商业遥感卫星地面系统简要分析

遥感卫星通过火箭发射入轨后，卫星上携带的遥感器就可以对地面实时观测了。但卫星对地球什么位置观测，什么时间观测，什么时间下传观测数据，都需要地面系统对其进行业务化管理。卫星连同地面系统就像人的身体一样，遥感卫星像人的眼睛，卫星地面系统相当于人的大脑，需要控制眼睛获取观测数据，并对观测数据进行加工处理获取需要的信息。

遥感卫星地面系统通常由运行管理、观测规划、数据接收、数据处理、数据管理、定标评价、分发服务七个分系统组成。

遥感卫星运行管理，即通过制定高效、可控的工作流程，按照卫星数据的生产流程，协调地面系统所有分系统开展卫星数据自动、有序的接收、生产、归档、分发，从而满足众多用户对卫星数据的需求。如图1所示，紫色的粗箭头表示数据的流向，黑色的细箭头表示控制指令的流向。

图 遥感卫星地面系统运行管理流程

1）运行管理分系统是整个地面系统的管理中枢，负责对整个地面系统生命周期的管理，从硬件环境上对各个分系统进行连接，并对整个系统硬件和软件资源的运行状态进行监控和安全管理。另外，运行管理分系统对地面系统的数据接收、数据处理、数据管理、数据分发等业务进行任务调度。

2）观测规划分系统负责卫星工作任务安排。众多用户向地面系统提出数据服务需求，观测规划分系统对这些需求统一筛选和过滤，根据卫星载荷的观测能力制定第二天的卫星观测计划和卫星接收计划，并将卫星观测计划发送给卫星测控网，通过测控天线传给卫星，指挥卫星实施观测任务，将卫星接收计划经运行管理分系统传给卫星地面站网。

3）数据接收分系统就像人脑的视觉神经系统接收眼睛所视一样，接收遥感卫星所观测到的数据，主要由地面接收站和接收软件构成。地面接收站根据卫星接收计划，对卫星进行捕获跟踪，当遥感卫星通过地面接收站天线接收范围时,接收、解调和记录卫星遥感数据和辅助数据，并将接收到的数据通过数据管理分系统传输给数据处理分系统。

4）数据处理分系统负责对接收分系统传来的遥感卫星原始数据进行快速的自动化处理，将接收到的数字信号转化成用户可以使用的数据。这些处理过程主要包括信号检校、解压缩、数据格式解析、辅助数据处理、数据编目、数字信息提取、辐射校正、几何校正和正射校正等，根据用户不同需求形成不同的工作流，生成不同等级的标准化产品

5）数据管理分系统相当于大脑的神经元记忆部分，主要用于对遥感卫星标准产品数据及元数据的长期存档，提供对业务数据库的访问服务。人脑所能存储的信息容量至今没有确切的上限，而遥感卫星获取的数据也是海量的，存储这样海量的数据需要众多的存储设备，一块存储硬盘就如同人脑的一个神经元，众多的存储硬盘通过存储软件管理起来，提供存储和检索服务。

6）定标评价分系统主要对卫星观测数据质量进行测试和评价，形象地来说，就像对人眼测视力，使卫星能够以最好的状态获取数据。它对遥感卫星遥感器的性能变化进行跟踪，及时修正数据处理所需的有关参数，并为卫星参数调整提供依据；定期为用户提供在轨绝对定标系数，为遥感数据定量化提供服务；对数据产品进行分析和质量评价。

7）分发服务分系统主要负责为用户提供数据共享服务，如同从大脑中提取正确的记忆信息。根据用户的数据服务需求订单，分发服务分系统从数据管理分系统调出相应数据，并通过光盘、硬盘拷贝和在线传输等方式提供给用户使用。卫星地面系统十分复杂，如图2所示。地面系统建设包含着多种专业学科的知识和技术。只有地面系统中各个分系统各负其责、互相协调，才能共同完成遥感卫星的运行管理。卫星和地面系统每天的业务运行，如同人体一样，通过“眼睛”观察外面的世界，从“大脑”视觉感知中获取有用的信息，并形成“记忆”，而一旦需要这些“记忆”知识时，通过检索快速将这些“记忆”信息提取出来，用以服务人类的活动。

