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卫星通信中的数据采集系统

2/14/2005来源:卫星通信人气:11540

梁洁雯
(北京卫星信息工程研究所 北京100080)
  摘要 本文首先介绍了数据采集系统(DCS)的组成,然后详细讲述了Argos系统的各个方面,最后简述了DCS在各领域中的应用。

  关键词数据采集系统 数据采集平台 Argos系统

  卫星通信中的数据采集系统(DCS)是一种通过远端数据采集平台采集数据或是对数据采集平台进行定位的系统。它采用了航天中的遥测、遥控和遥监等技术,将远端数据采集平台采集的各种监测量经过卫星实时或存储转发后传输到地面接收处理中心,最后由数据处理中心将数据交付给用户使用。虽然几百个乃至几千个数据采集平台在地理位置上是分散的,但通过DCS系统它们被有机地联系在一起,共同协作完成某一监测任务。数据采集平台大多被设计为自动完成数据的采集、发送,而无需人工值守,因此数据采集平台的分布地域广阔,不受环境、地理条件的限制,特别适合安装在人烟稀少或环境恶劣地区,进行野外工作。

1 DCS系统的组成

  DCS系统的通信频段一般采用UHF,调制体制采用BPSK。它由数据采集平台(DCP或称为PTT)、卫星上的DCS有效载荷、地面接收处理站和数据处理中心三个部分组成(如图1所示)。



图1 数据采集系统的组成

(1) 数据采集平台

  数据采集平台的输入端接有多个传感器,通过它们数据采集平台可以自动对其周围环境中用户关心的各种监测量(温度、压力等)进行采集。多数DCS系统采用低码速率,一些数据采集系统的数据传输率虽然只有400 bit/s,但由于数据采集平台中每个采集点的待发送数据量较小(通常在1000字节以下),数据采集平台向卫星发送一次数据只需要几秒钟。近几年,一些数据采集系统的数据传输率达到了1000bit/s以上,在这种系统中数据平台可以传输较大的数据量。数据采集平台发送数据的方式有多种,既可以按照预先设置好的固定时间表对同一数据进行多次发送,也可以设定数据采集平台发送数据的临界值,当传感器采集的数据超过临界值范围时数据采集平台才发送数据,后一种数据采集平台也被称作为报警平台。数据采集平台每次传输数据的时间间隔被固定为几百毫秒到几秒钟不等。

(2) 卫星上的DCS有效载荷

  卫星上携带的DCS系统有效载荷由接收单元、解调单元、星上处理和存储单元、调制单元和发射单元等几个部分组成。当系统采用实时转发(透明转发)方式工作时,卫星不对数据进行解调和基带处理,只是将信号一次变频到发射的频率,由发射单元将数据转发回地面。而当系统采用存储转发工作方式时,卫星接收信号并对其进行解调,然后再对基带信号进行处理并将数据存储在星上存储器中,当需要转发数据时,再将存储器中的数据进行编码、调制,发送到地面接收站。

  DCS系统使用的卫星可以是对地静止卫星,也可以是低轨道卫星。采用对地静止卫星的DCS系统使用范围为直径7000km的区域,该范围是固定不变的。用户可以实时接收到DCP采集的数据。静止卫星中的DCS系统中数据传输率较低,有的仅为100bit/s。由于使用静止卫星时传输距离远(36000km),因此在这种DCS系统中数据采集平台的体积较大、功耗高。我国的风云二号静止卫星、日本的GMS静止卫星以及美国的GOES静止卫星都携带有DCS系统的有效载荷。

  使用低轨道卫星的DCS系统可以覆盖全球的范围。只有当数据采集平台与地面接收站同时处于卫星的覆盖范围时,用户才可以接收到实时的数据,否则卫星将平台采集的数据存储在星上存储设备中,当地面接收处理站处于卫星覆盖范围时,卫星将存储的数据转发给地面接收站。使用低轨道卫星时数据的传输距离只有几百公里,因此数据采集平台体积小、功耗低。目前已有很多低轨道卫星携带有DCS系统有效载荷,它们包括:资源一号卫星、清华一号小卫星和美国的POES卫星等。

(3) 地面接收站和数据处理中心

  在DCS系统中,地面接收处理站对卫星转发的数据进行接收、解调。解调后的基带数据由数据处理中心进行处理,然后通过网络或其它手段交付给用户使用。

2 Argos系统

  下面将介绍一个典型的卫星数据采集系统——Argos系统,以使大家对卫星数据采集系统有进一步的认识和理解。

  Argos系统是一个典型的利用卫星通信对远端传感器进行数据采集,并对数据平台进行定位的卫星DCS系统。使用Argos系统的用户不仅可以快速、准确地获取位于远端的传感器采集的数据,还可以获取发射平台的物理位置信息。该系统是由法国国家空间中心(CNES)、美国航空航天局(NASA)以及国际海洋和大气组织(NOAA)在1978年共同开发完成的。经过20多年的使用和不断的发展,Argos系统已经日臻成熟,使用范围迅速扩大。目前Argos系统已经拥有分布在全球的7000多个数据采集平台,用户分布于全球的60多个国家和地区。

