海洋觀測衛星地面接收站網的建設和展望

文|孫從容 劉建強 吳奎橋 張為良 郭振宇 車志勝 趙喜永 孔慶玲

1．國家衛星海洋應用中心

2．自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室

3．中國電子科技集團公司

一、遙感接收站網的概念和功能

遙感接收站網由多個遙感衛星接收站和管理中心組成，前者是用來接收各類遙感衛星的技術系統，主要任務是搜索和跟蹤遙感衛星、接收并記錄衛星傳輸的遙感數據、遙測數據及姿態軌道等衛星平臺數據，交給遙感數據處理中心加工處理；后者的任務是管理和調度多個遙感衛星接收站完成接收任務。

2004年陳述彭院士提出，要從空間戰略布局上考慮遙感衛星地面系統中接收站網建設，之后，在單遙感衛星接收系統到多衛星接收系統到多套衛星地面接收系統的發展過程中，接收站網在整體設計上需要考慮共用性、互換性，提高系統可靠性和運行效率；地面接收站網建設中要具備計劃調度、運行監控、信息采集等綜合任務規劃調度功能，以及數據傳輸、站網運行等決策調度功能，以適應業務不同的需求和業務種類的變化。目前在軌的高分辨率遙感衛星均采用頻率復用高碼速率數傳體制，接收系統需要具備雙通道接收、高速解調、原始數據高速記錄功能；針對遙感衛星接收系統的可靠性要求，設計故障診斷子系統。

歐美國家以自建或共建方式，組建了分布全球的遙感衛星接收站網，實現了衛星資料的準實時獲取。我國的自然資源部（國家海洋局）、中國科學院、中國氣象局通過海洋衛星、資源和陸地觀測衛星、氣象衛星、高分衛星地面系統的建設，已經形成覆蓋國土面積的國內站+北極站的接收站網格局，未來將向全球布局發展。

二、海洋衛星接收站網的設計

1. 海洋系列衛星

海洋系列衛星是我國自行研制或合作研制、用于全球海洋觀測的系列衛星，海洋一號（HY-1）衛星采用上、下午衛星組網方式，太陽同步軌道，觀測全球海水光學特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機物、海表溫度，兼顧監測海冰冰情、綠潮、赤潮、海洋初級生產力、海岸帶要素、植被指數、海上大氣氣溶膠、大洋船舶信息。海洋二號（HY-2）衛星采用三星組網方式，三顆衛星分布在三個不同的軌道面，觀測海面風場、海面高度、有效波高、重力場、大洋環流和海面溫度；兼顧觀測海冰、大地水準面和水汽含量。中法海洋衛星（CFOSAT）采用距地520km的太陽同步軌道，獲取全球海面波浪譜、海面風場、南北極海冰信息。

2. 海洋衛星接收站網的建設目標和設計理念

海洋衛星軌道高度520～970km，過境時間在一天內各時段均有分布，數傳碼速率從數十兆到數百兆不等，應用需求為全球覆蓋、中低緯度海區和大洋多時次覆蓋的觀測能力，因此中國沿海區域數據實時獲取、全球數據近實時獲取，成為海洋衛星接收站網建設的目標。

海洋衛星地面站設計理念如下：

站網布局：統籌規劃，全球布局，采用境內站和境外站組網方式進行接收，站網中心集中管控；

星地匹配：考慮星地鏈路余量差異，需設計調整機制，適應較大的動態范圍；

準實時業務：海外站需配備有效通信方式，做到實時接收、準實時傳輸；

通用性和標準化：統一系統架構，統一標準接口，統一面板和軟件界面布局；

自動化：海外站和船載站采用無人值守運行方式；

高可靠性和安全性：7天×24小時不間斷運行，關鍵設備有備份，設備可交叉互聯，網絡和電力供應有保障；

可維護性：地面站具備自檢、測試、維護和健康管理功能，站網中心可遠程運維；

環境適應性：室外設備可能在赤道、極地、航運等環境下工作。

三、海洋衛星接收站網的現狀和能力

海洋衛星接收站網由站網中心和多個地面站組成（圖1），形成國內—移動—極地的“4+2+1”布局、21套接收系統的全球站網。

圖1 海洋衛星地面站網分布圖

1. 站網中心

站網中心由信息匯集、任務執行管控、系統狀態管理、傳輸服務等軟件及服務器集群等計算機設備組成（圖2），從運控分系統獲取衛星載荷探測計劃、數傳開關機時間表、軌道根數，根據各地面站天線和設備的能力，統一管理安排衛星接收計劃，消解資源沖突；發布接收計劃，與各地面站交互業務運行信息，對海外站遠程管控；任務執行中采集各地面站設備狀態參數和運行信息，任務完成后對接收數據質量進行監控，與運控系統共同實現數傳計劃的閉環管理。站網軟件接收界面見圖3。

