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1、对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析第27卷第3期2007年9月测绘科学与工程GeomaticScienceandEngineeringVo1.27,No.3Sep.2007对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析胡国军李世忠胡燕杨枯【摘要】现代小卫星技术是近些年来迅速发展起来的航天领域高新技术,利用该技术为地球观测服务是一件远景可观,意义深远的事情.在对地观测卫星的诸多关键技术之中,地面站的设计是一个很重要的方面.本文主要对对地观测卫星地面站的站址选择与布局进行了详细的讨论.【关键词】对地观测卫星;地面站;站址选择;布局分析【分类词】P236AddressSelectionandDistri
2、butionAnalysisofSmallSatelliteStationHuGuojunLiShizhongHuYanYangZheAbstractModemsmallsatellitetechnologyindevelopingrapidlyisquiteusefulandapplicableforearthobser-vation.Thedesignofthegroundstationisveryimportantamongthekeytechnologiesforearthobservationsatellite.Thispaperdiscussesthesiteselectionan
3、distributionforthegroundstationofearthobservationsatellite.Keywordssatelliteforearthobservation;earthstation;addressselection;distributionanalysis1引言利用现代小卫星进行对地观测,是测量技术,空间技术,遥测遥控技术,无线电通信技术,电子计算机技术以及图像处理技术等相结合的高技术产物.经过几十年的发展,它已被成功的应用于灾害预报,环境监测,资源普查,地图测绘,城市规划和科学试验等诸多领域,为人类带来了可观的社会,经济效益.长期在轨运行的对地观测卫星使用
4、各种探测手段所获取的空间地理信息,都须通过地面站进行信息接收,管理和分发.因此,在对地观测卫星系统中,地面站的站址选择与布局是整个系统正常高效工作的重要环节.本文对对地观测卫星地面站的站址选择与布局进行了探讨.着重讨论了地面站选址的条件及需要考虑的影响因素,并对地面站进行多站布局的原则进行了分析,给出了具体的布局仿真.西安电子科技大学硕士研究生,西安测绘研究所助理研究员2地面站站址选择2.1选址的一般条件对地观测卫星地面站的兴建,首先必须认真选好站址.这对地面站的工作条件有决定性的影响,尤其是大,中型的固定地面站.选址时,必须首先以本站设备的性能特点,工作频段,主要任务为基本出发点.这就是说,
5、在选址之前,应首先清楚将要建立地面站的类型,天线尺寸,工作频率,卫星发射功率,信号传输方式,供电电源的需求等.只有这样,才可能在选址过程中,正确地把握选址的条件,妥善地处理好本站的建立与周围环境的关系J.在地面站站址的具体选择过程中,要考虑诸多因素,如地理环境,电磁干扰,气象条件和安全保障等,还要进行实地勘察和收测,最后选定最佳站址.另外,在选址时,必须满足近期欲接收的目第3期胡国军,李世忠,胡燕,杨结:对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析23标卫星的指标,同时应考虑到今后发展的需要.由此可见,对地观测卫星地面站站址选择的一般条件有以下几个方面J:(1)工作时天线主波束的方向上应有足够宽阔的
6、视界,尤其是天际线与卫星之间应有足够大的仰角差.(天际线,是指在地面站向四周远望所看到的地球表面与天空的交界线.)(2)与其它地面微波无线电系统的相互干扰应足够小(必须符合ITUR有关规定的要求),还应注意避开一些可能造成干扰的因素,如:高压电力线干扰,飞机起降干扰等.(3)尽可能避免恶劣气象条件的影响,遭受强风的可能性要小,降雨,降雪量要少.(4)其它条件,如:场地地质应能承受天线等大型设备;应有必需的电源的和水源;道路应能满足运输的要求,还应考虑工作人员的生活条件是否便利,场地是否能容许今后扩建等.下面针对对地观测卫星地面站站址的选择,具体探讨影响站址选择的因素.2.2地理因素地理因素是站
