氣象衛(wèi)星接收站的擴(kuò)展應(yīng)用研究

彭 耿，孫明珠，蔡星艷

(海軍裝備研究院，北京102249)

0 引言

自20世紀(jì)70年代，遙感技術(shù)迅猛發(fā)展。特別是隨著光學(xué)傳感器技術(shù)和小衛(wèi)星技術(shù)等空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)遙感衛(wèi)星的空間、輻射、時(shí)間和光譜分辨率顯著提高，使得遙感衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)量急劇增加，衛(wèi)星影像的原始數(shù)據(jù)率從每秒幾十兆比特提高到幾百兆比特甚至上千兆比特。同時(shí)，衛(wèi)星影像不但廣泛應(yīng)用于資源、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，而且在測(cè)繪等其他方面也發(fā)揮著巨大作用［1，2］。

目前，用戶對(duì)遙感衛(wèi)星影像應(yīng)用的時(shí)效性要求越來越高，但受到大型遙感衛(wèi)星地面接收站的數(shù)量、地理分布、建設(shè)與維護(hù)的昂貴經(jīng)費(fèi)及現(xiàn)有通信條件等因素的限制，時(shí)效性仍然是制約遙感衛(wèi)星信息應(yīng)用的非常重要的因素［3］。以大型地面接收站每天接收5顆遙感衛(wèi)星為例，每顆衛(wèi)星的平均數(shù)據(jù)量約為20.0 GByte，同時(shí)考慮到因云、霧覆蓋等因素去掉50%無效影像，則需每天分發(fā)的影像數(shù)據(jù)約為50.0 GByte。目前，中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心的陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)全國(guó)接收站網(wǎng)建設(shè)工程已建成150 Mbps帶寬的高速光纜網(wǎng)絡(luò)，專業(yè)用戶一般配備≤10 Mbps的專線［4］，普通用戶通過互聯(lián)網(wǎng)與中心連接。對(duì)于10 Mbps的專線，通信效率為80%時(shí)的傳輸時(shí)間約為13.9 h，50%時(shí)約為22.2 h，30%時(shí)約為37.1 h?？梢?，基于10 Mbps帶寬的專線對(duì)大型地面接收站的衛(wèi)星影像產(chǎn)品分發(fā)的時(shí)效性制約的確較大，對(duì)于普通互聯(lián)網(wǎng)用戶的時(shí)效性制約更大，且專線用戶的數(shù)量非常有限;同時(shí)，對(duì)于高山和海島等不能提供較好通信條件的情況，時(shí)效性的制約將更大。

氣象衛(wèi)星接收站本質(zhì)上屬于遙感衛(wèi)星接收站的范疇，但由于其一般接收碼速率較低的氣象衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù)，因此相對(duì)于大型遙感衛(wèi)星地面接收站來說，天線口徑偏小［5］。目前，我國(guó)已建成了多處陸基、船載氣象衛(wèi)星接收站，利用它們?cè)诟哐鼋菞l件下接收覆蓋接收站周邊用戶感興趣區(qū)域的遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并通過協(xié)同策略實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與信息共享，是解決上述問題的一個(gè)重要手段;同時(shí)，也可提高氣象衛(wèi)星接收站的利用率和使用價(jià)值。

1 典型氣象衛(wèi)星接收站

下面重點(diǎn)分析我國(guó)已有的氣象衛(wèi)星接收站資源，同時(shí)深入剖析目前分布眾多的典型氣象衛(wèi)星接收站的技術(shù)指標(biāo)。

1.1 資源分析

我國(guó)自1988年成功發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來，先后成功發(fā)射了6顆極軌氣象衛(wèi)星(風(fēng)云一號(hào)、風(fēng)云三號(hào)系列)和7顆靜止氣象衛(wèi)星(風(fēng)云二號(hào)系列)，它們?cè)谔鞖忸A(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和遙感等領(lǐng)域所發(fā)揮的作用越來越重要［3，5］。目前，除國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的北京、廣州、烏魯木齊、佳木斯、喀什、拉薩和斯瓦爾巴等7個(gè)國(guó)家級(jí)氣象衛(wèi)星接收站外，很多省、市氣象部門及海洋、水利、防汛、民航、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等部門的相關(guān)單位都建有自己的氣象衛(wèi)星接收站。這些氣象衛(wèi)星接收站(系統(tǒng))以接收我國(guó)的風(fēng)云系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，兼顧接收美國(guó)NOAA系列、日本GMS/MTSAT系列和歐盟METOP系列等氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)［6］。我國(guó)的氣象衛(wèi)星接收站資源如圖1所示。

