資源一號02D衛星星地數據平衡分析與設計

武小棟 王建 趙妍 張宏宇 王嘯虎 魏昕 張景陽 賀捷

(1 西安空間無線電技術研究所，西安 710071)(2 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)，配置兩臺相機，分別為可見近紅外相機和高光譜相機，衛星主推光譜分辨率，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感任務，可提供豐富的地物光譜信息。載荷分辨率覆蓋5 m、10 m、30 m等主流中等分辨率，適用于1∶10萬～1∶50萬制圖。可實現對我國國土及全球資源調查監管、礦產勘探、地質環境監測預警以及大范圍自然災害的多手段動態監測。觀測系統建成后，可以大部分替代法國地球資源衛星(SPOT)及美國陸地衛星(Landsat)的衛星數據，可大幅降低對國外遙感圖像數據的購置費用，逐步實現我國中分辨率遙感數據的國產化。

星載數據平衡管理技術作為遙感衛星數據傳輸效率的核心技術，需在星載數傳系統設計中綜合星地之間的可視關系，充分利用過境數傳弧段提升數據傳輸能力，同時優化星上數據工作模式，提升存儲、數傳弧段等瓶頸資源的使用策略，采用天地一體化設計提升衛星在軌使用效能[1]。資源一號02D衛星裝載的兩臺相機原始數據率最大可達3.45 Gbit/s左右，解決衛星原始數據率與星地下傳通道速率匹配的問題[2]以及如何實現衛星載荷數據下傳“天平衡”，是衡量衛星數傳分系統在軌應用性能優劣的關鍵指標。

針對上述問題，本文對原始載荷數據的下傳需求進行多個層面的分析，通過采用靈活的圖像壓縮比控制、多工作模式聯合、對地數傳站點接力等手段，實現海量數據的處理和下傳，從而達到衛星數據“天平衡”，大大提升了衛星的使用效能。

1 任務分析

1.1 載荷原始數據率分析

資源一號02D衛星配置一臺高分辨率可見近紅外相機和1臺30 m分辨率60 km幅寬的高光譜相機，同時數傳分系統需要傳輸服務系統中的數據。在軌道高度為778 km時，最大數據率為全色1685.5 Mbit/s，多光譜841.5 Mbit/s，總數據率為2527 Mbit/s。高光譜相機配備兩個通道，分別為可見近紅外通道(VNIR譜段)、短波紅外通道(SWIR譜段)，其中VNIR有76個譜段，SWIR有90個譜段，當全譜段下傳，最大幀頻為230 Hz時，VNIR譜段原始數據率為436.94 Mbit/s，SWIR譜段原始數據率為516.38 Mbit/s，通過計算總原始數據率最大可達3.455 Gbit/s。

1.2 圖像壓縮分析

由1.1節分析可知，在目前的星載數據處理與傳輸體制下，需采用圖像壓縮技術才可實現原始數據的下傳。

隨著圖像壓縮技術的發展，星載圖像壓縮算法也隨之不斷變化。中國空間技術研究院西安分院采用過基于小波變換的SPIHT壓縮算法和JPEG2000壓縮算法[3-4]。本文對幾種壓縮算法進行分析比較，選擇出適合資源一號02D衛星的壓縮算法及實現方案。

比較各種壓縮算法，經過分析測試，在2∶1到無損之間JPEG-LS[5-7]算法好于JPEG2000算法，在大于2∶1情況下JPEG2000算法略好于JPEG-LS算法。考慮到JPEG-LS算法和JPEG2000算法各自的優點以及硬件算法實現復雜難易程度，同時根據資源一號02C等前期衛星在軌經驗和用戶要求，綜合考慮，全色圖像采取4∶1/2∶1壓縮比可變策略，壓縮算法采用JPEG2000。針對多光譜圖像的壓縮，對多光譜圖像進行3∶1和1.5∶1壓縮比可變策略，同樣采用技術成熟的JPEG2000算法。壓縮比的設置采用兩種不同的組合，可以滿足用戶的多種需求：低壓縮比模式可以提高圖像質量，高壓縮比可以滿足用戶實時傳輸的需求。

