小衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)

對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星整體性能提升的關(guān)鍵系統(tǒng)研制童慶禧李志忠摘要針對(duì)小衛(wèi)星星上存儲(chǔ)容量、星上能源、數(shù)據(jù)傳輸能力等的限制，以及星上缺少衛(wèi)星參數(shù)測(cè)定裝置、衛(wèi)星姿軌數(shù)據(jù)不精確，及多光譜波段設(shè)置較少等不足，從星上存儲(chǔ)數(shù)傳、典型地面應(yīng)用示范和后續(xù)星預(yù)研三個(gè)方面，研究如何大幅度提高小衛(wèi)星整體性能。主要包括：第一，大幅度提高小衛(wèi)星的星上存儲(chǔ)能力；第二，利用高倍率的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，處理小衛(wèi)星獲得的海量遙感數(shù)據(jù)；第三，在有限的星上能源限制條件下，改善高速率數(shù)據(jù)下傳過(guò)程中的數(shù)據(jù)誤碼率特征及可靠性；第四，充分考慮衛(wèi)星各分系統(tǒng)的不同狀態(tài)，利用多種工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星系統(tǒng)性能的最優(yōu)化；第五，開(kāi)展小衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在國(guó)土資源調(diào)查、基礎(chǔ)地理信息建設(shè)、城市管理等方面的應(yīng)用研究，第六，是完成小衛(wèi)星的整星出場(chǎng)測(cè)試及發(fā)射，第七，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小衛(wèi)星需求分析和運(yùn)行模式分析，提出后續(xù)小衛(wèi)星的建設(shè)方案，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。最終使地面系統(tǒng)和天上的小衛(wèi)星以及DMC組網(wǎng)星座一起形成實(shí)用的對(duì)地觀測(cè)體系，提升我國(guó)對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星的研制水平、進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)空間信息應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。一、主要技術(shù)（1）大容量星載存儲(chǔ)設(shè)備最大的數(shù)據(jù)傳輸率為33.4Mbps；設(shè)備能夠承受的振動(dòng)水平＞9gRMS；設(shè)備能夠承受的沖擊水平＜700g@2kHz。高倍率數(shù)據(jù)壓縮軟、硬件系統(tǒng)壓縮倍率不小于2.7;壓縮方案選擇成熟且易于硬件實(shí)現(xiàn)的JPEG標(biāo)準(zhǔn)；DSP采用TMS320C6000系列；實(shí)用HDLC幀格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。高速率星載數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)5度仰角以上，當(dāng)信道誤碼率＜10-6時(shí)，滿足壓縮的圖像數(shù)據(jù)完整接收；將形成應(yīng)用于地面系統(tǒng)的解密、解壓、解擾模塊；硬件系統(tǒng)能夠完成誤碼判斷并形成ARQ重發(fā)請(qǐng)求；軟件系統(tǒng)將具有對(duì)重發(fā)數(shù)據(jù)塊的重組功能。實(shí)用的多模式小衛(wèi)星操作體系各分系統(tǒng)的相應(yīng)狀態(tài)如下：小衛(wèi)星發(fā)射參數(shù)：＞半長(zhǎng)軸：7068.625km＞偏心率：0＞傾角：98.190＞升交點(diǎn)赤徑：78.2＞近地點(diǎn)幅角：0＞在歷元時(shí)刻的平近點(diǎn)角：0(6)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)土資源調(diào)查應(yīng)用研究＞地質(zhì)遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法；＞中分辨率相關(guān)影像圖件制作的標(biāo)準(zhǔn)及程序；＞應(yīng)用小衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速提取城市地物信息的方法；二、主要技術(shù)介紹2.1大容量星載存儲(chǔ)設(shè)備為解決海量數(shù)據(jù)問(wèn)題，在北京一號(hào)小衛(wèi)星上設(shè)計(jì)兩種存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括：?硬盤(pán)系統(tǒng)：星上兩塊硬盤(pán)，各120GB，衛(wèi)星上天后，根據(jù)運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)量，將每個(gè)硬盤(pán)分為15個(gè)區(qū)，這樣硬盤(pán)系統(tǒng)實(shí)際相當(dāng)于30塊能夠支持8GB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，大大提高了數(shù)據(jù)獲取效率；?