图 2　地面系统总体架构

遥感卫星地面系统是一个大型复杂的工程系统，数据接收、处理、管理、分发是其中重要的环节。

地面系统数据处理流程

（1）数据接收

遥感卫星在运行轨道上获取的观测数据，需要通过地面接收站的接收设备以电磁波信号的形式接收下来。地面站设备主要包括天伺馈、信道收发、数据记录以及其他站控管理设备。

天伺馈设备，也就是接收天线。日常生活中，我们经常能看到像锅一样的接收电视信号的接收天线，遥感卫星的接收天线形状与之完全一样，通过锅型造型汇聚信号，只不过体积要大一些，直径5~20米不等。卫星过境时，接收天线能够自动对准卫星，并自动跟踪卫星。其间，卫星的观测数据信号源源不断地传输下来。信道收发设备，是如同电视机顶盒一样的信号收发设备，能够将接收到的电磁信号进行解调、功率放大、变频和噪声处理。数据记录设备把从解调器中输出的数据记录到硬盘等存储设备上。

目前地面站接收设备经常是上下信号复用的，能够接收卫星下传数据，也能向卫星上传数据，可以把地面生成的卫星任务指令等数据进行信号调制，通过天线发送到卫星上，指挥卫星工作。遥感卫星一般是在太阳同步轨道上绕地球飞行，卫星只有飞行到接收天线能够“看”到的位置才能传输数据，由于我国幅员辽阔，一个地面站无法全部覆盖全国范围，所以需要通过多个地面站组成地面站网进行综合接收。目前我国常用的地面站位于北京、乌鲁木齐、广州和牡丹江等地。

卫星数据接收过程示意图

（2）数据处理

地面接收站接收到卫星数据后，会通过网络光纤传输到地面数据处理中心进行数据处理加工。遥感卫星类型多样，加工处理流程不尽相同，但普遍分为数据录入、预处理、后处理三个阶段。

目前，数据录入、预处理一般是在地面系统中自动完成的，后处理一般由用户在获取预处理的数据后进行个性化处理。

1、数据录入

数据录入就是数据整理过程。卫星对地观测获取的数据量非常大，为了能够高效传输到地面，多个不同遥感器的数据会混合在一起进行压缩、编码，所以地面接收到的数据首先要进行帧同步、解码等操作，把不同遥感器的数据分离出来，并进行解压缩操作，恢复原始观测数据。获得原始观测数据后，还要对原始观测数据进行格式解析，提取原始观测数据中的相关信息，存储起来以供后续处理。

2、预处理

预处理主要包括辐射校正和几何校正两个方面。用于地面物体成像的遥感器通过不同的灰度色彩记录不同的地物，同时遥感相机拍摄的图像也会存在色差、条纹、失真等问题，这是遥感器中的不同感光器件对相同光响应不一致造成的，在卫星遥感器制造的过程中是难以避免的。为了克服这种现象，地面数据处理系统需要对图像进行归一化相对辐射校正，对各探元获取图像的原始灰度值进行调整校正，将各个探元的输出值调整到一个基准上，使得各探元对完全相同的地物具有相同的输出灰度值。另外，还要进行瑞利散射校正、调制解调函数补偿等处理，减少卫星遥感器对地面物体成像时光线散射、折射的影响。这样能够消除原始图像的失真，使得地物图像更清晰、真实，这个过程就是辐射校正。

▲辐射校正后条纹去除情况

图像进行辐射校正后，需要进行几何校正。遥感卫星在成像过程中，卫星本身会出现俯仰、滚转、抖动等，造成拍摄的图像存在几何变形。因此需要结合成像时卫星及遥感器的位置、姿态等信息对图像进行纠正，恢复变形的图像。另外，需要对图像进行几何投影。遥感器原始拍摄的地球照片是没有几何位置信息的，几何投影是利用已知的卫星轨道和姿态参数、传感器的各种参数和地球模型参数，建立起拍摄图像上地物点坐标和地物在地球真实位置的数学关系，根据该映射关系，将卫星拍摄的原始图像变换并重采样到地图坐标系中。经过几何校正的图像，具有位置信息。

