NGSO遙感衛星監測方法

紐莉榮，陳 媛

（國家無線電監測中心陜西監測站，陜西 西安 710200）

0 引言

目前，世界主要國家都很重視遙感衛星的發展，努力通過政策引導和資金支持，逐步擴展遙感衛星的應用范圍。遙感衛星具有技術要求低、成本低、發射費用低、無軌位限制、用途廣泛等特點[1]，因此近幾年商業遙感衛星數量迅速增加。目前，我國遙感衛星已進入體系化發展和全球化服務的新階段，建成了陸地觀測、海洋觀測和大氣觀測等多領域的立體觀測，廣泛應用于基礎設施、災害管理、氣象業務、海洋業務、資源管理、國防安全、地理位置服務等領域[2]。

隨著遙感衛星應用領域的不斷擴展，衛星應用行業和部門對衛星無線電頻率和軌道資源的需求日益迫切。為促進無線電頻率軌道資源的有效使用，同時為避免衛星頻率軌道資源的干擾沖突，開展遙感衛星監測技術成為亟需解決的問題。大部分的遙感衛星為NGSO衛星，只有少數的氣象衛星為靜止軌道衛星，本文重點研究NGSO遙感衛星的監測。

1 遙感衛星介紹

空間對地觀測系統通常包含遙感衛星和地面站兩部分，工作原理是觀測系統利用衛星上加載的各類遙感設備來獲取目標輻射或反射回來的電磁波信息，然后把這些信息傳送到地面站進行處理和應用。當前我國已經廣泛應用的遙感衛星有資源衛星、氣象衛星、海洋衛星、偵查衛星和測繪衛星。遙感衛星的地面站分為測控站和信關站[3]。測控站主要是完成對遙感衛星的跟蹤測量、遙控、遙測與通信，并將接收到的信息傳送至控制中心，然后配合控制中心完成對遙感衛星的控制[4]。信關站承擔遙感衛星觀測數據的接收與處理，可以進行數據的接收、處理、傳輸、存檔、發布和產品處理等多個環節，有些信關站也有測控站的功能[5]。

我國的遙感衛星地面測控站主要以航天測控網為主，還建設了一些行業測控站與民營測控站。航天測控網由測控中心和分布在全球的固定站、機動站、遠望號測量船、測量飛機等組成[6]，可完成中低軌、地球同步軌道等不同類型衛星的發射測控、在軌測控和離軌測控。航天測控網固定站由西安測控中心，以及喀什、廈門、青島、長春、佳木斯、北京密云、三亞、昆明、廣州等測控站組成。另外還建成了8個海外航天測控站：巴基斯坦（卡拉奇站）、肯尼亞（馬林迪站）、西南非洲（納米比亞站）、南美洲（圣地亞哥站）、澳大利亞（當加拉站）、巴西（阿爾坎特拉站）、阿根廷（內烏肯站）和法國（奧賽蓋爾站）。由海基測控船（遠望號）、國內與國外陸地基站點及“天鏈”中繼衛星（天鏈一號）組成的強大測控網，正在加速布局完善。一些行業用戶如二十一世紀公司、中國衛通集團建設了針對特定衛星的地面測控站。另外，南京航空航天大學、西北工業大學和歐比特宇航科技有限公司等根據承擔的科研及商業項目需求建設了U/V頻段的地面測控站。2015年以后，國內多家民營測控公司建設部分測控站為微小衛星提供測控支持。

我國的遙感衛星地面信關站在1986年建設完成并投入使用，承擔了我國全部的民用觀測衛星及空間科學衛星的數據接收，同時還能夠接收部分國外的觀測衛星數據。目前已經積累了豐富的遙感衛星資源，能夠為行業提供基礎的衛星觀測數據，并為國家經濟建設、科學研究和社會發展做出了重大貢獻。經過這30多年的發展，我國遙感衛星地面信關站系統以北京總部為中心，包括密云、喀什、昆明、三亞、北極5個衛星接收站[7]，能夠覆蓋我國全部領土以及亞洲70%的陸地區域，形成了空間科學衛星和觀測衛星的數據接收網系，所能承載的衛星任務、數據規模和體量都位居世界前列，具備全球數據的快速處理能力。

