气象卫星接收站的扩展应用研究

彭 耿，孙明珠，蔡星艳

(海军装备研究院，北京102249)

0 引言

自20世纪70年代，遥感技术迅猛发展。特别是随着光学传感器技术和小卫星技术等空间科学技术的发展，光学遥感卫星的空间、辐射、时间和光谱分辨率显著提高，使得遥感卫星获取的数据量急剧增加，卫星影像的原始数据率从每秒几十兆比特提高到几百兆比特甚至上千兆比特。同时，卫星影像不但广泛应用于资源、农业和林业等国民经济建设领域，而且在测绘等其他方面也发挥着巨大作用［1，2］。

目前，用户对遥感卫星影像应用的时效性要求越来越高，但受到大型遥感卫星地面接收站的数量、地理分布、建设与维护的昂贵经费及现有通信条件等因素的限制，时效性仍然是制约遥感卫星信息应用的非常重要的因素［3］。以大型地面接收站每天接收5颗遥感卫星为例，每颗卫星的平均数据量约为20.0 GByte，同时考虑到因云、雾覆盖等因素去掉50%无效影像，则需每天分发的影像数据约为50.0 GByte。目前，中国科学院对地观测与数字地球科学中心的陆地观测卫星数据全国接收站网建设工程已建成150 Mbps带宽的高速光缆网络，专业用户一般配备≤10 Mbps的专线［4］，普通用户通过互联网与中心连接。对于10 Mbps的专线，通信效率为80%时的传输时间约为13.9 h，50%时约为22.2 h，30%时约为37.1 h。可见，基于10 Mbps带宽的专线对大型地面接收站的卫星影像产品分发的时效性制约的确较大，对于普通互联网用户的时效性制约更大，且专线用户的数量非常有限;同时，对于高山和海岛等不能提供较好通信条件的情况，时效性的制约将更大。

气象卫星接收站本质上属于遥感卫星接收站的范畴，但由于其一般接收码速率较低的气象卫星影像等数据，因此相对于大型遥感卫星地面接收站来说，天线口径偏小［5］。目前，我国已建成了多处陆基、船载气象卫星接收站，利用它们在高仰角条件下接收覆盖接收站周边用户感兴趣区域的遥感卫星影像数据，并通过协同策略实现较长时间的遥感卫星数据接收与信息共享，是解决上述问题的一个重要手段;同时，也可提高气象卫星接收站的利用率和使用价值。

1 典型气象卫星接收站

下面重点分析我国已有的气象卫星接收站资源，同时深入剖析目前分布众多的典型气象卫星接收站的技术指标。

1.1 资源分析

我国自1988年成功发射第一颗气象卫星以来，先后成功发射了6颗极轨气象卫星(风云一号、风云三号系列)和7颗静止气象卫星(风云二号系列)，它们在天气预报、灾害监测和遥感等领域所发挥的作用越来越重要［3，5］。目前，除国家卫星气象中心的北京、广州、乌鲁木齐、佳木斯、喀什、拉萨和斯瓦尔巴等7个国家级气象卫星接收站外，很多省、市气象部门及海洋、水利、防汛、民航、农业、林业、环保等部门的相关单位都建有自己的气象卫星接收站。这些气象卫星接收站(系统)以接收我国的风云系列卫星数据为主，兼顾接收美国NOAA系列、日本GMS/MTSAT系列和欧盟METOP系列等气象卫星的数据［6］。我国的气象卫星接收站资源如图1所示。

图1 我国的气象卫星接收站资源

1.2 典型接收站的技术指标

风云三号(A星、B星分别于2008年、2010年成功发射)气象卫星是我国自行研发的第2代极轨气象卫星，数据传输采用3个信道:第1个是L波段实时数据(High Resolution Picture Transmit，HRPT)传输信道，用于实时传输除中分辨率光谱成像仪以外的所有探测数据，全球范围内发送;第2个是X波段实时数据(Moderate Resolution Picture Transmit，MPT)传输信道，用于实时传输中分辨率光谱成像仪的数据，在过境及国际合作区域传输;第3个是X波段延时数据(Delay Picture Transmit，DPT)传输信道，用于传输星上存储延时回放的数据，在过境时传输［7］。

目前，国内气象卫星接收站一般能接收风云系列气象卫星和国外气象卫星数据，且对于为数众多的用户接收站来说，它们一般只需接收HRPT和MPT数据，而DPT数据一般由国内的国家级地面站接收。由文献［6－10］可知:北京国家级气象卫星接收站的DPT接收天线分系统的天线口径为12.0 m，HRPT/MPT接收天线分系统的天线口径为4.2 m;理论上，同一地面设备在采用口径为3.0 m以上的天线，码速率、频率和解调方式可变的电路后，可完成兼容接收多颗气象卫星数据。典型的详细天线技术指标可参考文献［7］。

气象卫星MPT和DPT数据的传输频率属于X 波段［7］，根据国际电联(International Telecommunications Union，ITU)的规定，民用遥感卫星使用的频率范围为8.025～8.450 GHz，也属于X波段。

