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四川大学硕士学位论文 y 7 7 9 2 7 1 某遥感接收站设计 信号与信息处理专业 研究生蒋茂强指导教师袁晓 遥感技术是近年来蓬勃发展起来的一门综合性的空间信息科学。它的功能 和价值引起了许多学科和部门的重视，特别在资源勘测、环境管理、全球变化、 动态监测等方面，显示了无与伦比的优越性，获得愈来愈广泛的应用，是地球 科学和资源环境学科开展研究的基本技术，并成为信息科学的主要组成部分。 遥感卫星有效载荷种类在不断增多，分辨率也在不断提高，卫星下发的信 息量越来越大。随着计算机技术的发展，遥感接收站的建设正向着高速率、高 集成度、网络化、自动化的方向发展。通过网络，可实现对系统的远程诊断、 维修与升级。 本文对遥感接收系统的基本组成、工作原理及遥感接收站的总体设计技术 进行了理论研究，通过归纳总结，最后给出实际的某x 频段遥感接收站设计， 本文的内容和结果如下： 一、简要地介绍遥感技术。文中介绍了遥感的定义、遥感技术过程、遥感 技术系统的组成、遥感的分类及遥感图象的用途等内容。 二、对遥感接收站的体系结构进行简要介绍。遥感接收站一般由天线分系 统、接牧解调分系统、数据记录分系统、数据预处理分系统、监控管理分系统、 时间频率分系统、标校自检设备及其它辅助设备组成，文中特别对天线分系统 和接收解调分系统的组成及工作原理进行了较详细的叙述。 三、简要介绍遥感接收站的总体设计技术。本部分讲述遥感接收站建设中 站址的选择、电磁环境的测试和总体设计技术，重点讨论接收站g t 值舶计算 及c t 值与总载噪比的关系等内容。 四、介绍某x 频段遥感接收站设计实例。该接收站主要接收e o s 卫星信号， 四川大学硕士学位论文 通过增加设备，可兼容接收h y 一1 等其它遥感卫星。文章重点分析系统的接收能 力，确定系统的主要技术指标，并将系统指标分配到各分系统、分机，最后简 要地叙述各分系统、分机的设计原理。 关键词：站址天线解调器下变频器 g t 值 i i 四川大学硕士学位论文 a d e s i g no ft h eg r o u n dr e c e i v i n gs y s t e mf o r t h er e m o t e s e n s i n gs a t e l l i t e m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g g r a d u a t e ：j i a n gm a o q i a n g s u p e r v i s o r ：y u a nx i a o t h et e c h n o l o g yo fr e m o t es e n s i n gw h i c hi sas y n t h e t i c a ls c i e n c ei ns p a t i a l i n f o r m a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s 、i t sf i m c t i o na n dv a l u eh a v e b e e nc o n s i d e r e di m p o r t a n t l yb ym a n yd e p a r t m e n t s e s p e c i a l l yi nr e c o n n o i t e r i n g r e s o u r c e s ，g o v e r n i n ge n v i r o n m e n t ，t e s t i n gc h a n g eo fg l o b ea n do t h e ra s p e c t s ，t h e t e c h n o l o g yo f r e m o t es e n s i n gs h o w sg r e a ta d v a n t a g e sa n dh a sb e e nu s e dm o r ea n d m o r ew i d e l y i th a sb e e nt h eb a s i ct e c h n i q u ei ng e o s c i e n c ea n dr e s o u r c es c i e n c e ，a n d b e c o m ea i m p o r t a n tp a r to f i n f o r m a t i o ns c i e n c e w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h e k i n d so fs a t e l l i t el o a d ，t h ee n h a n c e m e n to f d i s t i n g u i s h i n gc a p a c i t y , t h er i s eo ft h ei n f o r m a t i o ne m i t t e db yt h es a t e l l i t ea n dt h e c o n s t r u c t i o no f r e c e i v i n gs t a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e dt