VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)氣象衛(wèi)星信號(hào)接收

鐘云海， 蘭國(guó)輝， 王 蘇， 易成濤

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，遼寧 大連 116018)

氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)可為包括航海在內(nèi)的眾多應(yīng)用提供分析決策依據(jù)。由于典型的氣象衛(wèi)星信號(hào)通常位于L波段和X波段，接收設(shè)備需采用直徑1～2 m的拋物面天線，同時(shí)極軌氣象衛(wèi)星信號(hào)接收還需采用伺服機(jī)構(gòu)來(lái)保證天線跟蹤，因此氣象衛(wèi)星信號(hào)通常主要由地面站接收。[1-2]然而，目前航海上使用的氣象衛(wèi)星信息主要來(lái)自于氣象傳真機(jī)或數(shù)據(jù)鏈的轉(zhuǎn)發(fā)，大大限制了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和分辨率。

早在1998年，歐洲空間局就已制定低分辨率圖像傳輸(Low Resolution Picture Transmission, LRPT)標(biāo)準(zhǔn)[3]，旨在通過(guò)平衡數(shù)據(jù)帶寬與接收設(shè)備復(fù)雜性之間的矛盾，推進(jìn)氣象數(shù)據(jù)的直接接收。然而，2006年發(fā)射的歐洲氣象衛(wèi)星LRPT載荷因技術(shù)故障未能正常工作。直到2014年，俄羅斯Meteor-M極軌氣象衛(wèi)星才實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)并公開播發(fā)信號(hào)。[4]

雖然LRPT已對(duì)原始高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但實(shí)測(cè)結(jié)果表明其壓縮率不大，質(zhì)量因子保持在80%左右，圖像具有較高的清晰度；同時(shí)，由于其工作在甚高頻(Very High Frequency, VHF)波段，用戶無(wú)需大型天線和復(fù)雜跟蹤設(shè)備也能直接接收氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在航海上具有潛在的應(yīng)用前景。本文首先介紹LRPT標(biāo)準(zhǔn)，然后闡述信號(hào)接收處理的原理和方法，最后給出實(shí)測(cè)結(jié)果和結(jié)論。

1 LRPT傳輸標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前氣象衛(wèi)星有效載荷通常有十幾種，實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)播發(fā)需具有較大帶寬。LRPT通過(guò)優(yōu)選數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)壓縮等方式將帶寬限制在150 kHz以內(nèi)，從而通過(guò)VHF波段(137 MHz)發(fā)射，流程見圖1。

原始數(shù)據(jù)以國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)打包：首先采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮和編碼，以降低數(shù)據(jù)量；其次進(jìn)行卷積編碼，以提供一定程度的糾錯(cuò)能力；隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織處理，以抵抗突發(fā)性干擾；最后經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換，采用QPSK方式調(diào)制，并以右旋螺旋極化方式發(fā)射。[3]

Meteor-M衛(wèi)星JPEG編碼單元為8×8像素，數(shù)據(jù)壓縮采用離散余弦變換，系數(shù)編碼采用Hoffman碼。[5-6]卷積編碼采用Viterbi方式[7]，碼率為1/2，約束長(zhǎng)度7 bits，連接向量分別為1111001和1011011。

2 接收方案

接收方案包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)解碼等3部分(見圖2)。

信號(hào)采集部分包括四相螺旋天線(QFH)、AD-FMCOMM-S3通用無(wú)線電收發(fā)板、ZedBoard系統(tǒng)板和控制軟件。信號(hào)采集部分將射頻信號(hào)下變頻至零中頻之后進(jìn)行AD采樣，形成i、q雙通道數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)解碼部分在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)解調(diào)部分根據(jù)QPSK原理將采樣數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為符號(hào)文件。數(shù)據(jù)解碼部分則將符號(hào)文件依次通過(guò)卷積解碼、解交織、JPEG解碼和分包處理等步驟，最終恢復(fù)成衛(wèi)星探測(cè)的原始數(shù)據(jù)。

