TeraScan卫星数据接收与处理系统

TeraScan是目前一种比较流行的卫星数据接收和处理系统，它不仅包括各种用于接收处理的软件系统，还包括各种配套的硬件设备，可以接收可见光和红外信息，对于分布于我国的绝大多数卫星地面站，主要用于获取大面积分布、时间序列的中国海叶绿素浓度、悬移质浓度、有机溶解物含量、初级生产力、透明度、漫衰减系数、海表温度等海洋生态环境参数和海洋光学参数。这些参数可以直接应用于海洋生物学、近海生态环境研究、赤潮监测、海洋渔业、海洋通量研究、河口海岸带、海温预报、污染监测、热通量研究、气候研究、大气温度、湿度廓线。TeraScan系统虽然不能接收海洋动力学参数，但是以上参数的时间序列的空间分布图像，可显示大中尺度海洋动力学现象和规律，如Elniño，黑潮及其流系，温度锋面，涡旋，上升流等。

　　TeraScan系统主要接收和处理的卫星包括OrbView-2(轨道观测卫星2号)及NOAA(美国海洋与大气局)系列卫星。其中从NOAA卫星获取的AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)数据为实时模式的数据，从OrbView-2卫星获取的SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)数据为延时模式的加密数据，需两周后才能解密。

　　系统由硬件和软件两部分组成，其硬件系统大致可分为室外和室内两个部分，室外部分主要包括1.2m天线、1.5m天线罩、钢制基座、通讯电缆。室内部分主要包括SUN Ultra 10工作站、UPS、HR250 Receiver、SGP(Seastar Ground Processor)、SGPI(Seastar Ground Processor Interface)、4mm DAT 磁带机、调制解调器。软件Solaris 2.7及各种卫星数据接收和处理专用软件模块。

　　以AVHRR、SeaWiFS两个传感器为例，AVHRR是NOAA极轨卫星上携带的主要传感器，这种传感器共有5个通道，包括1个可见光通道、2个近红外通道、2个红外通道，可以测量地球及大气层的可见光、近红外、红外辐射。SeaWiFS为OrbView-2卫星上携带的主要传感器，它共有8个通道，包括6个可见光通道和2个近红外通道。NOAA和OrbView-2运行在850km高空的近极地太阳同步轨道上，每天大约提供2次全球覆盖，AVHRR和SeaWiFS在天底的视场为1.1km。当卫星沿其轨道飞行时，传感器不断地扫描卫星经过的地球上的狭长区域(swath)，采集扫描线上的小块区域(采样点)的辐射量，每个通道记录很窄一段波长范围内的辐射量。

　　TeraScan系统根据轨道要素(Orbital Elements)事先计算出极轨卫星的轨道，即对某接收地点来说，卫星出现的时间、卫星的高度角、卫星的扫描范围，卫星过境持续的时间。当卫星出现时，碟形卫星天线转动，跟踪卫星的飞行轨道，接收卫星的传输信号，整个天线接收的信号被反射到位于其前方中心位置的馈源上，馈源把收集到的信号传送到低噪声放大器(LNA)进行放大处理，放大后的信号经过下变频器(down converter)由高频RF(L波段)信号转换为中频(IF)信号。IF信号通过同轴电缆从下变频器进入接收器HR250，HR250的功能与普通收音机相同，可以锁定HRPT telemetry的特定载波频率，并从中提取嵌入的传感器数据(基带信号)，这个过程被称为解调。解调信号接着进入HR250箱中的位同步器，位同步器提供一个与解调数据同步的相位同步时钟脉冲，并把PCM格式由双相位(卫星上的编码方式)解码为NRZ-L(帧同步器编码方式)。

　　位数据流和时钟脉冲信号经过SGPI (Seastar Ground Processor Interface)直接进入帧同步器，连续的位数据流在这里被分割成有意义的数据块(称为帧)，每一帧数据对应于传感器扫描的一行数据，帧的开始部分是固定的头信息，称为帧同步信号，帧同步器把帧同步信号连同数据及时钟脉冲信号传送给TeraScan软件，这样软件就知道应该从帧的什么位置开始读取数据内容。

　　从卫星上接收的原始数据被存放在硬盘上划分出的一块特定的硬盘区域中，这一区域专门用于临时存放最新捕获的原始数据。当有新数据进来时，它将自动覆盖掉原来存储的时间最早的数据。我们还可以通过选项设置，让TeraScan在把原始数据存储到硬盘区域的同时自动保存到磁带上，这一过程被称为自动归档，归档的数据可以长期保存。

　　TeraScan系统捕获的是包括多个不同传感器的混合数据流，TeraScan能够从中分离出辐射量和地球物理量，然后根据特定的数据类型和需求，经过一系列数据处理步骤，把原始数据处理成图像和覆盖图产品。