圖2 海洋衛星地面接收站網組成及外部接口

圖3 站網軟件界面

2. 地面接收站

海洋衛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、南極站等（圖4），功能如下：

圖4 海洋衛星地面站

具備當圈接收并記錄海洋系列衛星數據能力；

天線自動跟蹤,仰角3度跟蹤，5度以上可靠接收的能力，過頂無盲區；

具有自動控制、調度接收站設備運行能力，自檢測試與頻譜監視功能，支持無人值守自動化運行管理；

雙圓極化信號接收，極化復用及低軸比指標要求；

接收信道幅頻適應衛星不同發射功率和信號帶寬,動態范圍可調；

雙通道高速數據記錄，原始數據網絡集中存儲；

環境適應性：高緯度地區的低溫，沿海地區的高濕度和鹽霧，低緯度地區的高溫，船載移動系統的船搖，特殊地區的大風等。

接收系統由天線跟蹤、接收解調、記錄快視、站監控管理、測試維護、遠程故障診斷等分系統組成（圖5），站監控管理分系統控制接收系統的業務運行。設備包括：12m/7.3m天線和天線罩、天線控制單元和驅動單元、跟蹤接收機、低噪聲放大器、光傳輸設備、下變頻器、射頻/中頻開關矩陣、調制解調器、數據記錄快視設備、萬兆交換機、磁盤陣列、站控管理設備、網絡設備、視頻監視設備、GPS/北斗天線和時統設備、測試標校設備、數據重放設備、故障診斷設備及軟件等組成。接收系統工作時，完成遙感衛星信號的跟蹤接收、遙感衛星信號的放大、濾波、下變頻、數據解調、糾誤譯碼、基帶數據的落盤記錄和圖像快視、自檢測試、異地站的遠程監控和故障信息搜集整理（圖6）。

圖5 地面站接收系統組成

圖6 接收系統工作流程圖

在站網下達海洋衛星接收任務后，合理調配站內天線和通道、采集設備，完成接收任務，并在執行任務時，實時監視任務狀態和設備工作狀態，包括對中頻信號頻譜的監視。

3. 業務化運行效能

2002 年 5 月15 日，我國第一顆海洋水色衛星（HY-1A）發射升空，國家衛星海洋應用中心利用北京、三亞地面站的2套接收系統成功接收第一軌衛星下傳數據，并實現了業務化運行。從歷年接收統計可見，2019年之后，隨著海洋觀測衛星投入業務化組網運行，接收和服務的衛星數量達到17顆，地面接收站網進入滿負荷業務化運行，接收軌道數和接收原始數據量均呈階躍式增長，累計調度和接收衛星數據20余萬軌，歸檔原始數據達到820TB。

四、海洋衛星接收站網的發展規劃

海洋衛星接收站網從建成到現在，按照7天×24小時全天時工作方式業務化運行。在國家空間基礎設施項目實施之后，衛星接收能力增加100%以上，站網數據量從每天8GB到現在180GB，近期達到國內站每天1.3TB、南極站5TB的高速增長，海洋水色/海洋動力環境衛星從每天覆蓋全球1次提高到每天覆蓋2-3次，完整接收全球海洋遙感觀測數據，為我國自然資源事業提供穩定的數據源支持。

未來，隨著海洋衛星進入極軌+高軌共同觀測的時代，接收站網將補充靜止衛星接收能力，拓展西部數據落地和服務“山水林田湖草沙冰”的能力，鞏固極地準實時業務數據接收能力，海洋衛星地面接收站網的能力和規模將得到進一步提升，滿足國產海洋觀測衛星和其他遙感衛星接收任務。

五、結束語

經過二十多年的發展，海洋衛星地面站網從2個地面站3套接收系統已經形成“五站一中心”14套接收系統、即將建成“七站一中心”21套接收系統的體系架構。技術系統指標先進，覆蓋Ka/X/L多個遙感接收頻段，匹配衛星數傳高中低速率傳輸，境內實時和境外延時數據靈活調度接收，形成“衛星組網+地面組網”相匹配的天地一體化協調工作方式。通過地面接收站網獲取全球海洋水色、海洋動力環境數據，有效發揮海洋系列觀測衛星全球觀測的效能，為我國業務化海洋遙感監測奠定基礎。