圖1 我國(guó)的氣象衛(wèi)星接收站資源

1.2 典型接收站的技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)云三號(hào)(A星、B星分別于2008年、2010年成功發(fā)射)氣象衛(wèi)星是我國(guó)自行研發(fā)的第2代極軌氣象衛(wèi)星，數(shù)據(jù)傳輸采用3個(gè)信道:第1個(gè)是L波段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(High Resolution Picture Transmit，HRPT)傳輸信道，用于實(shí)時(shí)傳輸除中分辨率光譜成像儀以外的所有探測(cè)數(shù)據(jù)，全球范圍內(nèi)發(fā)送;第2個(gè)是X波段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(Moderate Resolution Picture Transmit，MPT)傳輸信道，用于實(shí)時(shí)傳輸中分辨率光譜成像儀的數(shù)據(jù)，在過境及國(guó)際合作區(qū)域傳輸;第3個(gè)是X波段延時(shí)數(shù)據(jù)(Delay Picture Transmit，DPT)傳輸信道，用于傳輸星上存儲(chǔ)延時(shí)回放的數(shù)據(jù)，在過境時(shí)傳輸［7］。

目前，國(guó)內(nèi)氣象衛(wèi)星接收站一般能接收風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星和國(guó)外氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，且對(duì)于為數(shù)眾多的用戶接收站來說，它們一般只需接收HRPT和MPT數(shù)據(jù)，而DPT數(shù)據(jù)一般由國(guó)內(nèi)的國(guó)家級(jí)地面站接收。由文獻(xiàn)［6－10］可知:北京國(guó)家級(jí)氣象衛(wèi)星接收站的DPT接收天線分系統(tǒng)的天線口徑為12.0 m，HRPT/MPT接收天線分系統(tǒng)的天線口徑為4.2 m;理論上，同一地面設(shè)備在采用口徑為3.0 m以上的天線，碼速率、頻率和解調(diào)方式可變的電路后，可完成兼容接收多顆氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)。典型的詳細(xì)天線技術(shù)指標(biāo)可參考文獻(xiàn)［7］。

氣象衛(wèi)星MPT和DPT數(shù)據(jù)的傳輸頻率屬于X 波段［7］，根據(jù)國(guó)際電聯(lián)(International Telecommunications Union，ITU)的規(guī)定，民用遙感衛(wèi)星使用的頻率范圍為8.025～8.450 GHz，也屬于X波段。

2 改造可行性分析

下面重點(diǎn)分析利用本地的小口徑氣象衛(wèi)星接收站，在高仰角條件下接收處理遙感衛(wèi)星信號(hào)(假設(shè)接收站處于遙感衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射波束范圍內(nèi)且極化方式等其他接收要素均匹配)的可行性，即是否可通過共用文獻(xiàn)［7］所示的3.0 m典型氣象衛(wèi)星接收站的大部分前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)高仰角條件下接收遙感衛(wèi)星信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星影像產(chǎn)品的本地分發(fā)與應(yīng)用。

由文獻(xiàn)［11，12］可得:

式中，EIRP為衛(wèi)星等效全向輻射功率(dBW);G/T為地面站接收天線的品質(zhì)因素(dB/K);L1為自由空間傳播損耗(dB);L2為天線指向損耗(dB);L3為極化損耗(dB);L4為大氣吸收損耗(dB);L5為其他損耗(包括降雨損耗和多徑損耗等，dB);K為波爾茲曼常數(shù);Eb/N0為根據(jù)最低誤碼率要求在理論上所需的最低信噪比(根據(jù)一般的最低誤碼率為1×10－6查表知 Eb/N0為 10.8 dB);Rb為信號(hào)碼速率(bps);SF為鏈路接收余量。

根據(jù)式(1)可進(jìn)一步得到:

