海洋觀測衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)的建設(shè)和展望

文|孫從容 劉建強 吳奎橋 張為良 郭振宇 車志勝 趙喜永 孔慶玲

1．國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心

2．自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點實驗室

3．中國電子科技集團公司

一、遙感接收站網(wǎng)的概念和功能

遙感接收站網(wǎng)由多個遙感衛(wèi)星接收站和管理中心組成，前者是用來接收各類遙感衛(wèi)星的技術(shù)系統(tǒng)，主要任務(wù)是搜索和跟蹤遙感衛(wèi)星、接收并記錄衛(wèi)星傳輸?shù)倪b感數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)及姿態(tài)軌道等衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)，交給遙感數(shù)據(jù)處理中心加工處理；后者的任務(wù)是管理和調(diào)度多個遙感衛(wèi)星接收站完成接收任務(wù)。

2004年陳述彭院士提出，要從空間戰(zhàn)略布局上考慮遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)中接收站網(wǎng)建設(shè)，之后，在單遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)到多衛(wèi)星接收系統(tǒng)到多套衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的發(fā)展過程中，接收站網(wǎng)在整體設(shè)計上需要考慮共用性、互換性，提高系統(tǒng)可靠性和運行效率；地面接收站網(wǎng)建設(shè)中要具備計劃調(diào)度、運行監(jiān)控、信息采集等綜合任務(wù)規(guī)劃調(diào)度功能，以及數(shù)據(jù)傳輸、站網(wǎng)運行等決策調(diào)度功能，以適應(yīng)業(yè)務(wù)不同的需求和業(yè)務(wù)種類的變化。目前在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星均采用頻率復(fù)用高碼速率數(shù)傳體制，接收系統(tǒng)需要具備雙通道接收、高速解調(diào)、原始數(shù)據(jù)高速記錄功能；針對遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)的可靠性要求，設(shè)計故障診斷子系統(tǒng)。

歐美國家以自建或共建方式，組建了分布全球的遙感衛(wèi)星接收站網(wǎng)，實現(xiàn)了衛(wèi)星資料的準(zhǔn)實時獲取。我國的自然資源部（國家海洋局）、中國科學(xué)院、中國氣象局通過海洋衛(wèi)星、資源和陸地觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、高分衛(wèi)星地面系統(tǒng)的建設(shè)，已經(jīng)形成覆蓋國土面積的國內(nèi)站+北極站的接收站網(wǎng)格局，未來將向全球布局發(fā)展。

二、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的設(shè)計

1. 海洋系列衛(wèi)星

海洋系列衛(wèi)星是我國自行研制或合作研制、用于全球海洋觀測的系列衛(wèi)星，海洋一號（HY-1）衛(wèi)星采用上、下午衛(wèi)星組網(wǎng)方式，太陽同步軌道，觀測全球海水光學(xué)特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機物、海表溫度，兼顧監(jiān)測海冰冰情、綠潮、赤潮、海洋初級生產(chǎn)力、海岸帶要素、植被指數(shù)、海上大氣氣溶膠、大洋船舶信息。海洋二號（HY-2）衛(wèi)星采用三星組網(wǎng)方式，三顆衛(wèi)星分布在三個不同的軌道面，觀測海面風(fēng)場、海面高度、有效波高、重力場、大洋環(huán)流和海面溫度；兼顧觀測海冰、大地水準(zhǔn)面和水汽含量。中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）采用距地520km的太陽同步軌道，獲取全球海面波浪譜、海面風(fēng)場、南北極海冰信息。

2. 海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)和設(shè)計理念

海洋衛(wèi)星軌道高度520～970km，過境時間在一天內(nèi)各時段均有分布，數(shù)傳碼速率從數(shù)十兆到數(shù)百兆不等，應(yīng)用需求為全球覆蓋、中低緯度海區(qū)和大洋多時次覆蓋的觀測能力，因此中國沿海區(qū)域數(shù)據(jù)實時獲取、全球數(shù)據(jù)近實時獲取，成為海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)。

