干预自动完成过境遥感数据接收、处理和归档;安全管理子系统采用先进的信息安全技术保证了数据和信息的安全传输与存储;综合保障子系统为整个地面站的正常运营提供了电力、时统等。

三、核心技术与设备

      遥感卫星地面站数据获取、处理与应用过程中涉及到的技术手段有很多,下面仅就其中的几个关键点做简要介绍:卫星的自动跟踪、高速数据的实时解调、高速海量数据的实时解压缩处理、数据专题应用。

1、    卫星的自动跟踪技术

       卫星的跟踪由接收系统中的天线与馈源、天线座、伺服系统、信道以及管理和监控等部分共同完成,如下图1.3所示。首先,由管理和监控软件根据任务计划和卫星的方位信息,通过伺服系统控制天线指向预定的方向,然后,信道系统中的跟踪通道将来自天线馈线网络的方位/俯仰差信号,经过时分调制后与和信号进行耦合产生跟踪(和+差)信号,(和+差)信号经跟踪接收机提取角误差信号,送伺服分系统控制天线对卫星的跟踪动作。

       天伺馈分系统自动跟踪馈源采用成熟的多模单脉冲自动跟踪体制。多模自动跟踪的原理是利用圆波导中基模的单峰特性和高次模的双峰特性,基模形成和方向图,高次模产生差方向图。当天线电轴对准目标时,来波信号在喇叭中只激励起基模;当目标偏离天线的电轴时,来波信号在喇叭中同时激励起基模(TE11)和高次模(TE21)。通过跟踪模耦合器滤除其它高次模,只允许TE11模和TE21模通过,然后经混合网络形成目标偏离电轴的误差信号,此误差信号经过低噪声放大、变频、中频放大、解调后分离出正交的两路直流误差信号,天线控制系统依此信号驱动天线朝着减小误差的方向运动,实现对目标的自动跟踪。

       对于过顶目标,天线控制系统可自动调整第三轴的位置,使系统有效倾斜,消除死区,以便实现对任意轨道倾角的中低轨道卫星的连续跟踪。

       对于移动接收站和便携式单兵接收系统,可以采用一键展开收缩式伞天线和可充气式天线作为接收终端天线,这两种天线适合当前遥感卫星跟踪需要,并且可以很方便的应用于移动接收站。此外,多卫星、全天时、全天候的卫星跟踪,以及系统的共用性是近年来卫星跟踪技术发展的新趋势。

图1.3  天伺馈分系统组成框图

2、    高速数据的实时解调

       调制解调技术是卫星数据传输系统和星上处理的核心技术之一,也是制约高速数据传输系统研究的瓶颈。高码速率解调接收技术的研究,对于进一步提高卫星数据传输能力有着十分重要的意义,在我国未来的卫星数据传输系统以及通信转发器系统中将有十分广阔的应用前景。高码速率解调接收机是对卫星的数传分系统、载荷分系统乃至卫星平台测试过程中必不可少的关键设备。主要关键技术如下:

1)    高速连续可变速率并行解调算法

       由于信息速率为10Mbps~2Gbps,模拟方式解调方案难以满足高速数据所需要的精度要求,因而我们考虑采用数字化解调处理方案。现有器件的速度无法直接达到如此高的处理速度,具体实现时将处理速度降低至可操作的范围并行处理,方可实现全数字解调。

2)    高速并行载波恢复和并行时钟恢复

       全数字接收机中主要采用开环结构,接收机中用的本地采样时钟振荡于固定的频率。在全数字接收机中这种开环结构主要是用插值滤波来实现的。在异步采样条件下,本地采样时钟和发送端的符号发送时钟是不相关的,必须通过定时误差估计控制内插滤波器对采样得到的信号进行内插,得到信号在最佳采样时刻的数据点。

3)    高速并行频域均衡

       为了抵消信道失真引起的码间干扰,消除宽带信道的频率选择性和时间选择性对传输所带来的影响,在匹配滤波之后需要采用均衡技术。信道均衡算法的优劣直接影响到自适应信道均衡器的建立时间、跟踪信道变化的能力、收敛速度与精度以及均衡器实现的复杂程度等因素。对于高码速率的均衡技术,必须采用并行均衡技术。

