基于风云系列静止卫星的信息传输研究

2013-10-27蔡德荣

通信技术 2013年6期

彭耿，卫强，蔡德荣

（海军装备研究院，北京 102249）

0 引言

卫星通信与其它通信手段相比，具有覆盖范围广、通信距离远、信号质量好、不受复杂地形限制等优点，如在赤道上空等距离布设3颗卫星即可实现南、北极之外的全球通信，一颗卫星单跳最远通信距离可达到18000 km。正是由于卫星通信的诸多优点，通信卫星作为空间无线电通信站，可担负战略战术各个层次、多种区域和各种类型通信任务[1]。世界各军事大国都拥有自己的军事卫星通信系统，并发射了几代军事通信卫星。

随着海军由“近海防御”向“近海防御与远海防卫”转型，要求在第一岛链的附近海域具备近海综合作战能力，在西太平洋、印度洋北部海域具备远海机动作战能力。从通信作用距离、效率、可靠性等多方面综合分析比较可知[2]，卫星通信将成为海军完成上述作战任务的主要通信手段，成为对海、对潜、对空一体化通信体系的重要组成部分。

文中在对风云系列静止卫星的深入研究的基础上，提出了基于风云系列静止卫星的信息传输设想，作为提高我海军卫星通信能力的一个手段，并进行了可行性论证、给出了典型应用场景。

1 风云系列静止卫星研究

本节主要对风云系列静止卫星展开深入研究，包括风云系列静止卫星概况、风云系列静止卫星的信息传输等。

1.1 风云系列静止卫星概况

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（风云一号和风云三号，编号为奇数）和7颗静止气象卫星（风云二号，编号为偶数）；同时，还建立了以接收风云卫星为主、兼收国外环境卫星的卫星地面接收和应用系统，在气象减灾防灾、国民经济和国防建设中发挥了显著作用[3]。

按照我国地球静止气象卫星发展计划，第一代为3个批次的风云二号卫星[4]：第一批次为FY-2A、FY-2B试验卫星，第二批次为FY-2C、FY-2D、FY-2E业务卫星，第三批次为 FY-2F、FY-2G、FY-2H改进型业务卫星，目前 FY-2D、FY-2E、FY-2F在轨运行；第二代为风云四号卫星[5]，计划发展光学、微波2种类型。光学卫星将按照东、西双星进行双星运行，西部星观测区域覆盖我国西部、印度洋、红海和中东地区并西接欧洲，东部星观测区域覆盖我国中东部、扩大到广大太平洋地区。微波卫星将单星运行，定点在以覆盖国土为主的空间轨道。目前，风云四号已完成初样研制，预计2015年前后发射首颗试验星。

1.2 风云系列静止卫星的信息传输

以风云二号卫星02批为例，介绍风云系列静止卫星的信息传输。风云二号与地面的信息传输如图1所示。

图1 风云二号卫星与地面的信息传输

图1包括广州、乌鲁木齐等测距副站（TARS1、TARS2），跟踪与控制中心（TCC，即西安卫星测控中心和所属测控站），指令与数据接收站（CDAS）并兼测距主站（MRS），系统运行控制中心（SOCC），数据处理中心（DPC），中规模数据利用站（MDUS），小规模资料利用站（SDUS），天气图接收站（WEFAX/S），数据收集平台（DCP）。

MDUS、SDUS、WEFAX/S用于接收不同类型的气象卫星数据，如原始云图、遥感图像产品、天气图传真信息等，对象卫星包括风云二号、日本MTSAT、美国NOAA等。

DCP主要用于市、县台站及高山、海岛、船舶、浮标、飞机、沙漠等人烟稀少地区，配置各类传感器自动采集环境数据，并以UHF频率向风云二号卫星发送，经专用转发器发送到 CDAS，从而完成对各地气象、水文、环境污染、地震、森林火灾、洪水、干旱、台风等的实时监测[6]。专用转发器拥有100个国内通道、33个国际通道，国内通道的频率范围为401.101～401.398 MHz、间隔为0.75 kHz，国际通道的频率范围为402.0025～402.0985 MHz、间隔为3 kHz，总共可容纳4000个DCP同时工作，只要此时的DCP在静止型风云二号卫星以星下点为中心、占地球面积约1/4的广阔覆盖区域内。

2 信息传输设想

本节主要对基于风云系列静止卫星的信息传输设想展开深入研究，包括可行性论证、典型应用场景等。

2.1 可行性论证

（1）设备适装性。目前国内装备的DCP为DCP-100型[6]，它由信号处理器、频率综合器、功放、监控、背射式天线、太阳能电池板、蓄电池等系统组成，工作温度范围为-40℃～+60℃，具备防潮、防霉、防盐雾等三防性能，是供电电压为 10.4～15VDC、发射功率为2～10 W的便携式设备，可方便安装在海上、陆上各类平台或由单兵背负实现信息回传。

（2）信息传输能力。DCP-100的信息传输速率为600 b/s，约为“北斗”卫星导航定位系统简短数字报文通信能力[7]（设通信等级为每次传输 120汉字的最高级，每分钟通信10次）的2倍多。以内容包含批号、时标、类别、航向、航速、经度、纬度、敌我属性等参数的雷达情报格式报文为例，在数据压缩率为 60%～70%时，每个目标点位信息的报文长度约为153～179 bit，则1个DCP-100每分钟可回传此类报文的数量不少于200条。

（3）传输覆盖范围。每颗静止型风云二号卫星可覆盖以星下点为中心、占地球面积约1/4的广阔区域，当前在轨的FY-2D、FY-2E、FY-2F星分别定位于东经86.50、123.50、1120的赤道上空，根据东西、南北各60°的设计指标知总覆盖范围为60°S～60°N、26.5°E～183.5°E，如图2所示，远大于当前军事通信卫星及“北斗”导航卫星的信息传输覆盖范围。

（4）传输安全性。针对新一代风云卫星探测资料种类繁多、资料发送方式多样的特点，为保证某种探测资料在特定环境下的授权使用，文献[8]设计了数据传输过程中的加解密算法，可保证数据安全传输，美、日、欧的部分气象卫星数据传输已经采用了加解密技术；同时，也可通过数据压缩、数字水印等信息处理手段进一步提高信息传输的安全性[9-10]。

图2 在轨静止型“风云二号”系列卫星的总体覆盖范围

（5）电磁兼容性。DCP-100的功率为2～10 W，电磁泄漏小；同时，工作频率范围为 401.101～401.398 MHz、402.0025～402.0985 MHz，仅占0.297＋0.096＝0.393 MHz的频带，与其它设备具有较好的电磁兼容性。

（6）可扩展性。目前，随着接收系统前放噪声的不断降低，我国静止气象卫星接收系统的抛物面天线口径已从6 m缩小到2 m左右，并且出现了0.6 m左右的小型平板式天线；同时，我国已研制成集接收机、比特同步器、帧同步器、计算机进机缓冲接口等功能的“一体化板”，使接收系统大为简化、造价急剧降低[11]。可见，通过增加小型化的天线接收系统，在信息回传的基础上可实现数据接收的功能扩展。