資源一號(hào)02D衛(wèi)星星地?cái)?shù)據(jù)平衡分析與設(shè)計(jì)

武小棟 王建 趙妍 張宏宇 王嘯虎 魏昕 張景陽(yáng) 賀捷

(1 西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710071)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)，配置兩臺(tái)相機(jī)，分別為可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)，衛(wèi)星主推光譜分辨率，定位于中等分辨率、大幅寬觀測(cè)和定量化遙感任務(wù)，可提供豐富的地物光譜信息。載荷分辨率覆蓋5 m、10 m、30 m等主流中等分辨率，適用于1∶10萬(wàn)～1∶50萬(wàn)制圖?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)國(guó)土及全球資源調(diào)查監(jiān)管、礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警以及大范圍自然災(zāi)害的多手段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。觀測(cè)系統(tǒng)建成后，可以大部分替代法國(guó)地球資源衛(wèi)星(SPOT)及美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可大幅降低對(duì)國(guó)外遙感圖像數(shù)據(jù)的購(gòu)置費(fèi)用，逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)中分辨率遙感數(shù)據(jù)的國(guó)產(chǎn)化。

星載數(shù)據(jù)平衡管理技術(shù)作為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率的核心技術(shù)，需在星載數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)中綜合星地之間的可視關(guān)系，充分利用過(guò)境數(shù)傳弧段提升數(shù)據(jù)傳輸能力，同時(shí)優(yōu)化星上數(shù)據(jù)工作模式，提升存儲(chǔ)、數(shù)傳弧段等瓶頸資源的使用策略，采用天地一體化設(shè)計(jì)提升衛(wèi)星在軌使用效能[1]。資源一號(hào)02D衛(wèi)星裝載的兩臺(tái)相機(jī)原始數(shù)據(jù)率最大可達(dá)3.45 Gbit/s左右，解決衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)率與星地下傳通道速率匹配的問(wèn)題[2]以及如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)下傳“天平衡”，是衡量衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在軌應(yīng)用性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)原始載荷數(shù)據(jù)的下傳需求進(jìn)行多個(gè)層面的分析，通過(guò)采用靈活的圖像壓縮比控制、多工作模式聯(lián)合、對(duì)地?cái)?shù)傳站點(diǎn)接力等手段，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的處理和下傳，從而達(dá)到衛(wèi)星數(shù)據(jù)“天平衡”，大大提升了衛(wèi)星的使用效能。

1 任務(wù)分析

1.1 載荷原始數(shù)據(jù)率分析

資源一號(hào)02D衛(wèi)星配置一臺(tái)高分辨率可見(jiàn)近紅外相機(jī)和1臺(tái)30 m分辨率60 km幅寬的高光譜相機(jī)，同時(shí)數(shù)傳分系統(tǒng)需要傳輸服務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。在軌道高度為778 km時(shí)，最大數(shù)據(jù)率為全色1685.5 Mbit/s，多光譜841.5 Mbit/s，總數(shù)據(jù)率為2527 Mbit/s。高光譜相機(jī)配備兩個(gè)通道，分別為可見(jiàn)近紅外通道(VNIR譜段)、短波紅外通道(SWIR譜段)，其中VNIR有76個(gè)譜段，SWIR有90個(gè)譜段，當(dāng)全譜段下傳，最大幀頻為230 Hz時(shí)，VNIR譜段原始數(shù)據(jù)率為436.94 Mbit/s，SWIR譜段原始數(shù)據(jù)率為516.38 Mbit/s，通過(guò)計(jì)算總原始數(shù)據(jù)率最大可達(dá)3.455 Gbit/s。

1.2 圖像壓縮分析

由1.1節(jié)分析可知，在目前的星載數(shù)據(jù)處理與傳輸體制下，需采用圖像壓縮技術(shù)才可實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的下傳。