oh i g hs p e e d ，h i g hi n t e g r a t i o n ， n e t w o r ks t r u c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n t h er e m o t ed i a g n o s i s ，m a i n t a i n i n ga n d u p g r a d i n gc a l lb er e a l i z e dt h r o u g hn e t w o r k t h eb a s i cb u i l d u p ，w o r kp r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no f r e c e i v i n gs y s t e mh a v eb e e n r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a tl a s tt h ed e s i g no fx f r e q u e n c yr e c e i v i n gs t a t i o nh a sb e e n p r o p o s e d t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h et e c h n o l o g yo f r e m o t es e n s i n gi nb r i e f , i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o n ， p r o c e s s i n gp r o c e s s ，c o m p o n e n t so fs y s t e m ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h eu s eo fr e m o t e i i l 四川大学硕士学位论文 i m a g e ，e t c 2 i n t r o d u c et h es y s t e mf l a m eo f r e c e i v i n gs t a t i o nb r i e f l y t h eg r o u n dr e c e i v i n g s y s t e m o ft h er e m o t e s e n s i n g s a t e l l i t ec o n s i s t so ft h e a n t e n n a ，r e c e i v i n g d e m o d u l a t i o n ，d a t ar e c o r d i n g ，d a t ap r e t r e a t m e n t , m o n i t o r i n gm a n a g e m e n t , t i m e f r e q u e n c y ，t h e t e s ta n dc a l i b r a t i o ns u b s y s t e ma n do t h e ra u x i l i a r yd e v i c e e s p e c i a l l yt h ec o m p o s i t i o na n dw o r kp r i n c i p l eo fa n t e n n as u b s y s t e ma n dr e c e i v i n g d e m o d u l a t i o ns u b s y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l yi nt h i sp a p e r 3 i n t r o d u c et h es y s t e md e s i g no fr e c e i v i n gs t a t i o ni np l a i n t h ec h o i c eo ft h e l o c a t i o no fr e c e i v i n gs t a t i o n ，t h et e s to fe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n ta n dt h e d e s i g nt e c h n i q u eo ft h es y s t e ma l ee x p a t i a t e di nt h i sp a r t t h ec o m p u t a t i o no fg t a n dt h er e l a t i o nb e t w e e ng 厂ra n dt h ew h o l ec n r a r ed i s c u s s e da se m p h a s i s 4 i n t r o d u c et h ed e s i g ne x a m p l e so fr e c e i v i n gs t a t i o ni nx - f r e q u e n c y t h i s r e c e i v i n gs t a t i o nr e c e i v e st h es i g n a l so f e o s s