遥感卫星地面接收系统一体化设计

朱维祥，王万玉，冯旭祥

（1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036；2.中国科学院 遥感与数字地球研究所，北京 100094）

0 引 言

随着国家信息化建设和国民经济众多部门遥感应用业务化、产业化发展，人们对于卫星应用的需求急剧增多，对遥感数据的数量、种类、时间分辨率和空间分辨率及覆盖范围提出了更高要求。为满足各行业对中高分辨率的多种卫星遥感信息综合利用的需求，遥感卫星地面接收系统也在快速发展，实现了多卫星、全天候、全天时的对地观测。

空间信息获取技术复杂、风险大、用户领域广、高度依赖基础设施和信息服务，只有资源共享才可能取得最大效益。为降低成本，提高技术支撑能力，各国均强调资源共享，统筹规划建设统一的地面卫星信息采集、处理、存储、分发和应用中心，实现遥感地面设施的合理利用和资源共享，避免部门分割造成的重复建设。我国也已完成统筹规划、统一建设、布局合理的全国对地观测卫星数据地面接收站网的建设，具备接收国内外各类对地观测卫星的实时观测数据、延迟回放数据的能力，实现覆盖全国及周边地区的国家对地观测卫星地面接收站网[1]。

组成地面接收站网的各地面接收站有多套卫星地面接收系统，虽然多套遥感卫星地面接收天线的口径可能不同，但工作频段、跟踪和数据接收通道、测试、记录、故障诊断、任务管理等是类同的，工作流程是相同的，因此在系统设计时，可将多套遥感卫星地面接收系统作为一个整体进行设计。一体化设计时总体设计思路的统一、设备和软件设计的统一及共享尤其重要，这不仅可以提升系统设备的共用性、互换性，而且当系统某个部分出现故障时，可通过站控制和管理分系统进行手动或自动切换，便于系统的维护，提高系统可靠性和运行效率。

1 系统组成及主要功能

单套遥感卫星地面数据接收系统由天、伺、馈分系统，跟踪接收分系统，测试分系统，记录与快视分系统，站监控管理分系统，故障诊断分系统及技术支持分系统组成，如图1所示[2]。由于遥感卫星地面接收站由多套数据接收系统组成，采用一体化设计后的系统组成如图2所示。

天馈分系统：由天线、天线座架、馈源及馈线网络等组成。天、馈单元的主要任务是完成卫星信号接收；座架单元主要包括俯仰、方位和倾斜轴组合，其主要功能是支撑天、馈单元，实现天线的定位转动，满足全半球天线的指向需求。

图1 单套数据接收系统组成

图2 多套系统一体化设计组成图

伺服分系统：包括天线控制单元（ACU）、驱动设备、传感器、安全保护装置等。主要任务是根据指令及相应的信号采取各种控制策略控制天线的运动，快速、准确、稳定、可靠地对目标进行搜索、捕获、跟踪。

跟踪接收分系统：由低噪声放大器（LNA）、跟踪合成网络、光端机、射频矩阵开关、下变频器、均衡分配单元、跟踪接收机、通用高速解调器、基带开关、频谱监视单元等组成。跟踪通道的主要任务是提取角误差信号，送给伺服单元驱动天线捕获跟踪卫星；数据通道的主要任务是完成S＆X频段数据的解调，输出数据和时钟信号送给记录设备。

测试分系统：由调制器、上变频器、测试耦合器、测试开关、误码仪、功率计、频谱仪等组成。主要用于完成系统自检，自动进行系统性能指标测试，各关键节点的信号功率测量及频谱监测分析。

记录与快视分系统：主要由记录服务器、管理调度模块、集中存储模块、数据输出模块等组成，主要完成卫星原始数据的实时记录、实时快视、临时数据存储、数据回放、实时数据传输，非实时数据传输等功能。

故障诊断分系统：主要由数据采集、故障监测、自检测试、故障诊断服务器和故障分析软件组成。其中数据采集、故障监测、自检测试等利用站监控管理分系统和测试分系统实现，可本地或远程获取数据接收站各分系统设备的详细状态信息。远程设置设备参数，实现接收设备参数远程监控；本地或远程指挥数据接收站进行自检测试，获取设备性能状态参数信息，分析诊断故障确切部位和原因，辅助数据接收站排除设备故障，完成设备维护。

