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(北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京100080)
摘要 本文首先介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DCS）的組成，然后詳細(xì)講述了Argos系統(tǒng)的各個方面，最后簡述了DCS在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集平臺 Argos系統(tǒng)
衛(wèi)星通信中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DCS）是一種通過遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集平臺采集數(shù)據(jù)或是對數(shù)據(jù)采集平臺進(jìn)行定位的系統(tǒng)。它采用了航天中的遙測、遙控和遙監(jiān)等技術(shù)，將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集平臺采集的各種監(jiān)測量經(jīng)過衛(wèi)星實(shí)時或存儲轉(zhuǎn)發(fā)后傳輸?shù)降孛娼邮仗幚碇行�，最后由�?shù)據(jù)處理中心將數(shù)據(jù)交付給用戶使用。雖然幾百個乃至幾千個數(shù)據(jù)采集平臺在地理位置上是分散的，但通過DCS系統(tǒng)它們被有機(jī)地聯(lián)系在一起，共同協(xié)作完成某一監(jiān)測任務(wù)。數(shù)據(jù)采集平臺大多被設(shè)計為自動完成數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，而無需人工值守，因此數(shù)據(jù)采集平臺的分布地域廣闊，不受環(huán)境、地理?xiàng)l件的限制，特別適合安裝在人煙稀少或環(huán)境惡劣地區(qū)，進(jìn)行野外工作。
1 DCS系統(tǒng)的組成
DCS系統(tǒng)的通信頻段一般采用UHF，調(diào)制體制采用BPSK。它由數(shù)據(jù)采集平臺（DCP或稱為PTT）、衛(wèi)星上的DCS有效載荷、地面接收處理站和數(shù)據(jù)處理中心三個部分組成（如圖1所示）。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成
（1） 數(shù)據(jù)采集平臺
數(shù)據(jù)采集平臺的輸入端接有多個傳感器，通過它們數(shù)據(jù)采集平臺可以自動對其周圍環(huán)境中用戶關(guān)心的各種監(jiān)測量（溫度、壓力等）進(jìn)行采集。多數(shù)DCS系統(tǒng)采用低碼速率，一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率雖然只有400 bit/s，但由于數(shù)據(jù)采集平臺中每個采集點(diǎn)的待發(fā)送數(shù)據(jù)量較小（通常在1000字節(jié)以下），數(shù)據(jù)采集平臺向衛(wèi)星發(fā)送一次數(shù)據(jù)只需要幾秒鐘。近幾年，一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了1000bit/s以上，在這種系統(tǒng)中數(shù)據(jù)平臺可以傳輸較大的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)采集平臺發(fā)送數(shù)據(jù)的方式有多種,既可以按照預(yù)先設(shè)置好的固定時間表對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多次發(fā)送，也可以設(shè)定數(shù)據(jù)采集平臺發(fā)送數(shù)據(jù)的臨界值，當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)超過臨界值范圍時數(shù)據(jù)采集平臺才發(fā)送數(shù)據(jù)，后一種數(shù)據(jù)采集平臺也被稱作為報警平臺。數(shù)據(jù)采集平臺每次傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔被固定為幾百毫秒到幾秒鐘不等。
(2) 衛(wèi)星上的DCS有效載荷
