VHF波段LRPT标准气象卫星信号接收

钟云海， 兰国辉， 王 苏， 易成涛

(海军大连舰艇学院 航海系，辽宁 大连 116018)

气象卫星数据可为包括航海在内的众多应用提供分析决策依据。由于典型的气象卫星信号通常位于L波段和X波段，接收设备需采用直径1～2 m的抛物面天线，同时极轨气象卫星信号接收还需采用伺服机构来保证天线跟踪，因此气象卫星信号通常主要由地面站接收。[1-2]然而，目前航海上使用的气象卫星信息主要来自于气象传真机或数据链的转发，大大限制了数据的实时性和分辨率。

早在1998年，欧洲空间局就已制定低分辨率图像传输(Low Resolution Picture Transmission, LRPT)标准[3]，旨在通过平衡数据带宽与接收设备复杂性之间的矛盾，推进气象数据的直接接收。然而，2006年发射的欧洲气象卫星LRPT载荷因技术故障未能正常工作。直到2014年，俄罗斯Meteor-M极轨气象卫星才实现该标准并公开播发信号。[4]

虽然LRPT已对原始高分辨率数据进行压缩，但实测结果表明其压缩率不大，质量因子保持在80%左右，图像具有较高的清晰度；同时，由于其工作在甚高频(Very High Frequency, VHF)波段，用户无需大型天线和复杂跟踪设备也能直接接收气象卫星数据，在航海上具有潜在的应用前景。本文首先介绍LRPT标准，然后阐述信号接收处理的原理和方法，最后给出实测结果和结论。

1 LRPT传输标准

当前气象卫星有效载荷通常有十几种，实现全部数据播发需具有较大带宽。LRPT通过优选数据类型、数据压缩等方式将带宽限制在150 kHz以内，从而通过VHF波段(137 MHz)发射，流程见图1。

原始数据以国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)标准打包：首先采用JPEG标准进行压缩和编码，以降低数据量；其次进行卷积编码，以提供一定程度的纠错能力；随后对数据进行交织处理，以抵抗突发性干扰；最后经过串并转换，采用QPSK方式调制，并以右旋螺旋极化方式发射。[3]

Meteor-M卫星JPEG编码单元为8×8像素，数据压缩采用离散余弦变换，系数编码采用Hoffman码。[5-6]卷积编码采用Viterbi方式[7]，码率为1/2，约束长度7 bits，连接向量分别为1111001和1011011。

2 接收方案

接收方案包括信号采集、数据解调和数据解码等3部分(见图2)。

信号采集部分包括四相螺旋天线(QFH)、AD-FMCOMM-S3通用无线电收发板、ZedBoard系统板和控制软件。信号采集部分将射频信号下变频至零中频之后进行AD采样，形成i、q双通道数据文件。数据解调和数据解码部分在PC机上实现。数据解调部分根据QPSK原理将采样数据文件转化为符号文件。数据解码部分则将符号文件依次通过卷积解码、解交织、JPEG解码和分包处理等步骤，最终恢复成卫星探测的原始数据。

2.1 信号采集

ADFMCOMM-S3和ZedBoard组成的通用无线电收发模块可灵活设定采样中心频率、采样率、带宽和增益等参数。[8-9]根据Meteor-M卫星LRPT频段，ADFMCOMM-S3板载振荡器的中心频率设定为137.887 MHz，采样频率为1152 kHz，带宽为200 kHz，增益约为20 dB。经过下变频、滤波和采样之后，LRPT信号频谱移至零附近。

2.2 数据解调

采样数据不仅包含编码信息，还包含卫星多普勒频移、接收机NCO频偏等因素带来的载波相位、频率偏差和采样位置偏差，因此需进行包括载波同步、位同步在内的QPSK解调。本文设计的数据解调方案见图3。

采样信号可表示为

(1)

式(1)中：a和b为符号数据；ω为剩余载波频率；θ为载波相位。采样信号首先进行复混频，进一步剥离剩余载波频率误差。复混频NCO受载波同步器控制，其输出信号为

(2)

式(2)中：ω0为NCO参考频率；θ0为NCO初始相位。忽略推导过程，混频之后信号可表示为

(3)

式(3)中：Δω=ω-ω0；Δφ=θ-θ0。若载波环路保持锁定跟踪，则式(3)可简化为

(4)