（3）数据管理

目前我国在轨运行着几十颗遥感卫星，每颗卫星搭载着多种遥感器，每颗卫星可以每天对地面观测多次，为了能够便于数据的快速查询和提取，必须对遥感卫星产品数据进行有效的管理。一般通过数据库技术进行管理，建立能够进行数据库查询、新增、删除功能的信息系统。但由于遥感卫星观测的单次遥感数据量很大，一般在数据库中只存储观测数据的元数据和存储位置，观测数据按规定的目录结构存储在文件系统中。这样通过查询元数据，然后依据数据库中记录的存储位置，就能方便地找到所需数据。

遥感卫星的数据量巨大，这对存储设备能力提出了很大挑战，目前，一般采用在线、近线、离线分级存储方式。常用的数据、最新的数据一般用硬盘或硬盘阵列等在线存储，计算机能够自动读取以便快速提取；稍旧的数据近线存储在磁带库里，通过机械手换带提取；更陈旧、不常用的数据存储在磁带中，并从磁带库中取出来离线存放，需要提取数据时进行人工换带。通过这种分级存储，能够在保障数据安全的前提下节约存储成本。

（4）数据分发

数据分发是把最符合用户需要的数据传送到用户手中，目前大部分地面系统是通过线上订单管理来实现的。用户在地面系统数据分发网上查询到所需要的数据后，就可以对该数据进行像淘宝网上的订购，订单系统就会增加数据订单记录，后台系统会对这个订单进行处理，按用户的需求准备产品数据。用户也可以实时了解订单的处理状态，当数据准备完成后，订单系统会告知用户数据的下载地址。对于特殊用户，地面系统也可以将数据刻录到光盘介质上，通过快递或专人送到用户手中。

地面系统所服务的用户众多，每天的数据订单成百上千，需要后台高性能的计算、存储、网络设备和信息技术支撑。目前地面系统也普遍采用了大数据分析技术，能够根据用户的身份、位置及订购历史等信息，自动为用户智能推荐相应的遥感卫星数据产品。

Planet 地面部分

Planet 的任务运营团队主要致力于自动化管理卫星群的名义运营。Planet 不是构建手动/人工流程，然后尝试用自动化取代它们，而是首先构建自动化，然后迭代改进它。这一工作流程对于操作大型 Dove 纳米卫星群至关重要。

SkySat 任务运营 (SMO) 团队负责 Planet 的 13 颗 SkySat 卫星的安全稳定的空间段运营。这包括所有卫星操作以及用于这些操作的工具、流程和系统的开发。SMO 支持地面站操作、图像采集规划、辐射校准、软件开发和任务系统工程。SMO 在发射后立即获得卫星的所有权，并负责
卫星生命周期内的所有调试、名义、维护、特殊和应急操作。SMO 负责维持吞吐量以满足我们的合同服务义务，扩展运营能力，同时最大限度地减少资源使用，并向数据管道地面部分提供图像。

SkySat 地面系统在 100% 基于 Web 浏览器的解决方案中支持卫星指挥和实时遥测显示、分析和趋势分析。实际使用的大多数规划、分析和生产工具也是基于浏览器的。遥测存储和计算发生在集中式服务器上。

SkySat 舰队

- SkySat 舰队由 15 颗能够提供亚米级分辨率图像的小型卫星组成。与“鸽子群”沿每颗卫星的轨道提供近乎连续的图像不同，SkySats 可按需捕获客户要求的目标图像。此外，虽然“鸽子”卫星是数百颗 3U 立方体卫星，但 SkySat 卫星群由几十颗 100 公斤范围内的小型卫星组成。SkySat 车队由具有机动和非机动能力的卫星巴士组成。除了这种差异之外，各种 SkySat 巴士基本相同，并且在相同的运营理念下运营。

