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        VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)氣象衛(wèi)星信號接收

        2018-10-16 04:55:10鐘云海蘭國輝易成濤
        中國航海 2018年3期
        關(guān)鍵詞:氣象衛(wèi)星環(huán)路解碼

        鐘云海, 蘭國輝, 王 蘇, 易成濤

        (海軍大連艦艇學(xué)院 航海系,遼寧 大連 116018)

        氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)可為包括航海在內(nèi)的眾多應(yīng)用提供分析決策依據(jù)。由于典型的氣象衛(wèi)星信號通常位于L波段和X波段,接收設(shè)備需采用直徑1~2 m的拋物面天線,同時極軌氣象衛(wèi)星信號接收還需采用伺服機構(gòu)來保證天線跟蹤,因此氣象衛(wèi)星信號通常主要由地面站接收。[1-2]然而,目前航海上使用的氣象衛(wèi)星信息主要來自于氣象傳真機或數(shù)據(jù)鏈的轉(zhuǎn)發(fā),大大限制了數(shù)據(jù)的實時性和分辨率。

        早在1998年,歐洲空間局就已制定低分辨率圖像傳輸(Low Resolution Picture Transmission, LRPT)標(biāo)準(zhǔn)[3],旨在通過平衡數(shù)據(jù)帶寬與接收設(shè)備復(fù)雜性之間的矛盾,推進氣象數(shù)據(jù)的直接接收。然而,2006年發(fā)射的歐洲氣象衛(wèi)星LRPT載荷因技術(shù)故障未能正常工作。直到2014年,俄羅斯Meteor-M極軌氣象衛(wèi)星才實現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)并公開播發(fā)信號。[4]

        雖然LRPT已對原始高分辨率數(shù)據(jù)進行壓縮,但實測結(jié)果表明其壓縮率不大,質(zhì)量因子保持在80%左右,圖像具有較高的清晰度;同時,由于其工作在甚高頻(Very High Frequency, VHF)波段,用戶無需大型天線和復(fù)雜跟蹤設(shè)備也能直接接收氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),在航海上具有潛在的應(yīng)用前景。本文首先介紹LRPT標(biāo)準(zhǔn),然后闡述信號接收處理的原理和方法,最后給出實測結(jié)果和結(jié)論。

        1 LRPT傳輸標(biāo)準(zhǔn)

        當(dāng)前氣象衛(wèi)星有效載荷通常有十幾種,實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)播發(fā)需具有較大帶寬。LRPT通過優(yōu)選數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)壓縮等方式將帶寬限制在150 kHz以內(nèi),從而通過VHF波段(137 MHz)發(fā)射,流程見圖1。

        原始數(shù)據(jù)以國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)打包:首先采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)進行壓縮和編碼,以降低數(shù)據(jù)量;其次進行卷積編碼,以提供一定程度的糾錯能力;隨后對數(shù)據(jù)進行交織處理,以抵抗突發(fā)性干擾;最后經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換,采用QPSK方式調(diào)制,并以右旋螺旋極化方式發(fā)射。[3]

        Meteor-M衛(wèi)星JPEG編碼單元為8×8像素,數(shù)據(jù)壓縮采用離散余弦變換,系數(shù)編碼采用Hoffman碼。[5-6]卷積編碼采用Viterbi方式[7],碼率為1/2,約束長度7 bits,連接向量分別為1111001和1011011。

        2 接收方案

        接收方案包括信號采集、數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)解碼等3部分(見圖2)。

        信號采集部分包括四相螺旋天線(QFH)、AD-FMCOMM-S3通用無線電收發(fā)板、ZedBoard系統(tǒng)板和控制軟件。信號采集部分將射頻信號下變頻至零中頻之后進行AD采樣,形成i、q雙通道數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)解碼部分在PC機上實現(xiàn)。數(shù)據(jù)解調(diào)部分根據(jù)QPSK原理將采樣數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為符號文件。數(shù)據(jù)解碼部分則將符號文件依次通過卷積解碼、解交織、JPEG解碼和分包處理等步驟,最終恢復(fù)成衛(wèi)星探測的原始數(shù)據(jù)。

