衛星遙測技術

利用衛星的感測器，以電磁能的操作方式，以進行地球資源的監控、製圖和探測

基本介紹

• 中文名：衛星遙測技術
• 外文名：satellite telemetry
• 常用資源衛星：LANDSAT、SPOT等
• 常用氣象衛星：NOAA、 GOES、GMS等
• 套用：農業經營、環境保護等
• 套用領域：電子科學、測繪科學、航空航天

概述

廣義的衛星遙測技術乃指不需要與目標物直接接觸，只需利用儀器便可獲得與分析該類資料的科學技術。

狹義的則是指利用空中或太空載台的感測器，以電磁能的操作方式，以進行地球資源的監控、製圖和探測。

衛星遙測與火箭遙測的區別

由於運載火箭研製發展的需要,早在50年代,即在第一顆人造地球衛星上天前,無線電跟蹤測軌、遙測、遙控已得到蓬勃的發展,促進了運載火箭的研製。當時跟蹤測軌使用的是第二次世界大戰中發展迅速的雷達。為增大作用距離,在箭上採用應答機。遙測系統採用了雙調頻多路傳輸系統,以傳送各種變化速率不同的參數,並配合有時分多路以傳送多個緩變參數。當時,發展了中距離靶場遙測( IRIG， Inter Range Instrumentation Group)的標準。由於研製中需要測量的參數很多,因此火箭遙測系統比較複雜。相比之下,遙控則較為簡單,它與安全控制系統結合,傳送數量很少卻很重要的安全控制指令,因為火箭飛行時間很短,其所有的程式和動作均是已安排好或自主的,難於靠地面控制其全部程式和動作。

火箭在研製定型過程中,遙測系統的作用十分重要。在專門制定的計畫中有不止一次的遙測試驗發射。箭上遙測系統的電源、電纜網、各分機等組成的整個系統是一個完全的獨立系統。在第一顆人造衛星上天后,各種衛星很快地發展起來,人們已注意到衛星與運載火箭的巨大區別。通常,運載火箭的飛行時間短的僅幾分鐘,長的也只有幾十分鐘; 而衛星飛行時間則長得多,有的長達十幾年。運載火箭要求迅速實時地測出飛行軌道數據;衛星則因其飛行時間長,可多次逐步改進計算出來的軌道數據。火箭遙測速變參數多,並且在火箭研製定型後可取消遙測; 而衛星遙測始終是監視和了解衛星工作狀況的手段。正因為這些不同,國外特別是美國,在60年代初,衛星測控就與運載火箭測控走上了不同的發展道路。

衛星測控的射頻綜合

60年代初,美國在子午儀等衛星上採用了雙頻測速作為衛星定軌的主要手段( 400 MHz和150 MHz,頻率比為8∶ 3)。採用雙頻是為了消除電離層對超短波傳輸的影響。在採用雙頻測速的同時就實現了遙測射頻與雙頻信標的結合,星上遙測發射機亦是雙頻發射機,地面遙測接收機兼顧雙頻接收。這就大大簡化了星上設備和地面設備,而且減少了射頻的頻率數目,更有利於衛星電磁兼容性。航天任務的迅速發展促使衛星測控迅速發展。美國在60年代後期,研製了阿波羅統一測控系統和戈達德統一S波段測控系統,完成了登月飛船及深空探測任務;在70年代,歐洲也發展和採用了統一S波段測控系統。

我國在70年代初處於混亂的狀態,缺乏統一的考慮,只能按照衛星任務的需要,服從當時已有的分工體制來發展我國的衛星測控。為中低軌道衛星(包括返回衛星)分別研製超短波遙測、超短波遙控、雙頻跟蹤測軌、雷達跟蹤測軌,致使星上天線數目增多,電磁兼容性問題複雜,使每一地面站都增加設備和人員。另外,還為靜止軌道通信衛星研製了統一C波段測控系統。由於受到當時封閉的國際環境和技術的限制,測控的上行頻率採用4. 7 G Hz。這既不同於通信信道的上行頻率,也與國際上採用的通信衛星測控頻率不一致,這就是“國內C波段統一測控系統”。此系統用於我國80年代中期發射的通信衛星。在90年代,我國發展了與國際接軌的“國際C波段統一測控系統”和“ S波段統一測控系統”。對於中低軌道衛星,直到80年代中期還發展了超短波測控系統( 847工程) ,它僅僅是將雙頻測速和遙測射頻合併(此系統即將停止使用)。自此,真正實現了衛星的射頻綜合。

