TeraScan衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)

TeraScan是目前一種比較流行的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)，它不僅包括各種用于接收處理的軟件系統(tǒng)，還包括各種配套的硬件設(shè)備，可以接收可見(jiàn)光和紅外信息，對(duì)于分布于我國(guó)的絕大多數(shù)衛(wèi)星地面站，主要用于獲取大面積分布、時(shí)間序列的中國(guó)海葉綠素濃度、懸移質(zhì)濃度、有機(jī)溶解物含量、初級(jí)生產(chǎn)力、透明度、漫衰減系數(shù)、海表溫度等海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)和海洋光學(xué)參數(shù)。這些參數(shù)可以直接應(yīng)用于海洋生物學(xué)、近海生態(tài)環(huán)境研究、赤潮監(jiān)測(cè)、海洋漁業(yè)、海洋通量研究、河口海岸帶、海溫預(yù)報(bào)、污染監(jiān)測(cè)、熱通量研究、氣候研究、大氣溫度、濕度廓線(xiàn)。TeraScan系統(tǒng)雖然不能接收海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)，但是以上參數(shù)的時(shí)間序列的空間分布圖像，可顯示大中尺度海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，如Elniño，黑潮及其流系，溫度鋒面，渦旋，上升流等。

　　TeraScan系統(tǒng)主要接收和處理的衛(wèi)星包括OrbView-2(軌道觀測(cè)衛(wèi)星2號(hào))及NOAA(美國(guó)海洋與大氣局)系列衛(wèi)星。其中從NOAA衛(wèi)星獲取的AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)模式的數(shù)據(jù)，從OrbView-2衛(wèi)星獲取的SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)數(shù)據(jù)為延時(shí)模式的加密數(shù)據(jù)，需兩周后才能解密。

　　系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其硬件系統(tǒng)大致可分為室外和室內(nèi)兩個(gè)部分，室外部分主要包括1.2m天線(xiàn)、1.5m天線(xiàn)罩、鋼制基座、通訊電纜。室內(nèi)部分主要包括SUN Ultra 10工作站、UPS、HR250 Receiver、SGP(Seastar Ground Processor)、SGPI(Seastar Ground Processor Interface)、4mm DAT 磁帶機(jī)、調(diào)制解調(diào)器。軟件Solaris 2.7及各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理專(zhuān)用軟件模塊。

　　以AVHRR、SeaWiFS兩個(gè)傳感器為例，AVHRR是NOAA極軌衛(wèi)星上攜帶的主要傳感器，這種傳感器共有5個(gè)通道，包括1個(gè)可見(jiàn)光通道、2個(gè)近紅外通道、2個(gè)紅外通道，可以測(cè)量地球及大氣層的可見(jiàn)光、近紅外、紅外輻射。SeaWiFS為OrbView-2衛(wèi)星上攜帶的主要傳感器，它共有8個(gè)通道，包括6個(gè)可見(jiàn)光通道和2個(gè)近紅外通道。NOAA和OrbView-2運(yùn)行在850km高空的近極地太陽(yáng)同步軌道上，每天大約提供2次全球覆蓋，AVHRR和SeaWiFS在天底的視場(chǎng)為1.1km。當(dāng)衛(wèi)星沿其軌道飛行時(shí)，傳感器不斷地掃描衛(wèi)星經(jīng)過(guò)的地球上的狹長(zhǎng)區(qū)域(swath)，采集掃描線(xiàn)上的小塊區(qū)域(采樣點(diǎn))的輻射量，每個(gè)通道記錄很窄一段波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射量。

　　TeraScan系統(tǒng)根據(jù)軌道要素(Orbital Elements)事先計(jì)算出極軌衛(wèi)星的軌道，即對(duì)某接收地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星出現(xiàn)的時(shí)間、衛(wèi)星的高度角、衛(wèi)星的掃描范圍，衛(wèi)星過(guò)境持續(xù)的時(shí)間。當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)時(shí)，碟形衛(wèi)星天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤衛(wèi)星的飛行軌道，接收衛(wèi)星的傳輸信號(hào)，整個(gè)天線(xiàn)接收的信號(hào)被反射到位于其前方中心位置的饋源上，饋源把收集到的信號(hào)傳送到低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行放大處理，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻器(down converter)由高頻RF(L波段)信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻(IF)信號(hào)。IF信號(hào)通過(guò)同軸電纜從下變頻器進(jìn)入接收器HR250，HR250的功能與普通收音機(jī)相同，可以鎖定HRPT telemetry的特定載波頻率，并從中提取嵌入的傳感器數(shù)據(jù)(基帶信號(hào))，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為解調(diào)。解調(diào)信號(hào)接著進(jìn)入HR250箱中的位同步器，位同步器提供一個(gè)與解調(diào)數(shù)據(jù)同步的相位同步時(shí)鐘脈沖，并把PCM格式由雙相位(衛(wèi)星上的編碼方式)解碼為NRZ-L(幀同步器編碼方式)。