站监控管理分系统：主要由任务管理服务器、控制/监视计算机、接口组件和相关的支持软件组成。主要任务是完成全站任务和设备的集中管理调度，即根据接收运行管理系统下发的任务计划形成数据接收、记录及传输计划；自动或手动控制系统配置参数，完成跟踪、接收、记录及传输任务；对各分系统进行统一监控管理；将任务执行情况上报运行管理系统。

技术支持分系统：主要由时统设备、标校、供电、空调设备等组成。主要功能是为数据接收站提供统一的时间码信息；为分系统设备状态轮训监控提供时间同步基准；为系统维护/维修、故障定位、单元部件检测提供相关设施等。

从图2可看出，采用一体化设计后，全站设备构成了一个有机的整体，跟踪接收分系统、测试分系统、故障诊断分系统、控制和管理分系统、技术支持分系统等实现了设备共享。站监控管理分系统可根据任务技术需求灵活地配置、调度设备资源，进行多星多任务的任务规划，提升了设备的共用性、互换性，提高了系统可靠性和运行效率。

2 一体化设计

2.1 多星适应性

依据对地观测技术发展的需求，地面接收系统需具备多卫星数据的接收能力，系统设计时需充分考虑系统多星适应性，以实现多卫星、全天时、全天候的卫星数据的接收记录。

对地观测卫星工作频段为S、X、Ka频段；下行数据传输链路工作模式有单载频、频分复用、双圆极化频率复用等；调制方式有 QPSK，O/SQPSK，8PSK，16QAM，16APSK，32QAM和32APSK等，高效编译码方式RS、LDPC等，下行码速率从几十Mb/s到几Gb/s[3⁃4]。系统设计时[2，5⁃6]采用 S/X、S/Ka、S/X/Ka多波段高性能馈源以适应不同卫星、不同工作模式的下行信号接收，采用双圆极化频率复用实现左右旋信号的接收；采用通用型高码速数据调制解调设备实现不同速率、不同制式及编译码信号的调制解调；采用多星通用记录设备以适应多种传感器数据的记录。

接收站一般均有多套天线，接收多卫星任务，地面接收系统还需具备多星、多天线、多任务资源配置及调度能力。因此，接收站监控管理设计了任务规划及调度，系统资源配置、监控和管理功能，以满足多星、多天线、多任务的需求。

2.2 跟踪接收和测试分系统

跟踪接收、测试分系统采用统一信道的设计思想，即多套天线共用信道、测试通道及测试仪器[3]。一体化设计体系结构如图3所示。一体化设计时，采用规范的设备硬件接口，提升设备的标准化、规范化程度；接收站配置射频开关矩阵、中频均衡开关矩阵、测试开关、基带数据切换单元，通过优化设计各工作频段的变频方案及合理的电平分配，实现射频统一、中频统一及基带数据接口统一，既可以实现设备根据任务需要灵活配置，又可以实现设备共享，提高设备利用率、系统可靠性和运行效率，同时便于系统扩展及系统的维护。

不同天线到机房的距离相差较大，一体化设计时用光缆替代天线至机房的电缆，既可避免电缆传输信号的距离受限问题，有利于多套天线接收信号的电平匹配，又可解决雷电感应通过电缆进入机房和天线中心体，有效地实现机房和天线中心体设备的防感应雷问题。同时将上/下变频器由室外（天线中心体内）移至机房，改善了设备工作环境，提高设备可靠性。

图3 多套系统跟踪接收通道和测试分系统一体化设计体系结构

不同卫星轨道高度（最低300 km、最高800 km）、发射功率差别较大（EIRP最低16 dB、最高37.8 dB），造成同一接收链路接收不同的卫星时，各设备的输入输出电平差别较大。因此在进行一体化设计时需合理设计、分配各接收链路共享设备的输入输出电平，才可能实现全站设备灵活的组合应用和切换共享。

随着解调器输出信号码速率的不断提高，解调器ECL输出与基带开关矩阵及传输电缆的匹配更加困难，并且也无法满足长距离高码速数据的传输要求。针对高码速基带数据传输，数字高速解调设备设计了1 Gb/s或10 Gb/s网络输出解调数据的能力，利用交换式以太网取代基带数据切换开关，并根据系统中配置的高速解调器的数量选配合适的网络交换机，以保证高速解调数据的网络传输性能。交换式以太网以交换机为中心构成，是一种星型拓扑结构的网络，交换机采用存储交换方式，交换机背板带宽可以保证端到端的信息传输能力。高速解调数据网络传输一般要求数据有序、可靠，因此选用TCP/IP协议。

