资源一号02D卫星星地数据平衡分析与设计

武小栋 王建 赵妍 张宏宇 王啸虎 魏昕 张景阳 贺捷

(1 西安空间无线电技术研究所，西安 710071)(2 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)，配置两台相机，分别为可见近红外相机和高光谱相机，卫星主推光谱分辨率，定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感任务，可提供丰富的地物光谱信息。载荷分辨率覆盖5 m、10 m、30 m等主流中等分辨率，适用于1∶10万～1∶50万制图。可实现对我国国土及全球资源调查监管、矿产勘探、地质环境监测预警以及大范围自然灾害的多手段动态监测。观测系统建成后，可以大部分替代法国地球资源卫星(SPOT)及美国陆地卫星(Landsat)的卫星数据，可大幅降低对国外遥感图像数据的购置费用，逐步实现我国中分辨率遥感数据的国产化。

星载数据平衡管理技术作为遥感卫星数据传输效率的核心技术，需在星载数传系统设计中综合星地之间的可视关系，充分利用过境数传弧段提升数据传输能力，同时优化星上数据工作模式，提升存储、数传弧段等瓶颈资源的使用策略，采用天地一体化设计提升卫星在轨使用效能[1]。资源一号02D卫星装载的两台相机原始数据率最大可达3.45 Gbit/s左右，解决卫星原始数据率与星地下传通道速率匹配的问题[2]以及如何实现卫星载荷数据下传“天平衡”，是衡量卫星数传分系统在轨应用性能优劣的关键指标。

针对上述问题，本文对原始载荷数据的下传需求进行多个层面的分析，通过采用灵活的图像压缩比控制、多工作模式联合、对地数传站点接力等手段，实现海量数据的处理和下传，从而达到卫星数据“天平衡”，大大提升了卫星的使用效能。

1 任务分析

1.1 载荷原始数据率分析

资源一号02D卫星配置一台高分辨率可见近红外相机和1台30 m分辨率60 km幅宽的高光谱相机，同时数传分系统需要传输服务系统中的数据。在轨道高度为778 km时，最大数据率为全色1685.5 Mbit/s，多光谱841.5 Mbit/s，总数据率为2527 Mbit/s。高光谱相机配备两个通道，分别为可见近红外通道(VNIR谱段)、短波红外通道(SWIR谱段)，其中VNIR有76个谱段，SWIR有90个谱段，当全谱段下传，最大帧频为230 Hz时，VNIR谱段原始数据率为436.94 Mbit/s，SWIR谱段原始数据率为516.38 Mbit/s，通过计算总原始数据率最大可达3.455 Gbit/s。

1.2 图像压缩分析

由1.1节分析可知，在目前的星载数据处理与传输体制下，需采用图像压缩技术才可实现原始数据的下传。

随着图像压缩技术的发展，星载图像压缩算法也随之不断变化。中国空间技术研究院西安分院采用过基于小波变换的SPIHT压缩算法和JPEG2000压缩算法[3-4]。本文对几种压缩算法进行分析比较，选择出适合资源一号02D卫星的压缩算法及实现方案。

比较各种压缩算法，经过分析测试，在2∶1到无损之间JPEG-LS[5-7]算法好于JPEG2000算法，在大于2∶1情况下JPEG2000算法略好于JPEG-LS算法。考虑到JPEG-LS算法和JPEG2000算法各自的优点以及硬件算法实现复杂难易程度，同时根据资源一号02C等前期卫星在轨经验和用户要求，综合考虑，全色图像采取4∶1/2∶1压缩比可变策略，压缩算法采用JPEG2000。针对多光谱图像的压缩，对多光谱图像进行3∶1和1.5∶1压缩比可变策略，同样采用技术成熟的JPEG2000算法。压缩比的设置采用两种不同的组合，可以满足用户的多种需求：低压缩比模式可以提高图像质量，高压缩比可以满足用户实时传输的需求。