2.1 Argos系统的组成

  与其它的数据采集系统一样,Argos系统也是由数据发射平台、卫星上的DCS有效载荷、地面接收处理站和数据处理中心三个部分组成。由于Argos系统使用的是低轨道的极轨卫星,因此该系统的数据采集平台可以分布在包括南、北极在内的全球范围。每个数据采集平台可以安装多个传感器,它们负责采集用户关心的温度、压力等数据。采集后的数据经过平台中发射单元调制后被发送到卫星上。卫星接收到这些数据后对其进行实时或存储转发后将数据转发给Argos系统的地面接收站。由地面接收站对数据进行解调和处理,再将数据通过网络、磁盘和打印等多种方式分发给用户。除了收集环境数据外,Argos系统还可以对目标物体进行定位。将Argos系统的数据采集平台安装在移动的物体上,利用计算多普勒频移或在数据采集平台上安装GPS接收机,用户可以得到该物体的移动轨迹。

  数据发射平台(在Argos系统中被称为PTT)连接有多个传感器,它们收集用户需要的数据。PTT使用简单,发射频率固定在401.650MHz。根据不同的应用,数据采集平台的外形尺寸、重量和发射功率等指标有所不同。由于Argos系统使用的是低轨道卫星,而且卫星上的接收机灵敏度很高,因此对PTT的发射功率要求比较低,PTT的耗电少。

  PTT收集到数据后将数据进行调制,然后采用对同一数据进行多次发送的方式发送给卫星。每次发送的数据量最多可达256位,一次数据的发送的时间不超过960ms。数据的发送重复周期根据应用的不同被设置在42s至200s不等。

  Argos系统的星上设备安装在NOAA的POES卫星上。卫星从PTT接收到数据后,直接将数据转发给Argos系统的地面接收站,或是将数据进行解调和必要基带处理后将其存储在星上的存储设备中。当卫星从Argos系统的主地面站过顶时,星上再将数据调制后发送给地面接收站。

  由于Argos系统使用的是极轨卫星,因此PTT所在的纬度越高,每天卫星过顶的时间也就越长。在南、北两极,每颗卫星每天的过顶次数大约为7次,在赤道,每颗卫星每天过顶的次数约为3~4次。每次卫星相对PTT的过顶时间在8~15min,在这个期间,PTT向卫星发送数据。

  近几年来随着Argos系统的发展和使用范围的扩大,除了POES卫星外,Argos系统的星上设备也安装到了日本航天局的ADEOS和欧空局的METOP卫星上。

  Argos系统在全球建有三个主地面接收站,它们分别位于美国的Wallops Island、美国的Fairbanks以及法国的Lannion。三个主地面接收站在卫星可见时接收实时数据和卫星存储设备中的所有数据。除了三个主地面接收站外,Argos系统还建有多个区域地面接收站,这些区域地面接收站只负责接收本区域用户的数据。

在美国的Largo和法国的Toulouse还建有Argos系统的全球数据处理中心,它们负责处理来自地面接收站的所有数据,并将处理后的数据传送到用户的手中。Argos系统也建有区域数据处理中心,这些区域数据处理中心为本区域用户提供它们所需要的数据。

2.2 Argos系统确定移动PTT位置的方法

  Argos系统使用两种方法来确定移动PTT的位置。第一种方法是利用多普勒频移计算得到的。这是一种简单而且可靠的定位方法,其定位精度也满足了大多数用户的需要。多普勒频移是由于发射物体与接收物体之间发生相对运动后产生的一种效应。Argos系统使用低轨道卫星,星上设备接收到的PTT发送的信号频率与实际PTT发送信号的频率相比会产生偏移。当卫星从远处靠近卫星时,卫星接收到的信号频率比PTT发射的信号频率高;当卫星离开PTT方向移动时卫星接收到的信号频率低于PTT发射的信号频率。由于所有Argos系统中的PTT采用同一发射频率发送信号,因此地面数据处理中心可以根据卫星接收到的信号频率按照卫星的运动速度、PTT发射频率和卫星的接收频率等参数计算出PTT的位置。使用多普勒频移对PTT进行定位时,每次卫星过顶至少要采集4~5次被定位的PTT发来的信号,否则会降低定位的精度。

有多个因素会影响这种方法的定位精度,它们包括:平台的高度、平台的运动速度、平台中晶振的中期稳定度和短期稳定度等。实际上在定位PTT的计算时需要根据用户提供的PTT大致的移动速度、地球自转、卫星轨道等参数对计算结果进行修正。

为了能精确预报卫星的轨道参数,为定位计算提供修正参数,Argos系统在全球设立了11个参考PTT,这些PTT的位置是已知的,它们每隔30s发射一次信号。利用参考PTT发送的数据可以精确计算出卫星轨道参数。