衛(wèi)星上攜帶的DCS系統(tǒng)有效載荷由接收單元、解調(diào)單元、星上處理和存儲單元、調(diào)制單元和發(fā)射單元等幾個部分組成。當(dāng)系統(tǒng)采用實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)（透明轉(zhuǎn)發(fā)）方式工作時，衛(wèi)星不對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和基帶處理，只是將信號一次變頻到發(fā)射的頻率，由發(fā)射單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回地面。而當(dāng)系統(tǒng)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)工作方式時，衛(wèi)星接收信號并對其進(jìn)行解調(diào)，然后再對基帶信號進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)存儲在星上存儲器中，當(dāng)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，再將存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，發(fā)送到地面接收站。
DCS系統(tǒng)使用的衛(wèi)星可以是對地靜止衛(wèi)星，也可以是低軌道衛(wèi)星。采用對地靜止衛(wèi)星的DCS系統(tǒng)使用范圍為直徑7000km的區(qū)域，該范圍是固定不變的。用戶可以實(shí)時接收到DCP采集的數(shù)據(jù)。靜止衛(wèi)星中的DCS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸率較低，有的僅為100bit/s。由于使用靜止衛(wèi)星時傳輸距離遠(yuǎn)（36000km），因此在這種DCS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集平臺的體積較大、功耗高。我國的風(fēng)云二號靜止衛(wèi)星、日本的GMS靜止衛(wèi)星以及美國的GOES靜止衛(wèi)星都攜帶有DCS系統(tǒng)的有效載荷。
使用低軌道衛(wèi)星的DCS系統(tǒng)可以覆蓋全球的范圍。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集平臺與地面接收站同時處于衛(wèi)星的覆蓋范圍時，用戶才可以接收到實(shí)時的數(shù)據(jù)，否則衛(wèi)星將平臺采集的數(shù)據(jù)存儲在星上存儲設(shè)備中，當(dāng)?shù)孛娼邮仗幚碚咎幱谛l(wèi)星覆蓋范圍時，衛(wèi)星將存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收站。使用低軌道衛(wèi)星時數(shù)據(jù)的傳輸距離只有幾百公里，因此數(shù)據(jù)采集平臺體積小、功耗低。目前已有很多低軌道衛(wèi)星攜帶有DCS系統(tǒng)有效載荷，它們包括：資源一號衛(wèi)星、清華一號小衛(wèi)星和美國的POES衛(wèi)星等。
（3） 地面接收站和數(shù)據(jù)處理中心
在DCS系統(tǒng)中，地面接收處理站對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解調(diào)。解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)或其它手段交付給用戶使用。
2 Argos系統(tǒng)
下面將介紹一個典型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——Argos系統(tǒng)，以使大家對衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有進(jìn)一步的認(rèn)識和理解。
Argos系統(tǒng)是一個典型的利用衛(wèi)星通信對遠(yuǎn)端傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行定位的衛(wèi)星DCS系統(tǒng)。使用Argos系統(tǒng)的用戶不僅可以快速、準(zhǔn)確地獲取位于遠(yuǎn)端的傳感器采集的數(shù)據(jù)，還可以獲取發(fā)射平臺的物理位置信息。該系統(tǒng)是由法國國家空間中心（CNES）、美國航空航天局（NASA）以及國際海洋和大氣組織（NOAA）在1978年共同開發(fā)完成的。經(jīng)過20多年的使用和不斷的發(fā)展，Argos系統(tǒng)已經(jīng)日臻成熟，使用范圍迅速擴(kuò)大。目前Argos系統(tǒng)已經(jīng)擁有分布在全球的7000多個數(shù)據(jù)采集平臺，用戶分布于全球的60多個國家和地區(qū)。
2.1 Argos系統(tǒng)的組成
與其它的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一樣，Argos系統(tǒng)也是由數(shù)據(jù)發(fā)射平臺、衛(wèi)星上的DCS有效載荷、地面接收處理站和數(shù)據(jù)處理中心三個部分組成。由于Argos系統(tǒng)使用的是低軌道的極軌衛(wèi)星，因此該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺可以分布在包括南、北極在內(nèi)的全球范圍。每個數(shù)據(jù)采集平臺可以安裝多個傳感器，它們負(fù)責(zé)采集用戶關(guān)心的溫度、壓力等數(shù)據(jù)。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過平臺中發(fā)射單元調(diào)制后被發(fā)送到衛(wèi)星上。