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虛擬遙感衛星地面站系統技術

發布時間:2017-06-26 丨 閱讀次數:458 丨 來源:北斗開放實驗室

——遙感虛擬地面站系統將抓住契機,從網絡信息化等待角度,普及遙感應用

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迄今地面站保存著超過三百萬景的各類遙感衛星數據,為國家積累和存檔了極其珍貴的空間數據歷史資料。


航天遙感技術從20世紀60年代興起,它以衛星為平臺,利用傳感器對地球進行觀測并生成對地觀測數據,經地面站的接收和處理,轉化成信息豐富、可供各行各業應用的數據資料。遙感數據在農業、林業、國土資源、環境減災、城市建設、國防安全以及旅游等各個領域中得到廣泛應用。

衛星獲取數據后,需要將數據發送到地面。在地面上接收衛星數據的部分稱為衛星地面接收系統或衛星地面站。目前世界上較有規模的遙感衛星地面站約有30個。我國的遙感衛星地面站于1986年建成投入使用,起初接收美國陸地衛星數據。經過30年的不斷發展,數據接收處理能力不斷提高,接收國內外20余顆衛星,形成完整的衛星數據接收、傳輸、存檔、處理、分發體系,建成了以北京總部的運行管理與數據處理中心、密云站、喀什站、三亞站為數據接收網的運行格局。數據接收系統、數據傳輸系統、數據處理系統、數據管理系統、數據檢索與技術服務系統協同運行。迄今地面站保存著超過三百萬景的各類遙感衛星數據,為國家積累和存檔了極其珍貴的空間數據歷史資料。

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一、遙感衛星地面站是如何工作的

遙感衛星地面站系統主要用來接收、處理和存檔遙感衛星數據。很多地面接收站也從事科學研究工作,包括衛星遙感信息處理系統與各種遙感應用研究。遙感衛星地面接收站的接收系統通常由天線、記錄、傳輸子系統組成。天線負責接收衛星下行信號,根據性能需求,天線口徑從一兩米到十幾米不等;記錄系統的功能是將衛星下行信號轉換成數據并存儲到可靠的存儲介質中。現代衛星的下行碼速率不斷提高,對記錄系統的記錄能力也不斷提出新的要求。目前1Gb/s,多通道同時記錄已是現代記錄系統的常見要求;傳輸子系統則負責將數據傳送到數據處理中心作進一步處理。我國初建衛星地面站時,使用汽車運送磁帶的方式將數據運送到北京本部處理。現在利用高速光纖網絡,衛星接收半小時以內就可以將數據傳送的數據處理中心。上述三個子系統相互配合共同完成衛星數據接收任務。

衛星天線受地形與地面環境的影響,只能在一定仰角范圍內接收衛星信號,通常5度起開始接收,接收半徑兩千五百公里左右。因此接收站的建設規模以及需要建設多少個接收站與國土面積相關。我國國土面積大,單獨一個接收站無法覆蓋全部領土,需要在多地建站。中國科學院遙感與數字地球研究所中國遙感衛星地面站目前擁有北京、喀什、三亞和部署在云南的四個數據接收站,北京的數據處理和運行管理中心,以及各接收站連接總部的高速網絡專線(速度分別為622M and 10G)等設施。承擔著國內外20幾顆衛星數據接收和部分衛星數據產品生產的任務。站網布局實現了覆蓋全中國和亞洲陸地70%的觀測面積(見圖1)。運行管理中心統一調度多個地面接收站的天線、記錄、傳輸資源。地面站組網工作后,工作模式更加靈活,根據任務要求,可以實現衛星接力接收、備份接收功能。

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圖1 中國遙感衛星地面站站網覆蓋圖

 

二、虛擬遙感衛星地面站

我們在國際上率先提出了虛擬地面站概念并進行了系統實現。虛擬地面站是建立在真實地面站上的一套軟件系統,它的功能是向用戶近實時的發送經過初步成像處理的衛星圖像數據。虛擬地面站系統采用數據推送的模式,每當真實地面站接收數據后,在兩三分鐘內就將圖像數據推送到用戶。因此從用戶的角度,就好像擁有一個不需要硬件投資的虛擬地面接收站。虛擬地面站能夠實現對感興趣目標區域進行日常監測 (如森林火點、水面積變化、油污、區域污染、工程進展)等功能。

虛擬地面站利用現有地面站基礎設施條件,借助高速計算能力和互聯網提供服務。虛擬地面站系統(系統軟件名稱“SATSEE”)結構見圖2。

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圖2 虛擬遙感衛星地面站系統結構

虛擬地面站系統軟件主要包括了兩個部分,一部分部署在地面站總部的系統中,另一部分部署在客戶端。部署在地面總部系統中的軟件主要包括:數據數據獲取、數據處理、快視處理、數據分發等軟件處理模塊。這些模塊將衛星下行數據轉換成易于用戶觀察的圖像,在圖像上疊加地理位置信息,并按照用戶定制區域進行數據推送。部署在客戶端的軟件主要包括:數據獲取、人機交互管理、顯示處理等軟件處理模塊。這些模塊向用戶生動的展示衛星數據。圖3是虛擬地面站的終端,該終端能在多種類型的設備上顯示圖像。