固態(tài)存儲(chǔ)器（SSDR）：分為SSDR0、SSDR1、SSDR2和SSDR3，其中SSDR0&1各0.5GB，用于存儲(chǔ)32米多光譜數(shù)據(jù)；SSDR2容量為1GB，SSDR3為2GB，用于存儲(chǔ)4米全色數(shù)據(jù)；硬盤(pán)和固存系統(tǒng)相互結(jié)合，滿足了采集數(shù)據(jù)的多種需求，使得衛(wèi)星的操作更加靈活。2.2高倍率數(shù)據(jù)壓縮軟、硬件系統(tǒng)衛(wèi)星工程最終目的是穩(wěn)定、實(shí)時(shí)獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，但由于衛(wèi)星能源及發(fā)射功率有限，X波段數(shù)傳系統(tǒng)下行速率的設(shè)計(jì)為40Mbps與20Mbps，而全色相機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率為108Mbps，要使數(shù)據(jù)全部傳下來(lái)，必須通過(guò)壓縮。通過(guò)對(duì)各種壓縮技術(shù)的研究比較，結(jié)合北京一號(hào)小衛(wèi)星全色相機(jī)的特點(diǎn)，選擇采用HDLC幀結(jié)構(gòu)（Packet傳輸）和標(biāo)準(zhǔn)JPEG數(shù)據(jù)壓縮。JPEG壓縮采用TMS320C6701型DSP設(shè)備，內(nèi)置啟動(dòng)軟件，通過(guò)CAN總線進(jìn)行啟動(dòng)調(diào)用。由于輸入內(nèi)存可以存儲(chǔ)8x8的DCT運(yùn)算，所以采用了一個(gè)FPGA來(lái)控制SRAM。FPGA同時(shí)還形成40Mbps下行數(shù)據(jù)的協(xié)議。并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)的情況，可以在衛(wèi)星上天后重新燒FPGA模塊，改變壓縮比率。通過(guò)DSP設(shè)備和JPEG壓縮算法形成的該套數(shù)據(jù)壓縮處理系統(tǒng)具有壓縮率可調(diào)的靈活性，并且滿足了海量高分辨率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收。2.3高速率星載數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)（ARQ）為解決高速率星載數(shù)據(jù)下傳，采用錯(cuò)誤跟蹤來(lái)跟蹤傳輸誤差，并利用自動(dòng)處理誤碼請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)（ARQ）技術(shù)請(qǐng)求重傳所丟失的數(shù)據(jù)，既不需要增加功率預(yù)算，又相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于小型低價(jià)格衛(wèi)星，最好的方法是充分利用星載處理器和采用ARQ系統(tǒng)來(lái)處理下傳數(shù)據(jù)。這不但允許較低的鏈路余量，還可以充分利用低仰角的過(guò)境時(shí)間充分下傳數(shù)據(jù)，而如果沒(méi)有ARQ，這部分區(qū)域就無(wú)法利用。采用這種方案在不需要產(chǎn)生很高功率的情況下，就可以獲得較好的傳輸鏈路，因而可以使低價(jià)格小衛(wèi)星具備一般只有更大以至更貴的衛(wèi)星才能具有的性能，成為北京一號(hào)小衛(wèi)星上所有非實(shí)時(shí)傳輸模式的下傳基準(zhǔn)。在鏈路通訊過(guò)程中，地面站會(huì)丟失一些組成信息的協(xié)議包。每個(gè)丟失的協(xié)議包表現(xiàn)為信息中的一個(gè)洞（Hole），地面站會(huì)傳送給衛(wèi)星一個(gè)“補(bǔ)洞需求（HoleFillRequest）”。然后，衛(wèi)星將只發(fā)送出那些地面站特定請(qǐng)求的包。與普通的頻移鍵控（FSK）相結(jié)合使用靈活的“補(bǔ)洞（HoleFilling）”ARQ協(xié)議，為射頻鏈路在不定低軌道（LEO）通訊環(huán)境下提供了一個(gè)極其完善的鏈路。小衛(wèi)星鏈路在傳輸過(guò)程中受不可預(yù)知的強(qiáng)衰落影響和信道內(nèi)的干擾。此種類型的操作適用于鏈路中變化的非實(shí)時(shí)模式的應(yīng)用，鏈路中的變化與信息包周期（PackagePeriod）相比，是高級(jí)別的而且緩慢的。對(duì)于正常的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)操作來(lái)說(shuō)，該種系統(tǒng)接近于小衛(wèi)星鏈路的最優(yōu)化環(huán)境。但是，只要上行和下行之間的鏈路間隙明顯的減少，ARQ系統(tǒng)的性能會(huì)受到高錯(cuò)包率的影響而降低效率。為解決這個(gè)問(wèn)題，小衛(wèi)星中的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）系統(tǒng)提供了相適應(yīng)的回復(fù)從而減少錯(cuò)包率。2.4多模式小衛(wèi)星操作體系實(shí)現(xiàn)了北京一號(hào)小衛(wèi)星的成像、傳輸多種工作模式和工作模式組合，在原有設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了自動(dòng)工作模式，同時(shí)增加手工操作的工作模式。