NGSO遥感卫星监测方法

2022-03-09纽莉荣

数字通信世界 2022年2期

纽莉荣，陈媛

（国家无线电监测中心陕西监测站，陕西西安 710200）

0 引言

目前，世界主要国家都很重视遥感卫星的发展，努力通过政策引导和资金支持，逐步扩展遥感卫星的应用范围。遥感卫星具有技术要求低、成本低、发射费用低、无轨位限制、用途广泛等特点[1]，因此近几年商业遥感卫星数量迅速增加。目前，我国遥感卫星已进入体系化发展和全球化服务的新阶段，建成了陆地观测、海洋观测和大气观测等多领域的立体观测，广泛应用于基础设施、灾害管理、气象业务、海洋业务、资源管理、国防安全、地理位置服务等领域[2]。

随着遥感卫星应用领域的不断扩展，卫星应用行业和部门对卫星无线电频率和轨道资源的需求日益迫切。为促进无线电频率轨道资源的有效使用，同时为避免卫星频率轨道资源的干扰冲突，开展遥感卫星监测技术成为亟需解决的问题。大部分的遥感卫星为NGSO卫星，只有少数的气象卫星为静止轨道卫星，本文重点研究NGSO遥感卫星的监测。

1 遥感卫星介绍

空间对地观测系统通常包含遥感卫星和地面站两部分，工作原理是观测系统利用卫星上加载的各类遥感设备来获取目标辐射或反射回来的电磁波信息，然后把这些信息传送到地面站进行处理和应用。当前我国已经广泛应用的遥感卫星有资源卫星、气象卫星、海洋卫星、侦查卫星和测绘卫星。遥感卫星的地面站分为测控站和信关站[3]。测控站主要是完成对遥感卫星的跟踪测量、遥控、遥测与通信，并将接收到的信息传送至控制中心，然后配合控制中心完成对遥感卫星的控制[4]。信关站承担遥感卫星观测数据的接收与处理，可以进行数据的接收、处理、传输、存档、发布和产品处理等多个环节，有些信关站也有测控站的功能[5]。

我国的遥感卫星地面测控站主要以航天测控网为主，还建设了一些行业测控站与民营测控站。航天测控网由测控中心和分布在全球的固定站、机动站、远望号测量船、测量飞机等组成[6]，可完成中低轨、地球同步轨道等不同类型卫星的发射测控、在轨测控和离轨测控。航天测控网固定站由西安测控中心，以及喀什、厦门、青岛、长春、佳木斯、北京密云、三亚、昆明、广州等测控站组成。另外还建成了8个海外航天测控站：巴基斯坦（卡拉奇站）、肯尼亚（马林迪站）、西南非洲（纳米比亚站）、南美洲（圣地亚哥站）、澳大利亚（当加拉站）、巴西（阿尔坎特拉站）、阿根廷（内乌肯站）和法国（奥赛盖尔站）。由海基测控船（远望号）、国内与国外陆地基站点及“天链”中继卫星（天链一号）组成的强大测控网，正在加速布局完善。一些行业用户如二十一世纪公司、中国卫通集团建设了针对特定卫星的地面测控站。另外，南京航空航天大学、西北工业大学和欧比特宇航科技有限公司等根据承担的科研及商业项目需求建设了U/V频段的地面测控站。2015年以后，国内多家民营测控公司建设部分测控站为微小卫星提供测控支持。

我国的遥感卫星地面信关站在1986年建设完成并投入使用，承担了我国全部的民用观测卫星及空间科学卫星的数据接收，同时还能够接收部分国外的观测卫星数据。目前已经积累了丰富的遥感卫星资源，能够为行业提供基础的卫星观测数据，并为国家经济建设、科学研究和社会发展做出了重大贡献。经过这30多年的发展，我国遥感卫星地面信关站系统以北京总部为中心，包括密云、喀什、昆明、三亚、北极5个卫星接收站[7]，能够覆盖我国全部领土以及亚洲70%的陆地区域，形成了空间科学卫星和观测卫星的数据接收网系，所能承载的卫星任务、数据规模和体量都位居世界前列，具备全球数据的快速处理能力。