隨著圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，星載圖像壓縮算法也隨之不斷變化。中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院采用過(guò)基于小波變換的SPIHT壓縮算法和JPEG2000壓縮算法[3-4]。本文對(duì)幾種壓縮算法進(jìn)行分析比較，選擇出適合資源一號(hào)02D衛(wèi)星的壓縮算法及實(shí)現(xiàn)方案。

比較各種壓縮算法，經(jīng)過(guò)分析測(cè)試，在2∶1到無(wú)損之間JPEG-LS[5-7]算法好于JPEG2000算法，在大于2∶1情況下JPEG2000算法略好于JPEG-LS算法?？紤]到JPEG-LS算法和JPEG2000算法各自的優(yōu)點(diǎn)以及硬件算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難易程度，同時(shí)根據(jù)資源一號(hào)02C等前期衛(wèi)星在軌經(jīng)驗(yàn)和用戶要求，綜合考慮，全色圖像采取4∶1/2∶1壓縮比可變策略，壓縮算法采用JPEG2000。針對(duì)多光譜圖像的壓縮，對(duì)多光譜圖像進(jìn)行3∶1和1.5∶1壓縮比可變策略，同樣采用技術(shù)成熟的JPEG2000算法。壓縮比的設(shè)置采用兩種不同的組合，可以滿足用戶的多種需求：低壓縮比模式可以提高圖像質(zhì)量，高壓縮比可以滿足用戶實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

資源衛(wèi)星應(yīng)用中心對(duì)全色和多光譜影像4∶1壓縮比進(jìn)行了主觀和客觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如下。

1)全色譜段

主觀評(píng)價(jià)：對(duì)紋理豐富的圖像，4∶1壓縮后未發(fā)現(xiàn)明顯差別，即使細(xì)微的差別也難以主觀察覺(jué)出。采用專用繪圖軟件，在兩個(gè)圖層件切換顯示圖像，差異僅在開(kāi)闊的水面局部可見(jiàn)，均為細(xì)微差別。

客觀評(píng)價(jià)：無(wú)論全色還是多光譜，2∶1壓縮后的峰值信噪比(PSNR)接近60 dB，總體屬于無(wú)損壓縮，4∶1壓縮的全色圖像PSNR平均值約為50 dB，客觀質(zhì)量?jī)?yōu)良。

因此，資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見(jiàn)近紅外相機(jī)的全色譜段采用了4∶1壓縮作為主要工作模式。

2)多光譜譜段

在多光譜圖像壓縮方面，考慮到相機(jī)實(shí)傳的帶寬需求，繼承資源三號(hào)01衛(wèi)星和02衛(wèi)星的壓縮比，實(shí)傳模式中對(duì)多光譜數(shù)據(jù)采取了3∶1壓縮，該壓縮算法經(jīng)過(guò)在軌實(shí)際應(yīng)用，效果良好。同時(shí)，衛(wèi)星仍然保留1.5∶1的近無(wú)損壓縮作為主要的壓縮比，用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸和記錄模式等對(duì)于成像無(wú)實(shí)時(shí)下傳要求的工作模式中。

1.3 工作模式分析

根據(jù)資源一號(hào)02D衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)率的分析，衛(wèi)星載荷原始數(shù)據(jù)量相比資源一號(hào)02C衛(wèi)星有很大提高，02C衛(wèi)星數(shù)傳300 Mbit/s的傳輸能力滿足不了當(dāng)前衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)傳輸需求。資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)采用第三代數(shù)傳技術(shù)，具備2×450 Mbit/s的高速傳輸能力。

但是由于原始載荷數(shù)據(jù)率較大，在不改變目前數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，由于下傳通道速率的限制，不能夠?qū)崿F(xiàn)雙相機(jī)同時(shí)實(shí)傳，僅能實(shí)現(xiàn)單相機(jī)實(shí)傳；為了滿足雙相機(jī)同時(shí)成像的任務(wù)需求，設(shè)置了準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸工作模式，用于境內(nèi)高質(zhì)量圖像獲??；同時(shí)，設(shè)置了靈活的記錄模式用于高質(zhì)量圖像獲取。通過(guò)各工作模式的自由組合，在軌可根據(jù)用戶的不同需求，快速獲取目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，分系統(tǒng)工作模式設(shè)置如表1所示。

