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，可以接收可見光和紅外信息，對于分布于我國的絕大多數(shù)衛(wèi)星地面站，主要用于獲取大面積分布、時間序列的中國海葉綠素濃度、懸移質(zhì)濃度、有機溶解物含量、初級生產(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、海洋漁業(yè)、海洋通量研究、河口海岸帶、海溫預(yù)報、污染監(jiān)測、熱通量研究、氣候研究、大氣溫度、濕度廓線。TeraScan系統(tǒng)雖然不能接收海洋動力學(xué)參數(shù)，但是以上參數(shù)的時間序列的空間分布圖像，可顯示大中尺度海洋動力學(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(軌道觀測衛(wèi)星2號)及NOAA(美國海洋與大氣局)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)為實時模式的數(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)兩個部分，室外部分主要包括1.2m天線、1.5m天線罩、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、調(diào)制解調(diào)器。軟件Solaris 2.7及各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理專用軟件模塊。

　　以AVHRR、SeaWiFS兩個傳感器為例，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個通道，包括1個可見光通道、2個近紅外通道、2個紅外通道，可以測量地球及大氣層的可見光、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個通道，包括6個可見光通道和2個近紅外通道。NOAA和OrbView-2運行在850km高空的近極地太陽同步軌道上，每天大約提供2次全球覆蓋，AVHRR和SeaWiFS在天底的視場為1.1km。當(dāng)衛(wèi)星沿其軌道飛行時，傳感器不斷地掃描衛(wèi)星經(jīng)過的地球上的狹長區(qū)域(swath)，采集掃描線上的小塊區(qū)域(采樣點)的輻射量，每個通道記錄很窄一段波長范圍內(nèi)的輻射量。

　　TeraScan系統(tǒng)根據(jù)軌道要素(Orbital Elements)事先計算出極軌衛(wèi)星的軌道，即對某接收地點來說，衛(wèi)星出現(xiàn)的時間、衛(wèi)星的高度角、衛(wèi)星的掃描范圍，衛(wèi)星過境持續(xù)的時間。當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)時，碟形衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)動，跟蹤衛(wèi)星的飛行軌道，接收衛(wèi)星的傳輸信號，整個天線接收的信號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傳送到低噪聲放大器(LNA)進行放大處理，放大后的信號經(jīng)過下變頻器(down converter)由高頻RF(L波段)信號轉(zhuǎn)換為中頻(IF)信號。IF信號通過同軸電纜從下變頻器進入接收器HR250，HR250的功能與普通收音機相同，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)，這個過程被稱為解調(diào)。解調(diào)信號接著進入HR250箱中的位同步器，位同步器提供一個與解調(diào)數(shù)據(jù)同步的相位同步時鐘脈沖，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)流和時鐘脈沖信號經(jīng)過SGPI (Seastar Ground Processor Interface)直接進入幀同步器，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(稱為幀)，每一幀數(shù)據(jù)對應(yīng)于傳感器掃描的一行數(shù)據(jù)，幀的開始部分是固定的頭信息，稱為幀同步信號，幀同步器把幀同步信號連同數(shù)據(jù)及時鐘脈沖信號傳送給TeraScan軟件，這樣軟件就知道應(yīng)該從幀的什么位置開始讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　從衛(wèi)星上接收的原始數(shù)據(jù)被存放在硬盤上劃分出的一塊特定的硬盤區(qū)域中，這一區(qū)域?qū)ｉT用于臨時存放最新捕獲的原始數(shù)據(jù)。當(dāng)有新數(shù)據(jù)進來時，它將自動覆蓋掉原來存儲的時間最早的數(shù)據(jù)。我們還可以通過選項設(shè)置，讓TeraScan在把原始數(shù)據(jù)存儲到硬盤區(qū)域的同時自動保存到磁帶上，這一過程被稱為自動歸檔，歸檔的數(shù)據(jù)可以長期保存。

　　TeraScan系統(tǒng)捕獲的是包括多個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)類型和需求，經(jīng)過一系列數(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可以對解密的SeaWiFS數(shù)據(jù)進行進一步處理，生成各種圖像和覆蓋圖產(chǎn)品。

　　TeraScan是一個軟件和硬件的集成系統(tǒng)，它可以自動捕獲衛(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，通過可視化軟件進行查看，進而分發(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)保存在同一個文件中，一個TDF數(shù)據(jù)集可以使用鏈接訪問其它文件中的變量。TDF與其它自描述型數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)類似，如HDF、netCDF，TDF支持這些類型間的相互轉(zhuǎn)換。

　　TeraScan有500多個捕獲和處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的命令行函數(shù)。許多函數(shù)合并在TeraScan 圖形用戶接口(GUI)中或者可以通過它們間接訪問。所有通過GUI可訪問的函數(shù)均可在命令行執(zhí)行，有一些附加的功能只能通過命令行函數(shù)來完成。TeraScan函數(shù)實現(xiàn)的功能主要有：

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

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

　　(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)閉或重新啟動系統(tǒng)。

　　TeraScan軟件包括大量的參考文件和數(shù)據(jù)庫，它們?yōu)門eraScan提供運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，它包括實現(xiàn)軌道捕獲規(guī)劃的守護進程及具有規(guī)劃能力的TeraCapCon圖形用戶接口，使得用戶可以通過鼠標(biāo)的點擊活動來控制TeraScan的功能。盡管TeraCapCon包含在Core Package中，可用它來瀏覽pass的覆蓋范圍，但它必需被單獨授權(quán)以用于自動捕獲規(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用戶手冊。

　　TeraScan系統(tǒng)捕獲的數(shù)據(jù)流是多個不同傳感器數(shù)據(jù)的集合，包括圖像傳感器和一個或多個音響器。TeraScan從接收的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)中分離出地球物理學(xué)的測量值，并根據(jù)用戶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數(shù)據(jù)處理過程，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程：

　　AVHRR數(shù)據(jù)首先通過hrptin函數(shù)從TeraScan系統(tǒng)捕獲的HRPT數(shù)據(jù)流中被分離出來，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。hrptin函數(shù)將輸出轉(zhuǎn)化為輻射溫度，可見光通道的結(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HRPT數(shù)據(jù)流可能丟失幾行數(shù)據(jù)，hrptin通過復(fù)制臨近行數(shù)據(jù)來修復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。飛行器時鐘和水平追蹤器的小誤差可能會導(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，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)對數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)。讀入的AVHRR數(shù)據(jù)集通過函數(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)與這些邊界進行關(guān)聯(lián)。函數(shù)outliers可以檢測并修復(fù)噪聲數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值，則將其視為噪聲數(shù)據(jù)，用周圍像素的平均值代替其取值。用nitpix函數(shù)可以進行云檢測并計算海表溫度SST，這個函數(shù)需要使用TearaScan中對應(yīng)衛(wèi)星的搜索表，用戶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)處理過程，該系統(tǒng)為研究中國海域大中尺度海洋動力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律提供了有效的手段。其自動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，加速了科研的進程。