遥感卫星使用的无线电频率主要包括遥测遥控频率（简称测控频率）和数据传输频率（简称数传频率或业务频率）。测控频率是遥感卫星与测控站进行通信使用的频率，数传频率是遥感卫星与信关站之间进行数据传输使用的频率。测控频率应使用《无线电频率划分规定》中空间操作业务划分的频率，同时可以根据卫星载荷的业务频率来开展测控任务，各个国家都鼓励采用测控与数传频率一体化设计来开展测控任务。目前，S频段的测控频率首先要保障国家卫星的测控任务，其次支持商业卫星的发射、入轨、维护以及应急管理等测控任务需求。X频段的测控频率主要用于空间研究业务和卫星地球探测业务的测控任务。目前各个国家鼓励采用Ka、Q/V等更高频段作为测控频率，可以满足未来大规模星座、互联网卫星等复杂卫星系统的测控任务。我国的卫星遥感测控频率主要采用的是S频段。

目前，数传频率使用的是卫星间业务、卫星地球探测业务和空间研究业务等业务的频率。大气探测卫星的数传频率，除了可使用上述业务频率，还可以使用卫星气象业务的频率。对于中低速的数传任务一般选择X频段（8025～8400 MHz或8400～8500 MHz），高速的数传任务一般使用Ka频段（25.5～27 GHz）。各个国家都鼓励数传频率和测控频率的一体化设计，采用数传下行频率来传输遥感卫星的测控信号，有效提高频谱的利用率。

遥感卫星和地面测控站或信关站之间通信，进行数据交换必不可少，通信信号按用途分为测控和数传信号，数传信号调制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、16APSK等，测控信号一般由多种功能信号复合调制而成，常常由跟踪测轨信号、遥测信号、遥控信号及通信功能信号组成。目前遥感卫星测控和数传频率涉及UHF、VHF、L、S、X、Ka等频段，未来会向Q/V等更高频段发展，因此需针对这些频段的NGSO遥感卫星信号进行监测分析。

2 监测方法

遥感卫星所有的下行信号都与测控站或信关站进行通信，为实现NGSO遥感卫星的监测，必须在遥感卫星覆盖范围内架设NGSO遥感卫星监测系统。NGSO遥感卫星监测系统由天线接收、测量分析、数据管理和辅助配套系统组成。相比于静止轨道（GEO）卫星监测系统，该系统最大差别在于天线接收系统的不同。当天线实时跟踪到卫星时，卫星下行信号到达天线口面，经过天线接收并放大，通过接收链路传输至宽带测量接收机和频谱仪，由软件完成射频参数测量，自动存储至数据库并进行比对。

（1）天线接收系统。天线接收系统的功能是接收卫星空间信号，并传输给测量分析系统。天线通过伺服系统实现指向或跟踪不同轨道卫星，调整接收天线极化方式，接收卫星下行信号，对射频信号进行放大，经过下变频器变频为中频信号进行传输。该系统主要由天线、极化调整装置、下变频器、波导传输装置、跟踪接收机、切换矩阵和伺服控制系统组成。

（2）测量分析系统。测量分析系统的功能是实现射频信号的采集，指定频段信号的载波数量和参数测量，时间和频段占用度的统计分析支持卫星的过境预测、跟踪参数计算等功能，并能够实现以上测量分析结果及计算参数的显示。该系统主要由变频单元、中频预处理单元、信号采集单元、宽带测量接收机、频谱分析仪、测量识别软件、显示终端和时频系统组成。宽带测量接收机实现对目标频段内所有卫星信号的射频参数和测量次数的实时测量输出，频谱分析仪实现目标频段的全景频谱抓取。

（3）数据管理系统。数据管理系统可实现卫星数据、监测采集数据、测量分析数据、任务数据的存储备份、导入导出、查询修改等操作，支持数据离线处理，并能够与台站数据库和频率数据库进行比对，如有异常发出告警。通过数据分析工具和手段对数据比对分析，完成对目标频段、目标卫星频谱资源的评估和分析。支持远程数据传输，可以将所有数据传输给控制中心。该系统主要由数据传输单元、数据存储单元和数据处理单元组成。