资源卫星应用中心对全色和多光谱影像4∶1压缩比进行了主观和客观评价，评价结果如下。

1)全色谱段

主观评价：对纹理丰富的图像，4∶1压缩后未发现明显差别，即使细微的差别也难以主观察觉出。采用专用绘图软件，在两个图层件切换显示图像，差异仅在开阔的水面局部可见，均为细微差别。

客观评价：无论全色还是多光谱，2∶1压缩后的峰值信噪比(PSNR)接近60 dB，总体属于无损压缩，4∶1压缩的全色图像PSNR平均值约为50 dB，客观质量优良。

因此，资源一号02D卫星可见近红外相机的全色谱段采用了4∶1压缩作为主要工作模式。

2)多光谱谱段

在多光谱图像压缩方面，考虑到相机实传的带宽需求，继承资源三号01卫星和02卫星的压缩比，实传模式中对多光谱数据采取了3∶1压缩，该压缩算法经过在轨实际应用，效果良好。同时，卫星仍然保留1.5∶1的近无损压缩作为主要的压缩比，用于准实时传输和记录模式等对于成像无实时下传要求的工作模式中。

1.3 工作模式分析

根据资源一号02D卫星载荷数据率的分析，卫星载荷原始数据量相比资源一号02C卫星有很大提高，02C卫星数传300 Mbit/s的传输能力满足不了当前卫星载荷数据传输需求。资源一号02D卫星数传分系统采用第三代数传技术，具备2×450 Mbit/s的高速传输能力。

但是由于原始载荷数据率较大，在不改变目前数据传输系统设计拓扑结构的情况下，由于下传通道速率的限制，不能够实现双相机同时实传，仅能实现单相机实传；为了满足双相机同时成像的任务需求，设置了准实时传输工作模式，用于境内高质量图像获取；同时，设置了灵活的记录模式用于高质量图像获取。通过各工作模式的自由组合，在轨可根据用户的不同需求，快速获取目标图像数据，分系统工作模式设置如表1所示。

表1 工作模式设置Table 1 Setting to working mode

1.4 通道下传数据率分析

基于载荷数据率分析和工作模式设置，同时考虑编码效率，表2给出了不同压缩比和工作模式组合情况下，数传下传通道数据率预算情况。其中实传和准实时传输模式为境内成像模式，在成像的同时，可以境内下传图像数据。记录工作模式，为境外成像模式，用户可以根据需要选择不同相机，及不同相机组合工作，只需要对当天工作模式进行设计，确保记录的图像数据能当天传输完。

表2 工作模式数据率预算Table 2 Work mode data rate budget

1.5 卫星对地观测弧段和地面站接收情况分析

地球上陆地面积约占29%，海洋面积约占71%。光学遥感卫星观测区域为地球上的陆地区域，因此对卫星在白天时飞经陆地区域的可观测弧段进行分析。考虑资源一号02D卫星运行于778 km轨道，3天内满足观测条件的弧段如图1，图2所示。

图1 卫星日间可观测弧段示意图Fig.1 Illustration of satellite daytime observable arc

图2 卫星日间轨迹分布示意图Fig.2 Illustration of signal of satellite daytime trajectory distribution

对图2所示的飞经陆地的可观测弧段进行统计(表3)，得到平均每天14.3圈中白天飞经陆地区域的弧段。考虑剔除小于5 min可观测弧段，并考虑卫星主要对有有效目标的陆地成像，故卫星上的载荷按照每天最长成像120 min，每天最长连续成像6轨设计，可以保证每圈存在陆地的区域均可成像，每圈最长开机时长为15 min。

表3 卫星日间可观测弧段统计Table 3 Statics of satellite daytime observable arc segment

地面站的位置一般情况下是固定不变的，而卫星受其轨道周期和回归周期的影响，使其在一段时间内与各地面站只有在特定的几个时间窗口内相互可见[8]。因此，在卫星设计时，需对地面站可用下行接收弧段进行分析，确保下行弧段的有效利用。根据《资源一号02D卫星工程项目可行性研究报告》中地面接收网建设相关内容，卫星复用中国科学院遥感与数字地球研究所密云站、喀什站、三亚站、西南站(昆明)、境外站(瑞典)，国家卫星海洋应用中心牡丹江站。根据以上各站分布情况，开展下行弧段的分析。3天各14轨数传典型工况如图3所示。