- 维护机队所需的快速变化的操作需求决定了 SkySat 任务操作 (SMO) 团队围绕地面软件开发工具，如下所述。这些工具将使团队能够更好地控制功能，同时尽可能独立于新的地面软件版本的部署。通过解耦这种开发，SMO 可以尝试各种自动化策略，同时保持地面软件固有的稳定性。自动化的最终目标是最大限度地减少操作车队所需的工作量，并最大限度地延长操作员离开操作中心的时间，即所谓的熄灯操作状态。

地面软件和工具

- 最初提供用于操作 SkySat 机群的基础地面系统是一个基于网络的用户界面，具有脚本命令执行、遥测监控和图表等基本功能。随着在轨卫星数量的增加和运行需求的变化，该基础设施成为了为促进 SkySat 任务运行而构建的其他工具的基础。

-脚本引擎：地面系统的主要功能之一允许操作员执行用 Python 编写的准备好的脚本。此功能的目的是通过允许复杂的逻辑和遥测验证来改进在轨命令的执行。脚本的使用显着减少了操作员错误的发生，从而增加了车队的正常运行时间。

- 开发的第一个脚本是用于可用命令和单点遥测检查的简单包装器。在这些脚本中，操作员仍然通过命令行提示来调整执行的逻辑流程。随着时间的推移，脚本库中不断添加层，逻辑变得更加复杂，对操作员提示的需求也随之减少。这很大程度上归功于操作员和工程师在处理轨道异常方面积累的经验。

-遥测监控和制图：操作员能够创建遥测点的自定义屏幕，用于监控卫星的特定方面，并实时绘制来自卫星的下行遥测数据的图表。历史数据保存在数据库中，以便检索卫星数据的长期趋势。

- 此外，地面系统根据卫星工程团队定义的一组阈值持续监控传入的遥测数据。然后记录这些违规行为，并向操作员提供视觉指示器以采取进一步行动。

-组织和规划工具：为了便于执行卫星活动，SMO 开发了通行证规划工具。使用此工具，操作员可以计划并显示在未来与每颗卫星的联系中将执行哪些操作员发起的活动。此外，该工具还收集并显示有关舰队的信息，包括卫星将在即将运行的轨道上执行哪些活动、卫星的位置以及即将进行的活动对健康和安全的影响。该组织和规划工具成为 SMO 未来构建的许多工具的基础，因为它已发展成为运营团队所需的所有数据的一站式位置。

程序和任务分配算法

- 随着机队规模的扩大，采取了多管齐下的方法，将操作员的工作量与机队规模脱钩。这包括构建现有的脚本库以实现自动异常响应、转向警报驱动的操作状态以及减轻规划和执行维护活动的负担。

- 自动异常响应：随着时间的推移，整个机队中出现了一系列常见的异常现象，这使得人们对如何分类和解决所述异常有了透彻的了解。这些对已知异常的明确定义的响应已被实施到脚本中，可以在检测到异常状态时随时执行。这一发展消除了运营商监控实时遥测以响应在轨问题的需要。

- 自主异常响应是 SkySat 运营的一个组成部分。对常见异常的响应委托给自动化而不是操作员干预。通过奠定自主异常响应的基础，运营团队能够从一次只关注一颗卫星转变为在整个舰队范围内考虑和调查异常情况。这使运营团队能够更有效地管理不断增长的机队。通过自动化最关键的响应，人类的注意力可以更均匀地分布在争夺资源的卫星之间。

-后轨道活动：SkySat 舰队中所有卫星的大部分命令都是通过带时间戳的命令序列按程序完成的。这些序列在加载到机载软件执行之前在地面上准备和验证。这些活动，例如图像捕获、数据下行链路和维护任务，通常以这种方式执行。

- 一些具有特定限制的维护活动，例如星上存储清理，必须在卫星未与地面站联系时执行。为了执行这些“后轨”活动，必须找到合适的执行时间，并且必须在该时间之前将命令序列加载到机载软件中。传统上，这些任务是由操作员手动执行的，这不仅需要透彻了解卫星何时收集图像，还需要了解轨道状态和卫星姿态。例如，如果进行该活动，卫星是否会穿过南大西洋异常区 (SAA)？卫星是否会处于不安全的方向？自动化这个过程需要定义一组清晰的约束，然后可以将这些约束实现到逻辑中以确定执行活动的适当时间。一旦生成了合适的窗口，命令序列就可以嵌入到卫星即将执行的活动中。