衛星測控的視頻綜合

70年代末,微型計算機的迅速發展和套用,使空間飛行器的技術水平跨上了一個新台階,作為服務系統的測控、姿控等設備均採用了積體電路並逐步採用嵌入式計算機來完成各自的功能。80年代初,微處理器晶片已發展到能完成更多計算任務的超大規模器件,同時,隨著空間飛行器任務的多樣化和複雜化,使得星上各系統之間需要在星上相互交換數據或狀態信息。此外,處理器還承擔故障診斷和系統重組,包括各分系統的自主控制,例如在出現某些狀態條件或地面注入(事先或通過遙控注入)的信息後發出控制命令。因此,需要在星上建立一個“數據總體” 來處理這些信息。歐洲空間組織( ESA)在80年代初便制定了有關標準, 並在EXOSAT( X-Ray Observation)科學試驗衛星上首次採用了星載數據管理系統( OBDH，有的稱DMS) ,該衛星於1981年發射。隨之,美國和日本的衛星也相繼採用了OBDH,此系統將負責遙測數據的採集和處理,遙控數據的校驗、延時、傳送執行。OBDH除了以遙測、遙控信息處理為主要功能外,還承擔整星信息交換、處理和控制的功能。因此到80年代,衛星測控已不僅僅是射頻綜合,視頻也都綜合在OBDH之中了。

在未採用OBDH之前,星上遙測、遙控電纜網在整星電纜網中占有很大部分。這些信息通道數量巨大。目前,衛星遙測路數將近1000、遙控路數也將近500。如果不採用計算機匯流排方法來傳遞信息、用電纜連線則不僅占去相當多的衛星質量和體積,並造成相互干擾。在採用了以中央控制單元( CTU)和遠置控制單元( RTU)以及星載串列數據匯流排( SDB)組成的OBDH後,多個RTU 可分別設定在被測(控)對象附近,通過匯流排與C TU連線。目前,我國研製的星載OBDH主要功能有: ( 1)遙測信息的採集和處理; ( 2)遙控指令的校驗和傳送; ( 3)存貯測控有關信息,參與自主控制; ( 4)星上需要的計算、處理功能,如校時、星曆表計算等; ( 5)與其它分系統的信息交換,如將有關衛星狀態數據和姿態數據插入到數據傳送系統,作為遙感信息的輔助數據。或存貯有關各分系統的重要數據,必要時交換這些數據。

採用OBDH是衛星測控和衛星總體電路設計的重大變革。

衛星遙測數據處理系統

衛星遙測數據處理系統是太空飛行器運控信息管理系統的重要組成部分，其主要功能是接收太空飛行器下行的遙測數據幀，並在系統內部解析處理這些數據幀，然後將處理結果分發到運控信息管理系統的其它組成部件。作為遙測數據解析的第一道程式，遙測數據處理系統有著十分重要的作用。

遙測數據處理系統處理的下行數據主要是CCSDS(空間數據系統諮詢委員會)標準格式的遙測數據幀，這些數據以數據流的形式傳送給遙測數據處理軟體。數據處理軟體接收到這些數據後進行解包處理，得到最終的遙測參數數據。

實際的衛星通信系統，在數據傳送端，衛星上不同的信源產生的遙測數據經過編碼後，分別以不同的服務形式生成對應的虛擬信道幀，其中每個虛擬信道有一個唯一的虛擬信道標識符(VCID)。多路虛擬信道幀復用一個物理信道完成數據的下行傳輸。對於工程遙測參數數據，由於數據量較小，其下行速率相對較低；而空間科學實驗數據，如圖像、視頻等，由於數據量很大，太空飛行器一次過境的可視時間又很短，所以其下行數據的速率就會很高。因此對於不同的遙測參數數據，其數據的下行速率也是不盡相同的，頻寬變化可以從幾比特每秒至上百兆每秒或更高的量級。

分包遙測、分包遙控、高級在軌系統

1986年CCSDS（國際空間數據系統諮詢委員會）建議書中制定的分包遙測和分包遙控,主要是滿足各類衛星的需求,實現數據獲取過程可相對傳送、異步執行的機制。其標準接口使空間飛行器測控可以建立一個開放、互連的國際數據系統網。空間數據的互相支持,由單用戶轉向多用戶、多信源,這是劃時代的進步。

在新的國際形勢下,在載人航天和空間站、日地觀測及地球環境監測等航天任務的迫切要求下, 空間數據的相互支持是必然的趨勢。美國航空航天局( NASA)在哈勃望遠鏡、GAMMA探測器、太陽軌道站、星際航行任務( MARS)、伽里略等許多飛行器上都採用了分包遙測。ESA在歐洲數據中繼衛星、測地衛星、尤里卡等也採用了分包遙測。進入90年代,國際合作共同開發空間的活動已日益頻繁。空間站、EOS計畫等都是多國參加,共享數據的空間活動,隨著計算機技術的發展,開放系統越來越成為用戶乃至計算機製造商所追求的目標。開放、通用、共享是共同遵守的標準。CCSDS提出的“高級在軌系統”適用於不同用戶的不同傳輸要求,表現在數據容量與速率、數據的連續性及延時、傳輸的可靠性、靈活性、動態調度能力、互動能力與OSI兼容的高層數據處理能力等。高級在軌系統具有綜合解決多用戶需求的能力。CCSDS空間數據系統概念中最重要的一個就是主網( CPN ) ,它可向用戶提供一整套標準化業務,以便傳送、處理及存儲信息,參加CCSDS的空間機構都將開發自己專用的CPN。