根据分析，采取当前地面站后，可以实现图像数据的每轨传输，其中境外站每天可以传输10轨，境外站不可见的4轨均可通过境内地面站内传输，可以极大程度增加数传弧段，增强图像数据获取能力。典型工况见表4。

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

表4 典型工况分析Table 4 Condition analysis of typical working mode

综上分析，卫星设计每天3轨境内成像，采用准实时传输模式进行国内图像数据的获取，境外3轨成像，采用记录模式获取境外关键区域图像的获取，通过境内回放加境外站回放实现境外图像的下传。

1.6 固存容量需求分析

固态存储器主要用于存储境外成像数据或由于采用低压缩比成像时，由于下行速率限制而存储的部分成像数据，在后续数传弧段进行下传。资源一号02D卫星固存设计标称容量为主备份各2.0 Tbit(实际为2.3 Tbit)。可以满足本节所述的记录需求。同时，固存支持边放边擦功能，即在回放时，可同时擦除已回放的数据，大大提高了固存存储空间的利用效率。卫星境内轨迹分布情况见图4,固存容量分析见表5。

图4 境内轨迹分布情况Fig.4 Trajectry distribution in China

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

考虑对每天到中国境内成像三轨为主要任务，其成像周期分别为11 min，9 min和8 min。综合考虑固存擦除时间、相机分系统成像停止时刻早于数传分系统停止传输时刻和固存具体在轨工作模式，按照传输比成像多传输2 min考虑，卫星设计的境内准实时传输的典型工况如表6所示，即每日境内进行1圈12 min和2圈10 min的准实时传输。从表6可见，2.3 Tbit的固存可以满足境内三轨连续准实时传输的成像任务需求，剩余约0.7 Tbit的容量。

境内成像记录完成后，通过境外站每轨连续回放，按照境外站每轨平均过境10 min考虑，每轨至少可对境外成像记录5 min。因此，固存容量设计满足用户境内成像和境外记录要求，可实现卫星当天记录回放时间的平衡。

表6 固存实际使用情况Table 6 Actual use of solid-state memory

1.7 数据传输“天平衡”分析

常规情况下，卫星使用密云、三亚、喀什、牡丹江4个国内地面接收站作为主要接收站点。在考虑多站接力(忽略切换站时间)传输条件下，每天日间下行弧段最长时间为14.9 min，平均时间为10.4 min，白天4轨共41.6 min；每天夜间下行弧段最长时间为12.3 min，平均时间为9.9 min，夜间4轨共39.6 min。考虑境外站时，由于境外站每天可提供10轨的传输弧段，总长约106 min，平均每轨10.6 min，可以极大增长境外图像获取能力。

综上分析，卫星按照每天境内3轨主模式(准实时传输模式)成像，成像时间按最大32 min计算，需下传有效数据总量为1 883.56×32×60=3 616 435.2 Mbit/s，按照对地传输2×450 Mbit/s码速率计算，则每天主模式下成像数据所需下传时间为(3616435.2/900)/60=66.9 min。卫星每日境内下行弧段为白天41.6 min，夜间39.6 min，共81.2 min，远大于每日3圈主模式下传时间需求。同时考虑每日境外15 min成像需求，按双相机高图像质量模式(即记录模式2)计算，每日最大需下行数据总量为2 374.1×15×60=2 136 690 Mbit/s，下传所需时间为(2 136 690/900)/60=39.6 min，卫星每日主模式传输后，剩余14.3 min可用下传弧段，加上境外站提供的106 min下传弧段，可满足境外图像下传需求，如图5所示。

图5 卫星成像下行需求与下行可用弧段时间示意Fig.5 Illustration of satellite imaging downstream requirements and downstream available arc time