遙感衛星使用的無線電頻率主要包括遙測遙控頻率（簡稱測控頻率）和數據傳輸頻率（簡稱數傳頻率或業務頻率）。測控頻率是遙感衛星與測控站進行通信使用的頻率，數傳頻率是遙感衛星與信關站之間進行數據傳輸使用的頻率。測控頻率應使用《無線電頻率劃分規定》中空間操作業務劃分的頻率，同時可以根據衛星載荷的業務頻率來開展測控任務，各個國家都鼓勵采用測控與數傳頻率一體化設計來開展測控任務。目前，S頻段的測控頻率首先要保障國家衛星的測控任務，其次支持商業衛星的發射、入軌、維護以及應急管理等測控任務需求。X頻段的測控頻率主要用于空間研究業務和衛星地球探測業務的測控任務。目前各個國家鼓勵采用Ka、Q/V等更高頻段作為測控頻率，可以滿足未來大規模星座、互聯網衛星等復雜衛星系統的測控任務。我國的衛星遙感測控頻率主要采用的是S頻段。

目前，數傳頻率使用的是衛星間業務、衛星地球探測業務和空間研究業務等業務的頻率。大氣探測衛星的數傳頻率，除了可使用上述業務頻率，還可以使用衛星氣象業務的頻率。對于中低速的數傳任務一般選擇X頻段（8025～8400 MHz或8400～8500 MHz），高速的數傳任務一般使用Ka頻段（25.5～27 GHz）。各個國家都鼓勵數傳頻率和測控頻率的一體化設計，采用數傳下行頻率來傳輸遙感衛星的測控信號，有效提高頻譜的利用率。

遙感衛星和地面測控站或信關站之間通信，進行數據交換必不可少，通信信號按用途分為測控和數傳信號，數傳信號調制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、16APSK等，測控信號一般由多種功能信號復合調制而成，常常由跟蹤測軌信號、遙測信號、遙控信號及通信功能信號組成。目前遙感衛星測控和數傳頻率涉及UHF、VHF、L、S、X、Ka等頻段，未來會向Q/V等更高頻段發展，因此需針對這些頻段的NGSO遙感衛星信號進行監測分析。

2 監測方法

遙感衛星所有的下行信號都與測控站或信關站進行通信，為實現NGSO遙感衛星的監測，必須在遙感衛星覆蓋范圍內架設NGSO遙感衛星監測系統。NGSO遙感衛星監測系統由天線接收、測量分析、數據管理和輔助配套系統組成。相比于靜止軌道（GEO）衛星監測系統，該系統最大差別在于天線接收系統的不同。當天線實時跟蹤到衛星時，衛星下行信號到達天線口面，經過天線接收并放大，通過接收鏈路傳輸至寬帶測量接收機和頻譜儀，由軟件完成射頻參數測量，自動存儲至數據庫并進行比對。

（1）天線接收系統。天線接收系統的功能是接收衛星空間信號，并傳輸給測量分析系統。天線通過伺服系統實現指向或跟蹤不同軌道衛星，調整接收天線極化方式，接收衛星下行信號，對射頻信號進行放大，經過下變頻器變頻為中頻信號進行傳輸。該系統主要由天線、極化調整裝置、下變頻器、波導傳輸裝置、跟蹤接收機、切換矩陣和伺服控制系統組成。

（2）測量分析系統。測量分析系統的功能是實現射頻信號的采集，指定頻段信號的載波數量和參數測量，時間和頻段占用度的統計分析支持衛星的過境預測、跟蹤參數計算等功能，并能夠實現以上測量分析結果及計算參數的顯示。該系統主要由變頻單元、中頻預處理單元、信號采集單元、寬帶測量接收機、頻譜分析儀、測量識別軟件、顯示終端和時頻系統組成。寬帶測量接收機實現對目標頻段內所有衛星信號的射頻參數和測量次數的實時測量輸出，頻譜分析儀實現目標頻段的全景頻譜抓取。

（3）數據管理系統。數據管理系統可實現衛星數據、監測采集數據、測量分析數據、任務數據的存儲備份、導入導出、查詢修改等操作，支持數據離線處理，并能夠與臺站數據庫和頻率數據庫進行比對，如有異常發出告警。通過數據分析工具和手段對數據比對分析，完成對目標頻段、目標衛星頻譜資源的評估和分析。支持遠程數據傳輸，可以將所有數據傳輸給控制中心。該系統主要由數據傳輸單元、數據存儲單元和數據處理單元組成。