        2.1 信號采集

        ADFMCOMM-S3和ZedBoard組成的通用無線電收發(fā)模塊可靈活設(shè)定采樣中心頻率、采樣率、帶寬和增益等參數(shù)。[8-9]根據(jù)Meteor-M衛(wèi)星LRPT頻段,ADFMCOMM-S3板載振蕩器的中心頻率設(shè)定為137.887 MHz,采樣頻率為1152 kHz,帶寬為200 kHz,增益約為20 dB。經(jīng)過下變頻、濾波和采樣之后,LRPT信號頻譜移至零附近。

        2.2 數(shù)據(jù)解調(diào)

        采樣數(shù)據(jù)不僅包含編碼信息,還包含衛(wèi)星多普勒頻移、接收機NCO頻偏等因素帶來的載波相位、頻率偏差和采樣位置偏差,因此需進行包括載波同步、位同步在內(nèi)的QPSK解調(diào)。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)解調(diào)方案見圖3。

        采樣信號可表示為

        (1)

        式(1)中:a和b為符號數(shù)據(jù);ω為剩余載波頻率;θ為載波相位。采樣信號首先進行復(fù)混頻,進一步剝離剩余載波頻率誤差。復(fù)混頻NCO受載波同步器控制,其輸出信號為

        (2)

        式(2)中:ω0為NCO參考頻率;θ0為NCO初始相位。忽略推導(dǎo)過程,混頻之后信號可表示為

        (3)

        式(3)中:Δω=ω-ω0;Δφ=θ-θ0。若載波環(huán)路保持鎖定跟蹤,則式(3)可簡化為

        (4)

        至此實現(xiàn)了衛(wèi)星原始正交信號的分離,確定合理的采樣時刻即可獲得編碼數(shù)據(jù)。采樣前i和q信號再分別通過成型濾波器,減小QPSK調(diào)制的碼間干擾(ISI)。成型濾波采用升余弦濾波器,滾降系數(shù)設(shè)定為0.6,與衛(wèi)星信號調(diào)制匹配;截止頻率設(shè)定為72 kHz,與衛(wèi)星數(shù)據(jù)符號率一致;濾波器采用40抽頭的FIR濾波器實現(xiàn)。

        通過濾波器之后的信號再進行重采樣。重采樣速率為符號率的2倍,重采樣插值方法是采用立方插值[10-11],計算方法為

        y=a0dx3+a1dx2+a2dx+a3

        (5)

        (6)

        式(5)和式(6)中:y0~y3分別為重采樣前后2次的采樣值;dx為重采樣相位偏移。

        載波同步回路包括相位誤差檢測和環(huán)路濾波,然后控制復(fù)混頻NCO。載波相位誤差檢測采用的方法[12-13]為

        (7)

        式(7)中:I、Q為歸一化后的信號;sgn為符號函數(shù)。載波環(huán)路濾波器采用二階鎖相環(huán),其2個參數(shù)為

        (8)

        式(8)中:ζ為環(huán)路阻尼系數(shù);ωn為相位噪聲帶寬;Ts為計算周期,是符號率的倒數(shù)。

        位同步回路包括同步誤差檢測和環(huán)路濾波,然后控制重采樣時刻。位同步誤差檢測采用Gardner法[14-15],計算式為

        (9)

        式(9)中:t、t-1和t+1分別為當(dāng)前、前一次及后一次抽樣時刻。位同步環(huán)路濾波器采用誤差平均法,定期調(diào)整重采樣時刻。

        2.3 數(shù)據(jù)解碼

        數(shù)據(jù)解碼基本上是LRPT標(biāo)準(zhǔn)的逆過程,但從接收的數(shù)據(jù)來看,Meteor-M衛(wèi)星沒有完全遵照標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)沒有實施,因而接收端解交織處理暫時被取消。