因此，在中国境内，卫星可以常态使用准实时传输模式进行成像，可满足境内高质量成像需求。对于境外目标，可采用境外记录，境内站点+境外站回放的形式满足境外成像任务，由图5可知，卫星每天可用下行时间远大于成像需求下传时间，从而实现卫星数据传输的“天平衡”。

2 分系统方案设计及实现

按照卫星总体尽量采用成熟产品的设计原则，数传分系统根据输入载荷的配置情况，选用输入载荷速率相当的资源三号和高分二号卫星的数传分系统的组成形式，分系统配置1台压缩编码器，压缩后数据以双通道2×450 Mbit/s码速率下传。同时为了获得高质量图像，采用多种压缩比组合可选的形式，对输入图像进行压缩以满足通道下传和记录速率的限制。

数传分系统由数传基带部分和数传通道部分组成，如图6所示。其中基带部分完成原始载荷数据的压缩处理、数据复接、高级在轨系统(AOS)[9]格式编排、加扰、数据流向控制等功能，通道部分完成LDPC编码[10-11]，调制放大、滤波等功能，然后经数传天线进行双极化复用输出至地面站。

图6 数传分系统设备组成框图Fig.6 Block diagram of data transmission system composition

2.1 分系统工作模式设计

根据前文分析，数传分系统具有4种常规工作模式：实时传输(含服务系统数据传输模式)、准实时传输、记录模式、回放模式。在采用高压缩比时，压缩及AOS编码后的数据量达到817.08 Mbit/s，控制在每通道小于450 Mbit/s，可以进行实时传输；当采用低压缩比时，压缩及AOS编码后的数据量双通道达到2.374 Gbit/s，此时需要通过准实时传输的方式下传，也可以记录后再回放即记录+回放模式。

分系统工作模式逻辑设计如图7所示。各工作模式可根据不同的使用场景进行灵活切换。各模式使用场景如下。

1)实传模式

卫星在地面站可见范围内，可见近红外相机或高光谱相机成像，图像数据通过数据传输分系统实时传输到地面站。该模式下数传分系统基带设备(除固存外)和通道设备工作。

2)记录模式

卫星在境外，可见近红外相机和高光谱相机同时成像。该模式下，固存工作，数传分系统基带设备工作，通道设备不工作。

3)回放模式

卫星在地面站可见范围内，且相机载荷不成像时，固存子系统记录数据通过数传传输到地面站。该模式下固存工作，数传分系统压缩编码器不工作，其它单机工作。

4)准实时传输模式

卫星在地面站可见范围内，可见近红外全色多光谱相机和高光谱相机成像，图像数据通过数据传输分系统高速记录入固存，同时低速下传地面站。该模式下可见近红外全色/多光谱相机和高光谱相机成像，固存工作，数传分系统工作。

数传分系统各工作模式主要区别为在在不同工作模式下接收数据控制字及设备开机状态不同，其他工作原理基本相同。准实时传输模式设计如图8所示。

图7 工作模式逻辑设计Fig.7 Design of working mode logic

图8 准实时传输模式设计Fig.8 Design of quasi-real-time transmission mode

2.2 数传天线使用策略设计

常规模式下，卫星一般使用单副天线进行单站对地数据传输。但是出于对图像实时性和可传输弧段利用率的考虑，当卫星在某圈过境时，同时在两个地面站接收范围内时，就可以考虑进行对地双站接力传输。通过提前预置指向、交叉使用数传天线的策略，可以避免天线预置时间占用宝贵的成像弧段和数传弧段，提高数据传输效率。

资源一号02D卫星根据实际传输需求设计了单天线单站、单天线双站和双天线双站三种传输方式。常规模式情况下，一般使用单天线单站传输的方式。当对数据传输的时效性更高需求时，可使用单天线双站接力、双天线双站接力策略来实现。

1)单天线单地面站跟踪模式

该模式下，仅天线组件a或天线组件b单独工作。伺服控制器a(或b)在主从控制或者自主控制模式下，由相应控制源进行地面站指向角度和转动角速度计算，并在控制源的驱动下进行天线组件转动，从而使天线波束指向地面站。

