卫星遥测技术

卫星遥测数据处理系统是航天器运控信息管理系统的重要组成部分，其主要功能是接收航天器下行的遥测数据帧，并在系统内部解析处理这些数据帧，然后将处理结果分发到运控信息管理系统的其它组成部件。作为遥测数据解析的第一道程序，遥测数据处理系统有着十分重要的作用。

遥测数据处理系统处理的下行数据主要是CCSDS(空间数据系统咨询委员会)标准格式的遥测数据帧，这些数据以数据流的形式发送给遥测数据处理软件。数据处理软件接收到这些数据后进行解包处理，得到最终的遥测参数数据。

实际的卫星通信系统，在数据发送端，卫星上不同的信源产生的遥测数据经过编码后，分别以不同的服务形式生成对应的虚拟信道帧，其中每个虚拟信道有一个唯一的虚拟信道标识符(VCID)。多路虚拟信道帧复用一个物理信道完成数据的下行传输。对于工程遥测参数数据，由于数据量较小，其下行速率相对较低;而空间科学实验数据，如图像、视频等，由于数据量很大，航天器一次过境的可视时间又很短，所以其下行数据的速率就会很高。因此对于不同的遥测参数数据，其数据的下行速率也是不尽相同的，带宽变化可以从几比特每秒至上百兆每秒或更高的量级。

广义的卫星遥测技术乃指不需要与目标物直接接触，只需利用仪器便可获得与分析该类资料的科学技术。

狭义的则是指利用空中或太空载台的感测器，以电磁能的操作方式，以进行地球资源的监控、制图和探测。

70年代末,微型计算机的迅速发展和应用,使空间飞行器的技术水平跨上了一个新台阶,作为服务系统的测控、姿控等设备均采用了集成电路并逐步采用嵌入式计算机来完成各自的功能。80年代初,微处理器芯片已发展到能完成更多计算任务的超大规模器件,同时,随着空间飞行器任务的多样化和复杂化,使得星上各系统之间需要在星上相互交换数据或状态信息。此外,处理器还承担故障诊断和系统重组,包括各分系统的自主控制,例如在出现某些状态条件或地面注入(事先或通过遥控注入)的信息后发出控制命令。因此,需要在星上建立一个"数据总体" 来处理这些信息。欧洲空间组织( ESA)在80年代初便制定了有关标准, 并在EXOSAT( X-Ray Observation)科学试验卫星上首次采用了星载数据管理系统( OBDH，有的称DMS) ,该卫星于1981年发射。随之,美国和日本的卫星也相继采用了OBDH,此系统将负责遥测数据的采集和处理,遥控数据的校验、延时、发送执行。OBDH除了以遥测、遥控信息处理为主要功能外,还承担整星信息交换、处理和控制的功能。因此到80年代,卫星测控已不仅仅是射频综合,视频也都综合在OBDH之中了。

在未采用OBDH之前,星上遥测、遥控电缆网在整星电缆网中占有很大部分。这些信息通道数量巨大。目前,卫星遥测路数将近1000、遥控路数也将近500。如果不采用计算机总线方法来传递信息、用电缆连接则不仅占去相当多的卫星质量和体积,并造成相互干扰。在采用了以中央控制单元( CTU)和远置控制单元( RTU)以及星载串行数据总线( SDB)组成的OBDH后,多个RTU 可分别设置在被测(控)对象附近,通过总线与C TU连接。目前,我国研制的星载OBDH主要功能有: ( 1)遥测信息的采集和处理; ( 2)遥控指令的校验和发送; ( 3)存贮测控有关信息,参与自主控制; ( 4)星上需要的计算、处理功能,如校时、星历表计算等; ( 5)与其它分系统的信息交换,如将有关卫星状态数据和姿态数据插入到数据传送系统,作为遥感信息的辅助数据。或存贮有关各分系统的重要数据,必要时交换这些数据。

采用OBDH是卫星测控和卫星总体电路设计的重大变革。

长期以来,我国卫星遥测走了不少弯路,原因是多方面的,但其中重要一点在于机构体制。卫星测控与火箭测控有很大差别,机构体制要顺应技术发展的趋势。卫星测控方面,我国已确定在2000年后全部使用S波段统一测控(静止卫星除外)。OBDH已在今后各种星上广泛采用,其关键是星上设备的模块化、标准化、通用化。我们应协同相关部门共同制定卫星测控标准,并强制执行之。

我国空间测控覆盖范围有限,中低轨道卫星大部分轨道运行不能实施实时测控,每次发射静止轨道卫星必须派出测控船队,对于载人航天,实时遥测更有其重要性。实时遥测有两个发展方向: ( 1)将地面测控网部分搬到空间,即发展跟踪和数据中继卫星系统( TDRSS)和卫星全球定位系统( GPS /GLON ASS) ,实现中低轨道的自主定轨。欧洲及日本均在发展数据中继卫星。( 2)开展国际合作,开展CCSDS工作,卫星测控的发展已融入CCSDS的空间数据系统中。

卫星定位技术(GPS)可协助喷撒农业之导航;卫星影像资料可做农作物分类与生长情形监控;以卫星影像做山坡地利用之管理监测

运用卫星遥测的技术，可从事多项环境保护的工作。例如，集水区的监控、土地违规使用的监测查报，以及森林火灾的侦测等。利用卫星监控环境变化，以期在未酿成重大灾害前，能运用适当的因应措施把灾害减低到最小程度，即能达到环境保护的目的。