衛(wèi)星接收到這些數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行實(shí)時或存儲轉(zhuǎn)發(fā)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Argos系統(tǒng)的地面接收站。由地面接收站對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和處理，再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)、磁盤和打印等多種方式分發(fā)給用戶。除了收集環(huán)境數(shù)據(jù)外，Argos系統(tǒng)還可以對目標(biāo)物體進(jìn)行定位。將Argos系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺安裝在移動的物體上，利用計算多普勒頻移或在數(shù)據(jù)采集平臺上安裝GPS接收機(jī)，用戶可以得到該物體的移動軌跡。
數(shù)據(jù)發(fā)射平臺（在Argos系統(tǒng)中被稱為PTT）連接有多個傳感器，它們收集用戶需要的數(shù)據(jù)。PTT使用簡單，發(fā)射頻率固定在401.650MHz。根據(jù)不同的應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集平臺的外形尺寸、重量和發(fā)射功率等指標(biāo)有所不同。由于Argos系統(tǒng)使用的是低軌道衛(wèi)星，而且衛(wèi)星上的接收機(jī)靈敏度很高，因此對PTT的發(fā)射功率要求比較低，PTT的耗電少。
PTT收集到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后采用對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多次發(fā)送的方式發(fā)送給衛(wèi)星。每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量最多可達(dá)256位，一次數(shù)據(jù)的發(fā)送的時間不超過960ms。數(shù)據(jù)的發(fā)送重復(fù)周期根據(jù)應(yīng)用的不同被設(shè)置在42s至200s不等。
Argos系統(tǒng)的星上設(shè)備安裝在NOAA的POES衛(wèi)星上。衛(wèi)星從PTT接收到數(shù)據(jù)后，直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Argos系統(tǒng)的地面接收站，或是將數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和必要基帶處理后將其存儲在星上的存儲設(shè)備中。當(dāng)衛(wèi)星從Argos系統(tǒng)的主地面站過頂時，星上再將數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)送給地面接收站。
由于Argos系統(tǒng)使用的是極軌衛(wèi)星，因此PTT所在的緯度越高，每天衛(wèi)星過頂?shù)臅r間也就越長。在南、北兩極，每顆衛(wèi)星每天的過頂次數(shù)大約為7次，在赤道，每顆衛(wèi)星每天過頂?shù)拇螖?shù)約為3~4次。每次衛(wèi)星相對PTT的過頂時間在8~15min，在這個期間，PTT向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)。
近幾年來隨著Argos系統(tǒng)的發(fā)展和使用范圍的擴(kuò)大，除了POES衛(wèi)星外，Argos系統(tǒng)的星上設(shè)備也安裝到了日本航天局的ADEOS和歐空局的METOP衛(wèi)星上。
Argos系統(tǒng)在全球建有三個主地面接收站，它們分別位于美國的Wallops Island、美國的Fairbanks以及法國的Lannion。三個主地面接收站在衛(wèi)星可見時接收實(shí)時數(shù)據(jù)和衛(wèi)星存儲設(shè)備中的所有數(shù)據(jù)。除了三個主地面接收站外，Argos系統(tǒng)還建有多個區(qū)域地面接收站,這些區(qū)域地面接收站只負(fù)責(zé)接收本區(qū)域用戶的數(shù)據(jù)。
在美國的Largo和法國的Toulouse還建有Argos系統(tǒng)的全球數(shù)據(jù)處理中心，它們負(fù)責(zé)處理來自地面接收站的所有數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到用戶的手中。Argos系統(tǒng)也建有區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心，這些區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心為本區(qū)域用戶提供它們所需要的數(shù)據(jù)。
2.2 Argos系統(tǒng)確定移動PTT位置的方法