（4）輔助配套系統。輔助配套系統主要包括時間頻率同步單元、配電單元、監控單元。時間頻率同步單元包括高穩時鐘源和時鐘分配設備，實現整個衛星監測系統時間和頻率基準統一。配電單元為整個系統提供可靠、充足、安全的電力供應。監控單元實現對室內外環境的監控。

NGSO遙感衛星信號的監測和測量不同于GEO衛星。主要是因為NGSO遙感衛星對地不是靜止的，衛星與地面的相對運動產生多普勒頻移，導致收發頻率不同而引起接收頻率變化；地面上的固定監測點接收到近地軌道遙感衛星信號的時間有限且可視時間相對較短；另外距離遠，發射機功率小，地面接收點上的功率通量密度很小，因此針對NGSO遙感衛星的監測需要監測天線方向必須連續可調而且方向性很強。以下詳細介紹具體的監測方法，可以按照圖1的流程對NGSO遙感衛星進行監測。

圖1 遙感衛星監測流程

（1）星歷獲取，過境預測。衛星星歷以開普勒定律的6個軌道參數之間的關系確定飛行體的時間、坐標、方位和速度等參數。星歷具有極高的精度，能夠精確計算、預測、描繪、跟蹤衛星的時間、位置、速度等運行狀態。通過及時更新的公開衛星星歷和監測站經緯度，可以計算并預測衛星過境該監測站的時間以及天線的方位角和俯仰角。具體預測內容包括過境起始時間、結束時間、起始方位、結束方位、起始仰角、結束仰角，最大方位、最大仰角。

（2）跟蹤衛星（天線對星）。在預測的過境時間段開始之前，天線伺服控制系統啟動，將天線預置到計算好的天線方位角和俯仰角，開始掃描衛星信號（可以調整極化方式），當能捕獲到目標衛星時，自動跟蹤衛星對準天線波束，使天線對衛星進行精確指向。另外，系統也支持手動控制對星。NGSO遙感衛星與GEO遙感衛星監測的最大不同在于跟蹤衛星，由于衛星相對監測站是不斷運動的，需要天線不斷連續轉動，才能實現對衛星的不間斷跟蹤。采用程序跟蹤和自動跟蹤相結合的方法實現對NGSO遙感衛星的跟蹤。程序跟蹤能夠快速捕獲目標，但跟蹤精度較低。自動跟蹤精度高、速度快，但大范圍內捕獲目標比較困難。

（3）信號監測。設置目標衛星的頻段、參考電平、RBW、天線極化方式等參數，對衛星下行信號頻譜進行顯示，包括寬帶和窄帶監測，實時監測多個頻點的情況。顯示掃描信號的頻譜圖和瀑布圖，可以查看信號強弱。若信號為跳頻信號，需要選擇最大保持，可根據監測需求下達任務實現自動化監測。

（4）信號采集與測量。設置頻率、帶寬、采集時長等參數，可以對指定頻率和帶寬信號進行采集存儲，包括異常信號采集，采集數據可用于離線分析和處理。根據頻譜監測結果，測量衛星下行的載波頻率、帶寬、載波功率、功率通量密度、推算衛星的EIRP值，并分析獲取載波的調制方式、碼元速率等信息。

（5）結果顯示。實時顯示衛星下行信號頻譜圖，以圖形或列表形式詳細給出信號測量分析結果，如包含的載波個數，載波的頻率、帶寬、功率通量密度、極化方式、調制方式等結果。可以對信號的監測時間、監測次數以及時間占用度、頻段占用度等統計報表進行顯示。另外可以顯示系統內設備和軟件的工作狀態、技術狀態、網絡狀態。

（6）數據存檔與備份。在監測過程中，對原始數據和樣本數據進行存儲和入庫，包含衛星數據、任務數據、測量數據等。可以對發現的非法信號、不明信號進行標注入庫，并能與現有無線電臺站數據庫以及頻率數據庫進行比對，給出相關的告警信息。實現各種數據的回放、導入導出、報表打印等。可以對已測量分析的衛星下行信號進行離線數據處理分析。

3 結束語

本文介紹了遙感衛星的工作原理和具體的監測方法，提出了NGSO遙感衛星監測系統的組成，該系統支持對遙感衛星信號進行識別和提取，能夠對過境的NGSO遙感衛星的頻率和軌道資源進行全面的監測，提高監測的時效性和準確性。