至此实现了卫星原始正交信号的分离，确定合理的采样时刻即可获得编码数据。采样前i和q信号再分别通过成型滤波器，减小QPSK调制的码间干扰(ISI)。成型滤波采用升余弦滤波器，滚降系数设定为0.6，与卫星信号调制匹配；截止频率设定为72 kHz，与卫星数据符号率一致；滤波器采用40抽头的FIR滤波器实现。

通过滤波器之后的信号再进行重采样。重采样速率为符号率的2倍，重采样插值方法是采用立方插值[10-11]，计算方法为

y=a0dx3+a1dx2+a2dx+a3

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：y0～y3分别为重采样前后2次的采样值；dx为重采样相位偏移。

载波同步回路包括相位误差检测和环路滤波，然后控制复混频NCO。载波相位误差检测采用的方法[12-13]为

(7)

式(7)中:I、Q为归一化后的信号；sgn为符号函数。载波环路滤波器采用二阶锁相环，其2个参数为

(8)

式(8)中：ζ为环路阻尼系数；ωn为相位噪声带宽；Ts为计算周期，是符号率的倒数。

位同步回路包括同步误差检测和环路滤波，然后控制重采样时刻。位同步误差检测采用Gardner法[14-15]，计算式为

(9)

式(9)中：t、t-1和t+1分别为当前、前一次及后一次抽样时刻。位同步环路滤波器采用误差平均法，定期调整重采样时刻。

2.3 数据解码

数据解码基本上是LRPT标准的逆过程，但从接收的数据来看，Meteor-M卫星没有完全遵照标准，数据交织环节没有实施，因而接收端解交织处理暂时被取消。

3 试验结果

VHF波段LRPT标准信号接收测试平台见图4，其中：左侧天线为OFH天线；中间为AD-FMCOMM-S3和ZedBoard电路板；右侧笔记本用于数据存储和后期处理。

在测试平台搭建完成之后，对Meteor-M卫星信号进行跟踪、采集和分析。在大连的测试平台所在位置，Meteor-M卫星每昼夜经过2～3次，通常只有当卫星高度角>15°时，信号才能捕获跟踪，每次接收时长为8～12 min，其频谱见图5a)。图5b)为信号捕获跟踪过程中本地载波频移随时间的变化情况，卫星在过顶中过程存在约3 500 Hz多普勒频移。

载波环参数设置对信号捕获跟踪有一定影响。通过测试，当载波环相位噪声带宽ωn=10 Hz，阻尼系数ζ=0.707时，载波锁定跟踪稳定且后期误码率较低。位同步环每10个重采样间隔调整一次。

经过载波同步和位同步之后的散点图和眼图见图6，点阵间隔和眼图开口明显，表明解调信号具有较好的识别度。

当前解码后的数据主要是可见光红外传感器数据(见图7)。每次接收的数据包括3个通道。白昼接收的数据通常包括0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和10.50～11.50 μm通道数据；偶尔为0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm通道数据。夜间只发现10.50～11.50 μm通道存在有效数据。

图7中第1行和2行为白昼数据，第3行为夜间数据；第1列和第2列分别为0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm通道数据；第3列除第1行为1.60～1.80 μm通道数据以外，其他为10.50～11.50 μm通道数据。

Meteor-M卫星播发的数据宽度固定为1 568像素，对应地面约3 000 km范围，平均精度约为1.9 km/像素。数据纵向长度不固定，与卫星过顶时间的长度、信噪比和接收处理参数有关，通常为1 200～3 000像素，覆盖范围为1 300～3 300 km。由于卫星高度角较小时信噪比较低，图像上下两端有少许不规则条带。

0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm为可见光通道，可组合成3通道伪彩图像，见图8a)。10.50～11.50 μm为近红外通道，一般单独显示；由0.50～0.70 μm和0.70～1.10 μm 2个可见光通道组成伪彩图像，见图8b)。

4 结束语

通过前期研究和测试得知，本文设计的VHF波段LRPT标准气象卫星信号接收平台架构可行，运行稳定可靠，接收的数据具有较高的分辨率和较大的覆盖范围。下一步将开展平台硬件集成、改进信号处理和数据分析等方面的工作。

LRPT直接接收方式与气象传真机相比清晰度高、识别度好；与数据链和传真机转发相比实时性高；与标准地面站相比结构简单、体积小，在船舶导航方面具有潜在应用前景。