　　位數(shù)據(jù)流和時(shí)鐘脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)SGPI (Seastar Ground Processor Interface)直接進(jìn)入幀同步器，連續(xù)的位數(shù)據(jù)流在這里被分割成有意義的數(shù)據(jù)塊(稱(chēng)為幀)，每一幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于傳感器掃描的一行數(shù)據(jù)，幀的開(kāi)始部分是固定的頭信息，稱(chēng)為幀同步信號(hào)，幀同步器把幀同步信號(hào)連同數(shù)據(jù)及時(shí)鐘脈沖信號(hào)傳送給TeraScan軟件，這樣軟件就知道應(yīng)該從幀的什么位置開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　從衛(wèi)星上接收的原始數(shù)據(jù)被存放在硬盤(pán)上劃分出的一塊特定的硬盤(pán)區(qū)域中，這一區(qū)域?qū)ｉT(mén)用于臨時(shí)存放最新捕獲的原始數(shù)據(jù)。當(dāng)有新數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)時(shí)，它將自動(dòng)覆蓋掉原來(lái)存儲(chǔ)的時(shí)間最早的數(shù)據(jù)。我們還可以通過(guò)選項(xiàng)設(shè)置，讓TeraScan在把原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)區(qū)域的同時(shí)自動(dòng)保存到磁帶上，這一過(guò)程被稱(chēng)為自動(dòng)歸檔，歸檔的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存。

　　TeraScan系統(tǒng)捕獲的是包括多個(gè)不同傳感器的混合數(shù)據(jù)流，TeraScan能夠從中分離出輻射量和地球物理量，然后根據(jù)特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型和需求，經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理步驟，把原始數(shù)據(jù)處理成圖像和覆蓋圖產(chǎn)品。

　　接收的SeaWiFS數(shù)據(jù)為加密數(shù)據(jù)，兩周后Orbital Science公司將在網(wǎng)上公布解密密鑰，更新SGP密鑰后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼工作。首先將兩周前的加密數(shù)據(jù)從磁帶回存到pass disk中，然后運(yùn)行解密命令，加密數(shù)據(jù)被送入幀同步器，幀同步器將加密信號(hào)和數(shù)據(jù)經(jīng)SGPI送入SGP，SGP將數(shù)據(jù)解密，解密數(shù)據(jù)再經(jīng)SGPI輸出到幀同步器，接著保存到pass disk，最后將解密數(shù)據(jù)歸檔到磁帶上。TeraScan可以對(duì)解密的SeaWiFS數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，生成各種圖像和覆蓋圖產(chǎn)品。

　　TeraScan是一個(gè)軟件和硬件的集成系統(tǒng)，它可以自動(dòng)捕獲衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理成各種圖像和覆蓋圖產(chǎn)品，通過(guò)可視化軟件進(jìn)行查看，進(jìn)而分發(fā)到任意的本地或異地目的地。

　　TeraScan軟件基于UNIX操作系統(tǒng)，由以下部分構(gòu)成。

　　TeraScan輸入的數(shù)據(jù)具有它獨(dú)有的TeraScan數(shù)據(jù)格式——TDF(TeraScan Data File)。這是一種通用數(shù)據(jù)格式，可以讀取各種類(lèi)型、形狀和大小的數(shù)據(jù)。TDF是自描述型的，數(shù)據(jù)集定義和數(shù)據(jù)保存在同一個(gè)文件中，一個(gè)TDF數(shù)據(jù)集可以使用鏈接訪(fǎng)問(wèn)其它文件中的變量。TDF與其它自描述型數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似，如HDF、netCDF，TDF支持這些類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)換。

　　TeraScan有500多個(gè)捕獲和處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的命令行函數(shù)。許多函數(shù)合并在TeraScan 圖形用戶(hù)接口(GUI)中或者可以通過(guò)它們間接訪(fǎng)問(wèn)。所有通過(guò)GUI可訪(fǎng)問(wèn)的函數(shù)均可在命令行執(zhí)行，有一些附加的功能只能通過(guò)命令行函數(shù)來(lái)完成。TeraScan函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

　　(17)通用代碼，如數(shù)據(jù)和時(shí)間算法，實(shí)數(shù)算法，找出日期和時(shí)間上最新的文件。

　　(3)sunclock—從GPS獲得當(dāng)前時(shí)間并在必要時(shí)更新系統(tǒng)時(shí)間。

　　(5)ups_monitor—監(jiān)視UPS，系統(tǒng)電力資源狀態(tài)在日志中的變化，根據(jù)UPS的電力水平關(guān)閉或重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