a t e l l i t em a i n l y , a n da l s oc a nr e c e i v et h e s i g n a l so fo t h e rs a t e l l i t es u c ha sh y - 1t h r o u g ha d d i n ge q u i p m e n t s nt h i sp a r t , t h e r e c e i v i n gc a p a b i l i t yo fs y s t e mi sr e s e a r c h e dt h o r o u g h l y ；t h em a i np e r f o r m a n c eo f t h e s y s t e mi sc o n f u m e da n d d i s t r i b u t e dt ot h es u b s y s t e ma n dd e v i c e a tl a s t ，t h ed e s i g n p r i n c i p l eo f t h es u b - s y s t e mi sd i s c u s s e db r i e f l y k e yw o r d s ：s t a t i o na d d r e s s r e m o t es e n s i n gm o d e ma n t e n n ad o w n c o n v e r t e r g t 1 v 四川大学硕士学位论文 1 遥感技术概述 1 1 遥感的概念 遥感技术是近年来蓬勃发展起来的- - f 综合性的空问信息科学。它的功能 和价值引起了许多学科和部门的重视，特别在资源勘测、环境管理、全球变化、 动态监测等方面，显示了无与伦比的优越性，获得愈来愈广泛的应用，是地球 科学和资源环境学科开展研究的基本技术，并成为信息科学的主要组成部分。 遥感，顾名思义，就是“遥远感知”的意思“1 。传说中的“千里眼”、 “顺风耳”就具有这样的能力。其科学含义一般理解为“1 ：在遥远的地方，感 测目标物的“信息”，通过对信息的分析研究，确定目标物的属性及目标物之 间的关系。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发 射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式一一电磁波，并且发 现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对 电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别 物体。 现代遥感技术的基本过程是：在距目标物几米至几千公里的距离以外， 以汽车、飞机和卫星等为观测平台，使用光学、电子学或电子光学等探测仪器， 接收目标物反射、散射和发射来的电磁辐射能量，以图像胶片或数字磁带形式 进行记录；然后把这些信息传送到地面接收站，接收站把这些遥感数据进一步 加工成遥感资料产品；最后结合已知物体的波谱特征，从中提取有用信息，识 别目标和确定目标物间的相互关系。因此说遥感是一个接收传送处理和分析遥 感信息，并最后识别目标的复杂技术过程。 1 2 遥感技术系统组成 现代遥感技术系统一般由四部分组成：遥感平台、传感器、遥感数据接收 与处理系统、遥感资料分析解译系统，其中遥感平台、传感器和数据接收与处 理系统是决定遥感技术应用成败的三个主要技术因数。 四川大学硕士学位论文 遥感平台是在遥感中搭载遥感仪器的工具称为平台或载体 机、火箭和卫星等。 在遥感中，收集、记录和传送遥感信息的装置称为传感器 影机、摄像仅、扫描仪、雷达、光谱辐射计等。 目前主要有飞 目前主要有摄 为了接收从遥感平台传来的图像胶片和数字磁带数据，必须建立地面接收 站。地面接收站由地面数据接收和记录系统、图像数据处理系统两部分组成。 遥感接收系统作为遥感技术系统关键因数之一，本文将在第二章对其作较为详 细的论述。 1 3 遥感图像的用途 就像我们生活中拍摄的照片一样，遥感像片同样可以”提取”出大量有用的 信息。从一个人的像片中，我们可以辨别出人的头、身体及眼、鼻、口、眉毛、 头发等信息。遥感像片( 图像) 一样可以辨别出很多信息，如水体( 河流、湖 泊、水库、盐池、鱼塘等) 、植被( 森林、果园、草地、农作物、沼泽、水生 植物等) 、土地( 农田、林地、居民地、厂矿企事业单位、沙漠、海岸、荒原、 道路等) 、山地( 丘岭、高山、雪山) 等等；从遥感图像上能辨别出较小的物 体如：一棵树、一个人、一条交通标志线、一个足球场内的标志线等。大量信 息的提取，无疑决定了遥感技术的应用是十分广阔的，据统计，有近3 0 个领域、 行业都能用到遥感技术，如军事、陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源 调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测 和规划管理等。 在军事方面的应用。可进行立体侦察，及时地获取敌区情报。如利用红外 遥感识别伪装以及军事侦察等。在地学方面，遥感为地质、地理、环境科学等 方面提供了新的手段和最新资料，为地球宏观规律的研究，地球环境的监测和 评价，自然资源的开发利用创造了有利条件。在遥感图像上判断地质构造、分 辨岩石种类及寻找矿床等。