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虚拟遥感卫星地面站系统技术

作者: 刘建波 【字号: 访问量:

前言

航天遥感技术从20世纪60年代兴起,它以卫星为平台,利用传感器对地球进行观测并生成对地观测数据,经地面站的接收和处理,转化成信息丰富、可供各行各业应用的数据资料。遥感数据在农业、林业、国土资源、环境减灾、城市建设、国防安全以及旅游等各个领域中得到广泛应用。

卫星获取数据后,需要将数据发送到地面。在地面上接收卫星数据的部分称为卫星地面接收系统或卫星地面站。目前世界上较有规模的遥感卫星地面站约有30个。我国的遥感卫星地面站于1986年建成投入使用,起初接收美国陆地卫星数据。经过30年的不断发展,数据接收处理能力不断提高,接收国内外20余颗卫星,形成完整的卫星数据接收、传输、存档、处理、分发体系,建成了以北京总部的运行管理与数据处理中心、密云站、喀什站、三亚站为数据接收网的运行格局。数据接收系统、数据传输系统、数据处理系统、数据管理系统、数据检索与技术服务系统协同运行。迄今地面站保存着超过三百万景的各类遥感卫星数据,为国家积累和存档了极其珍贵的空间数据历史资料。

一、遥感卫星地面站是如何工作的

遥感卫星地面站系统主要用来接收、处理和存档遥感卫星数据。很多地面接收站也从事科学研究工作,包括卫星遥感信息处理系统与各种遥感应用研究。遥感卫星地面接收站的接收系统通常由天线、记录、传输子系统组成。天线负责接收卫星下行信号,根据性能需求,天线口径从一两米到十几米不等;记录系统的功能是将卫星下行信号转换成数据并存储到可靠的存储介质中。现代卫星的下行码速率不断提高,对记录系统的记录能力也不断提出新的要求。目前1Gb/s,多通道同时记录已是现代记录系统的常见要求;传输子系统则负责将数据传送到数据处理中心作进一步处理。我国初建卫星地面站时,使用汽车运送磁带的方式将数据运送到北京本部处理。现在利用高速光纤网络,卫星接收半小时以内就可以将数据传送的数据处理中心。上述三个子系统相互配合共同完成卫星数据接收任务。

卫星天线受地形与地面环境的影响,只能在一定仰角范围内接收卫星信号,通常5度起开始接收,接收半径两千五百公里左右。因此接收站的建设规模以及需要建设多少个接收站与国土面积相关。我国国土面积大,单独一个接收站无法覆盖全部领土,需要在多地建站。中国科学院遥感与数字地球研究所中国遥感卫星地面站目前拥有北京、喀什、三亚和部署在云南的四个数据接收站,北京的数据处理和运行管理中心,以及各接收站连接总部的高速网络专线(速度分别为622M and 10G)等设施。承担着国内外20几颗卫星数据接收和部分卫星数据产品生产的任务。站网布局实现了覆盖全中国和亚洲陆地70%的观测面积(见图1)。运行管理中心统一调度多个地面接收站的天线、记录、传输资源。地面站组网工作后,工作模式更加灵活,根据任务要求,可以实现卫星接力接收、备份接收功能。

图1

二、虚拟遥感卫星地面站

我们在国际上率先提出了虚拟地面站概念并进行了系统实现。虚拟地面站是建立在真实地面站上的一套软件系统,它的功能是向用户近实时的发送经过初步成像处理的卫星图像数据。虚拟地面站系统采用数据推送的模式,每当真实地面站接收数据后,在两三分钟内就将图像数据推送到用户。因此从用户的角度,就好像拥有一个不需要硬件投资的虚拟地面接收站。虚拟地面站能够实现对感兴趣目标区域进行日常监测 (如森林火点、水面积变化、油污、区域污染、工程进展)等功能。

虚拟地面站利用现有地面站基础设施条件,借助高速计算能力和互联网提供服务。虚拟地面站系统(系统软件名称“SATSEE”)结构见图2

图2. 虚拟遥感卫星地面站系统结构

 虚拟地面站系统软件主要包括了两个部分,一部分部署在地面站总部的系统中,另一部分部署在客户端。部署在地面总部系统中的软件主要包括:数据数据获取、数据处理、快视处理、数据分发等软件处理模块。这些模块将卫星下行数据转换成易于用户观察的图像,在图像上叠加地理位置信息,并按照用户定制区域进行数据推送。部署在客户端的软件主要包括:数据获取、人机交互管理、显示处理等软件处理模块。这些模块向用户生动的展示卫星数据。图3是虚拟地面站的终端,该终端能在多种类型的设备上显示图像。