2.1 信號(hào)采集

ADFMCOMM-S3和ZedBoard組成的通用無(wú)線電收發(fā)模塊可靈活設(shè)定采樣中心頻率、采樣率、帶寬和增益等參數(shù)。[8-9]根據(jù)Meteor-M衛(wèi)星LRPT頻段，ADFMCOMM-S3板載振蕩器的中心頻率設(shè)定為137.887 MHz，采樣頻率為1152 kHz，帶寬為200 kHz，增益約為20 dB。經(jīng)過(guò)下變頻、濾波和采樣之后，LRPT信號(hào)頻譜移至零附近。

2.2 數(shù)據(jù)解調(diào)

采樣數(shù)據(jù)不僅包含編碼信息，還包含衛(wèi)星多普勒頻移、接收機(jī)NCO頻偏等因素帶來(lái)的載波相位、頻率偏差和采樣位置偏差，因此需進(jìn)行包括載波同步、位同步在內(nèi)的QPSK解調(diào)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)解調(diào)方案見圖3。

采樣信號(hào)可表示為

(1)

式(1)中：a和b為符號(hào)數(shù)據(jù)；ω為剩余載波頻率；θ為載波相位。采樣信號(hào)首先進(jìn)行復(fù)混頻，進(jìn)一步剝離剩余載波頻率誤差。復(fù)混頻NCO受載波同步器控制，其輸出信號(hào)為

(2)

式(2)中：ω0為NCO參考頻率；θ0為NCO初始相位。忽略推導(dǎo)過(guò)程，混頻之后信號(hào)可表示為

(3)

式(3)中：Δω=ω-ω0；Δφ=θ-θ0。若載波環(huán)路保持鎖定跟蹤，則式(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

至此實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星原始正交信號(hào)的分離，確定合理的采樣時(shí)刻即可獲得編碼數(shù)據(jù)。采樣前i和q信號(hào)再分別通過(guò)成型濾波器，減小QPSK調(diào)制的碼間干擾(ISI)。成型濾波采用升余弦濾波器，滾降系數(shù)設(shè)定為0.6，與衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制匹配；截止頻率設(shè)定為72 kHz，與衛(wèi)星數(shù)據(jù)符號(hào)率一致；濾波器采用40抽頭的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)濾波器之后的信號(hào)再進(jìn)行重采樣。重采樣速率為符號(hào)率的2倍，重采樣插值方法是采用立方插值[10-11]，計(jì)算方法為

y=a0dx3+a1dx2+a2dx+a3

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：y0～y3分別為重采樣前后2次的采樣值；dx為重采樣相位偏移。

載波同步回路包括相位誤差檢測(cè)和環(huán)路濾波，然后控制復(fù)混頻NCO。載波相位誤差檢測(cè)采用的方法[12-13]為

(7)

式(7)中:I、Q為歸一化后的信號(hào)；sgn為符號(hào)函數(shù)。載波環(huán)路濾波器采用二階鎖相環(huán)，其2個(gè)參數(shù)為

(8)

式(8)中：ζ為環(huán)路阻尼系數(shù)；ωn為相位噪聲帶寬；Ts為計(jì)算周期，是符號(hào)率的倒數(shù)。

位同步回路包括同步誤差檢測(cè)和環(huán)路濾波，然后控制重采樣時(shí)刻。位同步誤差檢測(cè)采用Gardner法[14-15]，計(jì)算式為

(9)

式(9)中：t、t-1和t+1分別為當(dāng)前、前一次及后一次抽樣時(shí)刻。位同步環(huán)路濾波器采用誤差平均法，定期調(diào)整重采樣時(shí)刻。

2.3 數(shù)據(jù)解碼

數(shù)據(jù)解碼基本上是LRPT標(biāo)準(zhǔn)的逆過(guò)程，但從接收的數(shù)據(jù)來(lái)看，Meteor-M衛(wèi)星沒有完全遵照標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)沒有實(shí)施，因而接收端解交織處理暫時(shí)被取消。

