遙感衛(wèi)星地面接收處理系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)＊

黃煒昭，鄒俊君，謝歡歡，張宏釗

遙感衛(wèi)星地面接收處理系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)＊

黃煒昭，鄒俊君，謝歡歡，張宏釗

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

憑借遙感衛(wèi)星技術(shù)的商業(yè)化特點(diǎn)，其大規(guī)模應(yīng)用于調(diào)查國土資源與環(huán)境監(jiān)測。在地面應(yīng)用系統(tǒng)中遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)是關(guān)鍵內(nèi)容，具體實(shí)現(xiàn)了接收和預(yù)處理遙感數(shù)據(jù)的操作。所以，設(shè)計(jì)遙感衛(wèi)星地面接收處理系統(tǒng)體現(xiàn)出較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

遙感衛(wèi)星；地面接收系統(tǒng)；一體化設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)

隨著國家大力開展信息化建設(shè)工作及國民經(jīng)濟(jì)部門遙感產(chǎn)業(yè)化的綜合發(fā)展，人們對衛(wèi)星的應(yīng)用需求不斷增加，對遙感數(shù)據(jù)的類型、時(shí)空分辨率、覆蓋范圍提出了全新的要求。為了符合各個(gè)行業(yè)利用多種遙感器的信息需要，遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)在發(fā)展過程中呈現(xiàn)創(chuàng)新特點(diǎn)，進(jìn)而對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全天候不間斷觀測。

1 地面接收系統(tǒng)控制特點(diǎn)

1.1 組成分析

遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)主要工作頻段是X波段和S波段，X波段對可見光與微波遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，S波段主要對業(yè)務(wù)進(jìn)行測控。結(jié)合功能要求，完善的遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)包括天饋伺分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄和快視分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)、運(yùn)行控制分系統(tǒng)和標(biāo)校、測試、系統(tǒng)設(shè)備。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)信號流程的中心是信道分系統(tǒng)，在控制流程中核心是運(yùn)行控制分系統(tǒng)。信道分析系統(tǒng)主要對天饋設(shè)備的X波段與S波段信號進(jìn)行接收，變頻后實(shí)現(xiàn)跟蹤解調(diào)獲得跟蹤信號送伺服設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)，獲得基帶信號送數(shù)據(jù)記錄與快視設(shè)備，另外，還可以接收標(biāo)校設(shè)備信號，完成信道分系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備的標(biāo)定，并通過測試設(shè)備檢查系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與功能。

1.2 控制特點(diǎn)

1.2.1 設(shè)備種類多，接口類型復(fù)雜

遙感衛(wèi)星地面的運(yùn)行需求直接限制了接收系統(tǒng)設(shè)備種類，不同分系統(tǒng)和設(shè)備間任務(wù)取向的差異使設(shè)備接口更復(fù)雜，被控對象產(chǎn)生較多的受控參數(shù)，控制回路相對復(fù)雜。信道分系統(tǒng)包含較多設(shè)備，牽涉面廣；對應(yīng)控制接口包含以太網(wǎng)、串行總線等。

接收系統(tǒng)設(shè)備一般利用專用、封閉的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件采取對應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，彼此融合系統(tǒng)，集中控制。

1.2.2 高時(shí)效控制，多平臺操作

全站設(shè)備的功能是自動運(yùn)行或無人值守，同時(shí)由于衛(wèi)星跟蹤的高時(shí)效性決定系統(tǒng)達(dá)到自動化監(jiān)控管理的目標(biāo)，對設(shè)備工作參數(shù)與狀態(tài)集中控制和檢測，實(shí)時(shí)上報(bào)設(shè)備運(yùn)行中的參數(shù)與狀態(tài)。由于不同分系統(tǒng)與設(shè)備參數(shù)狀態(tài)均與硬件環(huán)境、軟件環(huán)境和數(shù)據(jù)庫環(huán)境不同，各個(gè)平臺間應(yīng)實(shí)現(xiàn)彼此調(diào)用和協(xié)作操作。

1.2.3 高可靠性

地面接收系統(tǒng)包括多個(gè)復(fù)雜的分系統(tǒng)，任何局部故障都可能造成衛(wèi)星過境時(shí)難以接收整軌數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)致接收操作的失敗。因此，接收系統(tǒng)必須具有高可靠性的控制設(shè)備，最大程度降低操作失誤，降低發(fā)生故障的可能性。

2 系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

2.1 多星適應(yīng)性

系統(tǒng)主要通過S/X、S/Ka、S/X/Ka多波段高性能饋源，有效適應(yīng)接收不同衛(wèi)星在不同工作模式產(chǎn)生的信號，采取雙圓極化頻率復(fù)用對左右旋信號全面接收；采取多星通用記錄設(shè)備綜合適應(yīng)多種傳感器記錄數(shù)據(jù)。接收站在接收多衛(wèi)星任務(wù)時(shí)一般采取多套天線，地面接收系統(tǒng)可以多天線、多任務(wù)配置資源，并具備一定的調(diào)度能力。因此，接收站為更好調(diào)度、配置任務(wù)，科學(xué)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)資源管理系統(tǒng)。

2.2 跟蹤接收與測試分系統(tǒng)

利用信道統(tǒng)一設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)過程中，采取的設(shè)備硬件接口應(yīng)注意規(guī)范性，并不斷提高設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)性能；接收站科學(xué)設(shè)計(jì)測試開關(guān)、基帶數(shù)據(jù)切換操作單元，不斷優(yōu)化處理工作頻段形成的變頻方案，對電平合理配置，進(jìn)而統(tǒng)一處理射頻、中頻與基帶數(shù)據(jù)接口。