表1 工作模式設(shè)置Table 1 Setting to working mode

1.4 通道下傳數(shù)據(jù)率分析

基于載荷數(shù)據(jù)率分析和工作模式設(shè)置，同時(shí)考慮編碼效率，表2給出了不同壓縮比和工作模式組合情況下，數(shù)傳下傳通道數(shù)據(jù)率預(yù)算情況。其中實(shí)傳和準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式為境內(nèi)成像模式，在成像的同時(shí)，可以境內(nèi)下傳圖像數(shù)據(jù)。記錄工作模式，為境外成像模式，用戶可以根據(jù)需要選擇不同相機(jī)，及不同相機(jī)組合工作，只需要對(duì)當(dāng)天工作模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保記錄的圖像數(shù)據(jù)能當(dāng)天傳輸完。

表2 工作模式數(shù)據(jù)率預(yù)算Table 2 Work mode data rate budget

1.5 衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)弧段和地面站接收情況分析

地球上陸地面積約占29%，海洋面積約占71%。光學(xué)遙感衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域?yàn)榈厍蛏系年懙貐^(qū)域，因此對(duì)衛(wèi)星在白天時(shí)飛經(jīng)陸地區(qū)域的可觀測(cè)弧段進(jìn)行分析?？紤]資源一號(hào)02D衛(wèi)星運(yùn)行于778 km軌道，3天內(nèi)滿足觀測(cè)條件的弧段如圖1，圖2所示。

圖1 衛(wèi)星日間可觀測(cè)弧段示意圖Fig.1 Illustration of satellite daytime observable arc

圖2 衛(wèi)星日間軌跡分布示意圖Fig.2 Illustration of signal of satellite daytime trajectory distribution

對(duì)圖2所示的飛經(jīng)陸地的可觀測(cè)弧段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)，得到平均每天14.3圈中白天飛經(jīng)陸地區(qū)域的弧段。考慮剔除小于5 min可觀測(cè)弧段，并考慮衛(wèi)星主要對(duì)有有效目標(biāo)的陸地成像，故衛(wèi)星上的載荷按照每天最長(zhǎng)成像120 min，每天最長(zhǎng)連續(xù)成像6軌設(shè)計(jì)，可以保證每圈存在陸地的區(qū)域均可成像，每圈最長(zhǎng)開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)為15 min。

表3 衛(wèi)星日間可觀測(cè)弧段統(tǒng)計(jì)Table 3 Statics of satellite daytime observable arc segment

地面站的位置一般情況下是固定不變的，而衛(wèi)星受其軌道周期和回歸周期的影響，使其在一段時(shí)間內(nèi)與各地面站只有在特定的幾個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)相互可見(jiàn)[8]。因此，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)地面站可用下行接收弧段進(jìn)行分析，確保下行弧段的有效利用。根據(jù)《資源一號(hào)02D衛(wèi)星工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》中地面接收網(wǎng)建設(shè)相關(guān)內(nèi)容，衛(wèi)星復(fù)用中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所密云站、喀什站、三亞站、西南站(昆明)、境外站(瑞典)，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心牡丹江站。根據(jù)以上各站分布情況，開(kāi)展下行弧段的分析。3天各14軌數(shù)傳典型工況如圖3所示。

根據(jù)分析，采取當(dāng)前地面站后，可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的每軌傳輸，其中境外站每天可以傳輸10軌，境外站不可見(jiàn)的4軌均可通過(guò)境內(nèi)地面站內(nèi)傳輸，可以極大程度增加數(shù)傳弧段，增強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)獲取能力。典型工況見(jiàn)表4。