每个地块可视为由不同特质和深度的土壤所构成。故土壤图的制作即将一地块细分为个别独立小地块的合成，每一个小地块都代表一特定的土壤种类，其组合成分具同质性。

利用卫星影像来制作大尺度的地形图可节省大幅的人力和物力。以往大多运用光学影像(如SPOT)和航空照片来制作地形图，但容易受天候影响。SAR由于具有主动观测的特色，不受天候干扰，对于终日被云层所遮蔽的地区是制作地形图的唯一选择。运用正在发展的雷达干涉术，也可获得高精度的数值地形模型(DEM, Digital Elevation Model)

此应用为了解地球的气候和生物型态之演变提供了新的途径。借由卫星遥测来观测构成生命基础之元素和养分之数量、传送速率、传送速率在不同生态系统如何变化、以及速率如何因大自然或人为因素所造成的扰动而改变。透过卫星遥测的动态观测，有助于环境的探测与分析。

探索地质内的物质成分如何释入养分循环中，如何被土壤和植物吸收，进而改变植物光谱特征。此技术对于植物茂密但土壤和岩石没有直接暴露的区域之地质成分辨识，或是对环境微妙变化敏感的植物之辨识极具应用价值。

对直接暴露于感测器观察范围的土壤和岩石进行光谱的探测与分析。颜色和岩石以及矿物的光谱特征可作为地质组成的直接辨识依据。

利用不同波段比例值，在地质遥测的应用中，可将岩性单位的亮度差异降到最低(主要强调色调对比，忽略绝对亮度值)，使其可比较不同日期、不同太阳角度的观测结果。并可移除阴影效应，便于岩性种类的辨识。

利用卫星影像制作大尺度的土地利用图，为农业决策重要的参考依据。

60年代初,美国在子午仪等卫星上采用了双频测速作为卫星定轨的主要手段( 400 MHz和150 MHz,频率比为8∶ 3)。采用双频是为了消除电离层对超短波传输的影响。在采用双频测速的同时就实现了遥测射频与双频信标的结合,星上遥测发射机亦是双频发射机,地面遥测接收机兼顾双频接收。这就大大简化了星上设备和地面设备,而且减少了射频的频率数目,更有利于卫星电磁兼容性。航天任务的迅速发展促使卫星测控迅速发展。美国在60年代后期,研制了阿波罗统一测控系统和戈达德统一S波段测控系统,完成了登月飞船及深空探测任务;在70年代,欧洲也发展和采用了统一S波段测控系统。

我国在70年代初处于混乱的状态,缺乏统一的考虑,只能按照卫星任务的需要,服从当时已有的分工体制来发展我国的卫星测控。为中低轨道卫星(包括返回卫星)分别研制超短波遥测、超短波遥控、双频跟踪测轨、雷达跟踪测轨,致使星上天线数目增多,电磁兼容性问题复杂,使每一地面站都增加设备和人员。另外,还为静止轨道通信卫星研制了统一C波段测控系统。由于受到当时封闭的国际环境和技术的限制,测控的上行频率采用4. 7 G Hz。这既不同于通信信道的上行频率,也与国际上采用的通信卫星测控频率不一致,这就是"国内C波段统一测控系统"。此系统用于我国80年代中期发射的通信卫星。在90年代,我国发展了与国际接轨的"国际C波段统一测控系统"和" S波段统一测控系统"。对于中低轨道卫星,直到80年代中期还发展了超短波测控系统( 847工程) ,它仅仅是将双频测速和遥测射频合并(此系统即将停止使用)。自此,真正实现了卫星的射频综合。

1986年CCSDS(国际空间数据系统咨询委员会)建议书中制定的分包遥测和分包遥控,主要是满足各类卫星的需求,实现数据获取过程可相对传送、异步执行的机制。其标准接口使空间飞行器测控可以建立一个开放、互连的国际数据系统网。空间数据的互相支持,由单用户转向多用户、多信源,这是划时代的进步。

在新的国际形势下,在载人航天和空间站、日地观测及地球环境监测等航天任务的迫切要求下, 空间数据的相互支持是必然的趋势。美国航空航天局( NASA)在哈勃望远镜、GAMMA探测器、太阳轨道站、星际航行任务( MARS)、伽里略等许多飞行器上都采用了分包遥测。ESA在欧洲数据中继卫星、测地卫星、尤里卡等也采用了分包遥测。进入90年代,国际合作共同开发空间的活动已日益频繁。空间站、EOS计划等都是多国参加,共享数据的空间活动,随着计算机技术的发展,开放系统越来越成为用户乃至计算机制造商所追求的目标。开放、通用、共享是共同遵守的标准。CCSDS提出的"高级在轨系统"适用于不同用户的不同传输要求,表现在数据容量与速率、数据的连续性及延时、传输的可靠性、灵活性、动态调度能力、交互能力与OSI兼容的高层数据处理能力等。高级在轨系统具有综合解决多用户需求的能力。CCSDS空间数据系统概念中最重要的一个就是主网( CPN ) ,它可向用户提供一整套标准化业务,以便传送、处理及存储信息,参加CCSDS的空间机构都将开发自己专用的CPN。

一般的遥测数据处理系统，采用集中式的数据处理方式，它将数据的接收、处理和分发集中在同一个软件部件当中，对遥测数据帧的接收以及解析都在同一个进程执行，数据帧的处理过程中对不同虚拟信道的数据也不做区分。统一由-个数据解析的线程处理，给CPU造成的压力很大，这种原始的数据处理系统，由于数据解析的过程比较集中，对于下行速率较低的遥测数据帧，该处理系统的数据接收速率和遥测数据的下行速率还可达到一致，如下行速率在20Mbps时，该数据处理系统可以保证完整接收所有的遥测数据帧，并且有较好的处理结果;但对于下行速率很高的遥测数据帧，由于数据的下行速率和数据处理系统的数据接收速率存在较大的差异，就会造成原始数据帧的丢失。