2)单天线双地面站跟踪模式

该模式下，仅天线组件a或天线组件b单独工作。当卫星先后飞经地面站1和2的可接收弧段时，伺服控制器a(或b)根据相应控制源对地面站1的指向角度或角速度信息计算后驱动双轴转动从而使天线波束指向地面站1。当卫星飞出地面站1的可接收弧段时，固存停止回放，伺服控制器a(或b)控制天线快速指向地面站2，并根据对地面站2的指向角度或角速度信息，驱动双轴转动使天线波束指向地面站2，在地面站2跟踪稳定后，重新启动回放，固存具备的断点续传功能可保证两次回放之间的数据有一定的重叠，确保数据不会丢失，便于地面图像拼接。

3)双天线双站跟踪模式

如图9所示，该模式下，天线组件a和天线组件b可同时工作。若卫星将先后飞经地面站1和2的可接收弧段，在进入地面站1可接收弧段前，将两付对地数传天线进行指向预置，分别指向待传输接力跟踪的两个地面站，伺服控制器a(或b)先根据对地面站1的指向角度或角速度信息，驱动双轴转动从而使天线a(或b)的波束指向地面站1；然后伺服控制器b(或a)根据对地面站2的指向角度或角速度信息，提前驱动双轴转动从而使天线b(或a)波束指向地面站2。在天线a(或b)对地面站1跟踪传输结束时，先将固存回放停止，然后数传通道设备和伺服控制器a(或b)关机，并设置数传波导开关状态使射频信号切换至天线b(或a)，伺服控制器b(或a)开机并控制天线b(或a)对地面站2跟踪，待跟踪稳定后数传通道设备再开机，然后重新启动固存回放操作，天线b完成对地面站2跟踪传输，从而完成双天线对双地面站的接力跟踪。设计中为了保证地面获取图像的连续性，在固存中设计了断点续传功能，保证两个地面站获取的图像数据有一定的重叠，便于地面图像拼接使用。

3 在轨验证情况

数传分系统自2019年9月12日发射后，经过近1年的在轨验证测试，验证了实时传输、记录、回放、准实时传输各工作模式，经密云、三亚、喀什、牡丹江等地面站接收测试，数传分系统各项指标满足要求，功能正常，下传数据解析后获取大量境内外高质量图像数据。通过对在轨测试情况的统计，数传分系统可保证每天境内3轨成像任务产生的图像数据“天平衡”下传，同时利用境外站和境内剩余弧段实现了境外关键目标数据的下传，验证了分系统星地数据平衡设计的有效性。

在轨验证表明，资源一号02D卫星数传分系统在星地之间建立了数据传输的高速通道，实现了载荷数据的高保真图像压缩、实时处理，数据存储和数据传输的“天平衡”，有效保障了卫星的使用效能。

4 结束语

本文介绍了资源一号02D卫星星地数据平衡的分析与设计，通过对卫星原始数据率、对地可观测弧段、压缩比选择、工作模式等方面进行分析，通过选择合适的压缩算法、采用多工作模式联合工作、对地站点接力传输等手段，提升了卫星数据的传输效能。通过地面及在轨测试验证，表明卫星数传分系统可以满足卫星高速数据传输需求，实现星载数据“天平衡”，设计理念对后续遥感卫星的数据平衡传输设计有一定借鉴意义。

星地数据平衡设计是遥感卫星数据传输的永恒话题，如何在有效的信道资源内，尽量传输更多的数据是卫星数传分系统不变的探索目标。未来3～5年内，数传分系统在不改变目前数据传输系统拓扑结构的前提下，可通过提升对地通道码速率(X频段最高可到1.5 Gbit/s，Ka频段可达3.5 Gbit/s)，优化基带处理设备等方式，提升传输效能，实现国土资源普查对大容量、高速率星载数据传输的需求，在矿产、农业、林业、灾害预警等国土资源领域将会得到广泛的应用。