TeraScan衛星數據接收與處理系統

TeraScan是目前一種比較流行的衛星數據接收和處理系統，它不僅包括各種用于接收處理的軟件系統，還包括各種配套的硬件設備，可以接收可見光和紅外信息，對于分布于我國的絕大多數衛星地面站，主要用于獲取大面積分布、時間序列的中國海葉綠素濃度、懸移質濃度、有機溶解物含量、初級生產力、透明度、漫衰減系數、海表溫度等海洋生態環境參數和海洋光學參數。這些參數可以直接應用于海洋生物學、近海生態環境研究、赤潮監測、海洋漁業、海洋通量研究、河口海岸帶、海溫預報、污染監測、熱通量研究、氣候研究、大氣溫度、濕度廓線。TeraScan系統雖然不能接收海洋動力學參數，但是以上參數的時間序列的空間分布圖像，可顯示大中尺度海洋動力學現象和規律，如Elniño，黑潮及其流系，溫度鋒面，渦旋，上升流等。

　　TeraScan系統主要接收和處理的衛星包括OrbView-2(軌道觀測衛星2號)及NOAA(美國海洋與大氣局)系列衛星。其中從NOAA衛星獲取的AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)數據為實時模式的數據，從OrbView-2衛星獲取的SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)數據為延時模式的加密數據，需兩周后才能解密。

　　系統由硬件和軟件兩部分組成，其硬件系統大致可分為室外和室內兩個部分，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、調制解調器。軟件Solaris 2.7及各種衛星數據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。當衛星沿其軌道飛行時，傳感器不斷地掃描衛星經過的地球上的狹長區域(swath)，采集掃描線上的小塊區域(采樣點)的輻射量，每個通道記錄很窄一段波長范圍內的輻射量。

　　TeraScan系統根據軌道要素(Orbital Elements)事先計算出極軌衛星的軌道，即對某接收地點來說，衛星出現的時間、衛星的高度角、衛星的掃描范圍，衛星過境持續的時間。當衛星出現時，碟形衛星天線轉動，跟蹤衛星的飛行軌道，接收衛星的傳輸信號，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，放大后的信號經過下變頻器(down converter)由高頻RF(L波段)信號轉換為中頻(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據(基帶信號)，這個過程被稱為解調。解調信號接著進入HR250箱中的位同步器，位同步器提供一個與解調數據同步的相位同步時鐘脈沖，并把PCM格式由雙相位(衛星上的編碼方式)解碼為NRZ-L(幀同步器編碼方式)。

　　位數據流和時鐘脈沖信號經過SGPI (Seastar Ground Processor Interface)直接進入幀同步器，連續的位數據流在這里被分割成有意義的數據塊(稱為幀)，每一幀數據對應于傳感器掃描的一行數據，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據及時鐘脈沖信號傳送給TeraScan軟件，這樣軟件就知道應該從幀的什么位置開始讀取數據內容。

　　從衛星上接收的原始數據被存放在硬盤上劃分出的一塊特定的硬盤區域中，這一區域專門用于臨時存放最新捕獲的原始數據。當有新數據進來時，它將自動覆蓋掉原來存儲的時間最早的數據。我們還可以通過選項設置，讓TeraScan在把原始數據存儲到硬盤區域的同時自動保存到磁帶上，這一過程被稱為自動歸檔，歸檔的數據可以長期保存。

　　TeraScan系統捕獲的是包括多個不同傳感器的混合數據流，TeraScan能夠從中分離出輻射量和地球物理量，然后根據特定的數據類型和需求，經過一系列數據處理步驟，把原始數據處理成圖像和覆蓋圖產品。

　　接收的SeaWiFS數據為加密數據，兩周后Orbital Science公司將在網上公布解密密鑰，更新SGP密鑰后，即可進行數據解碼工作。首先將兩周前的加密數據從磁帶回存到pass disk中，然后運行解密命令，加密數據被送入幀同步器，幀同步器將加密信號和數據經SGPI送入SGP，SGP將數據解密，解密數據再經SGPI輸出到幀同步器，接著保存到pass disk，最后將解密數據歸檔到磁帶上。TeraScan可以對解密的SeaWiFS數據進行進一步處理，生成各種圖像和覆蓋圖產品。