测定海岸地形、浅海海底地貌、海流边界、方向、 流速、海面温度、浮游生物区和生物量、盐分、水质等“7 “”1 。 四川大学硕士学位论文 由于遥感技术是从人们一般不能站到的高度去”拍照”，故从宏观视野上， 也有着人力所不能及的优势。 1 4 遥感的分类 自从遥感问世以来，由于其应用领域广，涉及学科多，各界学者所站的立 场不同，所以对遥感的提法很不统一，诸如航空与航天遥感，主动与被动遥感， 红外与多光谱遥感，农业、地质遥感等。因此，根据各人对遥感分类所持的立 场，遥感可作如下分类“”： ( 1 ) 按遥感平台酌高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。 航天遥感又称太空遥感( s p a c er e m o t es e n s i n g ) 泛指利用各种太空飞行器 为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和 太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。 卫星遥感( s a t e l l i t er e m o t es e n s i n g ) 为航天遥感的组成部分，以人造地 球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。 航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。 地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传 感器安装在这些地面平台上，可进行各种地物波谱测量。 ( 2 ) 按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见反射红外遥感，热红外遥 感、微波遥感三种类型。 可见光反射红外遥感，主要指利用可见光( 0 4 - 0 7 微米) 和近红外 ( 0 7 - 2 5 微米) 波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段，后者即是反射红 外波段，人眼虽不能直接看见，但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的 特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根 据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式 和扫描方式成象。 热红外遥感，指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的 辐射温度或热场图象的遥感技术的统称。遥感中指8 - 1 4 微米波段范围。地物在 四川大学硕士学位论文 常温( 约3 0 0 k ) 下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能 量，大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。 微波遥感，指利用波长卜1 0 0 0 毫米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体 发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物 体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和 干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天侯工作。 ( 3 ) 按研究对象分类可分为资源遥感与环境遥感两大类。 资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和实践，调查自然 资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用 遥感信息勘测地球资源，成本低，速度快，有利于克服自然界恶劣环境的限制， 减少勘测投资的盲目性。 环境遥感：利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或 作出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环 境随时都在发生变化，利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测。 评价和预报提供可靠依据。 ( 4 ) 按应用空间尺度分类可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。 全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称 区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按 行政区划( 国家、省区等) 和自然区划( 如流域) 或经济区进行。 城市遥感：以城市环境、生态做为主要调查研究对象的遥感工程。 