Argos系統(tǒng)使用兩種方法來確定移動PTT的位置。第一種方法是利用多普勒頻移計算得到的。這是一種簡單而且可靠的定位方法，其定位精度也滿足了大多數(shù)用戶的需要。多普勒頻移是由于發(fā)射物體與接收物體之間發(fā)生相對運(yùn)動后產(chǎn)生的一種效應(yīng)。Argos系統(tǒng)使用低軌道衛(wèi)星，星上設(shè)備接收到的PTT發(fā)送的信號頻率與實(shí)際PTT發(fā)送信號的頻率相比會產(chǎn)生偏移。當(dāng)衛(wèi)星從遠(yuǎn)處靠近衛(wèi)星時，衛(wèi)星接收到的信號頻率比PTT發(fā)射的信號頻率高；當(dāng)衛(wèi)星離開PTT方向移動時衛(wèi)星接收到的信號頻率低于PTT發(fā)射的信號頻率。由于所有Argos系統(tǒng)中的PTT采用同一發(fā)射頻率發(fā)送信號，因此地面數(shù)據(jù)處理中心可以根據(jù)衛(wèi)星接收到的信號頻率按照衛(wèi)星的運(yùn)動速度、PTT發(fā)射頻率和衛(wèi)星的接收頻率等參數(shù)計算出PTT的位置。使用多普勒頻移對PTT進(jìn)行定位時，每次衛(wèi)星過頂至少要采集4~5次被定位的PTT發(fā)來的信號，否則會降低定位的精度。
有多個因素會影響這種方法的定位精度，它們包括：平臺的高度、平臺的運(yùn)動速度、平臺中晶振的中期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等。實(shí)際上在定位PTT的計算時需要根據(jù)用戶提供的PTT大致的移動速度、地球自轉(zhuǎn)、衛(wèi)星軌道等參數(shù)對計算結(jié)果進(jìn)行修正。
為了能精確預(yù)報衛(wèi)星的軌道參數(shù)，為定位計算提供修正參數(shù)，Argos系統(tǒng)在全球設(shè)立了11個參考PTT，這些PTT的位置是已知的，它們每隔30s發(fā)射一次信號。利用參考PTT發(fā)送的數(shù)據(jù)可以精確計算出衛(wèi)星軌道參數(shù)。
第二種確定PTT位置的方法是在PTT中安裝GPS接收機(jī)。使用GPS的方法可以大大提高定位的精確度。數(shù)據(jù)采集平臺將GPS數(shù)據(jù)與平臺的其它數(shù)據(jù)一起發(fā)送給衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收站，最后將處理后的數(shù)據(jù)交給用戶。使用GPS定位的Argos系統(tǒng)定位誤差小于100m，并且用戶只需要10min就可以獲得需要的定位結(jié)果，而使用多普勒頻移的方法則需要100min。
當(dāng)然，在PTT中安裝GPS接收機(jī)會增加PTT的制造成本。實(shí)際上并非所有的用戶都需要如此高的定位精度，GPS定位方法主要適用于以下幾類用戶：用戶每天需要在固定的時間接收定位數(shù)據(jù)，而使用傳統(tǒng)的多普勒頻移方法得到數(shù)據(jù)的時間不固定；用戶需要的定位數(shù)據(jù)量大；用戶需要的定位誤差小于100m，而用多普勒頻移方法計算的定位誤差平均為350m；用戶設(shè)置平臺的地點(diǎn)不利于使用多普勒頻移的方法計算（如在山谷中，衛(wèi)星接收到的信號量少）。
除了為PTT進(jìn)行定位以外，GPS接收機(jī)還可以為PTT提供精確的時間。在PTT中存儲衛(wèi)星過頂?shù)臅r間表，利用這個時間表PTT可以只在衛(wèi)星過頂時向衛(wèi)星發(fā)射信號，而不必長期不間斷地發(fā)射信號。
2.3 Argos系統(tǒng)的雙向通信功能
近幾年來Argos系統(tǒng)在不斷地更新和發(fā)展，它可以為用戶提供更加方便、快捷和高質(zhì)量的服務(wù)。其中Argos系統(tǒng)新增加的一個功能是在衛(wèi)星和PTT之間進(jìn)行雙向通信，實(shí)際上它增加了PTT發(fā)送的數(shù)據(jù)量。
日本航天局的ADEOS-II衛(wèi)星是第一個載有Argos系統(tǒng)雙向通信能力的DCS有效載荷的衛(wèi)星。它為Argos系統(tǒng)增加了三個功能：
（1） 發(fā)送下行消息
用戶可以向PTT發(fā)送一些簡單命令，例如對PTT進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作、重新啟動PTT、設(shè)置PTT的數(shù)據(jù)發(fā)送重復(fù)周期以及設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送的速率等。
（2） 發(fā)送管理平臺的數(shù)據(jù)
管理平臺的數(shù)據(jù)可以包括：修改傳感器參數(shù)、改變操作模式、對發(fā)射機(jī)進(jìn)行編程等。使用雙向的Argos系統(tǒng)后，管理人員可以將軌道周期、星座設(shè)置等數(shù)據(jù)定時發(fā)送給PTT。根據(jù)這些數(shù)據(jù)采集平臺預(yù)測出下一次衛(wèi)星過頂?shù)臅r間，它們只需要在衛(wèi)星過頂時發(fā)送信號。使用這種方法延長了PTT的使用壽命。衛(wèi)星對PTT的下行信號是連續(xù)發(fā)射的，因此PTT也可利用該信號檢測衛(wèi)星是否可見。
