紐莉榮，陳 媛

（國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西 西安 710200）

0 引言

目前，世界主要國家都很重視遙感衛(wèi)星的發(fā)展，努力通過政策引導和資金支持，逐步擴展遙感衛(wèi)星的應用范圍。遙感衛(wèi)星具有技術(shù)要求低、成本低、發(fā)射費用低、無軌位限制、用途廣泛等特點[1]，因此近幾年商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)量迅速增加。目前，我國遙感衛(wèi)星已進入體系化發(fā)展和全球化服務的新階段，建成了陸地觀測、海洋觀測和大氣觀測等多領(lǐng)域的立體觀測，廣泛應用于基礎(chǔ)設施、災害管理、氣象業(yè)務、海洋業(yè)務、資源管理、國防安全、地理位置服務等領(lǐng)域[2]。

隨著遙感衛(wèi)星應用領(lǐng)域的不斷擴展，衛(wèi)星應用行業(yè)和部門對衛(wèi)星無線電頻率和軌道資源的需求日益迫切。為促進無線電頻率軌道資源的有效使用，同時為避免衛(wèi)星頻率軌道資源的干擾沖突，開展遙感衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)成為亟需解決的問題。大部分的遙感衛(wèi)星為NGSO衛(wèi)星，只有少數(shù)的氣象衛(wèi)星為靜止軌道衛(wèi)星，本文重點研究NGSO遙感衛(wèi)星的監(jiān)測。

1 遙感衛(wèi)星介紹

空間對地觀測系統(tǒng)通常包含遙感衛(wèi)星和地面站兩部分，工作原理是觀測系統(tǒng)利用衛(wèi)星上加載的各類遙感設備來獲取目標輻射或反射回來的電磁波信息，然后把這些信息傳送到地面站進行處理和應用。當前我國已經(jīng)廣泛應用的遙感衛(wèi)星有資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、偵查衛(wèi)星和測繪衛(wèi)星。遙感衛(wèi)星的地面站分為測控站和信關(guān)站[3]。測控站主要是完成對遙感衛(wèi)星的跟蹤測量、遙控、遙測與通信，并將接收到的信息傳送至控制中心，然后配合控制中心完成對遙感衛(wèi)星的控制[4]。信關(guān)站承擔遙感衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的接收與處理，可以進行數(shù)據(jù)的接收、處理、傳輸、存檔、發(fā)布和產(chǎn)品處理等多個環(huán)節(jié)，有些信關(guān)站也有測控站的功能[5]。

我國的遙感衛(wèi)星地面測控站主要以航天測控網(wǎng)為主，還建設了一些行業(yè)測控站與民營測控站。航天測控網(wǎng)由測控中心和分布在全球的固定站、機動站、遠望號測量船、測量飛機等組成[6]，可完成中低軌、地球同步軌道等不同類型衛(wèi)星的發(fā)射測控、在軌測控和離軌測控。航天測控網(wǎng)固定站由西安測控中心，以及喀什、廈門、青島、長春、佳木斯、北京密云、三亞、昆明、廣州等測控站組成。另外還建成了8個海外航天測控站：巴基斯坦（卡拉奇站）、肯尼亞（馬林迪站）、西南非洲（納米比亞站）、南美洲（圣地亞哥站）、澳大利亞（當加拉站）、巴西（阿爾坎特拉站）、阿根廷（內(nèi)烏肯站）和法國（奧賽蓋爾站）。由?；鶞y控船（遠望號）、國內(nèi)與國外陸地基站點及“天鏈”中繼衛(wèi)星（天鏈一號）組成的強大測控網(wǎng)，正在加速布局完善。一些行業(yè)用戶如二十一世紀公司、中國衛(wèi)通集團建設了針對特定衛(wèi)星的地面測控站。另外，南京航空航天大學、西北工業(yè)大學和歐比特宇航科技有限公司等根據(jù)承擔的科研及商業(yè)項目需求建設了U/V頻段的地面測控站。2015年以后，國內(nèi)多家民營測控公司建設部分測控站為微小衛(wèi)星提供測控支持。