4 四川大学硕士学位论文 2 遥感接收站体系结构 2 1遥感接收站的作用及组成 遥感接收站的作用，就是接收来自遥感卫星下发的射频信号，经过放大、 变频等处理后，传输到终端进行解调，解调后的数据直接记录在计算机硬盘或 其它介质上，然后将数据提交用户进行处理。另外，具有数据处理能力的地面 站，还可完成诸如图像的快视及快定位、图像o 、l 、2 级产品的生成等功能。 遥感接收站一般由天线分系统、接收解调分系统、数据记录分系统、数据 预处理分系统、监控管理分系统、时间频率分系统、标校自检设各和其它辅助 设备等组成。其组成框图如下( 图2 1 ) ： 图2 1 遥感接收站组成框图 遥感接收站设备分别安装在机房内和机房外设备的布局由室内和室外单元 之间信号的传输形式决定，常用的传输方式有三种： j ： u _ _ l 中频传输方式：把下变频器之前的接收设备放在室外天线仓内，把解调 5 四”1 大学硕士学位论文 器及以后的终端设备安装在机房内，它们之间用电缆连接起来。 ( 2 ) 射频传输方式。把除低噪声放大器之外的所有设备均放置在机房内，然 后再利用低损耗电缆糨两部分连接起来。 ( 3 ) 直接耦合方式。把天馈系统和接收设备全部都安装在机房内，利用射束 波导把室内天馈系统和天线反射器连接起来。 2 2 信号对接收设备的要求 从卫星下发的信号经过长距离的空间传播损耗，到达遥感接收站的信号极 其微弱，在对其进行放大时，应尽量避免放大器引入附加噪声。 对接收站设备的基本要求是： ( 1 ) 极低的噪声性能。为保证接收站获得系统要求的c t 值，接收设备 内部的噪声要尽可能小。 ( 2 )足够宽的工作频带。设备带宽通常用3 d b 带宽来定义。 ( 3 ) 足够高的增益。接收设备输入端的电平一般小于- - 9 0 d b m ，因此必须 经过放大后才能达到解调电平的要求。 ( 4 )高频率稳定度。指下交频器本振源的频率稳定度。 ( 5 )线性特性。包括放大器及混频器的动态范围、杂散输出等。 ( 6 )高稳定性和可靠性。 2 3 天线分系统 天线系统能够收集从卫星发射到地面的微弱信号，经馈源传输到低噪声放 大器。实用的反射面天线种类非常多，按其结构分为对称型和非对称型，其中 每一种又可分为单反射面和双反射面。目前，抛物面天线的理论和设计都比较 成熟。大口径的接收站天线一般都采用卡赛格伦天线，具有高效率、低噪声的 特点；而小口径天线则多采用前馈式，使得结构简化。 2 3 1 天线分系统的组成 天线分系统主要包括天馈子系统、机械结构子系统、天线控制子系统、跟 6 四川大学硕士学位论文 踪接收予系统和天线标校设备等。 天馈子系统主要包括环焦天线、单( 或多) 频段波纹喇叭、跟踪网络、频 段极化器、连接馈线、极化开关等组成。 机械结构子系统主要包括天线反射体、天线座。天线座可采用由俯仰组合、 方位组合加第三轴组合三部分构成的方位一俯仰型天线座，也可采用x y 型天 线座。 天线控制子系统主要由天线监控单元( a m c u ) 、天线位置显示单元( p d u ) 、 天线驱动单元( a d u ) 、驱动执行元件、天线控保装置等构成。 跟踪接收子系统圭要由波段射频组合( 单信道合成、变频) 、传输电缆、波 段跟踪解调单元等组成。 标校设备包括水平仪、g p s 接收机、光学望远镜、信标杆、信标天线等。 附属设备包括避雷杆、调平机构、电缆绞盘、电缆转接箱、馈源干燥充气设备、 专用土木工具等。 天线跟踪分系统可具有自动跟踪、记忆跟踪、程序跟踪、手动控制、扫描 等多种工作方式，使得天线操控灵活，目标捕获能力强。 2 2 2 接收站天线的基本参数 ( 1 ) 天线增益 天线增益是衡景天线性能的重要参数，对接收天线来说它是指天线收到某 一指定方向来的电磁波能力。此时，增益表示为天线的有效接收面积与各相同 性天线的接收面积之比“1 ，即 g 2 a e a 。= 4 a 。，a2 ( 2 - - 1 ) 式中a 。为天线的有效面积，为各相同性天线的面积， 为自由空间的波 长。 对于抛物面天线，九与抛物面口径面积之比称为天线效率n 。q 值一般是 0 6 o 7 。 天线增益用分贝表示”，时 g _ 1 0 1 4 等1 7 1 ( 以) ( 锄) t 五， 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 天线方向图 天线辐射的电磁场在固定的距离上随空间角坐标( 0 ，巾) 的分布图，称 为天线的方向图，也称为天线的波瓣图。任一天线除了主瓣外，还有第一副瓣、 第二副瓣等。一般称主瓣的半功率角为波瓣宽度。 抛物面天线的半功率角可近似表示为 0m 丝7 0 九d ( 度) ( 2 3 ) 式中： 为自由空间波长，d 为天线面直径。 用于卫星通信的天线，对其旁瓣都有严格的要求。若旁瓣过大，用于接收 时，易受到其它微波系统的干扰，导致天线噪声温度增加。 ( 3 ) 天线噪声温度 天线在接收卫星信号的同时，也接收到自然界各种辐射源的噪声。天线接 收到的噪声和天线本身的噪声总和称为天线噪声。 天线噪声温度与天线本身和周围环境有关。天线本身产生的噪声包括天线面电 阻损耗、天线旁瓣等，周围环境影响包括太阳系的噪声、宇宙噪声和地球噪声。 最后，还包括干扰噪声，这主要是指其它通信系统电波干扰引起的噪声。 需要指出的是，降低天线旁瓣，对于降低地面噪声，。甚至降低太阳系噪声都具 有重要意义。 ( 4 ) 天线品质因数 天线增益与天线噪声温度( g t ) 之比称为天线的品质因数。这是衡量接收 站性能的重要指标。在计算t 值时要包括馈线损耗。