引言

Meteosat-5卫星原定位于0°, 为支持印度季风试验 (INDOEX), 欧洲气象卫星组织 (EUMETSAT) 将其挪动到印度洋63°E处^[1].

Meteosat-5卫星于1998年7月开始, 至1999年年底定位在63°E, 在1691 MHz频率上播发卫星资料.目前, Meteosat-5每半小时播发一次HRI资料, 其中6 h一次的高分辨率图像资料HRI不加密, 但如需要接收频次更多的高分辨率图像, 则必须向EUMETSAT申请, 并获得密钥 (Meteosat Key Unit, MKU).

Meteosat-5资料对我国, 特别是西部地区是有价值的.在我国FY-2卫星尚未形成业务能力时, Meteosat卫星的资料就更有价值.例如印度洋季风试验就很需要该地区的卫星资料.我们与EUMETSAT达成协议, EUMETSAT同意我国使用Meteosat卫星的资料, 并提供了密钥.

Meteosat-5只播发它本身观测的图像, 但定位于0°的Meteosat-7卫星除了播发Meteosat卫星本身观测的高分辨率资料外还转发美国GOES卫星、俄罗斯GOMS卫星及日本GMS卫星的数字资料, 因此通过接收Meteosat-7卫星资料可以获得全球的静止气象卫星资料, 拼接成全球云图.

1999年以后, 在新疆喀什接收到定位于0°的Meteosat-7卫星资料, 我国又获得一个长期稳定的静止气象卫星资料, 这是十分宝贵的. Meteosat-5接收处理系统的研制成功, 为在喀什建站接收Meteosat-7资料打下了基础. HRI资料接收处理系统于1998年8月接收到Meteosat-5 HRI资料, 并立即传输给国家气象中心会商室, 在1998年特大洪水监测中发挥了一定作用, 1998年11月开始通过新建的中国气象局9210 VSAT卫星通信网向中国气象局下属用户分发.

1 MVIRI成像仪和HRI传输特性

Meteosat-5卫星主要有效载荷为Meteosat可见光和红外成像仪MVIRI. MVIRI是一个3通道的成像仪, 是世界上第一个在静止气象卫星上获得水汽通道图像的扫描辐射器, 每幅图像成像时间为25 min.其性能如表 1所示.

Meteosat卫星播发高分辨图像资料HRI^[2]、低分辨模拟云图WEFAX和低速气象数字资料MDD 3种资料. HRI的传输特性如下:

① 频率:1691 MHz (Meteosat-5 HRI原在1694.5 MHz, 传输后因该频率的转发器发生故障, 故切换到1691 MHz);

② 频率长期稳定度:±1.2×10^-5/s, 短期稳定度:±7×10^-9/s;

③ EIRP:49.0 dBmw (对5°仰角的地面站);

④ 极化:线极化;

⑤ 调制:PCM/PSK, BФ-L;

⑥ 调制度:1.2弧度±5%;

⑦ 码速率:166.6 kbps;

⑧ 带宽:660 kHz;

⑨ 字长:8 bit;

⑩ 帧同步长度:24 bit;

⑪ 对接收系统G/T值要求:10.5 dB/k

2 HRI资料接收处理系统的组成

HRI资料接收处理系统的组成如图 1所示.系统由两套3 m天线、低噪声放大器、下变频器、解调器和比特同步器以及一套解码器、密钥、进机卡和微型计算机组成.

Meteosat-5发射于1991年, 因其倾角较大, 可达2°, 卫星对于地面站相对位置的变化方位约1.55°, 俯仰约1.57°.按常规方法, 接收天线必须采用跟踪天线, 如采用固定天线, 则每天需多次调整天线的指向, 否则, 可能有部分时次资料接收效果欠佳.为此我们采用了双天线方案, 即两副天线分别对准卫星“8”字形运动的北半部和南半部, 如图 2所示.每天定时切换天线两次, 使得每天之中总有一个天线接收的信号足够强. 3 m天线波瓣宽度约4.2°, 采用双天线可以接收一天各个时次的资料.由于卫星漂移较大, 要求接收天线的波束较宽, 因此天线口径不宜选得太大, 相应地要求前放的噪声系数要尽可能低些.

接收系统前放噪声小于0.65 dB, 以满足误码率小于10^-6的要求.下变频器、解调器、比特同步器装在一个机箱内.解码器和密钥分别购自欧洲一公司和EUMETSAT.帧同步器、缓冲器接口采用一体化卡结构插入计算机内.

计算机硬件平台为:Pentium Ⅱ/266, 64 MB内存, 40 GB硬盘.

每幅HRI图像约为6 MB, 在硬盘上贮存快满时转存到光盘上存档.计算机软件平台为Microsoft Window 98, 开发语言为Microsoft VisualC++ 5.0.

3 研制内容

系统的研制开发工作分为硬件和软件两部分.硬件研制工作主要包括:

(1) 整个系统的硬件集成  天线及信道部分 (包括低噪声放大器和下变频器) 均通过市场购买获得.但下变频器由于是针对Meteosat-5 HRI的接收, 其下行频率点为1691 MHz及1694.5 MHz, 因此需特别定制.