主要工作模式包括：4米載荷成像壓縮后通過(guò)X波段40Mbps實(shí)時(shí)下傳，同時(shí)32米數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)系統(tǒng)；32米60km條帶偽實(shí)時(shí)通過(guò)X波段20Mbps下發(fā)，同時(shí)4米相機(jī)成像到星上硬盤(pán)；4米相機(jī)成像存儲(chǔ)到星上系統(tǒng)（硬盤(pán)或固態(tài)存儲(chǔ)器）；32米相機(jī)成像存儲(chǔ)到星上系統(tǒng)（硬盤(pán)或固態(tài)存儲(chǔ)器）；?通過(guò)X波段下傳硬盤(pán)或固態(tài)存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)（4米或32米）；?通過(guò)S波段下傳硬盤(pán)或固態(tài)存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)（4米或32米）。不僅達(dá)到了任務(wù)書(shū)中預(yù)定目標(biāo)，并在實(shí)際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了多種工作模式組合運(yùn)行，大大提高了衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力。2.5小衛(wèi)星研制中的測(cè)試實(shí)施的過(guò)程中，參加、參與了小衛(wèi)星研制中的一系列測(cè)試。包括：結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)試、模塊級(jí)的功能測(cè)試、載荷性能測(cè)量、集成功能測(cè)試、衛(wèi)星性能和完整的功能測(cè)試、衛(wèi)星飛行環(huán)境測(cè)試、衛(wèi)星性能和完整的功能測(cè)試、發(fā)射前的衛(wèi)星功能測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了不同節(jié)點(diǎn)小衛(wèi)星所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并在此期間總結(jié)、形成相應(yīng)的測(cè)試規(guī)范、文件、流程等，為小衛(wèi)星研制積累了經(jīng)驗(yàn)。2.6小衛(wèi)星發(fā)射2005年10月27日北京一號(hào)小衛(wèi)星在俄羅斯普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射至預(yù)定軌道范圍，軌道參數(shù)如下：?傾斜角：98.176?升交點(diǎn)地方時(shí)：10:45?偏心率：0.0015108每日繞行次數(shù)：14.59931439?周期：98.63分鐘?半長(zhǎng)軸：7072公里近地點(diǎn)*遠(yuǎn)地點(diǎn)：683x704公里2.7基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)土資源調(diào)查應(yīng)用研究衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)分離針對(duì)不同衛(wèi)星操作模式的下行數(shù)據(jù)格式，如，多光譜影像數(shù)據(jù)SSDR存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、多光譜數(shù)據(jù)偽實(shí)時(shí)下傳、多光譜數(shù)據(jù)HDDR存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、全色數(shù)據(jù)SSDR存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、全色數(shù)據(jù)HDDR存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和全色數(shù)據(jù)DSP實(shí)時(shí)下傳等6種，設(shè)計(jì)了專門(mén)的數(shù)據(jù)分離接口模塊，對(duì)該六種格式的下行數(shù)據(jù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)和輔助星歷數(shù)據(jù)分離，完成北京一號(hào)小衛(wèi)星原始存檔數(shù)據(jù)的生成。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)分幅的輻射校正產(chǎn)品生產(chǎn)：完成多光譜數(shù)據(jù)波段配準(zhǔn)、條帶去除、絕對(duì)輻射校正或相對(duì)輻射校正、影像復(fù)原的處理。輻射校正產(chǎn)品的輻射誤差不高于10%。系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品：利用星上下傳的輔助參數(shù)或數(shù)據(jù)分離得到的輔助星歷參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)幾何產(chǎn)品的生產(chǎn)。系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的平均幾何誤差控制在500米以內(nèi)。幾何精校正產(chǎn)品：