        3 試驗結(jié)果

        VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)信號接收測試平臺見圖4,其中:左側(cè)天線為OFH天線;中間為AD-FMCOMM-S3和ZedBoard電路板;右側(cè)筆記本用于數(shù)據(jù)存儲和后期處理。

        在測試平臺搭建完成之后,對Meteor-M衛(wèi)星信號進行跟蹤、采集和分析。在大連的測試平臺所在位置,Meteor-M衛(wèi)星每晝夜經(jīng)過2~3次,通常只有當(dāng)衛(wèi)星高度角>15°時,信號才能捕獲跟蹤,每次接收時長為8~12 min,其頻譜見圖5a)。圖5b)為信號捕獲跟蹤過程中本地載波頻移隨時間的變化情況,衛(wèi)星在過頂中過程存在約3 500 Hz多普勒頻移。

        載波環(huán)參數(shù)設(shè)置對信號捕獲跟蹤有一定影響。通過測試,當(dāng)載波環(huán)相位噪聲帶寬ωn=10 Hz,阻尼系數(shù)ζ=0.707時,載波鎖定跟蹤穩(wěn)定且后期誤碼率較低。位同步環(huán)每10個重采樣間隔調(diào)整一次。

        經(jīng)過載波同步和位同步之后的散點圖和眼圖見圖6,點陣間隔和眼圖開口明顯,表明解調(diào)信號具有較好的識別度。

        當(dāng)前解碼后的數(shù)據(jù)主要是可見光紅外傳感器數(shù)據(jù)(見圖7)。每次接收的數(shù)據(jù)包括3個通道。白晝接收的數(shù)據(jù)通常包括0.50~0.70 μm、0.70~1.10 μm和10.50~11.50 μm通道數(shù)據(jù);偶爾為0.50~0.70 μm、0.70~1.10 μm和1.60~1.80 μm通道數(shù)據(jù)。夜間只發(fā)現(xiàn)10.50~11.50 μm通道存在有效數(shù)據(jù)。

        圖7中第1行和2行為白晝數(shù)據(jù),第3行為夜間數(shù)據(jù);第1列和第2列分別為0.50~0.70 μm、0.70~1.10 μm通道數(shù)據(jù);第3列除第1行為1.60~1.80 μm通道數(shù)據(jù)以外,其他為10.50~11.50 μm通道數(shù)據(jù)。

        Meteor-M衛(wèi)星播發(fā)的數(shù)據(jù)寬度固定為1 568像素,對應(yīng)地面約3 000 km范圍,平均精度約為1.9 km/像素。數(shù)據(jù)縱向長度不固定,與衛(wèi)星過頂時間的長度、信噪比和接收處理參數(shù)有關(guān),通常為1 200~3 000像素,覆蓋范圍為1 300~3 300 km。由于衛(wèi)星高度角較小時信噪比較低,圖像上下兩端有少許不規(guī)則條帶。

        0.50~0.70 μm、0.70~1.10 μm和1.60~1.80 μm為可見光通道,可組合成3通道偽彩圖像,見圖8a)。10.50~11.50 μm為近紅外通道,一般單獨顯示;由0.50~0.70 μm和0.70~1.10 μm 2個可見光通道組成偽彩圖像,見圖8b)。

        4 結(jié)束語

        通過前期研究和測試得知,本文設(shè)計的VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)氣象衛(wèi)星信號接收平臺架構(gòu)可行,運行穩(wěn)定可靠,接收的數(shù)據(jù)具有較高的分辨率和較大的覆蓋范圍。下一步將開展平臺硬件集成、改進信號處理和數(shù)據(jù)分析等方面的工作。

        LRPT直接接收方式與氣象傳真機相比清晰度高、識別度好;與數(shù)據(jù)鏈和傳真機轉(zhuǎn)發(fā)相比實時性高;與標(biāo)準(zhǔn)地面站相比結(jié)構(gòu)簡單、體積小,在船舶導(dǎo)航方面具有潛在應(yīng)用前景。

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