7、址选择时必须考虑的重要因素.一般站址选择时要考虑的地理因素有以下一些:1.地面站地形地面站必须处于有利的位置,以保证计划中或工作中卫星的全部可视性.理想的地形是一个盆形区域,四周被小山丘包围,水平障碍的仰角在3.以下.地面站场地要开阔,地面站的面积要考虑到近期需要和将来的发展.一般典型的地面站占地面积为10公顷一20公顷.另外地形的选择上要避开洪水,场地要避开障碍物,如树林,塔和杆等建筑物.2.天际线仰角地面站天线的等效辐射中心与天际线上任一点连线同地平面的夹角称为地面站在该方向上的天际线仰角.很显然,天际线仰角的高低,一方面将影响地面站指向卫星时的通道性能.因为地面站的性能因数G/T值与工作
8、仰角有关,仰角低则噪声温度会急剧增大,从而降低了地面站的G/T值.另一方面,还将影响地面站与周围微波无线电设备之间的相互干扰.因此,国际卫星通信组织规定地面站工作仰角应在5.以上.3.交通情况在进行地面站的设计时,由于对地观测卫星的功率受限,因此要求相应的地面接收天线部件较大,选址时要考虑到公路和铁路运输以及进站安装的道路交通情况.4.水源和电力供应地面站要有可靠的水源和电力供应,具体要求要根据地面站的规模和发展来定.这样有利于节省投资,并且具有较好生活条件,也是保证地面站正常,持久,可靠运转的必要条件.5.地质条件地面站对地质条件有严格的限制,要求地质是石质或低压缩系数,高切变阻力的泥土.站
9、址不能选在滑坡,下沉和地质变动频繁的地区,事先应了解建站地区的地震史.若站址的地层条件不好,必须采取打地桩等措施.6.通信的便捷性对地观测卫星地面站与数据处理中心,用户单位之间要频繁地进行数据交换,并且传输图像数据时数据率很高.这就要求在对地观测卫星地面站与其它地面应用系统之间有方便的通信手段.如果选址地区通信不便捷,则需要通过建设干线光缆或通信卫星来传输数据,势必增加系统费用和通信的难度.因此,在选址时,应距离通信交换中心或高速通信网较近,以减少地面传输设备的投资.7.标校塔标校塔用于大型天线的测量和地面联试,在站址选择时要尽量考虑到设置标校塔的方便.对于对地观测卫星地面站,标校塔距地面站一
10、般在lOkm左右,仰角最好达10.2.3电磁干扰因素地面站选址时,要最大限度地减少和防止地面=f扰.一是要防止与地面通信系统的相互干扰;二是要防止地面的射入干扰.由于对地观测卫星地面站的接收信号电平较低,当受到地面系统的同频段干扰时将严重影响地面站的正常工作,所以,首先就要防止与地面通信系统之问相互干扰.为此,在兴建地面站时,必须事先进行技术协调.其次要防止对地面站构成干扰的其它干扰源,如:雷达信号干扰,工业电气干扰,工厂机械干24胡国军,李世忠,胡燕,杨转:对地讽测卫星地面站的站址选择和布局分析第3期扰,运输车辆干扰,飞机航行干扰,人为噪声干扰等.因此,地面站应设置在一个卫星覆盖区内能防止干
11、扰的安静地方,这就需要尽量选择一个合适的自然屏蔽的小盆地,或建造一个合适的人工屏蔽场地.下面讨论以下几种电磁干扰对对地观测卫星地面站选址的影响.1.与地面微波通信系统间的相互干扰如果通信频段重合,这将是电磁干扰因素中最有影响的干扰源.由通信原理可知,当两种通信系统的射频段一样时,就会产生相互干扰.因此,ITUR对微波站的输出功率和方向以及对地观测卫星的辐射功率通量密度都作了限制,并把卫星地面站与地面微波站之间的干扰作为站址选择时首先要考虑的重要因素之一.关于ITuR的具体规定须参阅有关文献.应指出,一般在选址时都要进行电测以确定干扰的大小.在地面微波通信发达的国家,要选择卫星系统与地面微波通信
12、系统互不干扰的地面站站址是相当困难的,最有效的方法是选址屏蔽系数大的地方.2.雷达的干扰效应雷达的谐波输出可能落人地面站的接收频带内.对于不同的调制方式,雷达波对卫星数据传输影响也不一样.为减小雷达的严重干扰,应在选址时,尽量避开雷达站.应指出,对雷达干扰无一般准则可循,必须由实验来决定.3.地面站附近飞机航行的影响飞机航行的可能影响,一是飞机飞越地面站天线主波束引起天线波束的部分阻塞,二是电磁波照射飞机对地面站天线的能量散射.当飞机飞行高度大于1500m时,其影响可以忽略,但应注意天线波束不应与下滑航道相交.在机场方向或其它预计在飞机低飞的方向上,地面站的地点应该有至少1.以上的地形屏蔽仰角