（3）交互的數(shù)據(jù)收集模式
第一代的Argos系統(tǒng)采用多次發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來增加衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的可靠性。使用雙向的Argos系統(tǒng)后，衛(wèi)星在接收到數(shù)據(jù)后給PTT發(fā)送一個應(yīng)答消息，PTT在應(yīng)答后就可以發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，減少了PTT向衛(wèi)星發(fā)送同一數(shù)據(jù)的次數(shù)，實(shí)際上也就是增加了發(fā)送的數(shù)據(jù)量。如果PTT被設(shè)置為以交互的方式工作，當(dāng)檢測到衛(wèi)星飛到自己的可見區(qū)域時，它會向衛(wèi)星發(fā)送一個要求傳送數(shù)據(jù)的消息，得到衛(wèi)星的允許消息后，PTT開始向衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)衛(wèi)星離開PTT的可見區(qū)域后，PTT與衛(wèi)星之間的對話結(jié)束。
新一代的Argos系統(tǒng)除了增加雙向通信功能外，還在其它很多方面也有所改進(jìn)。例如，系統(tǒng)信道帶寬由以前的24kHz增加到80kHz，衛(wèi)星接收機(jī)的接收靈敏度由-128dBm增加到-131dBm，星上處理單元由4個增加到8個。
3 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用
早在20世紀(jì)70年代，國外一些衛(wèi)星就開始搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效載荷。它們主要用于海洋監(jiān)測和氣象預(yù)報。美國的靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星（GOES）中的DCS系統(tǒng)收集和中繼來自遠(yuǎn)端自動采集的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集平臺可以采用定時報告、詢問應(yīng)答、緊急方式和自適應(yīng)隨即報告等多種方式發(fā)送數(shù)據(jù)。平臺測量并報告的數(shù)據(jù)包括大氣狀態(tài)、海洋狀態(tài)、河流水位、土質(zhì)溫度和地震指數(shù)等。數(shù)據(jù)采集平臺采集的數(shù)據(jù)通過星上的DCS中繼到數(shù)據(jù)接收站，然后準(zhǔn)實(shí)時地傳送到中央數(shù)據(jù)分發(fā)中心。
日本的GMS對地靜止氣象衛(wèi)星也搭載有DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集平臺安裝在海洋中的浮標(biāo)、船舶或飛機(jī)上收集氣象資料。該系統(tǒng)還收集遠(yuǎn)距離自動氣象站觀測的資料，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，以便氣象學(xué)家對它們作進(jìn)一步的處理和分析。
國際海洋組織自1979年以來發(fā)射了三顆海事衛(wèi)星，它們都裝載有DCS有效載荷。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺有A、B、C、M、Aero、P等多種形式，其中C型通過只有幾十厘米的全向天線，以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式提供電傳和低速數(shù)據(jù)（600bit/s）通信。該系統(tǒng)不僅可以用于數(shù)據(jù)采集，還可與GPS綜合在一起，作為定時和位置報告。
到目前為止美國、俄羅斯、英國、德國、日本、印度、巴西等國家和一些國際組織都在積極地發(fā)展和應(yīng)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代的DCS系統(tǒng)帶給用戶更多更好的服務(wù)，它的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。
我國從20世紀(jì)80年代起也開始了對衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究工作。目前我國裝載有DCS有效載荷的衛(wèi)星包括：風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星、風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星、資源一號衛(wèi)星等。DCS系統(tǒng)在我國可以廣泛地應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)報、海洋監(jiān)測、森林防火和氣象監(jiān)測等多個方面。
摘自《電信科學(xué)》
