遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)一體化設(shè)計

摘 要： 依據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的技術(shù)需求，在進(jìn)行地面接收系統(tǒng)設(shè)計時，將多套衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行設(shè)計，提升了系統(tǒng)設(shè)備的共用性、互換性，提高系統(tǒng)可靠性和運行效率。該設(shè)計已用于相關(guān)工程項目中，使用結(jié)果表明該設(shè)計合理可行。

關(guān)鍵詞： 遙感衛(wèi)星； 接收系統(tǒng)； 一體化設(shè)計； 資源共享

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0073?04

Abstract： Based on the technical requirements of remote sensing satellite ground receiving system， an integrated design was implemented on multiple sets of satellite ground receiving system. Sharing ability and interchangeability of system equipment were promoted， system reliability and operating efficiency were improved by the design. The design was applied in related engineering projects， and the application results proved that the design was reasonable and feasible.

Keywords： remote sensing satellite； receiving system； integrated design； resource sharing

0 引 言

隨著國家信息化建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)眾多部門遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，人們對于衛(wèi)星應(yīng)用的需求急劇增多，對遙感數(shù)據(jù)的數(shù)量、種類、時間分辨率和空間分辨率及覆蓋范圍提出了更高要求。為滿足各行業(yè)對中高分辨率的多種衛(wèi)星遙感信息綜合利用的需求，遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)也在快速發(fā)展，實現(xiàn)了多衛(wèi)星、全天候、全天時的對地觀測。

空間信息獲取技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險大、用戶領(lǐng)域廣、高度依賴基礎(chǔ)設(shè)施和信息服務(wù)，只有資源共享才可能取得最大效益。為降低成本，提高技術(shù)支撐能力，各國均強(qiáng)調(diào)資源共享，統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)一的地面衛(wèi)星信息采集、處理、存儲、分發(fā)和應(yīng)用中心，實現(xiàn)遙感地面設(shè)施的合理利用和資源共享，避免部門分割造成的重復(fù)建設(shè)。我國也已完成統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、布局合理的全國對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面接收站網(wǎng)的建設(shè)，具備接收國內(nèi)外各類對地觀測衛(wèi)星的實時觀測數(shù)據(jù)、延遲回放數(shù)據(jù)的能力，實現(xiàn)覆蓋全國及周邊地區(qū)的國家對地觀測衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)[1]。

組成地面接收站網(wǎng)的各地面接收站有多套衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)，雖然多套遙感衛(wèi)星地面接收天線的口徑可能不同，但工作頻段、跟蹤和數(shù)據(jù)接收通道、測試、記錄、故障診斷、任務(wù)管理等是類同的，工作流程是相同的，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，可將多套遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行設(shè)計。一體化設(shè)計時總體設(shè)計思路的統(tǒng)一、設(shè)備和軟件設(shè)計的統(tǒng)一及共享尤其重要，這不僅可以提升系統(tǒng)設(shè)備的共用性、互換性，而且當(dāng)系統(tǒng)某個部分出現(xiàn)故障時，可通過站控制和管理分系統(tǒng)進(jìn)行手動或自動切換，便于系統(tǒng)的維護(hù)，提高系統(tǒng)可靠性和運行效率。

1 系統(tǒng)組成及主要功能

單套遙感衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由天、伺、饋分系統(tǒng)，跟蹤接收分系統(tǒng)，測試分系統(tǒng)，記錄與快視分系統(tǒng)，站監(jiān)控管理分系統(tǒng)，故障診斷分系統(tǒng)及技術(shù)支持分系統(tǒng)組成，如圖1所示[2]。由于遙感衛(wèi)星地面接收站由多套數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)組成，采用一體化設(shè)計后的系統(tǒng)組成如圖2所示。

天饋分系統(tǒng)：由天線、天線座架、饋源及饋線網(wǎng)絡(luò)等組成。天、饋單元的主要任務(wù)是完成衛(wèi)星信號接收；座架單元主要包括俯仰、方位和傾斜軸組合，其主要功能是支撐天、饋單元，實現(xiàn)天線的定位轉(zhuǎn)動，滿足全半球天線的指向需求。

伺服分系統(tǒng)：包括天線控制單元（ACU）、驅(qū)動設(shè)備、傳感器、安全保護(hù)裝置等。主要任務(wù)是根據(jù)指令及相應(yīng)的信號采取各種控制策略控制天線的運動，快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地對目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲、跟蹤。