13、.4.其它电子干扰工业区的电动机,接触器开关,电焊机火花甚至于工业区的空气污染和微粒等,都会对星地链路产生无规则的干扰噪声.强功率电视台,无线电发射台,各种电气和通信试验场所以及高压线等,都会对地面站接收系统和地面站载波设备直接构成干扰.这些干扰因素,在地面站选址时,必须认真考虑,并且要尽量与现有和规划中将来会有的工业区及干扰源距离远一点.在进行选址时,想要避开微波线路,雷达站,飞机场,高压输电线路等干扰源,一般是用微波干扰场强测试仪来测量待选站址有否其它微波杂波干扰以及干扰的强度.为了最大限度地减少和防止地面干扰,应遵循以下原则:(1)为了避免微波干扰(尤其是在接收C频段卫星信号时),接收站
14、应尽量远离微波线路.(2)站址应避开空中航线着陆跑道及大型机场.(3)选址要避开高压输电线的影响.(4)站址宜选在盆地或平地上,并尽量避开干扰源方向,使接收天线远离城市的各种工业和电磁干扰噪声.当所选站址避不开干扰区时,应尽量利用自然地形或地面建筑物以及其它有效措施来防止干扰.(5)站址应避开其他电气干扰.2.4气象条件气象恶化可能造成数据传输中断,使地面站不能正常工作和运转.因此,在设计对地观测卫星地面站时,必须考虑到待选站址地区的气象情况.通常,气象条件的恶化主要是大风和暴雨,北方地区还要考虑积雪.对于大型天线,天线波束的半功率宽度仅为0.1.0.2.,如果受到风的影响,天线振动在0.05
15、.以上时就要影响信号传输质量.因此,在设计天线时必须有一定的耐风性指标,在选址时要充分考察站区的气象条件,避开风口建站,并且对天线基底施工要考虑抗风性能和不发生基底倾陷现象,以保证以后天线指向的精度.而降雨则会引起接收系统噪声温度的增加和接收功率的减少.另外,如果周围环境的湿度太大,还会缩短地面站设备的使用寿命.ITUR规定由于降雨引起的线路噪声在一个月的0.3%时间内要控制在50000PWP,为此,在系统设计时,一般门限取6dB的降雨备余量,超过系统备余量的暴雨要引起数据传输质量恶化.因此,选址时要充分考虑这一条件,事先考察站区的年降雨量记录,尽量避开暴风雨较多的地区.如果出于特殊需要,必须
16、在降雨量大的地区建站,应在进行地面站设计时尽可能的提高系统的降雨备余量.对于在寒带地区设置的地面站,为减少积雪第3期胡国军,李世忠,胡燕,杨拮:对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析25引起的数据传输质量恶化,要在天线上安装融雪设备.理想的气象条件是温和,干噪和低风速,在待选站址中应尽量选择气象条件较好的地点建站.2.5后勤保障与安全因素地面站的选址,不仅要考虑设备以及基建本身的问题,还应全面地考虑到物资的后勤供应和安全保障等问题.1.后勤保障在地面站选址时,要尽量选择供给比较方便,环境比较安静的地方,既避开电磁干扰,又不离城市太远,这样有利于将来扩建,也有利于地面站的维护和管理.地面站站址土
17、地的征购,必须得到当地主管部门的同意,并且尽量使地面站附近无干扰源,如果可能的话,要对邻近的土地实现限制,以不妨碍地面站的正常工作.地面站站址选定后,要测出地面站的地理坐标和正北方位以供地面站建设之用.2.安全因素安全因素最重要的就是要考虑过量的电磁辐射对人体的影响.关于微波辐射密度的标准,国际上还没有统一的规定.一般认为:微波辐射lOmW/em为危险区域;1roW/era为安全区域;1mW/cmWlOmW/em为非安全区域.关于地面站的微波辐射,可以根据天线近场区和远场区不同的功率密度计算公式进行计算,以求得天线轴向和偏轴方向微波辐射的安全区域范围.实际上,人体连续在微波辐射区暴露时,更小的
18、辐射密度是可取的.综上所述,对地观测卫星地面站的选址是一项复杂而又慎重的工作,它需要进行广泛的调查研究,需要综合考虑多种因素方能确定.一旦确定在某区域建站时,还需要进行图上作业,野外勘察和调查研究,立下几个待选的地点,然后分析测试比较,以确定一个较合适的站址J.3地面站布局分析3.1布局的原则地面站的布局如同地面站选址一样重要.地面站布局是否合理,直接关系到整个对地观测卫星系统的运行效率.对地观测卫星一般采用太阳同步轨道等低轨卫星轨道,其星下点轨迹随着运行圈次的不同而改变,而且当卫星在轨运转至境外不可视的范围时,获取的有效载荷数据无法实时下传至地面站.按照对地观测卫星系统的特点,往往是当卫星经
19、过目标区域时,采用各种先进的信息获取技术取得大量的图像或数据信息;当卫星经过境内可控制范围时,通过境内地面站,以高速的数据传输速率将数据下传至地面.另外,卫星还可以在境内进行实时数据获取并且实时下传.也就是说,在无中继卫星可用的情况下,对地观测卫星每天的运行圈次中只有少量的时间可以利用以进行有效载荷数据的下传.所以,科学,合理地设计境内地面站的布局,是充分利用卫星过境时间,提高系统工作效率的前提.根据对地观测卫星轨道高度,轨道根数的特点和我们国家版图的实际情况,为了保障卫星每次过境都有良好的接收仰角,充分利用每次过境的可用时间,境内地面站首先应按照全国大三角的总原则进行布局,此外还应满足如下原
