VHF波段LRPT標準氣象衛星信號接收

鐘云海， 蘭國輝， 王 蘇， 易成濤

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

氣象衛星數據可為包括航海在內的眾多應用提供分析決策依據。由于典型的氣象衛星信號通常位于L波段和X波段，接收設備需采用直徑1～2 m的拋物面天線，同時極軌氣象衛星信號接收還需采用伺服機構來保證天線跟蹤，因此氣象衛星信號通常主要由地面站接收。[1-2]然而，目前航海上使用的氣象衛星信息主要來自于氣象傳真機或數據鏈的轉發，大大限制了數據的實時性和分辨率。

早在1998年，歐洲空間局就已制定低分辨率圖像傳輸(Low Resolution Picture Transmission, LRPT)標準[3]，旨在通過平衡數據帶寬與接收設備復雜性之間的矛盾，推進氣象數據的直接接收。然而，2006年發射的歐洲氣象衛星LRPT載荷因技術故障未能正常工作。直到2014年，俄羅斯Meteor-M極軌氣象衛星才實現該標準并公開播發信號。[4]

雖然LRPT已對原始高分辨率數據進行壓縮，但實測結果表明其壓縮率不大，質量因子保持在80%左右，圖像具有較高的清晰度；同時，由于其工作在甚高頻(Very High Frequency, VHF)波段，用戶無需大型天線和復雜跟蹤設備也能直接接收氣象衛星數據，在航海上具有潛在的應用前景。本文首先介紹LRPT標準，然后闡述信號接收處理的原理和方法，最后給出實測結果和結論。

1 LRPT傳輸標準

當前氣象衛星有效載荷通常有十幾種，實現全部數據播發需具有較大帶寬。LRPT通過優選數據類型、數據壓縮等方式將帶寬限制在150 kHz以內，從而通過VHF波段(137 MHz)發射，流程見圖1。

原始數據以國際空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)標準打包：首先采用JPEG標準進行壓縮和編碼，以降低數據量；其次進行卷積編碼，以提供一定程度的糾錯能力；隨后對數據進行交織處理，以抵抗突發性干擾；最后經過串并轉換，采用QPSK方式調制，并以右旋螺旋極化方式發射。[3]

Meteor-M衛星JPEG編碼單元為8×8像素，數據壓縮采用離散余弦變換，系數編碼采用Hoffman碼。[5-6]卷積編碼采用Viterbi方式[7]，碼率為1/2，約束長度7 bits，連接向量分別為1111001和1011011。

2 接收方案

接收方案包括信號采集、數據解調和數據解碼等3部分(見圖2)。

信號采集部分包括四相螺旋天線(QFH)、AD-FMCOMM-S3通用無線電收發板、ZedBoard系統板和控制軟件。信號采集部分將射頻信號下變頻至零中頻之后進行AD采樣，形成i、q雙通道數據文件。數據解調和數據解碼部分在PC機上實現。數據解調部分根據QPSK原理將采樣數據文件轉化為符號文件。數據解碼部分則將符號文件依次通過卷積解碼、解交織、JPEG解碼和分包處理等步驟，最終恢復成衛星探測的原始數據。

2.1 信號采集

ADFMCOMM-S3和ZedBoard組成的通用無線電收發模塊可靈活設定采樣中心頻率、采樣率、帶寬和增益等參數。[8-9]根據Meteor-M衛星LRPT頻段，ADFMCOMM-S3板載振蕩器的中心頻率設定為137.887 MHz，采樣頻率為1152 kHz，帶寬為200 kHz，增益約為20 dB。經過下變頻、濾波和采樣之后，LRPT信號頻譜移至零附近。

2.2 數據解調

采樣數據不僅包含編碼信息，還包含衛星多普勒頻移、接收機NCO頻偏等因素帶來的載波相位、頻率偏差和采樣位置偏差，因此需進行包括載波同步、位同步在內的QPSK解調。本文設計的數據解調方案見圖3。

采樣信號可表示為

(1)

式(1)中：a和b為符號數據；ω為剩余載波頻率；θ為載波相位。采樣信號首先進行復混頻，進一步剝離剩余載波頻率誤差。復混頻NCO受載波同步器控制，其輸出信號為

(2)

式(2)中：ω0為NCO參考頻率；θ0為NCO初始相位。忽略推導過程，混頻之后信號可表示為

(3)

式(3)中：Δω=ω-ω0；Δφ=θ-θ0。若載波環路保持鎖定跟蹤，則式(3)可簡化為

(4)