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圖3 虛擬地面站終端

同以往的數據獲取模式相比,虛擬地面站可以幫助用戶更快捷更方便的獲取遙感圖像。傳統模式(圖4)中,用戶并不能直接從地面接收站獲取遙感數據,數據接收站也不直接向用戶發布數據。接收站會將接收的衛星數據發送到專門進行衛星數據處理的單位。這些單位對衛星數據進行專業的處理,生成不同級別的數據產品并將數據放到發布網站上。用戶需要數據時,在數據發布網站上查詢下載。整個數據獲取周期比較長。而虛擬地面站系統直接建立在真實地面站系統上,它充分利用地面站運行系統的功能實現數據快速發布。比如地面站記錄子系統會對接收的數據檢測,因而具備衛星數據解碼成像功能。而虛擬地面站恰好可以將解碼后的衛星圖像作為數據源,提高了整個數據發布的速度。

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圖4 虛擬地面站數據獲取模式

虛擬地面站系統傳送給用戶的是衛星圖像,而用戶從傳統遙感數據發布系統獲得的是衛星數據。衛星數據用于定量化遙感,用于地面信息分析,面向目標是專業用戶。衛星圖像以非常直觀的方式向用戶展示衛星拍攝的地面,更容易被公眾理解,因而虛擬地面站的受眾群體可以更廣泛。

虛擬地面站系統非常適合在周邊國家部署。我國周邊一些國家如緬甸、柬埔寨、蒙古等國,不僅國土面積小,而且在遙感技術領域處于剛起步階段。在對外合作中了解到他們通常采用購買、共享等方式獲取遙感數據。而他們非常希望看到衛星實時過境圖像。虛擬地面站恰好滿足了他們這方面的需求。

 

三、虛擬遙感衛星地面站的應用與發展展望

目前虛擬遙感衛星地面站系統技術在國土、海洋、環境、水利、農業等領域,科研院所以及周邊國家多家單位得到了推廣應用。

在國內,已完成虛擬遙感地面站系統部署的單位有:國家遙感中心、高分衛星工程中心、國土資源部航遙中心、國家海洋局、中國電子科技集團、南海工程與環境研究院、北京大學、新疆遙感中心、北京師范大學、河北省測繪局、江蘇啟東光電遙感中心、中科院上海技物所等十余家。該系統作為展示平臺,在海南省和北京等地多次用于開放授課環節,為學生掌握遙感目視解譯方法提供了重要實驗環境,促進了遙感領域的教研和科普工作。圖5用戶了解虛擬地面站情況。

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圖5 用戶了解虛擬地面站情況

在國外,已在柬埔寨、泰國、尼泊爾、蒙古、斯里蘭卡、吉爾吉斯(圖6)以及比利時等七個國家部署了該系統。其中,系統部署在柬埔寨吳哥遺產管理局后,切實加強了吳哥窟周邊生態環境的保護,受到了柬埔寨副首相的高度評價,有效地貫徹了我國一帶一路發展戰略的精神。2015年,“三亞遙感衛星虛擬地面站系統”項目獲海南省科技進步一等獎。

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圖6 國外同行來訪

隨著世界步入網絡信息化時代,遙感技術與應用與公眾的關系越來越近。就如同計算機技術發展一樣,起初計算機應用在軍事和商業領域,而后逐步進入到個人應用,到目前發展到主要應用在個人應用領域。遙感應用隨著相關技術的進步,技術門檻也逐步降低,也逐步進入到公眾視野。以人們使用的網上地圖導航軟件為例,以遙感圖像為底圖的功能已經是眾多導航軟件的標準配置。可以想象,隨著遙感技術的進一步發展,各種遙感應用會進一步貼合人們生活。人們會更關注地球上正在發生與已經發生的事情。人們會對地震、水災、滑坡、火災等自然災害的發生,對氣候的變化,大氣和海洋污染更加關注。

遙感虛擬地面站系統將抓住這一契機,從網絡信息化等待角度,努力推動遙感應用的普及,更好的發揮遙感數據的應用。目前,遙感衛星虛擬地面站系統的技術在應用推廣中取得了一定的成果。正在開發手機版的客戶軟件系統。手機演示版的圖片見圖7。還將增加對關注點和地區連續觀測服務的功能,此功能可實現有效地對火災、污染和地震地區的連續觀測;基于云服務技術,增強虛擬地面站系統的處理與服務能力。如:增強各類衛星和傳感器數據處理的能力、增強推送式主動服務能力、解決客戶終端數量快速增長的問題;擴大直接獲取衛星的數據源。針對北極站建設和國外衛星接收站,擴大虛擬地面站系統的數據來源,達到縮短觀測周期和擴大直接接收覆蓋范圍的能力。

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圖7 手機演示版



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