　　TeraScan是一個軟件和硬件的集成系統，它可以自動捕獲衛星數據，并將這些數據處理成各種圖像和覆蓋圖產品，通過可視化軟件進行查看，進而分發到任意的本地或異地目的地。

　　TeraScan軟件基于UNIX操作系統，由以下部分構成。

　　TeraScan輸入的數據具有它獨有的TeraScan數據格式——TDF(TeraScan Data File)。這是一種通用數據格式，可以讀取各種類型、形狀和大小的數據。TDF是自描述型的，數據集定義和數據保存在同一個文件中，一個TDF數據集可以使用鏈接訪問其它文件中的變量。TDF與其它自描述型數據集標準類似，如HDF、netCDF，TDF支持這些類型間的相互轉換。

　　TeraScan有500多個捕獲和處理衛星數據的命令行函數。許多函數合并在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可訪問的函數均可在命令行執行，有一些附加的功能只能通過命令行函數來完成。TeraScan函數實現的功能主要有：

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

　　(3)sunclock—從GPS獲得當前時間并在必要時更新系統時間。

　　(5)ups_monitor—監視UPS，系統電力資源狀態在日志中的變化，根據UPS的電力水平關閉或重新啟動系統。

　　TeraScan軟件包括大量的參考文件和數據庫，它們為TeraScan提供運行所有操作所需的信息。

　　(7)調色板和放大表。

　　TeraScan Data Capture Package提供自動捕獲和歸檔極軌和地球同步氣象和環境衛星數據的軟件，它包括實現軌道捕獲規劃的守護進程及具有規劃能力的TeraCapCon圖形用戶接口，使得用戶可以通過鼠標的點擊活動來控制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以用于自動捕獲規劃。

　　SeaWiFS Package提供連接TeraScan系統與SeaWiFS解碼設備以及處理解碼后SeaWiFS數據的軟硬件。TeraScan SeaWiFS Package是基于NASA的SEADAS包，它經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系統與SeaWiFS數據解碼設備SGP的接口單元；

　　(3)TeraScan SeaWiFS用戶手冊。

　　TeraScan系統捕獲的數據流是多個不同傳感器數據的集合，包括圖像傳感器和一個或多個音響器。TeraScan從接收的衛星原始數據中分離出地球物理學的測量值，并根據用戶的要求以圖像或圖表的形式顯示。把原始數據轉化為有用信息需要幾個數據處理過程，由AVHRR數據生成海溫圖像、由SeaWiFS數據生成海色圖像的處理過程：

　　AVHRR數據首先通過hrptin函數從TeraScan系統捕獲的HRPT數據流中被分離出來，count值在0~1023之間的數據代表輻射溫度的count值，它們從HRPT數據流中被分離出來。hrptin函數將輸出轉化為輻射溫度，可見光通道的結果為反照率百分數，紅外通道的結果為Celsius/Kelvin溫度。有時HRPT數據流可能丟失幾行數據，hrptin通過復制臨近行數據來修復丟失的數據。飛行器時鐘和水平追蹤器的小誤差可能會導致衛星方位上的小誤差(1~10km)，在許多應用中這些誤差可以忽略不計，但在研究中，小范圍區域要求精確的定位，這就需要用navbox函數對數據進行校準。讀入的AVHRR數據集通過函數navbox2和nav2被校準，navbox2選擇包含不規則陸地或水域邊界的boxes，nav2將圖像數據與這些邊界進行關聯。函數outliers可以檢測并修復噪聲數據，若數據超過設定的閾值，則將其視為噪聲數據，用周圍像素的平均值代替其取值。用nitpix函數可以進行云檢測并計算海表溫度SST，這個函數需要使用TearaScan中對應衛星的搜索表，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函數以指定的er完全同樣大小。

　　SeaWiFS數據的處理步驟與AVHRR數據處理類似，此處不再贅述。

　　本文詳細介紹了TeraScan系統的軟硬件組成、工作原理及數據處理過程，該系統為研究中國海域大中尺度海洋動力學現象和規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。