跟蹤接收分系統(tǒng)：由低噪聲放大器（LNA）、跟蹤合成網(wǎng)絡(luò)、光端機(jī)、射頻矩陣開關(guān)、下變頻器、均衡分配單元、跟蹤接收機(jī)、通用高速解調(diào)器、基帶開關(guān)、頻譜監(jiān)視單元等組成。跟蹤通道的主要任務(wù)是提取角誤差信號，送給伺服單元驅(qū)動天線捕獲跟蹤衛(wèi)星；數(shù)據(jù)通道的主要任務(wù)是完成SX頻段數(shù)據(jù)的解調(diào)，輸出數(shù)據(jù)和時鐘信號送給記錄設(shè)備。

測試分系統(tǒng)：由調(diào)制器、上變頻器、測試耦合器、測試開關(guān)、誤碼儀、功率計、頻譜儀等組成。主要用于完成系統(tǒng)自檢，自動進(jìn)行系統(tǒng)性能指標(biāo)測試，各關(guān)鍵節(jié)點的信號功率測量及頻譜監(jiān)測分析。

記錄與快視分系統(tǒng)：主要由記錄服務(wù)器、管理調(diào)度模塊、集中存儲模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊等組成，主要完成衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的實時記錄、實時快視、臨時數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、實時數(shù)據(jù)傳輸，非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

故障診斷分系統(tǒng)：主要由數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、自檢測試、故障診斷服務(wù)器和故障分析軟件組成。其中數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、自檢測試等利用站監(jiān)控管理分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)實現(xiàn)，可本地或遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)接收站各分系統(tǒng)設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)信息。遠(yuǎn)程設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)接收設(shè)備參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控；本地或遠(yuǎn)程指揮數(shù)據(jù)接收站進(jìn)行自檢測試，獲取設(shè)備性能狀態(tài)參數(shù)信息，分析診斷故障確切部位和原因，輔助數(shù)據(jù)接收站排除設(shè)備故障，完成設(shè)備維護(hù)。

站監(jiān)控管理分系統(tǒng)：主要由任務(wù)管理服務(wù)器、控制/監(jiān)視計算機(jī)、接口組件和相關(guān)的支持軟件組成。主要任務(wù)是完成全站任務(wù)和設(shè)備的集中管理調(diào)度，即根據(jù)接收運行管理系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)計劃形成數(shù)據(jù)接收、記錄及傳輸計劃；自動或手動控制系統(tǒng)配置參數(shù)，完成跟蹤、接收、記錄及傳輸任務(wù)；對各分系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理；將任務(wù)執(zhí)行情況上報運行管理系統(tǒng)。

技術(shù)支持分系統(tǒng)：主要由時統(tǒng)設(shè)備、標(biāo)校、供電、空調(diào)設(shè)備等組成。主要功能是為數(shù)據(jù)接收站提供統(tǒng)一的時間碼信息；為分系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)輪訓(xùn)監(jiān)控提供時間同步基準(zhǔn)；為系統(tǒng)維護(hù)/維修、故障定位、單元部件檢測提供相關(guān)設(shè)施等。

從圖2可看出，采用一體化設(shè)計后，全站設(shè)備構(gòu)成了一個有機(jī)的整體，跟蹤接收分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、故障診斷分系統(tǒng)、控制和管理分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)等實現(xiàn)了設(shè)備共享。站監(jiān)控管理分系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)技術(shù)需求靈活地配置、調(diào)度設(shè)備資源，進(jìn)行多星多任務(wù)的任務(wù)規(guī)劃，提升了設(shè)備的共用性、互換性，提高了系統(tǒng)可靠性和運行效率。

2 一體化設(shè)計

2.1 多星適應(yīng)性

依據(jù)對地觀測技術(shù)發(fā)展的需求，地面接收系統(tǒng)需具備多衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收能力，系統(tǒng)設(shè)計時需充分考慮系統(tǒng)多星適應(yīng)性，以實現(xiàn)多衛(wèi)星、全天時、全天候的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收記錄。

