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        海洋觀測(cè)衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)的建設(shè)和展望

        2021-10-20 11:59:28孫從容劉建強(qiáng)吳奎橋張為良郭振宇車志勝趙喜永孔慶玲
        衛(wèi)星應(yīng)用 2021年9期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備系統(tǒng)

        文|孫從容 劉建強(qiáng) 吳奎橋 張為良 郭振宇 車志勝 趙喜永 孔慶玲

        1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心

        2.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

        3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司

        一、遙感接收站網(wǎng)的概念和功能

        遙感接收站網(wǎng)由多個(gè)遙感衛(wèi)星接收站和管理中心組成,前者是用來(lái)接收各類遙感衛(wèi)星的技術(shù)系統(tǒng),主要任務(wù)是搜索和跟蹤遙感衛(wèi)星、接收并記錄衛(wèi)星傳輸?shù)倪b感數(shù)據(jù)、遙測(cè)數(shù)據(jù)及姿態(tài)軌道等衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù),交給遙感數(shù)據(jù)處理中心加工處理;后者的任務(wù)是管理和調(diào)度多個(gè)遙感衛(wèi)星接收站完成接收任務(wù)。

        2004年陳述彭院士提出,要從空間戰(zhàn)略布局上考慮遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)中接收站網(wǎng)建設(shè),之后,在單遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)到多衛(wèi)星接收系統(tǒng)到多套衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中,接收站網(wǎng)在整體設(shè)計(jì)上需要考慮共用性、互換性,提高系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行效率;地面接收站網(wǎng)建設(shè)中要具備計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行監(jiān)控、信息采集等綜合任務(wù)規(guī)劃調(diào)度功能,以及數(shù)據(jù)傳輸、站網(wǎng)運(yùn)行等決策調(diào)度功能,以適應(yīng)業(yè)務(wù)不同的需求和業(yè)務(wù)種類的變化。目前在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星均采用頻率復(fù)用高碼速率數(shù)傳體制,接收系統(tǒng)需要具備雙通道接收、高速解調(diào)、原始數(shù)據(jù)高速記錄功能;針對(duì)遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)的可靠性要求,設(shè)計(jì)故障診斷子系統(tǒng)。

        歐美國(guó)家以自建或共建方式,組建了分布全球的遙感衛(wèi)星接收站網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星資料的準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取。我國(guó)的自然資源部(國(guó)家海洋局)、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)氣象局通過(guò)海洋衛(wèi)星、資源和陸地觀測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、高分衛(wèi)星地面系統(tǒng)的建設(shè),已經(jīng)形成覆蓋國(guó)土面積的國(guó)內(nèi)站+北極站的接收站網(wǎng)格局,未來(lái)將向全球布局發(fā)展。

        二、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的設(shè)計(jì)

        1. 海洋系列衛(wèi)星

        海洋系列衛(wèi)星是我國(guó)自行研制或合作研制、用于全球海洋觀測(cè)的系列衛(wèi)星,海洋一號(hào)(HY-1)衛(wèi)星采用上、下午衛(wèi)星組網(wǎng)方式,太陽(yáng)同步軌道,觀測(cè)全球海水光學(xué)特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機(jī)物、海表溫度,兼顧監(jiān)測(cè)海冰冰情、綠潮、赤潮、海洋初級(jí)生產(chǎn)力、海岸帶要素、植被指數(shù)、海上大氣氣溶膠、大洋船舶信息。海洋二號(hào)(HY-2)衛(wèi)星采用三星組網(wǎng)方式,三顆衛(wèi)星分布在三個(gè)不同的軌道面,觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)、海面高度、有效波高、重力場(chǎng)、大洋環(huán)流和海面溫度;兼顧觀測(cè)海冰、大地水準(zhǔn)面和水汽含量。中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)采用距地520km的太陽(yáng)同步軌道,獲取全球海面波浪譜、海面風(fēng)場(chǎng)、南北極海冰信息。

        2. 海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)和設(shè)計(jì)理念

        海洋衛(wèi)星軌道高度520~970km,過(guò)境時(shí)間在一天內(nèi)各時(shí)段均有分布,數(shù)傳碼速率從數(shù)十兆到數(shù)百兆不等,應(yīng)用需求為全球覆蓋、中低緯度海區(qū)和大洋多時(shí)次覆蓋的觀測(cè)能力,因此中國(guó)沿海區(qū)域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、全球數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)獲取,成為海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)。