式中，re為地球赤道半徑(一般取值為6 371 km);E為天線仰角;H為衛(wèi)星軌道高度(km);f為遙感衛(wèi)星信號(hào)的頻率(GHz)。

以在我國(guó)境內(nèi)下傳遙感影像數(shù)據(jù)的SPOT－4(軌道高度 822 km、載頻 8.253 GHz、碼速率49.37 Mbps)、SPOT －5(軌道高度832 km、載頻8.253 GHz、碼速率49.37 Mbps)、IRS － P6(軌道高度820 km、載頻8.125 GHz、碼速率 105 Mbps)和THEOS(軌道高度 800 km、載頻8.14 GHz、碼速率120 Mbps)等商用遙感衛(wèi)星為例，其EIRP值一般為20 dBW，進(jìn)而根據(jù)式(2)和文獻(xiàn)［7］可計(jì)算出3.0 m典型氣象衛(wèi)星接收站在不同仰角條件下的遙感衛(wèi)星鏈路信號(hào)接收余量SF，如表1所示。

表1 遙感衛(wèi)星鏈路信號(hào)接收余量

從表1可以看出:口徑為3.0 m的典型氣象衛(wèi)星接收站，在接收仰角大于40°時(shí)，對(duì)于SPOT－4、SPOT－5、IRS－P6和THEOS等商用遙感衛(wèi)星的鏈路信號(hào)接收余量SF均超過遙感衛(wèi)星信號(hào)接收一般要求的2.0 dB門限，且對(duì)于SPOT－4和SPOT－5等商用遙感衛(wèi)星在仰角大于20°時(shí)就能接收。

國(guó)內(nèi)外的遙感衛(wèi)星多采用低軌道運(yùn)行，軌道高度一般在500～800 km之間。針對(duì)典型軌道高度為500 km和800 km的遙感衛(wèi)星在衛(wèi)星接收站上空過頂?shù)那闆r，可計(jì)算出不同最低接收仰角時(shí)的過頂工作時(shí)間，如表2所示。

表2 不同衛(wèi)星軌道高度、不同最低接收仰角時(shí)的過頂工作時(shí)間

從表2可以看出:典型氣象衛(wèi)星接收站的天線即使在接收仰角≥50°時(shí)，一般可至少實(shí)時(shí)接收1.5 min以上的遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，即可得到接收站周邊區(qū)域面積≥650 km×遙感衛(wèi)星成像幅寬(從數(shù)十km到上百km不等)的遙感影像。

總之，利用我國(guó)分布眾多的典型氣象衛(wèi)星接收站，可實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)綜合集成接收，雖然遙感衛(wèi)星的接收仰角有所提高，接收范圍會(huì)縮小，但滿足“大多數(shù)用戶只需要小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)、覆蓋他們感興趣或負(fù)有責(zé)任的有限地區(qū)而不需要整個(gè)衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)，裝備不起高價(jià)的大型地面接收站，不愿意與遠(yuǎn)方大型接收站打交道，愿意自主獲取本地?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行處理”［13］的需求，可實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星接收資源的優(yōu)化使用，且通過協(xié)同(接力)接收策略可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的共享利用。

3 改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知:FY－3氣象衛(wèi)星 L波段HRPT數(shù)據(jù)和X波段MPT數(shù)據(jù)的接收系統(tǒng)可采用公用的天線和伺服設(shè)備，信道等其他軟硬件部分則完全獨(dú)立。

參考上述結(jié)論，可在共用典型氣象衛(wèi)星接收站大部分前端設(shè)備的條件下，通過對(duì)接收處理系統(tǒng)進(jìn)行一定的適應(yīng)性改造，即可實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星接收站兼容接收部分遙感衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)想，具體的改造方案如圖2所示。

圖2 典型氣象衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

從圖2可以看出:典型氣象衛(wèi)星接收站在根據(jù)實(shí)際情況改造天伺饋分系統(tǒng)，采用較高碼速率的遙感通用接收解調(diào)分系統(tǒng)，增加專用遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)等分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，就可滿足在高仰角條件下利用典型氣象衛(wèi)星接收站接收并處理遙感衛(wèi)星信號(hào)的需求。

當(dāng)然，隨著遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)未來傳輸朝更高的傳輸頻率和碼速率、更新的傳輸體制、靈活的發(fā)射波束等方向發(fā)展［13］，3.0 m典型氣象衛(wèi)星接收站可接收遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口可能會(huì)變小。

4 結(jié)束語

在分析當(dāng)前我國(guó)陸基、船載氣象衛(wèi)星接收站資源和技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有通信條件對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)的制約，提出了利用氣象衛(wèi)星接收站在高仰角條件下接收處理遙感衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)想，并進(jìn)行了可行性論證和接收處理系統(tǒng)的改造方案設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星接收資源的優(yōu)化使用，深化各類用戶對(duì)遙感衛(wèi)星信息的應(yīng)用。

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