馈线的噪声温度”1 为 厂1 、 昂= ll 一i t o ( 2 - - 4 ) ll f 式中，b 为馈线噪声温度，l f 为馈线衰减( d b ) ，t o 表示环境温度( k ) 。 ( 5 ) 天线的极化特性 天线的极化是在观察的方向上，它的辐射波电场矢量所指的方向。辐射波 的电场方向垂直于地面时，对地面来说，它是垂直极化波；当电场方向平行于 地面时称为水平极化。以上两种极化称为线极化。有的天线还采用圆极化波。 四川大学硕士学位论文 2 23 接收站天线的跟踪技术 为了最佳利用天线的增益，准确获取卫星的轨道数据，监视卫星的位置， 都必须使天线在任何时候精确指向卫星。但是天线要承受诸如风力、本身重力 以及传动链的摩擦力等因数的干扰，天线的指向总是会偏离卫星的方向。因此， 接收站需要采用跟踪技术 2 5 , 2 6 , 2 $ 1 不管卫星以多大的速度，沿什么轨道运动，都 能保证天线连续而精准地指向卫星，从而保证正常的通信或精确地获取卫星轨 道数据。 为了使天线始终对准卫星，可采用下述三种跟踪方式： ( 1 ) 手控跟踪：操作人员利用驱动控制系统驱动天线，并判断接收信号的好 坏，直到达到自己认为是最佳接收状态为止。对于小型天线和低漂移卫 星，手控跟踪是可行的； ( 2 )自动跟踪：通过接收卫星发射的信标信号，由跟踪馈源和跟踪接收机检 测出天线指向与卫星方向间的误差角，并转换为误差电信号，该信号控 制天线运动，使误差信号最小； ( 3 ) 程序跟踪：根据预报的卫星轨道信息和天线的实际位置信息，适时控制 天线指向卫星轨道位置。 自动跟踪又可以分类为射束控制方式和单脉冲跟踪方式。射柬控制方式又 包括圆锥扫描方式、射束转换方式和步进跟踪方式；单脉冲方式又分为多喇叭 方式和高次模方式。 三种射束控制自动跟踪方式的共同特点是要使用某种方法来移动天线射 束，并检测出信标波的入射方向，从而控制天线指向卫星。其中射束转换方式 是依次开关切换多个静止的辐射器产生的方向稍微不同的射束，形成等效的射 束扫描，以代替一个旋转的射束。多用于静止或缓变目标的跟踪。 单脉冲跟踪的特点是天线的射束固定，用单个来波信号就可立即检测天线 电轴与卫星方向间偏离的大小与方向，以获取驱动天线方位轴和俯仰轴运动的 误差信号，多用于快速运动目标的跟踪。 高次模自动跟踪的原理是利用圆波导中基模的单峰特性和高次模的双蜂特 性，基模形成和方向图，高次模产生差方向图。当天线电轴对准目标时，来波 信号在馈源中只激励起基模；当目标偏离天线电轴时，来波信号在馈源中同时 9 四川大学硕士学位论文 激励起基模和高次模。来波在和、差端口激励起t e 。模和t e ：模电压，和信号通 过放大，一路送至数据通道，另一路与差通道合成，组成跟踪通道。由于t e 2 模的场分布特性，需要对差信号采用四相调制体制。差信号经相位补偿后与和 信号合成一路再经混频、放大、相干幅度检波和误差解调，输出方位俯仰直流 误差电压，送伺服系统驱动天线朝着减小误差的方向运动，实现对目标的自动 跟踪。 2 3 接收解调分系统 2 3 1 分系统组成和工作原理 信号接收解调分系统的主要功能是将天线分系统送来的射频信号经放大、 变频后，传送到解调器，解调器对信号进行解调，恢复出遥感图像数据流。 接收解调分系统主要由l n a ( 低噪声放大器) 、变频器和解调器等部分组成， 另外，视具体情况，还可以包括射频分路器、中频开关矩阵及数据分配单元等 设备，其构成和工作原理如图2 1 所示。 一驾垦吵 叫! ! 奎塑量! 卜7 + 7 2 0 1 。z i l l ， 功 7 2 0 1 弛 n 数据分 l 分中频 天嚣卜 r低 器 h 匿婴坠_ 卜糯一 开关 矩薛 旧 配单元 损 矧lb 线 工 耗 剧 电 。i 7 0 t 0 1 zt同 弋 分 型 一 传 7 哑剧 叫ih 系 缆 统 输 鼍 l 调l 数据记录分系统 图2 1 接收解调分系统原理图 四川大学硕士学位论文 接收解调分系统的工作原理是，首先在高频箱内将天馈设备接收的射频信 号送入低噪声放大器( l n a ) ，经l n a 放大输出的信号通过低损耗电缆输入到下 变频器，下变频器将射频信号变频( x 频段先变为s 频段，然后再变到中频；l s 频段变为中频) 为中频信号输出，经开关矩阵选择的中频信号被送入解调器进 行解调，经过去扰和译码之后恢复出遥感信号数据流，该信号被分别输出到信 号记录分系统和遥感图像快视分系统进行记录及实时快视。 2 3 2 下变频器 下变频器“8 0 ”的作用是选择工作频道，并将载波频率变换至中频，经过中 频放大器，信号被放大到足够高的电平后再进行解调。如果下变频器输入的是 多个载波的射频信号，则经过变频后输出的仍是多载波的中频信号，载频的间 隔、信号频谱的宽度是不会改变的。也就是说下变频器只改变了频谱的频率， 但不改变信号的频谱结构。 之所以要将射频信号变为中频信号，其原因是： ( 1 ) 便于放大信号。在接收设备中，信号经过微波低噪声放大，只有5 0 6 0 d b 的增益，这是为了减少内部噪声影响所必需的，但这个信号仍然很微弱， 很难立即进行解调。如果继续在微波频率上进行放大，出了使设备复杂、成本 提高外，当增益高时，系统往往还不稳定。而将微波频率搬移到较低的中频上， 再进行放大就可以避免上述缺点。 ( 2 ) 便于选择所需信号。宽频带低噪声放大器接收的是从卫星下发的单 多载波信号，对于一个遥感接收站来说，它只需选出与本站有关的信息。 下变频器可分为一次变频方式和二次变频方式。一次变频式下变频器的优 点是“组合频率干扰”较少。