圖3 地面站接收弧段示意圖Fig.3 Illustration of ground station receiving arc

表4 典型工況分析Table 4 Condition analysis of typical working mode

綜上分析，衛(wèi)星設(shè)計(jì)每天3軌境內(nèi)成像，采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式進(jìn)行國(guó)內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的獲取，境外3軌成像，采用記錄模式獲取境外關(guān)鍵區(qū)域圖像的獲取，通過(guò)境內(nèi)回放加境外站回放實(shí)現(xiàn)境外圖像的下傳。

1.6 固存容量需求分析

固態(tài)存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)境外成像數(shù)據(jù)或由于采用低壓縮比成像時(shí)，由于下行速率限制而存儲(chǔ)的部分成像數(shù)據(jù)，在后續(xù)數(shù)傳弧段進(jìn)行下傳。資源一號(hào)02D衛(wèi)星固存設(shè)計(jì)標(biāo)稱容量為主備份各2.0 Tbit(實(shí)際為2.3 Tbit)?？梢詽M足本節(jié)所述的記錄需求。同時(shí)，固存支持邊放邊擦功能，即在回放時(shí)，可同時(shí)擦除已回放的數(shù)據(jù)，大大提高了固存存儲(chǔ)空間的利用效率。衛(wèi)星境內(nèi)軌跡分布情況見(jiàn)圖4,固存容量分析見(jiàn)表5。

圖4 境內(nèi)軌跡分布情況Fig.4 Trajectry distribution in China

表5 固存容量分析Table 5 Capacity analysis of solid-state memory

考慮對(duì)每天到中國(guó)境內(nèi)成像三軌為主要任務(wù)，其成像周期分別為11 min，9 min和8 min。綜合考慮固存擦除時(shí)間、相機(jī)分系統(tǒng)成像停止時(shí)刻早于數(shù)傳分系統(tǒng)停止傳輸時(shí)刻和固存具體在軌工作模式，按照傳輸比成像多傳輸2 min考慮，衛(wèi)星設(shè)計(jì)的境內(nèi)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)牡湫凸r如表6所示，即每日境內(nèi)進(jìn)行1圈12 min和2圈10 min的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸。從表6可見(jiàn)，2.3 Tbit的固存可以滿足境內(nèi)三軌連續(xù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)某上袢蝿?wù)需求，剩余約0.7 Tbit的容量。

境內(nèi)成像記錄完成后，通過(guò)境外站每軌連續(xù)回放，按照境外站每軌平均過(guò)境10 min考慮，每軌至少可對(duì)境外成像記錄5 min。因此，固存容量設(shè)計(jì)滿足用戶境內(nèi)成像和境外記錄要求，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星當(dāng)天記錄回放時(shí)間的平衡。

表6 固存實(shí)際使用情況Table 6 Actual use of solid-state memory

1.7 數(shù)據(jù)傳輸“天平衡”分析

常規(guī)情況下，衛(wèi)星使用密云、三亞、喀什、牡丹江4個(gè)國(guó)內(nèi)地面接收站作為主要接收站點(diǎn)。在考慮多站接力(忽略切換站時(shí)間)傳輸條件下，每天日間下行弧段最長(zhǎng)時(shí)間為14.9 min，平均時(shí)間為10.4 min，白天4軌共41.6 min；每天夜間下行弧段最長(zhǎng)時(shí)間為12.3 min，平均時(shí)間為9.9 min，夜間4軌共39.6 min?？紤]境外站時(shí)，由于境外站每天可提供10軌的傳輸弧段，總長(zhǎng)約106 min，平均每軌10.6 min，可以極大增長(zhǎng)境外圖像獲取能力。