4)    高速并行LDPC译码设计

       LDPC码有优越性能的另一关键因素就是译码采用了高效的并行软迭代算法。采用并行算法,所有的比特同时进行运算,可以有效的降低译码延时,这是迭代算法能够获得低延时的保证。

       借力西安分院,西安航天恒星科技实业(集团)公司遥感通信事业部一直致力于高速数字解调器的研制工作。目前,2*450Mbps的已经在多个型号地面检测系统和地面站系统中成熟稳定应用,2*1500Mbps的高速数字解调器也已经处于工程样机阶段,居国内领先。

3、    高速海量数据的实时解压缩处理

       随着遥感卫星技术发展和国家高分重大专项的实施,遥感卫星空间分辨率和时间分辨率均大幅提升,而且获取的原始影像数据十分巨大,星上采用了海量数据智能管理与压缩技术、云判、辐射校正、目标识别、高效LDPC编码等技术,这对地面海量数据获取与处理提出了很高的要求。

       西安航天恒星科技实业(集团)公司自行研制的小型化高速海量数据处理设备提供一套通用的高性能、工作稳定可靠的硬件平台和接口软件,对于不同的型号应用,可进行与之相应的软硬件配置,从而快速实现与相关型号相对应的地面一体化检测设备和地面站一体化数据处理设备。

        通过有关工程项目的实施,小型化高速海量数据处理设备基于通用性强、海量数据智能处理、高速一体化处理平台,突破了海量数据获取、传输与交换、自适应协议解析、自适应解压缩及海量数据固态存储等关键技术难点,达到系统进机速率不小于2*1.5Gbps,吞吐能力不小于24Gbps的实时处理系统。其数据流程示意图如下图1.4所示。

图1.4  小型化高速海量数据处理设备数据流程示

4、    数据专题应用

       关于数据应用方面的算法和效果介绍屡见不鲜,本文就西安航天恒星科技实业(集团)公司在数据专题应用--多星数据融合技术方面所作的工作做简要介绍。多星数据融合技术是卫星影像处理的关键技术之一,也是卫星影像产品应用的重要前提。多星数据融合技术的研究,对于进一步提高影像数据的空间分辨率有十分显著的效果,对于扩展遥感影像应用的行业领域有着重要的作用。在我国未来的卫星数据产品加工以及遥感影像的应用有十分广阔的应用前景。多星数据融合是对卫星的数据后处理子系统、应用示范分系统乃至卫星站控平台平台必不可少的关键技术。下面以中巴资源卫星和资源系列卫星数据融合的有益效果为例进行说明。

1)    提升分辨率的同时,保持丰富的波谱信息

       如果使用资源三号卫星的波段数据进行影像数据处理,由于只要4个波段的数据信息,能够提取的信息有限,融合中巴资源卫星的数据之后丰富了波谱信息,可以提取出更丰富的波谱信息。

       中巴资源78波段的空间分辨率是78m,经过与分辨率为5m的资源一号02C卫星的全色波段数据融合,或者与空间分辨率为6m的ZY-3卫星提取的全色波段数据进行融合之后,理论上,融合之后的中巴资源卫星影像数据的空间分辨率可以提升至6m,提高了中巴资源影像数据的分辨率。

2)    波谱信息的提取,应用的多元化

       资源三号卫星影像属于高分影像,具有分辨率高,重访周期短的特点,但同时只有四个波段,波谱信息相对少。中巴资源卫星波普信息比较丰富,但是空间分辨率较低,将资源三号卫星影像的多光谱信息与中巴资源卫星789波段的影像数据融合之后,增加了波段的影像数据。根据不同波段影像的特性,可以组合出更多的适用于更多行业应用的影像产品。

四、    结束语

       本文基于一个典型遥感卫星地面站系统方案,从卫星的跟踪、数据的接收、基带处理、数据归档、产品预处理、产品后处理与专题应用、发布等多个环节,对遥感卫星地面应用系统数据的获取、处理与应用的工作流程进行了全面的讨论和梳理,并对其中的部分关键技术进行了简要的介绍。本文的讨论将对全面了解和掌握遥感卫星固定站和机动站的关键技术起到积极的作用。

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