但是，其本振频率与信号频率相差很小，容易出 现镜像噪声干扰。所以，在下变频器的输入端需加一个窄带滤波器，通常称为 预选器，只要它对镜像频率的抑制能力达到一定要求，便能使整机的噪声系数 不受影响，单当本振频率改变时，预选器的频率也必须作相应的改变，这在技 术上是比较麻烦的。 二次变频式下变频器虽然比较复杂，但镜像干扰小，不需要预选器，当改 变接收信号频率时，只需改变第一本地振荡器的频率。 一一一竖纠查兰堡主兰垡堡塞 图22 一次变频方案框图 图2 3 二次变频方粟框图 2 3 2 i 本振源 下变频器的本振源的技术性能对系统的接收质量有很大影响。根据实际需 要，本振源可分为固定频率和可变频率两种形式。在接收信号时，要求本振源 具有很高的频率稳定度和很纯的频谱，所以目前固定频率的本振源大都采用晶 振锁相倍频方式。而可变频率源则采用微波频率合成器方式。 在小型接收站，下变频器常用固定频率的本振源。在大型接收站中，为具 有良好的灵活性，通常采用能改变工作频率的微波频率合成器作为本振源。 为使接收站下变频器满足接收要求，对本扳源有以下一些要求： ( i ) 能输出足够的功率。 ( 2 ) 高的频率稳定度和精确度 ( 3 ) 低的相位噪声与杂散电平。 2 3 3 解调器 解调器”1 。2 4 1 一般由四个部分组成：中频单元、载波恢复一解调单元、时钟 恢复单元和数据再生单元。如下图所示： 婴趔查堂堡圭兰篁丝壅 输一 图2 4 解调器基本组成 解调器有固定频率解调器和多功能可变速率解调器之分。多功能可变速率 解调器就是在一定频率范围内可解调多种体制的信号，如b p s k 、q p s k 、o q p s k 等。 解调设备的功能是对经信道传输产生了失真并混入了噪声( 包括信道热嗓 声、卫星转发器和接收下变频器的相位噪声) 的信号进行识别，恢复出卫星下 发的原始数据信号。总的来说必须包含两个步骤：首先让带限信号经过解调变 为基带信号，然后再利用基带信号的检测判定方法，恢复出原来的信息。中频 单元包括中频放大、带通滤波器、均衡网络、增益控制电路和输出分路等基本 电路。载波恢复一解调单元包含从无载波分量的p s k 信号中提取出参考载波的 非线性处理电路，提纯参考载波的带通滤波器，以获得高质量的参考载波，送 到解调用鉴相器，与中频单元输出的带限含噪p s k 波进行相位比较，获得基带 信号输出。 四川大学硕士学位论文 2 3 3 1 p s k 信号的解调方式 p s k 调制有绝对调制( 相干调制) 和相对调制( 差分调制) 两种，对应的解 调方式也有相干解调和差分解调。对p s k 调制器而言，总是绝对调制，所谓差 分调制，不过是在调制器中把原始数据信息经过差分编码电路变成另外一种数 据流，使其经绝对p s k 调制后，p s k 信号中前后码元的相位差代表原始信息。所 谓绝对调制，就是p s k 的绝对相位信息即代表了原始信息。 绝对调制只能用相干解调。差分p s k 调制，可用两种解调方式：其一，延 时解调，把p s k 延迟一个码元在鉴相器中与当前码元进行相位比较，鉴相输出 直接反映p s k 前后码元相位差的大小，也就是代表了差分编码前的原始信息。 其二，相干解调，然后在经差分译码电路，即可还原成原始信息。对于差分p s k 调制，用相干解调比用延时解调有更好的误码率性能。 2 4 其它设备简介 ( 1 ) 数据记录分系统 数据记录过去一般采用磁带记录，随着计算机技术的飞速发展，现在数据 则多采用盘阵或单一大容量磁盘加磁带( 或光盘) 转录来进行记录。其功能就 是将解调器解调后的遥感数据实时记录下来，然后再将数据送到或转录后送到 数据处理中心进行处理。 ( 2 ) 标校设备 标校设备一般包含信号源、调制器、上变频器和天线标校塔等设备。其功 能是对天线系统的跟踪及接收通道的变频、解调进行检测，验证系统的功能及 性能。 ( 3 ) 时频分系统 时频分系统一般由g p s 接收机、时间服务器和时间显示单元组成。它通过 接收g p s g l o n a s s 进行时间同步，为整个接收系统提供精准的时间参考，是天 线能精确跟踪卫星的重要保证。 ( 4 ) 小型气象站 小型气象站主要由室外温度、湿度传感器和风速、风向传感器以及数据处 1 4 四川大学硕士学位论文 理单元组成。小型气象站的主要任务是进行环境监测，监视室外温度、湿度、 风速、风向环境气象参数的变化，评估环境对系统设备、信号特性的影响，建 立环境参数数据库，以便查询和管理。 ( 5 ) 数据预处理分系统 数据预处理”1 分系统包括数据管理、图像预处理和通用图像处理。图像预 处理完成：快视浏览1 2 0 1 、图像定位、分景处理。通用图像处理包括光学图像产 品处理及s a r 图像处理等。 产品处理进行基本遥感数据产品生产。所谓基本数据产品是指不需要地面 控制点，只对遥感图象进行系统级矫正。包括0 级产品，1 a 级产品和l b 级产品 三种。 快速图像信息提取是在事后对接收的遥感数据进行简单的数据同步、解扰、 分离等处理，恢复出遥感图像，供操作员浏览观察，并同步地完成图像与矢量 电子地图的配准显示、可疑区域图像的抓取、图像上的标注等初步图像信息处 理功能，以便快速获取信息。 四川大学硕士学位论文 3 遥感接收站总体设计 遥感接收站的总体设计不能孤立地进行。对于卫星转发器和接收站的性能 必须综合考虑，寻求最佳的性能组合和最好的经济效益。然而在实际工作中， 人们并未完全拥有这样的自由。