　　TeraScan軟件包括大量的參考文件和數(shù)據(jù)庫(kù)，它們?yōu)門(mén)eraScan提供運(yùn)行所有操作所需的信息。

　　(7)調(diào)色板和放大表。

　　TeraScan Data Capture Package提供自動(dòng)捕獲和歸檔極軌和地球同步氣象和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的軟件，它包括實(shí)現(xiàn)軌道捕獲規(guī)劃的守護(hù)進(jìn)程及具有規(guī)劃能力的TeraCapCon圖形用戶(hù)接口，使得用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊活動(dòng)來(lái)控制TeraScan的功能。盡管TeraCapCon包含在Core Package中，可用它來(lái)瀏覽pass的覆蓋范圍，但它必需被單獨(dú)授權(quán)以用于自動(dòng)捕獲規(guī)劃。

　　SeaWiFS Package提供連接TeraScan系統(tǒng)與SeaWiFS解碼設(shè)備以及處理解碼后SeaWiFS數(shù)據(jù)的軟硬件。TeraScan SeaWiFS Package是基于NASA的SEADAS包，它經(jīng)常被更新以匹配最新的SEADAS功能。SeaWiFS Package包括：

　　(2)SGPI及連接電纜。SGPI是連接TeraScan系統(tǒng)與SeaWiFS數(shù)據(jù)解碼設(shè)備SGP的接口單元；

　　(3)TeraScan SeaWiFS用戶(hù)手冊(cè)。

　　TeraScan系統(tǒng)捕獲的數(shù)據(jù)流是多個(gè)不同傳感器數(shù)據(jù)的集合，包括圖像傳感器和一個(gè)或多個(gè)音響器。TeraScan從接收的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)中分離出地球物理學(xué)的測(cè)量值，并根據(jù)用戶(hù)的要求以圖像或圖表的形式顯示。把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息需要幾個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，由AVHRR數(shù)據(jù)生成海溫圖像、由SeaWiFS數(shù)據(jù)生成海色圖像的處理過(guò)程：

　　AVHRR數(shù)據(jù)首先通過(guò)hrptin函數(shù)從TeraScan系統(tǒng)捕獲的HRPT數(shù)據(jù)流中被分離出來(lái)，count值在0~1023之間的數(shù)據(jù)代表輻射溫度的count值，它們從HRPT數(shù)據(jù)流中被分離出來(lái)。hrptin函數(shù)將輸出轉(zhuǎn)化為輻射溫度，可見(jiàn)光通道的結(jié)果為反照率百分?jǐn)?shù)，紅外通道的結(jié)果為Celsius/Kelvin溫度。有時(shí)HRPT數(shù)據(jù)流可能丟失幾行數(shù)據(jù)，hrptin通過(guò)復(fù)制臨近行數(shù)據(jù)來(lái)修復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。飛行器時(shí)鐘和水平追蹤器的小誤差可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星方位上的小誤差(1~10km)，在許多應(yīng)用中這些誤差可以忽略不計(jì)，但在研究中，小范圍區(qū)域要求精確的定位，這就需要用navbox函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。讀入的AVHRR數(shù)據(jù)集通過(guò)函數(shù)navbox2和nav2被校準(zhǔn)，navbox2選擇包含不規(guī)則陸地或水域邊界的boxes，nav2將圖像數(shù)據(jù)與這些邊界進(jìn)行關(guān)聯(lián)。函數(shù)outliers可以檢測(cè)并修復(fù)噪聲數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值，則將其視為噪聲數(shù)據(jù)，用周?chē)�像素的平均值代替其取值。用nitpix函數(shù)可以進(jìn)行云檢測(cè)并計(jì)算海表溫度SST，這個(gè)函數(shù)需要使用TearaScan中對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的搜索表，用戶(hù)可以選擇不同的搜索方法，最常用的是多通道方法。接著可以用fastreg函數(shù)以指定的er完全同樣大小。

　　SeaWiFS數(shù)據(jù)的處理步驟與AVHRR數(shù)據(jù)處理類(lèi)似，此處不再贅述。

　　本文詳細(xì)介紹了TeraScan系統(tǒng)的軟硬件組成、工作原理及數(shù)據(jù)處理過(guò)程，該系統(tǒng)為研究中國(guó)海域大中尺度海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律提供了有效的手段。其自動(dòng)接收與處理功能及可視化顯示功能使得研究人員可以方便快捷地獲得所需的第一手資料，加速了科研的進(jìn)程。