对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析

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

GeomaticScienceandEngineering

Vo1.27,No.3

Sep.2007

对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析

胡国军①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】P236

AddressSelectionandDistributionAnalysisofSmallSatelliteStation

HuGuojunLiShizhongHuYanYangZhe

AbstractModemsmallsatellitetechnologyindevelopingrapidlyisquiteusefulandapplicabl

eforearthobser-

ignofthegroundstationisveryimportantamongthekeytechnologiesforearth

observationsatellite.

Thispaperdiscussesthesiteselectionandistributionforthegroundstationofearthobservatio

nsatellite.

Keywordssatelliteforearthobservation;earthstation;addressselection;distributionanalysi

s

1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.

①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,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ITU—R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,ITU—R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ITu—R

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.

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.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.ITU—R

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/cm≤WlOmW/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

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6—72.4912.9310.17437.21/43

喀什5～61.3312.909.93387.16/39

南宁4～51.3112.839.87315.7Q/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4～62.6710.518.37蕊4.41/34

喀什4～53.2110.498.42252.65/30

南宁3～41.3910.427.99.6&/6

西安4～51.8110.478.092=;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3～6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,1992

[2]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,1994

[3]王仁礼,李世忠,张占睦等.航天遥感地面系统.解

放军出版社,2005

[4]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)