表 3：此表显示了必须在卫星处于日食中、不在 SAA 中且不干扰图像或接触时完成的任务的可能时间安排的简化表示。最后一行表明在日食期结束时有两个区块满足这些标准。如果这些块的长度足以完成任务，它将被添加到该时间范围内加载到卫星的命令序列中。

-警报和寻呼系统：熄灯操作的最大推动力之一是警报和寻呼系统的开发。如果轨道上或地面基础设施内发生异常情况，警报系统会生成有关该事件的信息摘要，以通知值班操作员该事件。将警报与 Planet 现有的票务系统联系起来意味着可以跟踪问题从发现到解决的整个过程。

- 从历史上看，操作员使用表示特定遥测点的值超出定义阈值的视觉指示器来识别在轨异常情况。这些信息与机载计算机记录的消息一起被操作员用来对异常情况进行分类和响应。其设计的核心是，警报系统将相关消息和遥测数据整理成单个通知发送给操作员。

- 这些信息的精确性和完整性使操作员能够制定行动计划，而无需进行过去所需的深度调查。结合操作姿势的变化，特别是延长操作员必须响应异常的时间，这些信息使操作员能够在操作中心外工作并在方便时对异常做出响应。

自动化操作员

- 在实施后轨活动的自动调度之后，操作员负责的最后一件事是规划和执行需要与地面站通信的活动。由于多种原因，这些活动需要地面服务，例如需要遥测验证或数据交换的链接。这些“in-pass”活动经常用于异常调查和解决、软件更新和名义维护。为了进一步减少手动规划这些活动所需的工时，SkySat 任务运营团队需要一个自动化工作流程来确定需要执行哪些活动。此外，该工作流程需要安排活动并验证其成功完成。

- 通过引入所谓的“自动操作员”，所有非异常计划和调度都可以在没有操作员干预的情况下进行处理。该系统中的任务分为三类：默认计划，不需要其他活动时运行；定期计划、定期运行的维护活动；并触发了针对在轨条件而计划的计划和活动。自动化操作员的核心功能是安排这些活动并验证其成功执行。

-默认计划：机队中的大多数联系人除了例行的卫星健康和安全检查外不执行任何操作。这些例行任务封装在单个脚本中，无需操作员进行实时遥测验证。

- 在实施自动化操作员之前，“默认脚本”是通过添加到通道规划工具中的临时解决方法来安排的。这有时会导致日程安排冲突，并且操作员精心计划的活动可能会在没有通知的情况下被覆盖。当机队规模较小时，这种情况是可以接受的，因为操作员调查活动未发生的原因所花费的时间不会中断机队的正常运行。随着车队的增长，系统显然需要一种新的方式来安排这些默认任务。通过将所有联系安排集中到自动化操作员中，操作员不再需要手动确保计划的任务不会被覆盖。

- 为了不干扰操作员手动计划联系，如果先前存在默认计划，则自动操作员将仅安排重复或触发的计划。人类操作员仍然有权独立于自动化操作员来安排和执行活动。

-重复计划：某些任务必须按照负责的子系统工程师的规定按照规定的时间间隔执行。其中许多任务需要地面资源，并且在卫星不接触的情况下无法完成。其中一些包括加载更新的轨道信息或向卫星加载软件配置。执行这些任务的时间间隔从每周到每季度不等。

- 自动化操作员负责这些活动的所有方面，包括以下内容：

a) 跟踪所有单独活动的状态，以确定是否需要安排任务（已安排活动；活动失败；最近成功完成的活动）

b) 调度的跟踪约束（最短接触时间；地面站排除）

c) 批准自动调度的活动的跟踪模板。

-触发计划：某些在轨状态通常以明确定义的方式处理。这些活动对于执行在轨任务（例如卫星存储的例行清理和启用某些子系统配置）是必要的。通过在脚本中定义在轨状态和对该状态的必要响应，自动化操作员可以根据需要安排这些活动，而无需操作员干预。与默认计划和循环计划一样，这些触发计划从进度计划到执行验证均由自动化操作员进行监控。