綜上分析，衛(wèi)星按照每天境內(nèi)3軌主模式(準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式)成像，成像時(shí)間按最大32 min計(jì)算，需下傳有效數(shù)據(jù)總量為1 883.56×32×60=3 616 435.2 Mbit/s，按照對(duì)地傳輸2×450 Mbit/s碼速率計(jì)算，則每天主模式下成像數(shù)據(jù)所需下傳時(shí)間為(3616435.2/900)/60=66.9 min。衛(wèi)星每日境內(nèi)下行弧段為白天41.6 min，夜間39.6 min，共81.2 min，遠(yuǎn)大于每日3圈主模式下傳時(shí)間需求。同時(shí)考慮每日境外15 min成像需求，按雙相機(jī)高圖像質(zhì)量模式(即記錄模式2)計(jì)算，每日最大需下行數(shù)據(jù)總量為2 374.1×15×60=2 136 690 Mbit/s，下傳所需時(shí)間為(2 136 690/900)/60=39.6 min，衛(wèi)星每日主模式傳輸后，剩余14.3 min可用下傳弧段，加上境外站提供的106 min下傳弧段，可滿足境外圖像下傳需求，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星成像下行需求與下行可用弧段時(shí)間示意Fig.5 Illustration of satellite imaging downstream requirements and downstream available arc time

因此，在中國(guó)境內(nèi)，衛(wèi)星可以常態(tài)使用準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式進(jìn)行成像，可滿足境內(nèi)高質(zhì)量成像需求。對(duì)于境外目標(biāo)，可采用境外記錄，境內(nèi)站點(diǎn)+境外站回放的形式滿足境外成像任務(wù)，由圖5可知，衛(wèi)星每天可用下行時(shí)間遠(yuǎn)大于成像需求下傳時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹疤炱胶狻薄?/p>

2 分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

按照衛(wèi)星總體盡量采用成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原則，數(shù)傳分系統(tǒng)根據(jù)輸入載荷的配置情況，選用輸入載荷速率相當(dāng)?shù)馁Y源三號(hào)和高分二號(hào)衛(wèi)星的數(shù)傳分系統(tǒng)的組成形式，分系統(tǒng)配置1臺(tái)壓縮編碼器，壓縮后數(shù)據(jù)以雙通道2×450 Mbit/s碼速率下傳。同時(shí)為了獲得高質(zhì)量圖像，采用多種壓縮比組合可選的形式，對(duì)輸入圖像進(jìn)行壓縮以滿足通道下傳和記錄速率的限制。

數(shù)傳分系統(tǒng)由數(shù)傳基帶部分和數(shù)傳通道部分組成，如圖6所示。其中基帶部分完成原始載荷數(shù)據(jù)的壓縮處理、數(shù)據(jù)復(fù)接、高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)[9]格式編排、加擾、數(shù)據(jù)流向控制等功能，通道部分完成LDPC編碼[10-11]，調(diào)制放大、濾波等功能，然后經(jīng)數(shù)傳天線進(jìn)行雙極化復(fù)用輸出至地面站。

圖6 數(shù)傳分系統(tǒng)設(shè)備組成框圖Fig.6 Block diagram of data transmission system composition

2.1 分系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)前文分析，數(shù)傳分系統(tǒng)具有4種常規(guī)工作模式：實(shí)時(shí)傳輸(含服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸、記錄模式、回放模式。在采用高壓縮比時(shí)，壓縮及AOS編碼后的數(shù)據(jù)量達(dá)到817.08 Mbit/s，控制在每通道小于450 Mbit/s，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；當(dāng)采用低壓縮比時(shí)，壓縮及AOS編碼后的數(shù)據(jù)量雙通道達(dá)到2.374 Gbit/s，此時(shí)需要通過(guò)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞较聜?，也可以記錄后再回放即記?回放模式。

分系統(tǒng)工作模式邏輯設(shè)計(jì)如圖7所示。各工作模式可根據(jù)不同的使用場(chǎng)景進(jìn)行靈活切換。各模式使用場(chǎng)景如下。

1)實(shí)傳模式

衛(wèi)星在地面站可見(jiàn)范圍內(nèi)，可見(jiàn)近紅外相機(jī)或高光譜相機(jī)成像，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲?。該模式下?shù)傳分系統(tǒng)基帶設(shè)備(除固存外)和通道設(shè)備工作。

2)記錄模式

衛(wèi)星在境外，可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)同時(shí)成像。該模式下，固存工作，數(shù)傳分系統(tǒng)基帶設(shè)備工作，通道設(shè)備不工作。