資源衛星應用中心對全色和多光譜影像4∶1壓縮比進行了主觀和客觀評價，評價結果如下。

1)全色譜段

主觀評價：對紋理豐富的圖像，4∶1壓縮后未發現明顯差別，即使細微的差別也難以主觀察覺出。采用專用繪圖軟件，在兩個圖層件切換顯示圖像，差異僅在開闊的水面局部可見，均為細微差別。

客觀評價：無論全色還是多光譜，2∶1壓縮后的峰值信噪比(PSNR)接近60 dB，總體屬于無損壓縮，4∶1壓縮的全色圖像PSNR平均值約為50 dB，客觀質量優良。

因此，資源一號02D衛星可見近紅外相機的全色譜段采用了4∶1壓縮作為主要工作模式。

2)多光譜譜段

在多光譜圖像壓縮方面，考慮到相機實傳的帶寬需求，繼承資源三號01衛星和02衛星的壓縮比，實傳模式中對多光譜數據采取了3∶1壓縮，該壓縮算法經過在軌實際應用，效果良好。同時，衛星仍然保留1.5∶1的近無損壓縮作為主要的壓縮比，用于準實時傳輸和記錄模式等對于成像無實時下傳要求的工作模式中。

1.3 工作模式分析

根據資源一號02D衛星載荷數據率的分析，衛星載荷原始數據量相比資源一號02C衛星有很大提高，02C衛星數傳300 Mbit/s的傳輸能力滿足不了當前衛星載荷數據傳輸需求。資源一號02D衛星數傳分系統采用第三代數傳技術，具備2×450 Mbit/s的高速傳輸能力。

但是由于原始載荷數據率較大，在不改變目前數據傳輸系統設計拓撲結構的情況下，由于下傳通道速率的限制，不能夠實現雙相機同時實傳，僅能實現單相機實傳；為了滿足雙相機同時成像的任務需求，設置了準實時傳輸工作模式，用于境內高質量圖像獲取；同時，設置了靈活的記錄模式用于高質量圖像獲取。通過各工作模式的自由組合，在軌可根據用戶的不同需求，快速獲取目標圖像數據，分系統工作模式設置如表1所示。

表1 工作模式設置Table 1 Setting to working mode

1.4 通道下傳數據率分析

基于載荷數據率分析和工作模式設置，同時考慮編碼效率，表2給出了不同壓縮比和工作模式組合情況下，數傳下傳通道數據率預算情況。其中實傳和準實時傳輸模式為境內成像模式，在成像的同時，可以境內下傳圖像數據。記錄工作模式，為境外成像模式，用戶可以根據需要選擇不同相機，及不同相機組合工作，只需要對當天工作模式進行設計，確保記錄的圖像數據能當天傳輸完。

表2 工作模式數據率預算Table 2 Work mode data rate budget

1.5 衛星對地觀測弧段和地面站接收情況分析

地球上陸地面積約占29%，海洋面積約占71%。光學遙感衛星觀測區域為地球上的陸地區域，因此對衛星在白天時飛經陸地區域的可觀測弧段進行分析。考慮資源一號02D衛星運行于778 km軌道，3天內滿足觀測條件的弧段如圖1，圖2所示。

圖1 衛星日間可觀測弧段示意圖Fig.1 Illustration of satellite daytime observable arc

圖2 衛星日間軌跡分布示意圖Fig.2 Illustration of signal of satellite daytime trajectory distribution

對圖2所示的飛經陸地的可觀測弧段進行統計(表3)，得到平均每天14.3圈中白天飛經陸地區域的弧段。考慮剔除小于5 min可觀測弧段，并考慮衛星主要對有有效目標的陸地成像，故衛星上的載荷按照每天最長成像120 min，每天最長連續成像6軌設計，可以保證每圈存在陸地的區域均可成像，每圈最長開機時長為15 min。

表3 衛星日間可觀測弧段統計Table 3 Statics of satellite daytime observable arc segment

地面站的位置一般情況下是固定不變的，而衛星受其軌道周期和回歸周期的影響，使其在一段時間內與各地面站只有在特定的幾個時間窗口內相互可見[8]。因此，在衛星設計時，需對地面站可用下行接收弧段進行分析，確保下行弧段的有效利用。根據《資源一號02D衛星工程項目可行性研究報告》中地面接收網建設相關內容，衛星復用中國科學院遙感與數字地球研究所密云站、喀什站、三亞站、西南站(昆明)、境外站(瑞典)，國家衛星海洋應用中心牡丹江站。根據以上各站分布情況，開展下行弧段的分析。3天各14軌數傳典型工況如圖3所示。