（4）辅助配套系统。辅助配套系统主要包括时间频率同步单元、配电单元、监控单元。时间频率同步单元包括高稳时钟源和时钟分配设备，实现整个卫星监测系统时间和频率基准统一。配电单元为整个系统提供可靠、充足、安全的电力供应。监控单元实现对室内外环境的监控。

NGSO遥感卫星信号的监测和测量不同于GEO卫星。主要是因为NGSO遥感卫星对地不是静止的，卫星与地面的相对运动产生多普勒频移，导致收发频率不同而引起接收频率变化；地面上的固定监测点接收到近地轨道遥感卫星信号的时间有限且可视时间相对较短；另外距离远，发射机功率小，地面接收点上的功率通量密度很小，因此针对NGSO遥感卫星的监测需要监测天线方向必须连续可调而且方向性很强。以下详细介绍具体的监测方法，可以按照图1的流程对NGSO遥感卫星进行监测。

图1 遥感卫星监测流程

（1）星历获取，过境预测。卫星星历以开普勒定律的6个轨道参数之间的关系确定飞行体的时间、坐标、方位和速度等参数。星历具有极高的精度，能够精确计算、预测、描绘、跟踪卫星的时间、位置、速度等运行状态。通过及时更新的公开卫星星历和监测站经纬度，可以计算并预测卫星过境该监测站的时间以及天线的方位角和俯仰角。具体预测内容包括过境起始时间、结束时间、起始方位、结束方位、起始仰角、结束仰角，最大方位、最大仰角。

（2）跟踪卫星（天线对星）。在预测的过境时间段开始之前，天线伺服控制系统启动，将天线预置到计算好的天线方位角和俯仰角，开始扫描卫星信号（可以调整极化方式），当能捕获到目标卫星时，自动跟踪卫星对准天线波束，使天线对卫星进行精确指向。另外，系统也支持手动控制对星。NGSO遥感卫星与GEO遥感卫星监测的最大不同在于跟踪卫星，由于卫星相对监测站是不断运动的，需要天线不断连续转动，才能实现对卫星的不间断跟踪。采用程序跟踪和自动跟踪相结合的方法实现对NGSO遥感卫星的跟踪。程序跟踪能够快速捕获目标，但跟踪精度较低。自动跟踪精度高、速度快，但大范围内捕获目标比较困难。

（3）信号监测。设置目标卫星的频段、参考电平、RBW、天线极化方式等参数，对卫星下行信号频谱进行显示，包括宽带和窄带监测，实时监测多个频点的情况。显示扫描信号的频谱图和瀑布图，可以查看信号强弱。若信号为跳频信号，需要选择最大保持，可根据监测需求下达任务实现自动化监测。

（4）信号采集与测量。设置频率、带宽、采集时长等参数，可以对指定频率和带宽信号进行采集存储，包括异常信号采集，采集数据可用于离线分析和处理。根据频谱监测结果，测量卫星下行的载波频率、带宽、载波功率、功率通量密度、推算卫星的EIRP值，并分析获取载波的调制方式、码元速率等信息。

（5）结果显示。实时显示卫星下行信号频谱图，以图形或列表形式详细给出信号测量分析结果，如包含的载波个数，载波的频率、带宽、功率通量密度、极化方式、调制方式等结果。可以对信号的监测时间、监测次数以及时间占用度、频段占用度等统计报表进行显示。另外可以显示系统内设备和软件的工作状态、技术状态、网络状态。

（6）数据存档与备份。在监测过程中，对原始数据和样本数据进行存储和入库，包含卫星数据、任务数据、测量数据等。可以对发现的非法信号、不明信号进行标注入库，并能与现有无线电台站数据库以及频率数据库进行比对，给出相关的告警信息。实现各种数据的回放、导入导出、报表打印等。可以对已测量分析的卫星下行信号进行离线数据处理分析。