對地觀測衛(wèi)星工作頻段為S、X、Ka頻段；下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路工作模式有單載頻、頻分復(fù)用、雙圓極化頻率復(fù)用等；調(diào)制方式有QPSK，O/SQPSK，8PSK，16QAM，16APSK，32QAM和32APSK等，高效編譯碼方式RS、LDPC等，下行碼速率從幾十Mb/s到幾Gb/s[3?4]。系統(tǒng)設(shè)計時[2，5?6]采用S/X、S/Ka、S/X/Ka多波段高性能饋源以適應(yīng)不同衛(wèi)星、不同工作模式的下行信號接收，采用雙圓極化頻率復(fù)用實現(xiàn)左右旋信號的接收；采用通用型高碼速數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)設(shè)備實現(xiàn)不同速率、不同制式及編譯碼信號的調(diào)制解調(diào)；采用多星通用記錄設(shè)備以適應(yīng)多種傳感器數(shù)據(jù)的記錄。

接收站一般均有多套天線，接收多衛(wèi)星任務(wù)，地面接收系統(tǒng)還需具備多星、多天線、多任務(wù)資源配置及調(diào)度能力。因此，接收站監(jiān)控管理設(shè)計了任務(wù)規(guī)劃及調(diào)度，系統(tǒng)資源配置、監(jiān)控和管理功能，以滿足多星、多天線、多任務(wù)的需求。

2.2 跟蹤接收和測試分系統(tǒng)

跟蹤接收、測試分系統(tǒng)采用統(tǒng)一信道的設(shè)計思想，即多套天線共用信道、測試通道及測試儀器[3]。一體化設(shè)計體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。一體化設(shè)計時，采用規(guī)范的設(shè)備硬件接口，提升設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化程度；接收站配置射頻開關(guān)矩陣、中頻均衡開關(guān)矩陣、測試開關(guān)、基帶數(shù)據(jù)切換單元，通過優(yōu)化設(shè)計各工作頻段的變頻方案及合理的電平分配，實現(xiàn)射頻統(tǒng)一、中頻統(tǒng)一及基帶數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一，既可以實現(xiàn)設(shè)備根據(jù)任務(wù)需要靈活配置，又可以實現(xiàn)設(shè)備共享，提高設(shè)備利用率、系統(tǒng)可靠性和運行效率，同時便于系統(tǒng)擴(kuò)展及系統(tǒng)的維護(hù)。

不同天線到機(jī)房的距離相差較大，一體化設(shè)計時用光纜替代天線至機(jī)房的電纜，既可避免電纜傳輸信號的距離受限問題，有利于多套天線接收信號的電平匹配，又可解決雷電感應(yīng)通過電纜進(jìn)入機(jī)房和天線中心體，有效地實現(xiàn)機(jī)房和天線中心體設(shè)備的防感應(yīng)雷問題。同時將上/下變頻器由室外（天線中心體內(nèi)）移至機(jī)房，改善了設(shè)備工作環(huán)境，提高設(shè)備可靠性。

不同衛(wèi)星軌道高度（最低300 km、最高800 km）、發(fā)射功率差別較大（EIRP最低16 dB、最高37.8 dB），造成同一接收鏈路接收不同的衛(wèi)星時，各設(shè)備的輸入輸出電平差別較大。因此在進(jìn)行一體化設(shè)計時需合理設(shè)計、分配各接收鏈路共享設(shè)備的輸入輸出電平，才可能實現(xiàn)全站設(shè)備靈活的組合應(yīng)用和切換共享。

隨著解調(diào)器輸出信號碼速率的不斷提高，解調(diào)器ECL輸出與基帶開關(guān)矩陣及傳輸電纜的匹配更加困難，并且也無法滿足長距離高碼速數(shù)據(jù)的傳輸要求。針對高碼速基帶數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字高速解調(diào)設(shè)備設(shè)計了1 Gb/s或10 Gb/s網(wǎng)絡(luò)輸出解調(diào)數(shù)據(jù)的能力，利用交換式以太網(wǎng)取代基帶數(shù)據(jù)切換開關(guān)，并根據(jù)系統(tǒng)中配置的高速解調(diào)器的數(shù)量選配合適的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以保證高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。交換式以太網(wǎng)以交換機(jī)為中心構(gòu)成，是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)采用存儲交換方式，交換機(jī)背板帶寬可以保證端到端的信息傳輸能力。高速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸一般要求數(shù)據(jù)有序、可靠，因此選用TCP/IP協(xié)議。

2.3 故障診斷分系統(tǒng)