　　接收的SeaWiFS数据为加密数据，两周后Orbital Science公司将在网上公布解密密钥，更新SGP密钥后，即可进行数据解码工作。首先将两周前的加密数据从磁带回存到pass disk中，然后运行解密命令，加密数据被送入帧同步器，帧同步器将加密信号和数据经SGPI送入SGP，SGP将数据解密，解密数据再经SGPI输出到帧同步器，接着保存到pass disk，最后将解密数据归档到磁带上。TeraScan可以对解密的SeaWiFS数据进行进一步处理，生成各种图像和覆盖图产品。

　　TeraScan是一个软件和硬件的集成系统，它可以自动捕获卫星数据，并将这些数据处理成各种图像和覆盖图产品，通过可视化软件进行查看，进而分发到任意的本地或异地目的地。

　　TeraScan软件基于UNIX操作系统，由以下部分构成。

　　TeraScan输入的数据具有它独有的TeraScan数据格式——TDF(TeraScan Data File)。这是一种通用数据格式，可以读取各种类型、形状和大小的数据。TDF是自描述型的，数据集定义和数据保存在同一个文件中，一个TDF数据集可以使用链接访问其它文件中的变量。TDF与其它自描述型数据集标准类似，如HDF、netCDF，TDF支持这些类型间的相互转换。

　　TeraScan有500多个捕获和处理卫星数据的命令行函数。许多函数合并在TeraScan 图形用户接口(GUI)中或者可以通过它们间接访问。所有通过GUI可访问的函数均可在命令行执行，有一些附加的功能只能通过命令行函数来完成。TeraScan函数实现的功能主要有：

　　(17)通用代码，如数据和时间算法，实数算法，找出日期和时间上最新的文件。

　　(3)sunclock—从GPS获得当前时间并在必要时更新系统时间。

　　(5)ups_monitor—监视UPS，系统电力资源状态在日志中的变化，根据UPS的电力水平关闭或重新启动系统。

　　TeraScan软件包括大量的参考文件和数据库，它们为TeraScan提供运行所有操作所需的信息。

　　(7)调色板和放大表。

　　TeraScan Data Capture Package提供自动捕获和归档极轨和地球同步气象和环境卫星数据的软件，它包括实现轨道捕获规划的守护进程及具有规划能力的TeraCapCon图形用户接口，使得用户可以通过鼠标的点击活动来控制TeraScan的功能。尽管TeraCapCon包含在Core Package中，可用它来浏览pass的覆盖范围，但它必需被单独授权以用于自动捕获规划。

　　SeaWiFS Package提供连接TeraScan系统与SeaWiFS解码设备以及处理解码后SeaWiFS数据的软硬件。TeraScan SeaWiFS Package是基于NASA的SEADAS包，它经常被更新以匹配最新的SEADAS功能。SeaWiFS Package包括：

　　(2)SGPI及连接电缆。SGPI是连接TeraScan系统与SeaWiFS数据解码设备SGP的接口单元；

　　(3)TeraScan SeaWiFS用户手册。

　　TeraScan系统捕获的数据流是多个不同传感器数据的集合，包括图像传感器和一个或多个音响器。TeraScan从接收的卫星原始数据中分离出地球物理学的测量值，并根据用户的要求以图像或图表的形式显示。把原始数据转化为有用信息需要几个数据处理过程，由AVHRR数据生成海温图像、由SeaWiFS数据生成海色图像的处理过程：

　　AVHRR数据首先通过hrptin函数从TeraScan系统捕获的HRPT数据流中被分离出来，count值在0~1023之间的数据代表辐射温度的count值，它们从HRPT数据流中被分离出来。hrptin函数将输出转化为辐射温度，可见光通道的结果为反照率百分数，红外通道的结果为Celsius/Kelvin温度。有时HRPT数据流可能丢失几行数据，hrptin通过复制临近行数据来修复丢失的数据。飞行器时钟和水平追踪器的小误差可能会导致卫星方位上的小误差(1~10km)，在许多应用中这些误差可以忽略不计，但在研究中，小范围区域要求精确的定位，这就需要用navbox函数对数据进行校准。读入的AVHRR数据集通过函数navbox2和nav2被校准，navbox2选择包含不规则陆地或水域边界的boxes，nav2将图像数据与这些边界进行关联。函数outliers可以检测并修复噪声数据，若数据超过设定的阈值，则将其视为噪声数据，用周围像素的平均值代替其取值。用nitpix函数可以进行云检测并计算海表温度SST，这个函数需要使用TearaScan中对应卫星的搜索表，用户可以选择不同的搜索方法，最常用的是多通道方法。接着可以用fastreg函数以指定的er完全同样大小。

　　SeaWiFS数据的处理步骤与AVHRR数据处理类似，此处不再赘述。

　　本文详细介绍了TeraScan系统的软硬件组成、工作原理及数据处理过程，该系统为研究中国海域大中尺度海洋动力学现象和规律提供了有效的手段。其自动接收与处理功能及可视化显示功能使得研究人员可以方便快捷地获得所需的第一手资料，加速了科研的进程。