海洋衛(wèi)星地面站設(shè)計理念如下：

站網(wǎng)布局：統(tǒng)籌規(guī)劃，全球布局，采用境內(nèi)站和境外站組網(wǎng)方式進行接收，站網(wǎng)中心集中管控；

星地匹配：考慮星地鏈路余量差異，需設(shè)計調(diào)整機制，適應(yīng)較大的動態(tài)范圍；

準(zhǔn)實時業(yè)務(wù)：海外站需配備有效通信方式，做到實時接收、準(zhǔn)實時傳輸；

通用性和標(biāo)準(zhǔn)化：統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，統(tǒng)一面板和軟件界面布局；

自動化：海外站和船載站采用無人值守運行方式；

高可靠性和安全性：7天×24小時不間斷運行，關(guān)鍵設(shè)備有備份，設(shè)備可交叉互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)和電力供應(yīng)有保障；

可維護性：地面站具備自檢、測試、維護和健康管理功能，站網(wǎng)中心可遠(yuǎn)程運維；

環(huán)境適應(yīng)性：室外設(shè)備可能在赤道、極地、航運等環(huán)境下工作。

三、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的現(xiàn)狀和能力

海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)由站網(wǎng)中心和多個地面站組成（圖1），形成國內(nèi)—移動—極地的“4+2+1”布局、21套接收系統(tǒng)的全球站網(wǎng)。

圖1 海洋衛(wèi)星地面站網(wǎng)分布圖

1. 站網(wǎng)中心

站網(wǎng)中心由信息匯集、任務(wù)執(zhí)行管控、系統(tǒng)狀態(tài)管理、傳輸服務(wù)等軟件及服務(wù)器集群等計算機設(shè)備組成（圖2），從運控分系統(tǒng)獲取衛(wèi)星載荷探測計劃、數(shù)傳開關(guān)機時間表、軌道根數(shù)，根據(jù)各地面站天線和設(shè)備的能力，統(tǒng)一管理安排衛(wèi)星接收計劃，消解資源沖突；發(fā)布接收計劃，與各地面站交互業(yè)務(wù)運行信息，對海外站遠(yuǎn)程管控；任務(wù)執(zhí)行中采集各地面站設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和運行信息，任務(wù)完成后對接收數(shù)據(jù)質(zhì)量進行監(jiān)控，與運控系統(tǒng)共同實現(xiàn)數(shù)傳計劃的閉環(huán)管理。站網(wǎng)軟件接收界面見圖3。

圖2 海洋衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)組成及外部接口

圖3 站網(wǎng)軟件界面

2. 地面接收站

海洋衛(wèi)星地面接收站包括北京站、海南站、牡丹江站、雪龍船接收系統(tǒng)、南極站等（圖4），功能如下：

圖4 海洋衛(wèi)星地面站

具備當(dāng)圈接收并記錄海洋系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)能力；

天線自動跟蹤,仰角3度跟蹤，5度以上可靠接收的能力，過頂無盲區(qū)；

具有自動控制、調(diào)度接收站設(shè)備運行能力，自檢測試與頻譜監(jiān)視功能，支持無人值守自動化運行管理；

雙圓極化信號接收，極化復(fù)用及低軸比指標(biāo)要求；

接收信道幅頻適應(yīng)衛(wèi)星不同發(fā)射功率和信號帶寬,動態(tài)范圍可調(diào)；

雙通道高速數(shù)據(jù)記錄，原始數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集中存儲；

環(huán)境適應(yīng)性：高緯度地區(qū)的低溫，沿海地區(qū)的高濕度和鹽霧，低緯度地區(qū)的高溫，船載移動系統(tǒng)的船搖，特殊地區(qū)的大風(fēng)等。

