“雪龍號”船載海洋衛星接收處理系統及應用

●文｜國家衛星海洋應用中心　劉建強　吳奎橋　孫從容　郭振宇　刁寧輝

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“雪龍號”船載海洋衛星接收處理系統及應用

●文｜國家衛星海洋應用中心劉建強吳奎橋孫從容郭振宇刁寧輝

珠江三角洲高分四號衛星影像

圖為高分四號衛星獲取的珠江三角洲區域的影像，為多光譜（50m）影像圖，接收日期為2016年1月25日。

珠江三角洲是由珠江水系攜帶來的泥沙以基巖島嶼為沉積核心逐漸淤積擴展而成，位于廣東省境內。圖中三角洲呈倒置三角形，位于平原之上，周邊地形起伏較大，粵港澳都市圈被丘陵、山地和島嶼環繞。

國防科工局重大專項工程中心中國資源衛星應用中心供圖

一、前言

2015年10月8-10日，中國極地研究中心組織多家單位參加了“雪龍號”極地科考船的第32次南極科考試航。國家衛星海洋應用中心參加了此次試航，其研制的船載衛星遙感接收處理與海洋信息服務系統在東海海域進行了系統試運行。在“雪龍號”行進中，天線接收信號穩定、解調快視系統數據解析正確，共接收HY-1B，HY-2，Terra，Aqua衛星數據17軌，全部數據均在規定的時間內成功生成海洋應用產品和航線保障產品。此次船載衛星遙感接收處理與海洋信息服務系統“雪龍號”試航獲得成功，該系統于試航后開始為中國第32次南極科學考察服務。

二、系統概述

“雪龍號”船載X頻段遙感衛星接收處理與海洋信息服務系統，具備在航行中實時跟蹤接收和快速處理我國自主海洋衛星（HY-1B、HY-2A）及其他遙感衛星（Terra和Aqua）通過X頻段下傳的遙感數據，生成海洋環境監測產品和航線保障服務產品，可為“雪龍號”的航行安全提供氣象和海洋環境服務保障。

“雪龍號”船載X頻段遙感衛星接收處理與海洋信息服務系統由天線接收分系統、衛星遙感數據處理分系統和海洋信息服務分系統組成，實現對衛星信號跟蹤與數據的接收、遙感數據的處理、海洋環境產品制作與應用服務。該系統于2015年試航后投入中國第32次南極科學考察服務。

1.系統功能

1）數據接收功能

● 具有多顆衛星數據接收能力，包括HY-1B、HY-2A、Terra和Aqua等衛星；保留對海洋后續衛星HY-1C/D及HY-2B及其它衛星的擴展接收能力。

●具有X頻段自動跟蹤功能。

2）數據處理功能

●對多種衛星數據進行預處理、處理，生成應用產品。

●提供與北京運管中心的接口，實現北京運管中心對移動服務節點的任務管理和調度。

3）海洋信息服務功能

● 為用戶提供直觀的海洋衛星遙感產品，具有友好的操作交互性。

●具有信息展示、信息分析、輔助決策等功能。

2.系統指標

該系統的指標如表1所示。

表1　系統指標

三、系統組成

本系統由數據接收分系統、數據處理分系統和海洋信息服務分系統組成。其中接收分系統位于船尾的接收機房，數據處理和海洋信息服務分系統位于船頭的處理機房。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1　系統總體結構

（1）數據接收分系統

接收分系統包括站管理、天伺饋、解調、數據記錄及快視、技術支持等子系統。站管理子系統和天伺饋子系統首先完成對低軌衛星的捕獲、跟蹤。在實現穩定跟蹤、信號放大的同時，輸出一路（單極化信號）或兩路（雙極化信號）X頻段信號。解調子系統將X頻段信號通過光纖傳輸到接收處理機房下變頻到720MHz中頻，進行解調、糾誤譯碼處理，輸出原始數據碼流。數據記錄及快視子系統對原始數據碼流進行實時記錄和管理，進行載荷分包數據提取（需要時）、數據接收質量評估，在具備數據圖像化能力時完成圖像快視和非圖像信息提取顯示。本子系統在記錄衛星數據的同時將其實時傳送至用戶通信服務器。整個接收分系統由站控管理子系統進行指揮調度和管理，自動接收上級運控下發的軌道根數及接收時間表，生成任務計劃并合理安排接收任務。分系統在站控管理子系統控制下順序執行任務計劃列表中的衛星數據接收任務，在當前任務衛星過境前，自動完成設備組配及工作參數設置；當前任務執行完成后，自動產生任務執行報告，然后自動開始安排執行下一條任務，直到任務計劃表中的所有任務執行完畢為止。整個接收分系統的業務運行是在統一時間基礎上進行的。時統設備作為時間服務器進行網絡授時，分系統利用時間同步客戶端軟件進行網絡時間同步，從而使整個分系統具有統一的時間基準。