2.3 故障诊断分系统

故障诊断分系统主要由数据采集、故障监测、自检测试、故障诊断服务器和故障分析软件组成。故障诊断分系统结构框图如图4所示。

图4 故障诊断分系统结构框图

其中数据采集、故障监测、自检测试等利用站管理监控分系统和测试分系统实现，故障诊断单元主要由本地计算机、本地服务器，远程计算机、远程服务器以及相关故障诊断分析软件组成。主要任务是根据测试分系统和站监控管理子系统采集/上报系统设备的状态信息、工作状态参数信息、工作报告以及相关测试结果，对系统工作状态实施分析，并对相应的故障进行诊断。

2.4 站监控管理分系统

站监控管理分系统采用集中管理监视，分级控制的方式。为确保可靠性，接收站配置两台任务管理服务器（1∶1热备份），两台监控计算机（1∶1热备）。一体化设计体系结构如图5所示。

图5 多套系统站监控管理分系统一体化设计体系结构

任务管理软件采用三层C/S/S体系结构，由任务管理服务端组件、任务管理客户端组件、数据库应用组件构成。任务管理软件体系结构如图6所示。

图6 任务管理软件体系结构

其中，任务管理客户端组件主要负责人机会话，执行用户命令和操作，提供用户关注信息和数据显示；任务管理服务端组件完成业务处理和数据处理，负责任务计划和测试计划的生成、设备资源分配、冲突检测及消解、卫星轨道预报、计划执行等处理；数据库应用组件提供数据库数据访问服务，简化任务管理软件访问数据库的操作，保障数据安全，为任务管理软件运行提供数据支持。

系统监控软件采用三层C/S/S体系结构，由系统监控服务端组件、系统监控客户组件、数据库应用组件（同任务管理软件包数据库应用组件）、自动化测试组件、远程监控客户端组件等构成，各软件间通过接口进行交互、融合，向用户呈现完整的业务功能。系统监控软件体系结构如图7所示。系统监控客户端组件主要提供人机交互界面，负责人机会话，提供用户关注信息和数据显示，执行用户命令和操作，并提供方便和灵活的信息检索、显示、打印手段；系统监控服务端组件主要完成业务处理和数据处理逻辑，负责有效地管理系统的资源，完成系统监控及设备配置功能，执行任务管理软件包下达的工作计划；数据库应用组件封装数据库访问处理逻辑，负责与数据库管理软件交互，完成数据库的读/写操作；自动化测试组件提供测试仪器访问服务，实现G/T值测试、误码率测试，远程集中监控客户端组件完成系统状态、设备状态监控，主要通过裁剪客户端组件实现。

图7 系统监控软件体系结构

3 结 语

采用一体化设计后，全站设备构成了一个有机的整体，跟踪接收分系统、测试分系统、故障诊断分系统、控制和管理分系统、技术支持分系统等实现了设备共享。站监控管理分系统可根据任务技术需求灵活的配置、调度设备资源，进行多星多任务的任务规划，提升了设备的共用性、互换性，提高了系统可靠性和运行效率。

该设计已用于相关工程项目中，使用结果表明该设计是合理可行的。

[1]刘建波，李安，王万玉，等.中国遥感卫星地面站及其陆地观测卫星数据接收和处理系统[J].中国科学院院刊，2013，28（z1）：114⁃121.

[2]王万玉，张宝全，刘爱平，等.频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统设计[J].电讯技术，2012，52（4）：423⁃428.

[3]高卫斌，冉承其.遥感卫星数据传输技术发展分析[J].中国空间科学技术，2005（6）：30⁃36.

[4]周宇昌，李小军，周诠.空间高速数据传输技术新进展[J].空间电子技术，2009（3）：43⁃48.

[5]王永华，王万玉.S/X/ka频段天伺馈系统关键技术分析[J].电讯技术，2013，53（8）：1058⁃1063.

[6]王万玉，李娟妮，张宝全，等.宽频带低轴比双圆极化频率复用天馈系统设计[J].电讯技术，2012，52（6）：835⁃839.