根據分析，采取當前地面站后，可以實現圖像數據的每軌傳輸，其中境外站每天可以傳輸10軌，境外站不可見的4軌均可通過境內地面站內傳輸，可以極大程度增加數傳弧段，增強圖像數據獲取能力。典型工況見表4。

圖3 地面站接收弧段示意圖Fig.3 Illustration of ground station receiving arc

表4 典型工況分析Table 4 Condition analysis of typical working mode

綜上分析，衛星設計每天3軌境內成像，采用準實時傳輸模式進行國內圖像數據的獲取，境外3軌成像，采用記錄模式獲取境外關鍵區域圖像的獲取，通過境內回放加境外站回放實現境外圖像的下傳。

1.6 固存容量需求分析

固態存儲器主要用于存儲境外成像數據或由于采用低壓縮比成像時，由于下行速率限制而存儲的部分成像數據，在后續數傳弧段進行下傳。資源一號02D衛星固存設計標稱容量為主備份各2.0 Tbit(實際為2.3 Tbit)。可以滿足本節所述的記錄需求。同時，固存支持邊放邊擦功能，即在回放時，可同時擦除已回放的數據，大大提高了固存存儲空間的利用效率。衛星境內軌跡分布情況見圖4,固存容量分析見表5。

圖4 境內軌跡分布情況Fig.4 Trajectry distribution in China

表5 固存容量分析Table 5 Capacity analysis of solid-state memory

考慮對每天到中國境內成像三軌為主要任務，其成像周期分別為11 min，9 min和8 min。綜合考慮固存擦除時間、相機分系統成像停止時刻早于數傳分系統停止傳輸時刻和固存具體在軌工作模式，按照傳輸比成像多傳輸2 min考慮，衛星設計的境內準實時傳輸的典型工況如表6所示，即每日境內進行1圈12 min和2圈10 min的準實時傳輸。從表6可見，2.3 Tbit的固存可以滿足境內三軌連續準實時傳輸的成像任務需求，剩余約0.7 Tbit的容量。

境內成像記錄完成后，通過境外站每軌連續回放，按照境外站每軌平均過境10 min考慮，每軌至少可對境外成像記錄5 min。因此，固存容量設計滿足用戶境內成像和境外記錄要求，可實現衛星當天記錄回放時間的平衡。

表6 固存實際使用情況Table 6 Actual use of solid-state memory

1.7 數據傳輸“天平衡”分析

常規情況下，衛星使用密云、三亞、喀什、牡丹江4個國內地面接收站作為主要接收站點。在考慮多站接力(忽略切換站時間)傳輸條件下，每天日間下行弧段最長時間為14.9 min，平均時間為10.4 min，白天4軌共41.6 min；每天夜間下行弧段最長時間為12.3 min，平均時間為9.9 min，夜間4軌共39.6 min。考慮境外站時，由于境外站每天可提供10軌的傳輸弧段，總長約106 min，平均每軌10.6 min，可以極大增長境外圖像獲取能力。

綜上分析，衛星按照每天境內3軌主模式(準實時傳輸模式)成像，成像時間按最大32 min計算，需下傳有效數據總量為1 883.56×32×60=3 616 435.2 Mbit/s，按照對地傳輸2×450 Mbit/s碼速率計算，則每天主模式下成像數據所需下傳時間為(3616435.2/900)/60=66.9 min。衛星每日境內下行弧段為白天41.6 min，夜間39.6 min，共81.2 min，遠大于每日3圈主模式下傳時間需求。同時考慮每日境外15 min成像需求，按雙相機高圖像質量模式(即記錄模式2)計算，每日最大需下行數據總量為2 374.1×15×60=2 136 690 Mbit/s，下傳所需時間為(2 136 690/900)/60=39.6 min，衛星每日主模式傳輸后，剩余14.3 min可用下傳弧段，加上境外站提供的106 min下傳弧段，可滿足境外圖像下傳需求，如圖5所示。

圖5 衛星成像下行需求與下行可用弧段時間示意Fig.5 Illustration of satellite imaging downstream requirements and downstream available arc time