(2) 解调器电路的设计与制作  Meteosat-5调制方式为PCM/PSK, 与日本GMS及中国FY-2卫星类似, 因此较易实现.

(3) 比特和帧同步器电路的设计与制作  比特帧同步器的设计依据其数据码型 (NRZ-L码) 来实现, 这与日本GMS及中国的FY-2卫星相类似, 但帧同步方式不同.欧洲卫星采用固定的24 bit (0000, 0101, 0000, 1100, 1101, 1111) 来作为子帧 (Subframe) 的起始, 同时每一个子帧依图像模式 (A或B) 的不同由8帧或4帧 (Frame) 数据组成, 如图 3a及图 3b所示.每一帧数据前由上述固定的24位同步码起始, 但由不同的帧识别码 (ID) 来标识每一帧.对帧同步器而言, 识别24位同步码是容易的, 但由于24位同步码出现在每一条数据的多处, 因此, 同步发生之处并不真正代表一条扫描数据的开始, 这对事后的数据处理会带来一定的困难, 特别是在信噪比较差时, 容易造成丢帧或漏同步.为了克服这一缺陷, 在设计中, 将24位同步码及8位帧识别码中的低4位共同作为发生帧同步的判决条件 (见图 4).这样, 帧同步代表的即是真正的每一条扫描数据的开始.

(4) 数据缓冲器电路的设计与制作  由于HRI数据的子帧与子帧之间并无间隙, 因此, 需采用双缓冲器技术来接收每一子帧数据.由于HRI子帧的长度最大为2912字节, 因而对缓冲存储器的要求较低.

实际研制过程中, 采用卫星气象中心较为成熟的一体化技术, 将解调器、比特/帧同步器和数据缓冲器集成在一块标准PC插板上.为了使电路设计特别是帧同步电路设计更加容易实现和修改, 采用了FPGA可编程技术.

软件的开发研制主要集中在HRI数据的进机与预处理以及图像产品的生成.对于深加工产品和应用处理功能, 在研制过程中, 由于研制周期的限制, 没有更多的涉及.

软件的主要功能有:

(1) HRI资料的实时进机   HRI数据以DMA方式 (存储器直接存取) 与PC进行数据通讯.目前Meteosat-5的HRI数据每隔半小时播发一次, 频次较高.为了确保资料的准确接收, 接收程序始终处于前台激活状态, 并按照设定的时次和时刻自动进入接收过程.

(2) 数据预处理和处理  HRI数据的预处理分为三部分:①通道分离:HRI资料包含了红外 (IR)、可见光 (VIS) 及水汽 (WV) 图像, 但每一次播发的资料中包含哪个通道的数据, 根据该时次的播发格式而定. HRI资料的格式较为复杂, 分为A、B及X 3种模式, 对于每一种模式, 又由通道数据的组合而形成若干种数据下发格式 (如AIV, AIW, BIVH格式等), 因此在接收时, 要通过格式中的识别码以及对于某些特定信息的判译来区分本次接收的数据编排格式.在确定了本时次数据的编排格式后, 即可根据该格式所对应的数据通道组合和帧格式来进行数据通道分离.这一工作在数据接收过程中完成.②数据质量检验:主要是对可能出现的丢帧 (Subframe) 进行检测, 在形成图像时, 予以补帧.此外, 对一些关键信息, 如日期、模式字等, 均采用多帧比较的方法确认, 以防止误码造成错误信息. ③图像定位与定标:HRI图像在下发前, 已经过位于德国达姆斯塔德的数据处理中心进行定位处理, 对于一幅HRI全圆盘图而言, 其对应的地球坐标或地理网格是固定的, 因而, 用户不需要再对HRI图像进行重新定位处理. HRI图像的定标采用由EUMETSAT提供的定标公式来计算.公式中定标系数则由EUMETSAT通过INTERNET WEB定期修改及公布.

(3) 图像文件生成  图像文件生成依据所要形成图像的大小、中心经纬度和抽样率来实现, 系统可生成任意尺寸区域图像文件以及最大为2500×2500象素的全圆盘图像文件.

(4) 图像迭加  加上10°的地理网格以及国界和河流等.

(5) 图像处理功能  包括增强、放大和漫游等.

(6) 9210分发产品格式  将系统中形成的图像文件, 按照9210工程分发产品的格式¹⁾要求, 形成分发产品向全国分发, 分发产品的文件名为E××××××. AWX, 目前包括红外及水汽全圆盘图, 以及与GMS-5图像形成的大拼图.

1) 杨军. 9210分发产品格式.国家卫星气象中心, 1997.

(7) 业务自动化软件  本系统的研制目的是为了形成一个接收HRI资料的业务系统, 因此, 全部软件包都业务化和自动化.

4 研制结果

实验结果表明研制的系统能连续、可靠地运行, 接收的可见光和水汽图像如图 5、图 6所示, 图像质量良好.目前该系统已完全投入了实时业务运行, 每天约每隔1 h接收一幅图像, 并通过9210分发给各地, 对各地特别是西部地区监视上游天气起到良好的作用.