故障診斷分系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、自檢測試、故障診斷服務(wù)器和故障分析軟件組成。故障診斷分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

其中數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、自檢測試等利用站管理監(jiān)控分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)實現(xiàn)，故障診斷單元主要由本地計算機(jī)、本地服務(wù)器，遠(yuǎn)程計算機(jī)、遠(yuǎn)程服務(wù)器以及相關(guān)故障診斷分析軟件組成。主要任務(wù)是根據(jù)測試分系統(tǒng)和站監(jiān)控管理子系統(tǒng)采集/上報系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息、工作狀態(tài)參數(shù)信息、工作報告以及相關(guān)測試結(jié)果，對系統(tǒng)工作狀態(tài)實施分析，并對相應(yīng)的故障進(jìn)行診斷。

2.4 站監(jiān)控管理分系統(tǒng)

站監(jiān)控管理分系統(tǒng)采用集中管理監(jiān)視，分級控制的方式。為確保可靠性，接收站配置兩臺任務(wù)管理服務(wù)器（1[∶]1熱備份），兩臺監(jiān)控計算機(jī)（1[∶]1熱備）。一體化設(shè)計體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，任務(wù)管理客戶端組件主要負(fù)責(zé)人機(jī)會話，執(zhí)行用戶命令和操作，提供用戶關(guān)注信息和數(shù)據(jù)顯示；任務(wù)管理服務(wù)端組件完成業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)處理，負(fù)責(zé)任務(wù)計劃和測試計劃的生成、設(shè)備資源分配、沖突檢測及消解、衛(wèi)星軌道預(yù)報、計劃執(zhí)行等處理；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件提供數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，簡化任務(wù)管理軟件訪問數(shù)據(jù)庫的操作，保障數(shù)據(jù)安全，為任務(wù)管理軟件運行提供數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用三層C/S/S體系結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)端組件、系統(tǒng)監(jiān)控客戶組件、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件（同任務(wù)管理軟件包數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件）、自動化測試組件、遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端組件等構(gòu)成，各軟件間通過接口進(jìn)行交互、融合，向用戶呈現(xiàn)完整的業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)監(jiān)控客戶端組件主要提供人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)人機(jī)會話，提供用戶關(guān)注信息和數(shù)據(jù)顯示，執(zhí)行用戶命令和操作，并提供方便和靈活的信息檢索、顯示、打印手段；系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)端組件主要完成業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)處理邏輯，負(fù)責(zé)有效地管理系統(tǒng)的資源，完成系統(tǒng)監(jiān)控及設(shè)備配置功能，執(zhí)行任務(wù)管理軟件包下達(dá)的工作計劃；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用組件封裝數(shù)據(jù)庫訪問處理邏輯，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫管理軟件交互，完成數(shù)據(jù)庫的讀/寫操作；自動化測試組件提供測試儀器訪問服務(wù)，實現(xiàn)G/T值測試、誤碼率測試，遠(yuǎn)程集中監(jiān)控客戶端組件完成系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，主要通過裁剪客戶端組件實現(xiàn)。

3 結(jié) 語

采用一體化設(shè)計后，全站設(shè)備構(gòu)成了一個有機(jī)的整體，跟蹤接收分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、故障診斷分系統(tǒng)、控制和管理分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)等實現(xiàn)了設(shè)備共享。站監(jiān)控管理分系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)技術(shù)需求靈活的配置、調(diào)度設(shè)備資源，進(jìn)行多星多任務(wù)的任務(wù)規(guī)劃，提升了設(shè)備的共用性、互換性，提高了系統(tǒng)可靠性和運行效率。

該設(shè)計已用于相關(guān)工程項目中，使用結(jié)果表明該設(shè)計是合理可行的。

參考文獻(xiàn)

[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（z1）：114?121.

[2] 王萬玉，張寶全，劉愛平，等.頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2012，52（4）：423?428.

[3] 高衛(wèi)斌，冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2005（6）：30?36.

[4] 周宇昌，李小軍，周詮.空間高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].空間電子技術(shù)，2009（3）：43?48.

[5] 王永華，王萬玉.S/X/ka頻段天伺饋系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電訊技術(shù)，2013，53（8）：1058?1063.

[6] 王萬玉，李娟妮，張寶全，等.寬頻帶低軸比雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2012，52（6）：835?839.