至此實現了衛星原始正交信號的分離，確定合理的采樣時刻即可獲得編碼數據。采樣前i和q信號再分別通過成型濾波器，減小QPSK調制的碼間干擾(ISI)。成型濾波采用升余弦濾波器，滾降系數設定為0.6，與衛星信號調制匹配；截止頻率設定為72 kHz，與衛星數據符號率一致；濾波器采用40抽頭的FIR濾波器實現。

通過濾波器之后的信號再進行重采樣。重采樣速率為符號率的2倍，重采樣插值方法是采用立方插值[10-11]，計算方法為

y=a0dx3+a1dx2+a2dx+a3

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：y0～y3分別為重采樣前后2次的采樣值；dx為重采樣相位偏移。

載波同步回路包括相位誤差檢測和環路濾波，然后控制復混頻NCO。載波相位誤差檢測采用的方法[12-13]為

(7)

式(7)中:I、Q為歸一化后的信號；sgn為符號函數。載波環路濾波器采用二階鎖相環，其2個參數為

(8)

式(8)中：ζ為環路阻尼系數；ωn為相位噪聲帶寬；Ts為計算周期，是符號率的倒數。

位同步回路包括同步誤差檢測和環路濾波，然后控制重采樣時刻。位同步誤差檢測采用Gardner法[14-15]，計算式為

(9)

式(9)中：t、t-1和t+1分別為當前、前一次及后一次抽樣時刻。位同步環路濾波器采用誤差平均法，定期調整重采樣時刻。

2.3 數據解碼

數據解碼基本上是LRPT標準的逆過程，但從接收的數據來看，Meteor-M衛星沒有完全遵照標準，數據交織環節沒有實施，因而接收端解交織處理暫時被取消。

3 試驗結果

VHF波段LRPT標準信號接收測試平臺見圖4，其中：左側天線為OFH天線；中間為AD-FMCOMM-S3和ZedBoard電路板；右側筆記本用于數據存儲和后期處理。

在測試平臺搭建完成之后，對Meteor-M衛星信號進行跟蹤、采集和分析。在大連的測試平臺所在位置，Meteor-M衛星每晝夜經過2～3次，通常只有當衛星高度角>15°時，信號才能捕獲跟蹤，每次接收時長為8～12 min，其頻譜見圖5a)。圖5b)為信號捕獲跟蹤過程中本地載波頻移隨時間的變化情況，衛星在過頂中過程存在約3 500 Hz多普勒頻移。

載波環參數設置對信號捕獲跟蹤有一定影響。通過測試，當載波環相位噪聲帶寬ωn=10 Hz，阻尼系數ζ=0.707時，載波鎖定跟蹤穩定且后期誤碼率較低。位同步環每10個重采樣間隔調整一次。

經過載波同步和位同步之后的散點圖和眼圖見圖6，點陣間隔和眼圖開口明顯，表明解調信號具有較好的識別度。

當前解碼后的數據主要是可見光紅外傳感器數據(見圖7)。每次接收的數據包括3個通道。白晝接收的數據通常包括0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和10.50～11.50 μm通道數據；偶爾為0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm通道數據。夜間只發現10.50～11.50 μm通道存在有效數據。

圖7中第1行和2行為白晝數據，第3行為夜間數據；第1列和第2列分別為0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm通道數據；第3列除第1行為1.60～1.80 μm通道數據以外，其他為10.50～11.50 μm通道數據。

Meteor-M衛星播發的數據寬度固定為1 568像素，對應地面約3 000 km范圍，平均精度約為1.9 km/像素。數據縱向長度不固定，與衛星過頂時間的長度、信噪比和接收處理參數有關，通常為1 200～3 000像素，覆蓋范圍為1 300～3 300 km。由于衛星高度角較小時信噪比較低，圖像上下兩端有少許不規則條帶。

0.50～0.70 μm、0.70～1.10 μm和1.60～1.80 μm為可見光通道，可組合成3通道偽彩圖像，見圖8a)。10.50～11.50 μm為近紅外通道，一般單獨顯示；由0.50～0.70 μm和0.70～1.10 μm 2個可見光通道組成偽彩圖像，見圖8b)。

4 結束語

通過前期研究和測試得知，本文設計的VHF波段LRPT標準氣象衛星信號接收平臺架構可行，運行穩定可靠，接收的數據具有較高的分辨率和較大的覆蓋范圍。下一步將開展平臺硬件集成、改進信號處理和數據分析等方面的工作。

LRPT直接接收方式與氣象傳真機相比清晰度高、識別度好；與數據鏈和傳真機轉發相比實時性高；與標準地面站相比結構簡單、體積小，在船舶導航方面具有潛在應用前景。