結(jié)合傳輸高碼速基帶數(shù)據(jù)，相應(yīng)提高了網(wǎng)絡(luò)輸出調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的能力，通過交換式以太網(wǎng)曲繞切換開關(guān)，并結(jié)合高速解調(diào)器的數(shù)量配置選擇適合的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，逐步提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸水平。交換機(jī)以太網(wǎng)交換中心結(jié)構(gòu)，具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采取交換存儲的操作方法，通過背板寬帶不斷增強(qiáng)信息傳輸效率。

2.3 故障診斷分析系統(tǒng)

故障診斷分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中采集數(shù)據(jù)、監(jiān)測故障與自檢測試主要利用監(jiān)控分析與測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，故障診斷單元包含本地計(jì)算機(jī)、本地服務(wù)器、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程服務(wù)器等軟件。具體根據(jù)系統(tǒng)測試分析、設(shè)備操作特點(diǎn)以及工作參數(shù)報(bào)告等，對工作狀態(tài)全面解析，并對系統(tǒng)故障及時(shí)判斷。

圖1 故障診斷分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 站監(jiān)控管理分系統(tǒng)

為保證可靠性，接收站與兩臺任務(wù)管理服務(wù)器配置。任務(wù)管理軟件選擇三層架構(gòu)，包括基于任務(wù)管理的服務(wù)端軟件、客戶端軟件及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件。人機(jī)會話操作主要由任務(wù)管理器客戶端組件完成，嚴(yán)格實(shí)行用戶指令，并及時(shí)顯示用戶瀏覽的數(shù)據(jù)信息；任務(wù)管理服務(wù)端組件對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理后，形成任務(wù)與測試計(jì)劃、分配設(shè)備資源、消解沖突檢測、預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道等；數(shù)據(jù)庫用組件訪問數(shù)據(jù)庫，簡化管理軟件操作，保證數(shù)據(jù)的安全，有效支持軟件運(yùn)行。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件利用三層體系結(jié)構(gòu)，通過接口實(shí)現(xiàn)各軟件的交互與融合，將完整的業(yè)務(wù)功能呈現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)監(jiān)控客戶端組件，進(jìn)而完成人機(jī)交互操作，達(dá)到人機(jī)會話運(yùn)行的目標(biāo)，為用戶提供需求信息，統(tǒng)一實(shí)行用戶指令，并保證信息檢索的靈活性；服務(wù)端組件主要處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)資源有效管理，完成系統(tǒng)監(jiān)控與配置設(shè)備的功能，貫徹落實(shí)軟件下達(dá)的工作任務(wù)；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件對數(shù)據(jù)庫邏輯處理有效封裝，與管理軟件實(shí)現(xiàn)交互，完成讀寫數(shù)據(jù)庫的操作；自動化測試組件借助測試儀器進(jìn)行訪問服務(wù)，完成誤碼率測試，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)狀態(tài)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多星適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

地面接收系統(tǒng)為了與多種衛(wèi)星下傳的頻率和帶寬有效適應(yīng)，數(shù)傳通道一般為8～9 GHz。數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)器與不同速率、不同制式信號的解調(diào)有效適應(yīng)，精心調(diào)節(jié)高速率解調(diào)器的相位和幅度，保證系統(tǒng)接收最小誤碼。自跟蹤接收機(jī)采取數(shù)字移相器對相位調(diào)整，進(jìn)一步對多星信號有效跟蹤。數(shù)字移相器可以迅速切換程控，符合多星適應(yīng)的要求。

3.2 過項(xiàng)跟蹤技術(shù)

由于衛(wèi)星接收系統(tǒng)天線在正上方，傳統(tǒng)天線座架形式無法對項(xiàng)目標(biāo)實(shí)施跟蹤，導(dǎo)致中斷了接收數(shù)據(jù)。因此可以選擇三軸天線系統(tǒng)，對第三軸位置科學(xué)調(diào)整，進(jìn)一步傾斜測量系，消除跟蹤死區(qū)。

3.3 雙通道實(shí)時(shí)合成技術(shù)

為了最大程度減輕衛(wèi)星傳輸高速數(shù)據(jù)的壓力，有時(shí)借助兩個(gè)通道傳輸遙感數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分別接收以后合成雙通道數(shù)據(jù)。具體采取軟件與硬件合成的兩種方法，當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)的僅有硬件合成。

3.4 快速反應(yīng)功能

從實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)中，采取快視設(shè)備人機(jī)交互迅速向處理信息分系統(tǒng)傳遞FRED圖像。快速反應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是對大量原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)循環(huán)緩存。

4 結(jié)束語

綜合分析可知，系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)形成了一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備共享。本系統(tǒng)可以對遙感衛(wèi)星在野外環(huán)境中實(shí)行跟蹤接收、記錄、快視和處理，系統(tǒng)具備較高的自動化程度，便于操作使用，自檢維護(hù)能力極強(qiáng)。利用一體化設(shè)計(jì)，最大程度保證了系統(tǒng)性能，同時(shí)展開與拆收時(shí)間都不超過20 min，設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性。該系統(tǒng)初步達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。

［1］劉建波，李安，王萬玉，等.中國遙感衛(wèi)星地面站及其陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)［J］.中國科學(xué)院院刊，2013，28（1）：114-121.

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V423.43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.023

2095－6835（2019）17－0054－02

“基于人造衛(wèi)星的電網(wǎng)智能運(yùn)維技術(shù)的研究”（編號：090000KK52180069（SZKJXM20180261））

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