        海洋衛(wèi)星地面站設(shè)計(jì)理念如下:

        站網(wǎng)布局:統(tǒng)籌規(guī)劃,全球布局,采用境內(nèi)站和境外站組網(wǎng)方式進(jìn)行接收,站網(wǎng)中心集中管控;

        星地匹配:考慮星地鏈路余量差異,需設(shè)計(jì)調(diào)整機(jī)制,適應(yīng)較大的動(dòng)態(tài)范圍;

        準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù):海外站需配備有效通信方式,做到實(shí)時(shí)接收、準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸;

        通用性和標(biāo)準(zhǔn)化:統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu),統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口,統(tǒng)一面板和軟件界面布局;

        自動(dòng)化:海外站和船載站采用無(wú)人值守運(yùn)行方式;

        高可靠性和安全性:7天×24小時(shí)不間斷運(yùn)行,關(guān)鍵設(shè)備有備份,設(shè)備可交叉互聯(lián),網(wǎng)絡(luò)和電力供應(yīng)有保障;

        可維護(hù)性:地面站具備自檢、測(cè)試、維護(hù)和健康管理功能,站網(wǎng)中心可遠(yuǎn)程運(yùn)維;

        環(huán)境適應(yīng)性:室外設(shè)備可能在赤道、極地、航運(yùn)等環(huán)境下工作。

        三、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的現(xiàn)狀和能力

        海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)由站網(wǎng)中心和多個(gè)地面站組成(圖1),形成國(guó)內(nèi)—移動(dòng)—極地的“4+2+1”布局、21套接收系統(tǒng)的全球站網(wǎng)。

        圖1 海洋衛(wèi)星地面站網(wǎng)分布圖

        1. 站網(wǎng)中心

        站網(wǎng)中心由信息匯集、任務(wù)執(zhí)行管控、系統(tǒng)狀態(tài)管理、傳輸服務(wù)等軟件及服務(wù)器集群等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成(圖2),從運(yùn)控分系統(tǒng)獲取衛(wèi)星載荷探測(cè)計(jì)劃、數(shù)傳開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間表、軌道根數(shù),根據(jù)各地面站天線和設(shè)備的能力,統(tǒng)一管理安排衛(wèi)星接收計(jì)劃,消解資源沖突;發(fā)布接收計(jì)劃,與各地面站交互業(yè)務(wù)運(yùn)行信息,對(duì)海外站遠(yuǎn)程管控;任務(wù)執(zhí)行中采集各地面站設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行信息,任務(wù)完成后對(duì)接收數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,與運(yùn)控系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)數(shù)傳計(jì)劃的閉環(huán)管理。站網(wǎng)軟件接收界面見(jiàn)圖3。

        圖2 海洋衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)組成及外部接口

        圖3 站網(wǎng)軟件界面

        2. 地面接收站

        海洋衛(wèi)星地面接收站包括北京站、海南站、牡丹江站、雪龍船接收系統(tǒng)、南極站等(圖4),功能如下:

        圖4 海洋衛(wèi)星地面站

        具備當(dāng)圈接收并記錄海洋系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)能力;

        天線自動(dòng)跟蹤,仰角3度跟蹤,5度以上可靠接收的能力,過(guò)頂無(wú)盲區(qū);

        具有自動(dòng)控制、調(diào)度接收站設(shè)備運(yùn)行能力,自檢測(cè)試與頻譜監(jiān)視功能,支持無(wú)人值守自動(dòng)化運(yùn)行管理;

        雙圓極化信號(hào)接收,極化復(fù)用及低軸比指標(biāo)要求;

        接收信道幅頻適應(yīng)衛(wèi)星不同發(fā)射功率和信號(hào)帶寬,動(dòng)態(tài)范圍可調(diào);

        雙通道高速數(shù)據(jù)記錄,原始數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集中存儲(chǔ);

        環(huán)境適應(yīng)性:高緯度地區(qū)的低溫,沿海地區(qū)的高濕度和鹽霧,低緯度地區(qū)的高溫,船載移動(dòng)系統(tǒng)的船搖,特殊地區(qū)的大風(fēng)等。