（2）海洋衛星數據處理分系統

數據處理分系統對接收系統獲取的衛星數據進行處理，并根據“雪龍號”的應用需要進行海洋環境監測產品和航線保障服務產品的生產。分系統為一個小型、集成化的海洋衛星數據處理系統，涵蓋了HY-1B、HY-2衛星以及Terra、Aqua等其他衛星的數據預處理、處理以及應用產品生成的功能，并能夠進行任務的人工調度管理和自動化處理。包括運行控制服務、數據預處理、數據處理子系統組成。運行控制服務子系統實現遙感數據生產流程定制、生產流程調度與監控、數據產品存檔管理、部分數據的傳輸及系統通信、服務節點管理及與北京運管中心交互的功能。數據預處理子系統主要完成HY-1B、HY-2、Terra、Aqua等衛星數據的地理定位、輻射定標，生成各載荷1B級數據產品，進行顯示并生成快視圖。數據處理子系統主要完成HY-1B、HY-2、Terra、Aqua等衛星數據的數據處理功能，生成各載荷2、3級數據產品，包括葉綠素濃度、海面溫度、海冰、海面風場、海面高度等要素產品，同時進行顯示并生成快視圖。

（3）海洋信息服務分系統

海洋信息服務分系統作為海洋應用示范的軟件平臺，實現各種海洋信息產品及服務在“雪龍號”海洋環境監測和航線保障等方面的應用示范。海洋信息服務分系統為用戶提供直觀的海洋衛星遙感產品，具有友好的操作交互性。分系統由平臺信息展示子系統、平臺信息編輯子系統、航線信息展示子系統、統計與分析子系統三部分組成。

圖2　海洋信息服務系統組成

四、工作流程

系統的主要工作流程：北京運管中心向系統提交產品需求和調度指令，系統按照指令完成相關數據的接收處理和海洋應用產品的生產，并按照指令要求將部分產品傳至運管中心。船載接收分系統按照指令完成數據的接收后生成衛星原始數據，數據處理分系統對數據進行預處理、處理和應用產品生產，海洋信息服務分系統對各級產品進行可視化處理和專題產品展示，并通過用戶交互界面完成系統的海洋應用示范。系統工作流程圖如圖3所示。

圖3　船載系統工作流程圖

五、系統試運行及南極科考服務

該系統于2015年10月在“雪龍號”上安裝，并于10月8-12日隨“雪龍號”參加了32次南極考察在東海的試航任務，系統試運行過程中，成功完成了我國自主海洋衛星HY-1B和HY-2衛星及其它衛星的數據接收及處理任務，為在南極考察過程中為“雪龍號”提供海洋應用和航線保障產品打下了良好的基礎。

在32次南極考察途中，該系統通過實時接收HY-1B、HY-2衛星及其它衛星數據，為“雪龍號”提供航行過程中航線周邊的海面風場、海面溫度和多種極軌衛星遙感圖像，對“雪龍號”的航線規劃和氣象保障提供重要的參考依據。

“雪龍號”經過西風帶時，根據全球海面風場數據選擇風速風向更為適合航行的路線，降低船只穿越西風帶的風險；在南極長城站、中山站以及羅斯海和阿蒙森海區域，通過系統獲取的250米分辨率的光學衛星圖像數據，“雪龍號”指揮人員可以對船只周圍的冰情進行較為準確的判斷，從而更容易避免海冰厚度帶來的困擾。圖4，圖5，圖6所示為本系統生成產品。

海洋二號南極海冰密集度

“雪龍號”返航后，將對系統進行完善和改進，以更適應“雪龍號”航線保障服務任務的要求，為南極科考做出新的貢獻。