3)回放模式

衛(wèi)星在地面站可見(jiàn)范圍內(nèi)，且相機(jī)載荷不成像時(shí)，固存子系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳傳輸?shù)降孛嬲尽Ｔ撃Ｊ较鹿檀婀ぷ?，?shù)傳分系統(tǒng)壓縮編碼器不工作，其它單機(jī)工作。

4)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式

衛(wèi)星在地面站可見(jiàn)范圍內(nèi)，可見(jiàn)近紅外全色多光譜相機(jī)和高光譜相機(jī)成像，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)高速記錄入固存，同時(shí)低速下傳地面站。該模式下可見(jiàn)近紅外全色/多光譜相機(jī)和高光譜相機(jī)成像，固存工作，數(shù)傳分系統(tǒng)工作。

數(shù)傳分系統(tǒng)各工作模式主要區(qū)別為在在不同工作模式下接收數(shù)據(jù)控制字及設(shè)備開(kāi)機(jī)狀態(tài)不同，其他工作原理基本相同。準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖7 工作模式邏輯設(shè)計(jì)Fig.7 Design of working mode logic

圖8 準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸模式設(shè)計(jì)Fig.8 Design of quasi-real-time transmission mode

2.2 數(shù)傳天線使用策略設(shè)計(jì)

常規(guī)模式下，衛(wèi)星一般使用單副天線進(jìn)行單站對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸。但是出于對(duì)圖像實(shí)時(shí)性和可傳輸弧段利用率的考慮，當(dāng)衛(wèi)星在某圈過(guò)境時(shí)，同時(shí)在兩個(gè)地面站接收范圍內(nèi)時(shí)，就可以考慮進(jìn)行對(duì)地雙站接力傳輸。通過(guò)提前預(yù)置指向、交叉使用數(shù)傳天線的策略，可以避免天線預(yù)置時(shí)間占用寶貴的成像弧段和數(shù)傳弧段，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星根據(jù)實(shí)際傳輸需求設(shè)計(jì)了單天線單站、單天線雙站和雙天線雙站三種傳輸方式。常規(guī)模式情況下，一般使用單天線單站傳輸?shù)姆绞健．?dāng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性更高需求時(shí)，可使用單天線雙站接力、雙天線雙站接力策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1)單天線單地面站跟蹤模式

該模式下，僅天線組件a或天線組件b單獨(dú)工作。伺服控制器a(或b)在主從控制或者自主控制模式下，由相應(yīng)控制源進(jìn)行地面站指向角度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度計(jì)算，并在控制源的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行天線組件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使天線波束指向地面站。

2)單天線雙地面站跟蹤模式

該模式下，僅天線組件a或天線組件b單獨(dú)工作。當(dāng)衛(wèi)星先后飛經(jīng)地面站1和2的可接收弧段時(shí)，伺服控制器a(或b)根據(jù)相應(yīng)控制源對(duì)地面站1的指向角度或角速度信息計(jì)算后驅(qū)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而使天線波束指向地面站1。當(dāng)衛(wèi)星飛出地面站1的可接收弧段時(shí)，固存停止回放，伺服控制器a(或b)控制天線快速指向地面站2，并根據(jù)對(duì)地面站2的指向角度或角速度信息，驅(qū)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)使天線波束指向地面站2，在地面站2跟蹤穩(wěn)定后，重新啟動(dòng)回放，固存具備的斷點(diǎn)續(xù)傳功能可保證兩次回放之間的數(shù)據(jù)有一定的重疊，確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，便于地面圖像拼接。