一般的遙測數據處理系統，採用集中式的數據處理方式，它將數據的接收、處理和分發集中在同一個軟體部件當中，對遙測數據幀的接收以及解析都在同一個進程執行，數據幀的處理過程中對不同虛擬信道的數據也不做區分。統一由—個數據解析的執行緒處理，給CPU造成的壓力很大，這種原始的數據處理系統，由於數據解析的過程比較集中，對於下行速率較低的遙測數據幀，該處理系統的數據接收速率和遙測數據的下行速率還可達到一致，如下行速率在20Mbps時，該數據處理系統可以保證完整接收所有的遙測數據幀，並且有較好的處理結果；但對於下行速率很高的遙測數據幀，由於數據的下行速率和數據處理系統的數據接收速率存在較大的差異，就會造成原始數據幀的丟失。

在農業與環境中的套用

農業經營

衛星定位技術（GPS）可協助噴撒農業之導航;衛星影像資料可做農作物分類與生長情形監控;以衛星影像做山坡地利用之管理監測

環境保護

運用衛星遙測的技術，可從事多項環境保護的工作。例如，集水區的監控、土地違規使用的監測查報，以及森林火災的偵測等。利用衛星監控環境變化，以期在未釀成重大災害前，能運用適當的因應措施把災害減低到最小程度，即能達到環境保護的目的。

土壤圖製作

每個地塊可視為由不同特質和深度的土壤所構成。故土壤圖的製作即將一地塊細分為個別獨立小地塊的合成，每一個小地塊都代表一特定的土壤種類，其組合成分具同質性。

地形圖製作

利用衛星影像來製作大尺度的地形圖可節省大幅的人力和物力。以往大多運用光學影像（如SPOT）和航空照片來製作地形圖，但容易受天候影響。SAR由於具有主動觀測的特色，不受天候干擾，對於終日被雲層所遮蔽的地區是製作地形圖的唯一選擇。運用正在發展的雷達干涉術，也可獲得高精度的數值地形模型（DEM, Digital Elevation Model）

生物地球化學循環周期

此套用為了解地球的氣候和生物型態之演變提供了新的途徑。藉由衛星遙測來觀測構成生命基礎之元素和養分之數量、傳送速率、傳送速率在不同生態系統如何變化、以及速率如何因大自然或人為因素所造成的擾動而改變。透過衛星遙測的動態觀測，有助於環境的探測與分析。

地理生物學

探索地質內的物質成分如何釋入養分循環中，如何被土壤和植物吸收，進而改變植物光譜特徵。此技術對於植物茂密但土壤和岩石沒有直接暴露的區域之地質成分辨識，或是對環境微妙變化敏感的植物之辨識極具套用價值。

岩石和礦物的多光譜直接探測

對直接暴露於感測器觀察範圍的土壤和岩石進行光譜的探測與分析。顏色和岩石以及礦物的光譜特徵可作為地質組成的直接辨識依據。

波段比例值

利用不同波段比例值，在地質遙測的套用中，可將岩性單位的亮度差異降到最低（主要強調色調對比，忽略絕對亮度值），使其可比較不同日期、不同太陽角度的觀測結果。並可移除陰影效應，便於岩性種類的辨識。

土地利用/地覆類型資訊萃取與辨識

利用衛星影像製作大尺度的土地利用圖，為農業決策重要的參考依據。

結論與展望

長期以來,我國衛星遙測走了不少彎路,原因是多方面的,但其中重要一點在於機構體制。衛星測控與火箭測控有很大差別,機構體制要順應技術發展的趨勢。衛星測控方面,我國已確定在2000年後全部使用S波段統一測控(靜止衛星除外)。OBDH已在今後各種星上廣泛採用,其關鍵是星上設備的模組化、標準化、通用化。我們應協同相關部門共同制定衛星測控標準,並強制執行之。

我國空間測控覆蓋範圍有限,中低軌道衛星大部分軌道運行不能實施實時測控,每次發射靜止軌道衛星必須派出測控船隊,對於載人航天,實時遙測更有其重要性。實時遙測有兩個發展方向: ( 1)將地面測控網部分搬到空間,即發展跟蹤和數據中繼衛星系統( TDRSS)和衛星全球定位系統( GPS /GLON ASS) ,實現中低軌道的自主定軌。歐洲及日本均在發展數據中繼衛星。( 2)開展國際合作,開展CCSDS工作,衛星測控的發展已融入CCSDS的空間數據系統中。