接收系統(tǒng)由天線跟蹤、接收解調(diào)、記錄快視、站監(jiān)控管理、測試維護、遠(yuǎn)程故障診斷等分系統(tǒng)組成（圖5），站監(jiān)控管理分系統(tǒng)控制接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運行。設(shè)備包括：12m/7.3m天線和天線罩、天線控制單元和驅(qū)動單元、跟蹤接收機、低噪聲放大器、光傳輸設(shè)備、下變頻器、射頻/中頻開關(guān)矩陣、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)記錄快視設(shè)備、萬兆交換機、磁盤陣列、站控管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、視頻監(jiān)視設(shè)備、GPS/北斗天線和時統(tǒng)設(shè)備、測試標(biāo)校設(shè)備、數(shù)據(jù)重放設(shè)備、故障診斷設(shè)備及軟件等組成。接收系統(tǒng)工作時，完成遙感衛(wèi)星信號的跟蹤接收、遙感衛(wèi)星信號的放大、濾波、下變頻、數(shù)據(jù)解調(diào)、糾誤譯碼、基帶數(shù)據(jù)的落盤記錄和圖像快視、自檢測試、異地站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障信息搜集整理（圖6）。

圖5 地面站接收系統(tǒng)組成

圖6 接收系統(tǒng)工作流程圖

在站網(wǎng)下達海洋衛(wèi)星接收任務(wù)后，合理調(diào)配站內(nèi)天線和通道、采集設(shè)備，完成接收任務(wù)，并在執(zhí)行任務(wù)時，實時監(jiān)視任務(wù)狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)，包括對中頻信號頻譜的監(jiān)視。

3. 業(yè)務(wù)化運行效能

2002 年 5 月15 日，我國第一顆海洋水色衛(wèi)星（HY-1A）發(fā)射升空，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用北京、三亞地面站的2套接收系統(tǒng)成功接收第一軌衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行。從歷年接收統(tǒng)計可見，2019年之后，隨著海洋觀測衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)化組網(wǎng)運行，接收和服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量達到17顆，地面接收站網(wǎng)進入滿負(fù)荷業(yè)務(wù)化運行，接收軌道數(shù)和接收原始數(shù)據(jù)量均呈階躍式增長，累計調(diào)度和接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)20余萬軌，歸檔原始數(shù)據(jù)達到820TB。

四、海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃

海洋衛(wèi)星接收站網(wǎng)從建成到現(xiàn)在，按照7天×24小時全天時工作方式業(yè)務(wù)化運行。在國家空間基礎(chǔ)設(shè)施項目實施之后，衛(wèi)星接收能力增加100%以上，站網(wǎng)數(shù)據(jù)量從每天8GB到現(xiàn)在180GB，近期達到國內(nèi)站每天1.3TB、南極站5TB的高速增長，海洋水色/海洋動力環(huán)境衛(wèi)星從每天覆蓋全球1次提高到每天覆蓋2-3次，完整接收全球海洋遙感觀測數(shù)據(jù)，為我國自然資源事業(yè)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源支持。

未來，隨著海洋衛(wèi)星進入極軌+高軌共同觀測的時代，接收站網(wǎng)將補充靜止衛(wèi)星接收能力，拓展西部數(shù)據(jù)落地和服務(wù)“山水林田湖草沙冰”的能力，鞏固極地準(zhǔn)實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收能力，海洋衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)的能力和規(guī)模將得到進一步提升，滿足國產(chǎn)海洋觀測衛(wèi)星和其他遙感衛(wèi)星接收任務(wù)。

五、結(jié)束語

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，海洋衛(wèi)星地面站網(wǎng)從2個地面站3套接收系統(tǒng)已經(jīng)形成“五站一中心”14套接收系統(tǒng)、即將建成“七站一中心”21套接收系統(tǒng)的體系架構(gòu)。技術(shù)系統(tǒng)指標(biāo)先進，覆蓋Ka/X/L多個遙感接收頻段，匹配衛(wèi)星數(shù)傳高中低速率傳輸，境內(nèi)實時和境外延時數(shù)據(jù)靈活調(diào)度接收，形成“衛(wèi)星組網(wǎng)+地面組網(wǎng)”相匹配的天地一體化協(xié)調(diào)工作方式。通過地面接收站網(wǎng)獲取全球海洋水色、海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù)，有效發(fā)揮海洋系列觀測衛(wèi)星全球觀測的效能，為我國業(yè)務(wù)化海洋遙感監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。