因此，在中國境內，衛星可以常態使用準實時傳輸模式進行成像，可滿足境內高質量成像需求。對于境外目標，可采用境外記錄，境內站點+境外站回放的形式滿足境外成像任務，由圖5可知，衛星每天可用下行時間遠大于成像需求下傳時間，從而實現衛星數據傳輸的“天平衡”。

2 分系統方案設計及實現

按照衛星總體盡量采用成熟產品的設計原則，數傳分系統根據輸入載荷的配置情況，選用輸入載荷速率相當的資源三號和高分二號衛星的數傳分系統的組成形式，分系統配置1臺壓縮編碼器，壓縮后數據以雙通道2×450 Mbit/s碼速率下傳。同時為了獲得高質量圖像，采用多種壓縮比組合可選的形式，對輸入圖像進行壓縮以滿足通道下傳和記錄速率的限制。

數傳分系統由數傳基帶部分和數傳通道部分組成，如圖6所示。其中基帶部分完成原始載荷數據的壓縮處理、數據復接、高級在軌系統(AOS)[9]格式編排、加擾、數據流向控制等功能，通道部分完成LDPC編碼[10-11]，調制放大、濾波等功能，然后經數傳天線進行雙極化復用輸出至地面站。

圖6 數傳分系統設備組成框圖Fig.6 Block diagram of data transmission system composition

2.1 分系統工作模式設計

根據前文分析，數傳分系統具有4種常規工作模式：實時傳輸(含服務系統數據傳輸模式)、準實時傳輸、記錄模式、回放模式。在采用高壓縮比時，壓縮及AOS編碼后的數據量達到817.08 Mbit/s，控制在每通道小于450 Mbit/s，可以進行實時傳輸；當采用低壓縮比時，壓縮及AOS編碼后的數據量雙通道達到2.374 Gbit/s，此時需要通過準實時傳輸的方式下傳，也可以記錄后再回放即記錄+回放模式。

分系統工作模式邏輯設計如圖7所示。各工作模式可根據不同的使用場景進行靈活切換。各模式使用場景如下。

1)實傳模式

衛星在地面站可見范圍內，可見近紅外相機或高光譜相機成像，圖像數據通過數據傳輸分系統實時傳輸到地面站。該模式下數傳分系統基帶設備(除固存外)和通道設備工作。

2)記錄模式

衛星在境外，可見近紅外相機和高光譜相機同時成像。該模式下，固存工作，數傳分系統基帶設備工作，通道設備不工作。

3)回放模式

衛星在地面站可見范圍內，且相機載荷不成像時，固存子系統記錄數據通過數傳傳輸到地面站。該模式下固存工作，數傳分系統壓縮編碼器不工作，其它單機工作。

4)準實時傳輸模式

衛星在地面站可見范圍內，可見近紅外全色多光譜相機和高光譜相機成像，圖像數據通過數據傳輸分系統高速記錄入固存，同時低速下傳地面站。該模式下可見近紅外全色/多光譜相機和高光譜相機成像，固存工作，數傳分系統工作。

數傳分系統各工作模式主要區別為在在不同工作模式下接收數據控制字及設備開機狀態不同，其他工作原理基本相同。準實時傳輸模式設計如圖8所示。

圖7 工作模式邏輯設計Fig.7 Design of working mode logic

圖8 準實時傳輸模式設計Fig.8 Design of quasi-real-time transmission mode

2.2 數傳天線使用策略設計

常規模式下，衛星一般使用單副天線進行單站對地數據傳輸。但是出于對圖像實時性和可傳輸弧段利用率的考慮，當衛星在某圈過境時，同時在兩個地面站接收范圍內時，就可以考慮進行對地雙站接力傳輸。通過提前預置指向、交叉使用數傳天線的策略，可以避免天線預置時間占用寶貴的成像弧段和數傳弧段，提高數據傳輸效率。

資源一號02D衛星根據實際傳輸需求設計了單天線單站、單天線雙站和雙天線雙站三種傳輸方式。常規模式情況下，一般使用單天線單站傳輸的方式。當對數據傳輸的時效性更高需求時，可使用單天線雙站接力、雙天線雙站接力策略來實現。

1)單天線單地面站跟蹤模式

該模式下，僅天線組件a或天線組件b單獨工作。伺服控制器a(或b)在主從控制或者自主控制模式下，由相應控制源進行地面站指向角度和轉動角速度計算，并在控制源的驅動下進行天線組件轉動，從而使天線波束指向地面站。