3 試驗(yàn)結(jié)果

VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接收測(cè)試平臺(tái)見圖4，其中：左側(cè)天線為OFH天線；中間為AD-FMCOMM-S3和ZedBoard電路板；右側(cè)筆記本用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后期處理。

在測(cè)試平臺(tái)搭建完成之后，對(duì)Meteor-M衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤、采集和分析。在大連的測(cè)試平臺(tái)所在位置，Meteor-M衛(wèi)星每晝夜經(jīng)過(guò)2～3次，通常只有當(dāng)衛(wèi)星高度角>15°時(shí)，信號(hào)才能捕獲跟蹤，每次接收時(shí)長(zhǎng)為8～12 min，其頻譜見圖5a)。圖5b)為信號(hào)捕獲跟蹤過(guò)程中本地載波頻移隨時(shí)間的變化情況，衛(wèi)星在過(guò)頂中過(guò)程存在約3 500 Hz多普勒頻移。

載波環(huán)參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)捕獲跟蹤有一定影響。通過(guò)測(cè)試，當(dāng)載波環(huán)相位噪聲帶寬ωn=10 Hz，阻尼系數(shù)ζ=0.707時(shí)，載波鎖定跟蹤穩(wěn)定且后期誤碼率較低。位同步環(huán)每10個(gè)重采樣間隔調(diào)整一次。

經(jīng)過(guò)載波同步和位同步之后的散點(diǎn)圖和眼圖見圖6，點(diǎn)陣間隔和眼圖開口明顯，表明解調(diào)信號(hào)具有較好的識(shí)別度。

當(dāng)前解碼后的數(shù)據(jù)主要是可見光紅外傳感器數(shù)據(jù)(見圖7)。每次接收的數(shù)據(jù)包括3個(gè)通道。白晝接收的數(shù)據(jù)通常包括0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和10.50～11.50 μm通道數(shù)據(jù)；偶爾為0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm通道數(shù)據(jù)。夜間只發(fā)現(xiàn)10.50～11.50 μm通道存在有效數(shù)據(jù)。

圖7中第1行和2行為白晝數(shù)據(jù)，第3行為夜間數(shù)據(jù)；第1列和第2列分別為0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm通道數(shù)據(jù)；第3列除第1行為1.60～1.80 μm通道數(shù)據(jù)以外，其他為10.50～11.50 μm通道數(shù)據(jù)。

Meteor-M衛(wèi)星播發(fā)的數(shù)據(jù)寬度固定為1 568像素，對(duì)應(yīng)地面約3 000 km范圍，平均精度約為1.9 km/像素。數(shù)據(jù)縱向長(zhǎng)度不固定，與衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間的長(zhǎng)度、信噪比和接收處理參數(shù)有關(guān)，通常為1 200～3 000像素，覆蓋范圍為1 300～3 300 km。由于衛(wèi)星高度角較小時(shí)信噪比較低，圖像上下兩端有少許不規(guī)則條帶。

0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm為可見光通道，可組合成3通道偽彩圖像，見圖8a)。10.50～11.50 μm為近紅外通道，一般單獨(dú)顯示；由0.50～0.70 μm和0.70～1.10 μm 2個(gè)可見光通道組成偽彩圖像，見圖8b)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)前期研究和測(cè)試得知，本文設(shè)計(jì)的VHF波段LRPT標(biāo)準(zhǔn)氣象衛(wèi)星信號(hào)接收平臺(tái)架構(gòu)可行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，接收的數(shù)據(jù)具有較高的分辨率和較大的覆蓋范圍。下一步將開展平臺(tái)硬件集成、改進(jìn)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析等方面的工作。

LRPT直接接收方式與氣象傳真機(jī)相比清晰度高、識(shí)別度好；與數(shù)據(jù)鏈和傳真機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)相比實(shí)時(shí)性高；與標(biāo)準(zhǔn)地面站相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，在船舶導(dǎo)航方面具有潛在應(yīng)用前景。