图3 虚拟地面站终端

同以往的数据获取模式相比,虚拟地面站可以帮助用户更快捷更方便的获取遥感图像。传统模式(图4)中,用户并不能直接从地面接收站获取遥感数据,数据接收站也不直接向用户发布数据。接收站会将接收的卫星数据发送到专门进行卫星数据处理的单位。这些单位对卫星数据进行专业的处理,生成不同级别的数据产品并将数据放到发布网站上。用户需要数据时,在数据发布网站上查询下载。整个数据获取周期比较长。而虚拟地面站系统直接建立在真实地面站系统上,它充分利用地面站运行系统的功能实现数据快速发布。比如地面站记录子系统会对接收的数据检测,因而具备卫星数据解码成像功能。而虚拟地面站恰好可以将解码后的卫星图像作为数据源,提高了整个数据发布的速度。

 

 

图4

虚拟地面站系统传送给用户的是卫星图像,而用户从传统遥感数据发布系统获得的是卫星数据。卫星数据用于定量化遥感,用于地面信息分析,面向目标是专业用户。卫星图像以非常直观的方式向用户展示卫星拍摄的地面,更容易被公众理解,因而虚拟地面站的受众群体可以更广泛。

虚拟地面站系统非常适合在周边国家部署。我国周边一些国家如缅甸、柬埔寨、蒙古等国,不仅国土面积小,而且在遥感技术领域处于刚起步阶段。在对外合作中了解到他们通常采用购买、共享等方式获取遥感数据。而他们非常希望看到卫星实时过境图像。虚拟地面站恰好满足了他们这方面的需求。

三、虚拟遥感卫星地面站的应用与发展展望

目前虚拟遥感卫星地面站系统技术在国土、海洋、环境、水利、农业等领域,科研院所以及周边国家多家单位得到了推广应用。

在国内,已完成虚拟遥感地面站系统部署的单位有:国家遥感中心、高分卫星工程中心、国土资源部航遥中心、国家海洋局、中国电子科技集团、南海工程与环境研究院、北京大学、新疆遥感中心、北京师范大学、河北省测绘局、江苏启东光电遥感中心、中科院上海技物所、北京视宝卫星图像有限公司、中科数遥公司等十余家。该系统作为展示平台,在海南省和北京等地多次用于开放授课环节,为学生掌握遥感目视解译方法提供了重要实验环境,促进了遥感领域的教研和科普工作。图5用户了解虚拟地面站情况。

图5

在国外,已在柬埔寨、泰国、尼泊尔、蒙古、斯里兰卡、吉尔吉斯(图6)以及比利时等七个国家部署了该系统。其中,系统部署在柬埔寨吴哥遗产管理局后,切实加强了吴哥窟周边生态环境的保护,受到了柬埔寨副首相的高度评价,有效地贯彻了我国一带一路发展战略的精神。2015年,“三亚遥感卫星虚拟地面站系统”项目获海南省科技进步一等奖。

图6

随着世界步入网络信息化时代,遥感技术与应用与公众的关系越来越近。就如同计算机技术发展一样,起初计算机应用在军事和商业领域,而后逐步进入到个人应用,到目前发展到主要应用在个人应用领域。遥感应用随着相关技术的进步,技术门槛也逐步降低,也逐步进入到公众视野。以人们使用的网上地图导航软件为例,以遥感图像为底图的功能已经是众多导航软件的标准配置。可以想象,随着遥感技术的进一步发展,各种遥感应用会进一步贴合人们生活。人们会更关注地球上正在发生与已经发生的事情。人们会对地震、水灾、滑坡、火灾等自然灾害的发生,对气候的变化,大气和海洋污染更加关注。

遥感虚拟地面站系统将抓住这一契机,从网络信息化等待角度,努力推动遥感应用的普及,更好的发挥遥感数据的应用。目前,遥感卫星虚拟地面站系统的技术在应用推广中取得了一定的成果。正在开发手机版的客户软件系统。手机演示版的图片见图7。还将增加对关注点和地区连续观测服务的功能,此功能可实现有效地对火灾、污染和地震地区的连续观测;基于云服务技术,增强虚拟地面站系统的处理与服务能力。如:增强各类卫星和传感器数据处理的能力、增强推送式主动服务能力、解决客户终端数量快速增长的问题;扩大直接获取卫星的数据源。针对北极站建设和国外卫星接收站,扩大虚拟地面站系统的数据来源,达到缩短观测周期和扩大直接接收覆盖范围的能力。

图7

作者简介:刘建波,研究员,中国科学院遥感与数字地球所副所长,国家高分卫星重大专项地面系统副总师。主要从事遥感图像处理和数据管理方面的研究工作,负责中国遥感卫星地面站的建设与运行工作。曾主持完成了中科院“中巴资源一号卫星地面预处理关键技术研究”、科技部“ENVISAT-ASAR雷达卫星数据共享”系统、国家电子政务项目“自然资源和地理空间基础信息库——卫星遥感数据分中心”、科技部“应急空间数据分中心系统”、发改委“陆地观测卫星数据全国接收站网”、“资源3号卫星地面接收系统”等重要项目,主编“中国分省遥感影像地图集”,发表论文数十篇。