由于卫星远在太空之中，受发射技术、星体制 造技术等条件的艮制，卫星通信线路的设计实际上是以卫星转发器为核心，以 其技术参数为依据，设计地球站的性能来适应卫星通信线路的质量要求。 随着技术的进步，这一卫星通信的传统模式也在发生改变。目前竞相开发 的全球低轨道卫星移动通信系统，即是以一种微型地球站一一手持式电话机为 核心，通过设计卫星系统来实现全球陆、海、空中任何地点的数百万用户之间 的实时通信。 本章所介绍的内容，仍然以卫星的技术参数以确定为前提来进行接收站的 总体设计。这也符合目前使用最多的固定式大、中、小型接收站的实际应用情 况。 3 1 建站任务的确定 接收站的建设必须完成以下内容： ( 1 ) 确定接收站站址位置。在确定要建站的地区，选择最佳的接收站站址。 ( 2 ) 确定需要接收的遥感卫星。 ( 3 ) 确定卫星的工作频段和下行线路的极化方式。目前遥感卫星经常应用 的频段是l 频段、s 频段和x 频段。 ( 4 ) 确定所接收卫星的信号调制方式。 3 2 接收站站址选择 3 2 1 站址选择原则 这里的站址选择是指接收站所在地区己确定后，站址建立在该地区的确切 位置，即确定站址的经度、纬度。作为固定地球站，站址选择应遵循以t n n ： ( 1 ) 接收站必须设在卫星天线波束的有效覆盖区域内。良好的站址选择应 四川大学硕士学位论文 使其工作仰角大于1 0 。，最差也不应低于5 。因为过低的仰角将会增大接收 系统的噪声温度和大气损耗，容易遭受干扰。 ( 2 ) 接收站的卫星视界应足够宽 接收站的卫星视界”1 是指在当地地形地物条件下可以对准与其或可能与其 互相通信的卫星的仰角方位角变化的轨迹曲线。对于低轨卫星，这就是接收站 跟踪该卫星时的方位角、仰角变化曲线。 卫星工作时的指向可以通过计算求出。对于移动卫星，在已知接收站的经 纬度九e 、pe ，卫星某一时刻其星下点( 卫星和地心连线与地球表面的交点) 的经纬度分别为 s 和ps 时，则在此时此刻接收站对准卫星时的方位角、仰 角及卫星至接收站的距离可由下式给出。 # = t g - 1i 瓦i i s i i n7 万c o s i pe f i 面百 ( 3 1 ) 目：t g 11 1 ；! ! ! ! ! ! ! ! ! 星! ! ! ! 矍! 墅! 星三：些墨二 ( 3 2 ) 、，1 一( c o s ac o s p jc o sp e + s i npss i “p e ) d = 4 2 1 6 8 、1 0 2 2 9 0 3 0 2 5 ( c o s c o spjc o sp e + s i npss ”p ej 一二- _ _ - 。一 ( 3 3 ) 以上计算是以正南方向为基准，接收站在北半球时推导出来的，式中 = s - - 土e ，中为方位角，0 为仰角，d 为距离。因此对于可全球分布的接收站 应安下表进行修正。 表3 1 以正北方向为基准时接收站对准卫星的方位角计算 接收站方位角中 接收站在北半球接收站在南半球 i 卫星在接收站东边 01 8 0 一中中 i 卫星在接收站西边 ( o1 8 0 + 中 3 6 0 一中 根据以上公式对所接收卫星求出接收站的方位角、仰角数据，就可以判断 出接收站所在位置的视界是否满足要求。 ( 3 ) 尽可能避开地面的各种干扰源 危害最大的地面干扰源为微波站及雷达设备。因此在选择站址时，必须先 四川大学硕士学位论文 摸清所在地区微波线路及雷达站的分布情况、传送方向和工作频段。要尽可能 远离这些干扰源选址，特别是同频段、同方向( 或反方向) 传送的微波站。为 了定量了解干扰源的分布及强度，必须对当地的电磁环境进行调查测量，以确 保接收站接收到的干扰电平不超过允许的最大值。 此外，工业电气设备、机场( 特别是机场雷达设备) 、飞机航线、高压输变 电设备、电台等所产生的干扰，也应特别给予重视。 ( 4 ) 对地形环境的要求 一个接收站的天线每次只能指向一个卫星( 多波束天线除外) ，当跟踪移动 的低轨遥感卫星时，其指向范围是相当大的，这就直接影响到接收站的选址。 为了有效地阻挡各种电波干扰，要求站址四周地形地物的天际线仰角越高越有 利。为保证接收站天线毫无阻挡地指向卫星，要求在接收站指向范围内有尽可 能低的天际线仰角。这些互相矛盾的要求，只能从各站的具体实际出发，酌情 处理，不能一概而论。 天际线仰角也并非越大越好，当接收站处于低仰角时，由于地面热噪声的 影响，天线的等效噪声温度将会急剧增加。导致接收站g t 值下降。其实，当 接收站天线工作仰角1 0 。时，要求接收站在其工作方向上的天际线仰角接近 0 。；当接收站天线工作仰角1 0 。时，适当的天际线仰角对抑制干扰较为有利。 综上所述，只要能避免地面微波系统的干扰，接收站天际线仰角应越低越好。 对于以遥感卫星为接收对象的遥感接收站而言，天际线仰角应在3 。以下。因地 形所限时，一般应保证接收站在其工作方向上留有2 。以上净空。 ( 5 ) 气象条件的要求 接收站的工作可靠性要求很高，例如i n t e l s a t 标准地球站的运转率必须在 9 9 8 以上，这样高的要求将对接收站的设计和建造提出严格的要求。作为接 收站室外天线系统的运转率，与气象条件密切相关。建站地区的风、雷、雪、 冰、温度、湿度及盐雾等均将直接影响到对天线的设计，所以必须调查当地的 气象资料，作为设计天线抗风、抗雨、抗雪能力的依据。在沿海地区建站，应 避免在常遭强台风、飓风、龙卷风袭击的地方选址。 ( 6 ) 地质条件 站址处应具