3)雙天線雙站跟蹤模式

如圖9所示，該模式下，天線組件a和天線組件b可同時(shí)工作。若衛(wèi)星將先后飛經(jīng)地面站1和2的可接收弧段，在進(jìn)入地面站1可接收弧段前，將兩付對(duì)地?cái)?shù)傳天線進(jìn)行指向預(yù)置，分別指向待傳輸接力跟蹤的兩個(gè)地面站，伺服控制器a(或b)先根據(jù)對(duì)地面站1的指向角度或角速度信息，驅(qū)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而使天線a(或b)的波束指向地面站1；然后伺服控制器b(或a)根據(jù)對(duì)地面站2的指向角度或角速度信息，提前驅(qū)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而使天線b(或a)波束指向地面站2。在天線a(或b)對(duì)地面站1跟蹤傳輸結(jié)束時(shí)，先將固存回放停止，然后數(shù)傳通道設(shè)備和伺服控制器a(或b)關(guān)機(jī)，并設(shè)置數(shù)傳波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)使射頻信號(hào)切換至天線b(或a)，伺服控制器b(或a)開(kāi)機(jī)并控制天線b(或a)對(duì)地面站2跟蹤，待跟蹤穩(wěn)定后數(shù)傳通道設(shè)備再開(kāi)機(jī)，然后重新啟動(dòng)固存回放操作，天線b完成對(duì)地面站2跟蹤傳輸，從而完成雙天線對(duì)雙地面站的接力跟蹤。設(shè)計(jì)中為了保證地面獲取圖像的連續(xù)性，在固存中設(shè)計(jì)了斷點(diǎn)續(xù)傳功能，保證兩個(gè)地面站獲取的圖像數(shù)據(jù)有一定的重疊，便于地面圖像拼接使用。

3 在軌驗(yàn)證情況

數(shù)傳分系統(tǒng)自2019年9月12日發(fā)射后，經(jīng)過(guò)近1年的在軌驗(yàn)證測(cè)試，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)傳輸、記錄、回放、準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸各工作模式，經(jīng)密云、三亞、喀什、牡丹江等地面站接收測(cè)試，數(shù)傳分系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，功能正常，下傳數(shù)據(jù)解析后獲取大量境內(nèi)外高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)在軌測(cè)試情況的統(tǒng)計(jì)，數(shù)傳分系統(tǒng)可保證每天境內(nèi)3軌成像任務(wù)產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)“天平衡”下傳，同時(shí)利用境外站和境內(nèi)剩余弧段實(shí)現(xiàn)了境外關(guān)鍵目標(biāo)數(shù)據(jù)的下傳，驗(yàn)證了分系統(tǒng)星地?cái)?shù)據(jù)平衡設(shè)計(jì)的有效性。

在軌驗(yàn)證表明，資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在星地之間建立了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚偻ǖ溃瑢?shí)現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的高保真圖像壓縮、實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹疤炱胶狻?，有效保障了衛(wèi)星的使用效能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星星地?cái)?shù)據(jù)平衡的分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)率、對(duì)地可觀測(cè)弧段、壓縮比選擇、工作模式等方面進(jìn)行分析，通過(guò)選擇合適的壓縮算法、采用多工作模式聯(lián)合工作、對(duì)地站點(diǎn)接力傳輸?shù)仁侄危嵘诵l(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸效能。通過(guò)地面及在軌測(cè)試驗(yàn)證，表明衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)可以滿足衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)傳輸需求，實(shí)現(xiàn)星載數(shù)據(jù)“天平衡”，設(shè)計(jì)理念對(duì)后續(xù)遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)平衡傳輸設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

星地?cái)?shù)據(jù)平衡設(shè)計(jì)是遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠篮阍掝}，如何在有效的信道資源內(nèi)，盡量傳輸更多的數(shù)據(jù)是衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)不變的探索目標(biāo)。未來(lái)3～5年內(nèi)，數(shù)傳分系統(tǒng)在不改變目前數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，可通過(guò)提升對(duì)地通道碼速率(X頻段最高可到1.5 Gbit/s，Ka頻段可達(dá)3.5 Gbit/s)，優(yōu)化基帶處理設(shè)備等方式，提升傳輸效能，實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源普查對(duì)大容量、高速率星載數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，在礦產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、災(zāi)害預(yù)警等國(guó)土資源領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。