2)單天線雙地面站跟蹤模式

該模式下，僅天線組件a或天線組件b單獨工作。當衛星先后飛經地面站1和2的可接收弧段時，伺服控制器a(或b)根據相應控制源對地面站1的指向角度或角速度信息計算后驅動雙軸轉動從而使天線波束指向地面站1。當衛星飛出地面站1的可接收弧段時，固存停止回放，伺服控制器a(或b)控制天線快速指向地面站2，并根據對地面站2的指向角度或角速度信息，驅動雙軸轉動使天線波束指向地面站2，在地面站2跟蹤穩定后，重新啟動回放，固存具備的斷點續傳功能可保證兩次回放之間的數據有一定的重疊，確保數據不會丟失，便于地面圖像拼接。

3)雙天線雙站跟蹤模式

如圖9所示，該模式下，天線組件a和天線組件b可同時工作。若衛星將先后飛經地面站1和2的可接收弧段，在進入地面站1可接收弧段前，將兩付對地數傳天線進行指向預置，分別指向待傳輸接力跟蹤的兩個地面站，伺服控制器a(或b)先根據對地面站1的指向角度或角速度信息，驅動雙軸轉動從而使天線a(或b)的波束指向地面站1；然后伺服控制器b(或a)根據對地面站2的指向角度或角速度信息，提前驅動雙軸轉動從而使天線b(或a)波束指向地面站2。在天線a(或b)對地面站1跟蹤傳輸結束時，先將固存回放停止，然后數傳通道設備和伺服控制器a(或b)關機，并設置數傳波導開關狀態使射頻信號切換至天線b(或a)，伺服控制器b(或a)開機并控制天線b(或a)對地面站2跟蹤，待跟蹤穩定后數傳通道設備再開機，然后重新啟動固存回放操作，天線b完成對地面站2跟蹤傳輸，從而完成雙天線對雙地面站的接力跟蹤。設計中為了保證地面獲取圖像的連續性，在固存中設計了斷點續傳功能，保證兩個地面站獲取的圖像數據有一定的重疊，便于地面圖像拼接使用。

3 在軌驗證情況

數傳分系統自2019年9月12日發射后，經過近1年的在軌驗證測試，驗證了實時傳輸、記錄、回放、準實時傳輸各工作模式，經密云、三亞、喀什、牡丹江等地面站接收測試，數傳分系統各項指標滿足要求，功能正常，下傳數據解析后獲取大量境內外高質量圖像數據。通過對在軌測試情況的統計，數傳分系統可保證每天境內3軌成像任務產生的圖像數據“天平衡”下傳，同時利用境外站和境內剩余弧段實現了境外關鍵目標數據的下傳，驗證了分系統星地數據平衡設計的有效性。

在軌驗證表明，資源一號02D衛星數傳分系統在星地之間建立了數據傳輸的高速通道，實現了載荷數據的高保真圖像壓縮、實時處理，數據存儲和數據傳輸的“天平衡”，有效保障了衛星的使用效能。

4 結束語

本文介紹了資源一號02D衛星星地數據平衡的分析與設計，通過對衛星原始數據率、對地可觀測弧段、壓縮比選擇、工作模式等方面進行分析，通過選擇合適的壓縮算法、采用多工作模式聯合工作、對地站點接力傳輸等手段，提升了衛星數據的傳輸效能。通過地面及在軌測試驗證，表明衛星數傳分系統可以滿足衛星高速數據傳輸需求，實現星載數據“天平衡”，設計理念對后續遙感衛星的數據平衡傳輸設計有一定借鑒意義。

星地數據平衡設計是遙感衛星數據傳輸的永恒話題，如何在有效的信道資源內，盡量傳輸更多的數據是衛星數傳分系統不變的探索目標。未來3～5年內，數傳分系統在不改變目前數據傳輸系統拓撲結構的前提下，可通過提升對地通道碼速率(X頻段最高可到1.5 Gbit/s，Ka頻段可達3.5 Gbit/s)，優化基帶處理設備等方式，提升傳輸效能，實現國土資源普查對大容量、高速率星載數據傳輸的需求，在礦產、農業、林業、災害預警等國土資源領域將會得到廣泛的應用。