我國的遙感衛(wèi)星地面信關(guān)站在1986年建設完成并投入使用，承擔了我國全部的民用觀測衛(wèi)星及空間科學衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收，同時還能夠接收部分國外的觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)積累了豐富的遙感衛(wèi)星資源，能夠為行業(yè)提供基礎(chǔ)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，并為國家經(jīng)濟建設、科學研究和社會發(fā)展做出了重大貢獻。經(jīng)過這30多年的發(fā)展，我國遙感衛(wèi)星地面信關(guān)站系統(tǒng)以北京總部為中心，包括密云、喀什、昆明、三亞、北極5個衛(wèi)星接收站[7]，能夠覆蓋我國全部領(lǐng)土以及亞洲70%的陸地區(qū)域，形成了空間科學衛(wèi)星和觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)系，所能承載的衛(wèi)星任務、數(shù)據(jù)規(guī)模和體量都位居世界前列，具備全球數(shù)據(jù)的快速處理能力。

遙感衛(wèi)星使用的無線電頻率主要包括遙測遙控頻率（簡稱測控頻率）和數(shù)據(jù)傳輸頻率（簡稱數(shù)傳頻率或業(yè)務頻率）。測控頻率是遙感衛(wèi)星與測控站進行通信使用的頻率，數(shù)傳頻率是遙感衛(wèi)星與信關(guān)站之間進行數(shù)據(jù)傳輸使用的頻率。測控頻率應使用《無線電頻率劃分規(guī)定》中空間操作業(yè)務劃分的頻率，同時可以根據(jù)衛(wèi)星載荷的業(yè)務頻率來開展測控任務，各個國家都鼓勵采用測控與數(shù)傳頻率一體化設計來開展測控任務。目前，S頻段的測控頻率首先要保障國家衛(wèi)星的測控任務，其次支持商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射、入軌、維護以及應急管理等測控任務需求。X頻段的測控頻率主要用于空間研究業(yè)務和衛(wèi)星地球探測業(yè)務的測控任務。目前各個國家鼓勵采用Ka、Q/V等更高頻段作為測控頻率，可以滿足未來大規(guī)模星座、互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等復雜衛(wèi)星系統(tǒng)的測控任務。我國的衛(wèi)星遙感測控頻率主要采用的是S頻段。

目前，數(shù)傳頻率使用的是衛(wèi)星間業(yè)務、衛(wèi)星地球探測業(yè)務和空間研究業(yè)務等業(yè)務的頻率。大氣探測衛(wèi)星的數(shù)傳頻率，除了可使用上述業(yè)務頻率，還可以使用衛(wèi)星氣象業(yè)務的頻率。對于中低速的數(shù)傳任務一般選擇X頻段（8025～8400 MHz或8400～8500 MHz），高速的數(shù)傳任務一般使用Ka頻段（25.5～27 GHz）。各個國家都鼓勵數(shù)傳頻率和測控頻率的一體化設計，采用數(shù)傳下行頻率來傳輸遙感衛(wèi)星的測控信號，有效提高頻譜的利用率。

遙感衛(wèi)星和地面測控站或信關(guān)站之間通信，進行數(shù)據(jù)交換必不可少，通信信號按用途分為測控和數(shù)傳信號，數(shù)傳信號調(diào)制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、16APSK等，測控信號一般由多種功能信號復合調(diào)制而成，常常由跟蹤測軌信號、遙測信號、遙控信號及通信功能信號組成。目前遙感衛(wèi)星測控和數(shù)傳頻率涉及UHF、VHF、L、S、X、Ka等頻段，未來會向Q/V等更高頻段發(fā)展，因此需針對這些頻段的NGSO遙感衛(wèi)星信號進行監(jiān)測分析。

2 監(jiān)測方法

遙感衛(wèi)星所有的下行信號都與測控站或信關(guān)站進行通信，為實現(xiàn)NGSO遙感衛(wèi)星的監(jiān)測，必須在遙感衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)架設NGSO遙感衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)。NGSO遙感衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)由天線接收、測量分析、數(shù)據(jù)管理和輔助配套系統(tǒng)組成。相比于靜止軌道（GEO）衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大差別在于天線接收系統(tǒng)的不同。當天線實時跟蹤到衛(wèi)星時，衛(wèi)星下行信號到達天線口面，經(jīng)過天線接收并放大，通過接收鏈路傳輸至寬帶測量接收機和頻譜儀，由軟件完成射頻參數(shù)測量，自動存儲至數(shù)據(jù)庫并進行比對。