2 改造可行性分析

下面重点分析利用本地的小口径气象卫星接收站，在高仰角条件下接收处理遥感卫星信号(假设接收站处于遥感卫星信号发射波束范围内且极化方式等其他接收要素均匹配)的可行性，即是否可通过共用文献［7］所示的3.0 m典型气象卫星接收站的大部分前端设备实现高仰角条件下接收遥感卫星信号，以实现遥感卫星影像产品的本地分发与应用。

由文献［11，12］可得:

式中，EIRP为卫星等效全向辐射功率(dBW);G/T为地面站接收天线的品质因素(dB/K);L1为自由空间传播损耗(dB);L2为天线指向损耗(dB);L3为极化损耗(dB);L4为大气吸收损耗(dB);L5为其他损耗(包括降雨损耗和多径损耗等，dB);K为波尔兹曼常数;Eb/N0为根据最低误码率要求在理论上所需的最低信噪比(根据一般的最低误码率为1×10－6查表知 Eb/N0为 10.8 dB);Rb为信号码速率(bps);SF为链路接收余量。

根据式(1)可进一步得到:

式中，re为地球赤道半径(一般取值为6 371 km);E为天线仰角;H为卫星轨道高度(km);f为遥感卫星信号的频率(GHz)。

以在我国境内下传遥感影像数据的SPOT－4(轨道高度 822 km、载频 8.253 GHz、码速率49.37 Mbps)、SPOT －5(轨道高度832 km、载频8.253 GHz、码速率49.37 Mbps)、IRS － P6(轨道高度820 km、载频8.125 GHz、码速率 105 Mbps)和THEOS(轨道高度 800 km、载频8.14 GHz、码速率120 Mbps)等商用遥感卫星为例，其EIRP值一般为20 dBW，进而根据式(2)和文献［7］可计算出3.0 m典型气象卫星接收站在不同仰角条件下的遥感卫星链路信号接收余量SF，如表1所示。

表1 遥感卫星链路信号接收余量

从表1可以看出:口径为3.0 m的典型气象卫星接收站，在接收仰角大于40°时，对于SPOT－4、SPOT－5、IRS－P6和THEOS等商用遥感卫星的链路信号接收余量SF均超过遥感卫星信号接收一般要求的2.0 dB门限，且对于SPOT－4和SPOT－5等商用遥感卫星在仰角大于20°时就能接收。

国内外的遥感卫星多采用低轨道运行，轨道高度一般在500～800 km之间。针对典型轨道高度为500 km和800 km的遥感卫星在卫星接收站上空过顶的情况，可计算出不同最低接收仰角时的过顶工作时间，如表2所示。

表2 不同卫星轨道高度、不同最低接收仰角时的过顶工作时间

从表2可以看出:典型气象卫星接收站的天线即使在接收仰角≥50°时，一般可至少实时接收1.5 min以上的遥感卫星影像数据，即可得到接收站周边区域面积≥650 km×遥感卫星成像幅宽(从数十km到上百km不等)的遥感影像。

总之，利用我国分布众多的典型气象卫星接收站，可实现气象卫星、遥感卫星的数据综合集成接收，虽然遥感卫星的接收仰角有所提高，接收范围会缩小，但满足“大多数用户只需要小范围内的数据、覆盖他们感兴趣或负有责任的有限地区而不需要整个卫星过境数据，装备不起高价的大型地面接收站，不愿意与远方大型接收站打交道，愿意自主获取本地数据并进行处理”［13］的需求，可实现气象卫星接收资源的优化使用，且通过协同(接力)接收策略可进一步实现遥感卫星数据产品的共享利用。

3 改造方案设计

根据文献［7］可知:FY－3气象卫星 L波段HRPT数据和X波段MPT数据的接收系统可采用公用的天线和伺服设备，信道等其他软硬件部分则完全独立。

参考上述结论，可在共用典型气象卫星接收站大部分前端设备的条件下，通过对接收处理系统进行一定的适应性改造，即可实现气象卫星接收站兼容接收部分遥感卫星信号的设想，具体的改造方案如图2所示。

图2 典型气象卫星接收处理系统的改造设计

从图2可以看出:典型气象卫星接收站在根据实际情况改造天伺馈分系统，采用较高码速率的遥感通用接收解调分系统，增加专用遥感数据处理分系统等分系统的基础上，就可满足在高仰角条件下利用典型气象卫星接收站接收并处理遥感卫星信号的需求。

当然，随着遥感卫星数据未来传输朝更高的传输频率和码速率、更新的传输体制、灵活的发射波束等方向发展［13］，3.0 m典型气象卫星接收站可接收遥感卫星数据的时间窗口可能会变小。

4 结束语

在分析当前我国陆基、船载气象卫星接收站资源和技术指标的基础上，针对现有通信条件对遥感卫星数据产品分发的制约，提出了利用气象卫星接收站在高仰角条件下接收处理遥感卫星信号的设想，并进行了可行性论证和接收处理系统的改造方案设计，以实现气象卫星接收资源的优化使用，深化各类用户对遥感卫星信息的应用。

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