20、则:(1)尽量增加卫星在过境时实时下传数据的接收范围,以提高整个系统的应急观测和保障能力;(2)在存储转发模式下,尽量保证卫星有效载荷数据能快速传完,以提高对全球观测的工作效率.而且,地面站的布局往往还会受到政治,经济,地理和军事等因素的影响.因此,地面站的合理布局并不唯一,需要根据实际情况做出选择.3.2仿真分析卫星工具包STK(SatelliteToolKit)是航天领域中先进的系统分析软件,由美国分析图形有限公司(AGI)研制,用于分析复杂的陆地,海洋,航空及航天任务.它可提供逼真的2维,3维可视化动态场景以及精确的图表,报告等多种分析结果,在航天飞行任务的系统分析,测试发射,在轨26胡
21、国军,李世忠,胡燕,杨结:对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析第3期运行,链路分析,覆盖效果显示等方面都有广泛的应用.用户可设置地面站,目标,传感器以及各种类型运动物体的参数,STK则迅速模拟任务过程并显示任务场景,用户根据生成的数据报告,图表进行任务分析,确定最佳解决方案.本文根据3.1所述的原则,利用美国海洋测绘观测卫星(NEMO)的轨道参数,在STK上进行了一种四站布局的链路仿真,给出了分析的结果.模拟对地观测卫星采用太阳同步,(近)圆形,全球覆盖轨道,轨道高度为605km,轨道倾角97.81.,偏心率一0,降交点地方时标称值10:30AM,重访周期7天.地面站采用哈尔滨一喀什一南宁一
22、西安的四站布局,其中哈尔滨,喀什,南宁三站构成基本上覆盖全国的大三角,而西安地面站处于我国的大地原点和我国的卫星测控中心附近,地理位置极佳,很好的起到了衔接其它三个地面站,进行无缝数据接收的作用.四站的布局能够给卫星提供较多的数传机会,较好地覆盖我国上空,获得很高的数据接收效率.经仿真分析,此对地观测卫星在7天的重访周期内对上述四个地面站的覆盖特性如表1(地面站0.仰角),表2(地面站5.仰角)所示.表1重访周期内(7天)地面站的覆盖特性(0.仰角)最短过最长过平均过总过站站名次/天站时间站时间站时间时间(min)/(rain)(min)(min)次数哈尔滨672.4912.9310.1743
23、7.21/43喀什561.3312.909.93387.16/39南宁451.3112.839.87315.7Q/32西安463.0HD12.8810.22357.64/35表2重访周期内(7天)地面站的覆盖特性(5.仰角)最短过最长过平均过总过站站名次/天站时间站时间站时间时间(min)/(rain)(min)(min)次数哈尔滨462.6710.518.37蕊4.41/34喀什453.2110.498.42252.65/30南宁341.3910.427.99.6&/6西安451.8110.478.092=;4.67/29仿真的结果表明,在这种地面站布局下,卫星对单个地面站而言能够保
24、证每天有三次以上的过顶机会,对整个地面站系统而言每天基本有十次的通信和数传机会:卫星每天在轨运行14.87739584圈,其中约10圈有可见弧段,有5圈与地面站不可见;就单个地面站而言,在5.仰角的情况下,每天有36次的可见机会,各次可见时间长短不一,平均可见时间约为8min;而且多站之间具有共视区,在进行多站联合接续接收数据时,单圈最长约有连续20min可进行图像数据的传输;另外,在这种布局下,四个地面站进行数据接收的时间长度互相相差不大,即任务的强度相仿,从而也保证了整个地面站系统数据接收任务的均匀分担.可见,这样的四站布局,既保证了数据接收的完整性,又利于整个对地观测卫星系统的高效可靠运行,是一种较佳的布局.4结束语对地观测卫星地面站的站址选择与布局是对地观测卫星系统正常工作的重要环节,只有对其进行合理的设计,才能保证整个对地观测卫星系统的正常,高效运行.本文对对地观测卫星地面站的站址选择与布局所做的探讨与分析,可以作为研究人员在设计对地观测卫星地面站时的参考.参考文献1陈芳允,贾乃华.卫星测控手册.科学出版社,19922吕海寰,蔡剑铭,甘仲民等.卫星通信系统(修订本).人民邮电出版社,19943王仁礼,李世忠,张占睦等.航天遥感地面系统.解放军出版社,20054周钠,黄字民,李集林等.我国中继卫星地面站站址选择设想.飞行器测控,1999(3)