（1）天線接收系統(tǒng)。天線接收系統(tǒng)的功能是接收衛(wèi)星空間信號，并傳輸給測量分析系統(tǒng)。天線通過伺服系統(tǒng)實現(xiàn)指向或跟蹤不同軌道衛(wèi)星，調(diào)整接收天線極化方式，接收衛(wèi)星下行信號，對射頻信號進行放大，經(jīng)過下變頻器變頻為中頻信號進行傳輸。該系統(tǒng)主要由天線、極化調(diào)整裝置、下變頻器、波導傳輸裝置、跟蹤接收機、切換矩陣和伺服控制系統(tǒng)組成。

（2）測量分析系統(tǒng)。測量分析系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)射頻信號的采集，指定頻段信號的載波數(shù)量和參數(shù)測量，時間和頻段占用度的統(tǒng)計分析支持衛(wèi)星的過境預測、跟蹤參數(shù)計算等功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)以上測量分析結(jié)果及計算參數(shù)的顯示。該系統(tǒng)主要由變頻單元、中頻預處理單元、信號采集單元、寬帶測量接收機、頻譜分析儀、測量識別軟件、顯示終端和時頻系統(tǒng)組成。寬帶測量接收機實現(xiàn)對目標頻段內(nèi)所有衛(wèi)星信號的射頻參數(shù)和測量次數(shù)的實時測量輸出，頻譜分析儀實現(xiàn)目標頻段的全景頻譜抓取。

（3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、監(jiān)測采集數(shù)據(jù)、測量分析數(shù)據(jù)、任務數(shù)據(jù)的存儲備份、導入導出、查詢修改等操作，支持數(shù)據(jù)離線處理，并能夠與臺站數(shù)據(jù)庫和頻率數(shù)據(jù)庫進行比對，如有異常發(fā)出告警。通過數(shù)據(jù)分析工具和手段對數(shù)據(jù)比對分析，完成對目標頻段、目標衛(wèi)星頻譜資源的評估和分析。支持遠程數(shù)據(jù)傳輸，可以將所有數(shù)據(jù)傳輸給控制中心。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)存儲單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。

（4）輔助配套系統(tǒng)。輔助配套系統(tǒng)主要包括時間頻率同步單元、配電單元、監(jiān)控單元。時間頻率同步單元包括高穩(wěn)時鐘源和時鐘分配設備，實現(xiàn)整個衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)時間和頻率基準統(tǒng)一。配電單元為整個系統(tǒng)提供可靠、充足、安全的電力供應。監(jiān)控單元實現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)控。

NGSO遙感衛(wèi)星信號的監(jiān)測和測量不同于GEO衛(wèi)星。主要是因為NGSO遙感衛(wèi)星對地不是靜止的，衛(wèi)星與地面的相對運動產(chǎn)生多普勒頻移，導致收發(fā)頻率不同而引起接收頻率變化；地面上的固定監(jiān)測點接收到近地軌道遙感衛(wèi)星信號的時間有限且可視時間相對較短；另外距離遠，發(fā)射機功率小，地面接收點上的功率通量密度很小，因此針對NGSO遙感衛(wèi)星的監(jiān)測需要監(jiān)測天線方向必須連續(xù)可調(diào)而且方向性很強。以下詳細介紹具體的監(jiān)測方法，可以按照圖1的流程對NGSO遙感衛(wèi)星進行監(jiān)測。