        接收系統(tǒng)由天線跟蹤、接收解調(diào)、記錄快視、站監(jiān)控管理、測(cè)試維護(hù)、遠(yuǎn)程故障診斷等分系統(tǒng)組成(圖5),站監(jiān)控管理分系統(tǒng)控制接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行。設(shè)備包括:12m/7.3m天線和天線罩、天線控制單元和驅(qū)動(dòng)單元、跟蹤接收機(jī)、低噪聲放大器、光傳輸設(shè)備、下變頻器、射頻/中頻開(kāi)關(guān)矩陣、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)記錄快視設(shè)備、萬(wàn)兆交換機(jī)、磁盤陣列、站控管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、視頻監(jiān)視設(shè)備、GPS/北斗天線和時(shí)統(tǒng)設(shè)備、測(cè)試標(biāo)校設(shè)備、數(shù)據(jù)重放設(shè)備、故障診斷設(shè)備及軟件等組成。接收系統(tǒng)工作時(shí),完成遙感衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤接收、遙感衛(wèi)星信號(hào)的放大、濾波、下變頻、數(shù)據(jù)解調(diào)、糾誤譯碼、基帶數(shù)據(jù)的落盤記錄和圖像快視、自檢測(cè)試、異地站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障信息搜集整理(圖6)。

        圖5 地面站接收系統(tǒng)組成

        圖6 接收系統(tǒng)工作流程圖

        在站網(wǎng)下達(dá)海洋衛(wèi)星接收任務(wù)后,合理調(diào)配站內(nèi)天線和通道、采集設(shè)備,完成接收任務(wù),并在執(zhí)行任務(wù)時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)視任務(wù)狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài),包括對(duì)中頻信號(hào)頻譜的監(jiān)視。

        3. 業(yè)務(wù)化運(yùn)行效能

        2002 年 5 月15 日,我國(guó)第一顆海洋水色衛(wèi)星(HY-1A)發(fā)射升空,國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用北京、三亞地面站的2套接收系統(tǒng)成功接收第一軌衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行。從歷年接收統(tǒng)計(jì)可見(jiàn),2019年之后,隨著海洋觀測(cè)衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)化組網(wǎng)運(yùn)行,接收和服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到17顆,地面接收站網(wǎng)進(jìn)入滿負(fù)荷業(yè)務(wù)化運(yùn)行,接收軌道數(shù)和接收原始數(shù)據(jù)量均呈階躍式增長(zhǎng),累計(jì)調(diào)度和接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)20余萬(wàn)軌,歸檔原始數(shù)據(jù)達(dá)到820TB。

        四、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃

        海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)從建成到現(xiàn)在,按照7天×24小時(shí)全天時(shí)工作方式業(yè)務(wù)化運(yùn)行。在國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目實(shí)施之后,衛(wèi)星接收能力增加100%以上,站網(wǎng)數(shù)據(jù)量從每天8GB到現(xiàn)在180GB,近期達(dá)到國(guó)內(nèi)站每天1.3TB、南極站5TB的高速增長(zhǎng),海洋水色/海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星從每天覆蓋全球1次提高到每天覆蓋2-3次,完整接收全球海洋遙感觀測(cè)數(shù)據(jù),為我國(guó)自然資源事業(yè)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源支持。

        未來(lái),隨著海洋衛(wèi)星進(jìn)入極軌+高軌共同觀測(cè)的時(shí)代,接收站網(wǎng)將補(bǔ)充靜止衛(wèi)星接收能力,拓展西部數(shù)據(jù)落地和服務(wù)“山水林田湖草沙冰”的能力,鞏固極地準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收能力,海洋衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)的能力和規(guī)模將得到進(jìn)一步提升,滿足國(guó)產(chǎn)海洋觀測(cè)衛(wèi)星和其他遙感衛(wèi)星接收任務(wù)。

        五、結(jié)束語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展,海洋衛(wèi)星地面站網(wǎng)從2個(gè)地面站3套接收系統(tǒng)已經(jīng)形成“五站一中心”14套接收系統(tǒng)、即將建成“七站一中心”21套接收系統(tǒng)的體系架構(gòu)。技術(shù)系統(tǒng)指標(biāo)先進(jìn),覆蓋Ka/X/L多個(gè)遙感接收頻段,匹配衛(wèi)星數(shù)傳高中低速率傳輸,境內(nèi)實(shí)時(shí)和境外延時(shí)數(shù)據(jù)靈活調(diào)度接收,形成“衛(wèi)星組網(wǎng)+地面組網(wǎng)”相匹配的天地一體化協(xié)調(diào)工作方式。通過(guò)地面接收站網(wǎng)獲取全球海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)據(jù),有效發(fā)揮海洋系列觀測(cè)衛(wèi)星全球觀測(cè)的效能,為我國(guó)業(yè)務(wù)化海洋遙感監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

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