第二种确定PTT位置的方法是在PTT中安装GPS接收机。使用GPS的方法可以大大提高定位的精确度。数据采集平台将GPS数据与平台的其它数据一起发送给卫星,然后由卫星将数据转发给地面接收站,最后将处理后的数据交给用户。使用GPS定位的Argos系统定位误差小于100m,并且用户只需要10min就可以获得需要的定位结果,而使用多普勒频移的方法则需要100min。

  当然,在PTT中安装GPS接收机会增加PTT的制造成本。实际上并非所有的用户都需要如此高的定位精度,GPS定位方法主要适用于以下几类用户:用户每天需要在固定的时间接收定位数据,而使用传统的多普勒频移方法得到数据的时间不固定;用户需要的定位数据量大;用户需要的定位误差小于100m,而用多普勒频移方法计算的定位误差平均为350m;用户设置平台的地点不利于使用多普勒频移的方法计算(如在山谷中,卫星接收到的信号量少)。

  除了为PTT进行定位以外,GPS接收机还可以为PTT提供精确的时间。在PTT中存储卫星过顶的时间表,利用这个时间表PTT可以只在卫星过顶时向卫星发射信号,而不必长期不间断地发射信号。

2.3 Argos系统的双向通信功能

  近几年来Argos系统在不断地更新和发展,它可以为用户提供更加方便、快捷和高质量的服务。其中Argos系统新增加的一个功能是在卫星和PTT之间进行双向通信,实际上它增加了PTT发送的数据量。

日本航天局的ADEOS-II卫星是第一个载有Argos系统双向通信能力的DCS有效载荷的卫星。它为Argos系统增加了三个功能:

(1) 发送下行消息

  用户可以向PTT发送一些简单命令,例如对PTT进行开关机操作、重新启动PTT、设置PTT的数据发送重复周期以及设置数据发送的速率等。

(2) 发送管理平台的数据

  管理平台的数据可以包括:修改传感器参数、改变操作模式、对发射机进行编程等。使用双向的Argos系统后,管理人员可以将轨道周期、星座设置等数据定时发送给PTT。根据这些数据采集平台预测出下一次卫星过顶的时间,它们只需要在卫星过顶时发送信号。使用这种方法延长了PTT的使用寿命。卫星对PTT的下行信号是连续发射的,因此PTT也可利用该信号检测卫星是否可见。

(3)交互的数据收集模式

  第一代的Argos系统采用多次发送数据的方法来增加卫星接收数据的可靠性。使用双向的Argos系统后,卫星在接收到数据后给PTT发送一个应答消息,PTT在应答后就可以发送下一组数据,减少了PTT向卫星发送同一数据的次数,实际上也就是增加了发送的数据量。如果PTT被设置为以交互的方式工作,当检测到卫星飞到自己的可见区域时,它会向卫星发送一个要求传送数据的消息,得到卫星的允许消息后,PTT开始向卫星传送数据。当卫星离开PTT的可见区域后,PTT与卫星之间的对话结束。

  新一代的Argos系统除了增加双向通信功能外,还在其它很多方面也有所改进。例如,系统信道带宽由以前的24kHz增加到80kHz,卫星接收机的接收灵敏度由-128dBm增加到-131dBm,星上处理单元由4个增加到8个。

3 DCS系统的应用

  早在20世纪70年代,国外一些卫星就开始搭载数据采集系统有效载荷。它们主要用于海洋监测和气象预报。美国的静止业务环境卫星(GOES)中的DCS系统收集和中继来自远端自动采集的数据。该系统中的数据采集平台可以采用定时报告、询问应答、紧急方式和自适应随即报告等多种方式发送数据。平台测量并报告的数据包括大气状态、海洋状态、河流水位、土质温度和地震指数等。数据采集平台采集的数据通过星上的DCS中继到数据接收站,然后准实时地传送到中央数据分发中心。

  日本的GMS对地静止气象卫星也搭载有DCS系统。该系统将数据采集平台安装在海洋中的浮标、船舶或飞机上收集气象资料。该系统还收集远距离自动气象站观测的资料,并将这些数据发送到数据处理中心,以便气象学家对它们作进一步的处理和分析。

  国际海洋组织自1979年以来发射了三颗海事卫星,它们都装载有DCS有效载荷。该系统的数据采集平台有A、B、C、M、Aero、P等多种形式,其中C型通过只有几十厘米的全向天线,以存储转发的方式提供电传和低速数据(600bit/s)通信。该系统不仅可以用于数据采集,还可与GPS综合在一起,作为定时和位置报告。

  到目前为止美国、俄罗斯、英国、德国、日本、印度、巴西等国家和一些国际组织都在积极地发展和应用卫星数据采集系统。随着卫星通信技术的不断发展,新一代的DCS系统带给用户更多更好的服务,它的应用范围也在不断扩大。

  我国从20世纪80年代起也开始了对卫星数据采集系统的研究工作。目前我国装载有DCS有效载荷的卫星包括:风云一号气象卫星、风云二号气象卫星、资源一号卫星等。DCS系统在我国可以广泛地应用于环境保护、灾害预报、海洋监测、森林防火和气象监测等多个方面。

摘自《电信科学》