圖1 遙感衛(wèi)星監(jiān)測流程

（1）星歷獲取，過境預測。衛(wèi)星星歷以開普勒定律的6個軌道參數(shù)之間的關(guān)系確定飛行體的時間、坐標、方位和速度等參數(shù)。星歷具有極高的精度，能夠精確計算、預測、描繪、跟蹤衛(wèi)星的時間、位置、速度等運行狀態(tài)。通過及時更新的公開衛(wèi)星星歷和監(jiān)測站經(jīng)緯度，可以計算并預測衛(wèi)星過境該監(jiān)測站的時間以及天線的方位角和俯仰角。具體預測內(nèi)容包括過境起始時間、結(jié)束時間、起始方位、結(jié)束方位、起始仰角、結(jié)束仰角，最大方位、最大仰角。

（2）跟蹤衛(wèi)星（天線對星）。在預測的過境時間段開始之前，天線伺服控制系統(tǒng)啟動，將天線預置到計算好的天線方位角和俯仰角，開始掃描衛(wèi)星信號（可以調(diào)整極化方式），當能捕獲到目標衛(wèi)星時，自動跟蹤衛(wèi)星對準天線波束，使天線對衛(wèi)星進行精確指向。另外，系統(tǒng)也支持手動控制對星。NGSO遙感衛(wèi)星與GEO遙感衛(wèi)星監(jiān)測的最大不同在于跟蹤衛(wèi)星，由于衛(wèi)星相對監(jiān)測站是不斷運動的，需要天線不斷連續(xù)轉(zhuǎn)動，才能實現(xiàn)對衛(wèi)星的不間斷跟蹤。采用程序跟蹤和自動跟蹤相結(jié)合的方法實現(xiàn)對NGSO遙感衛(wèi)星的跟蹤。程序跟蹤能夠快速捕獲目標，但跟蹤精度較低。自動跟蹤精度高、速度快，但大范圍內(nèi)捕獲目標比較困難。

（3）信號監(jiān)測。設置目標衛(wèi)星的頻段、參考電平、RBW、天線極化方式等參數(shù)，對衛(wèi)星下行信號頻譜進行顯示，包括寬帶和窄帶監(jiān)測，實時監(jiān)測多個頻點的情況。顯示掃描信號的頻譜圖和瀑布圖，可以查看信號強弱。若信號為跳頻信號，需要選擇最大保持，可根據(jù)監(jiān)測需求下達任務實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

（4）信號采集與測量。設置頻率、帶寬、采集時長等參數(shù)，可以對指定頻率和帶寬信號進行采集存儲，包括異常信號采集，采集數(shù)據(jù)可用于離線分析和處理。根據(jù)頻譜監(jiān)測結(jié)果，測量衛(wèi)星下行的載波頻率、帶寬、載波功率、功率通量密度、推算衛(wèi)星的EIRP值，并分析獲取載波的調(diào)制方式、碼元速率等信息。

（5）結(jié)果顯示。實時顯示衛(wèi)星下行信號頻譜圖，以圖形或列表形式詳細給出信號測量分析結(jié)果，如包含的載波個數(shù)，載波的頻率、帶寬、功率通量密度、極化方式、調(diào)制方式等結(jié)果?？梢詫π盘柕谋O(jiān)測時間、監(jiān)測次數(shù)以及時間占用度、頻段占用度等統(tǒng)計報表進行顯示。另外可以顯示系統(tǒng)內(nèi)設備和軟件的工作狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)。

（6）數(shù)據(jù)存檔與備份。在監(jiān)測過程中，對原始數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)進行存儲和入庫，包含衛(wèi)星數(shù)據(jù)、任務數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)等?？梢詫Πl(fā)現(xiàn)的非法信號、不明信號進行標注入庫，并能與現(xiàn)有無線電臺站數(shù)據(jù)庫以及頻率數(shù)據(jù)庫進行比對，給出相關(guān)的告警信息。實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的回放、導入導出、報表打印等?？梢詫σ褱y量分析的衛(wèi)星下行信號進行離線數(shù)據(jù)處理分析。

3 結(jié)束語

本文介紹了遙感衛(wèi)星的工作原理和具體的監(jiān)測方法，提出了NGSO遙感衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的組成，該系統(tǒng)支持對遙感衛(wèi)星信號進行識別和提取，能夠?qū)^境的NGSO遙感衛(wèi)星的頻率和軌道資源進行全面的監(jiān)測，提高監(jiān)測的時效性和準確性。