人员及人员配置

- 尽管舰队规模从一颗卫星增加到十五颗，但人员配备仍然相对稳定。这是由于不断变化的运营态势以及自动化所发挥的日益重要的作用。

-传统运营：从历史上看，卫星运营需要配备专门的运营中心，每周 7 天、每天 24 小时运行。随着 SkySat-1 的发射，这就是采取的姿态，三名操作员在控制台上监视卫星的健康和安全。调试完成后，人员数量减少到两名。除调试活动外，24/7 两人作业 (2PO) 一直维持到 2017 年。

-熄灯和待命：向待命操作的过渡始于允许夜间操作员远程监控车队，依靠寻呼系统来警告需要操作员响应的任何异常情况。这被称为夜间熄灯行动（NLO）。随着对系统的信心增强，夜间人员配备减少到一名待命人员，并根据需要联系另一名支持工程师。这种 24/7、一人待命的立场最终扩展到包括周末，即所谓的周末熄灯行动 (WLO)。实行随叫随到后，操作员工作日每天在运营中心工作十二个小时，其余时间由值班人员负责。

- 该团队采用十二小时随叫随到的轮班制，直到最终减少办公时间以遵循标准的八小时工作日。在工作日早上开始轮班的操作员将远程完成轮班，共轮班 12 小时。分配周末轮班的操作员远程进行轮班活动，例如异常解决。

-警报周期：尽管转向随叫随到、中断驱动的立场，SkySat 任务运营团队仍然面临着让操作员 24/7 待命以响应卫星异常的负担。随着现有系统的成熟，运营团队依靠自动化来承担更多响应夜间和周末异常情况的职责。随着卫星数量的不断增加，少数卫星的停机不会对整体性能产生太大影响。

- 最初部署警报和寻呼系统后，操作员有一段时间仔细检查并仔细检查是否按预期捕获了异常情况。随着操作员对自动化的信心达到足够高的水平，操作立场发生了变化，使自动化成为夜间的主要响应。然后，工程师可以在早上对异常情况进行分类，并根据需要采取行动。这是第一次一天中有一段时间没有人员主动监视舰队。这个所谓的“静音期”随后被延长至 16 小时，将待命时间变成了办公时间的延长，而不是单独安排人员轮班。

- 目前，夜间值班时间已完全取消，操作员仅在正常工作周内在办公室，而值班人员则在周末白天提供服务。自动化操作员的引入涵盖了所有日常维护任务，进一步减少了操作员的工作量。尽管操作员要在控制台上呆一整天，但典型的一天操作员每天只执行几个小时的在轨活动，例如异常响应。

- 监控车队的人员配备时间总体减少，从每周 336 人小时减少到每周 96 人小时，控制台操作员将不到一半的轮班时间完全投入到车队上。在人员减少的同时，全力支持卫星群从 1 颗卫星扩展到 15 颗卫星。如前所述，人员配备水平保持相对稳定。随着维护机队所需的工作量减少，任务运营团队为 SkySat 平台的其他子系统提供了支持，包括飞行软件、地面软件和制造。SkySat 任务运营团队已发展成为 SkySat 平台许多方面的主题专家团队。这种交叉培训使 Planet 的 SkySat 机队相关知识水平能够适应整个团队构成的变化。该团队的许多成员已经转入 Planet 的其他团队，专门从事从电气工程到项目管理等学科。如果没有自动化的持续改进和操作姿势的放松，这些变化是不可能实现的。

地面站和网络

Planet 开发了自己的全球地面站网络，以支持航天器任务操作和图像数据下行。每个地面站均由天线和射频 (RF) 系统组成，并配有本地计算机服务器，通过安全 VPN（虚拟专用网络）访问集中服务。下行链接的图像文件从本地地面站服务器传输到 Planet 的云基础设施，以便摄取到 Planet 的数据处理和分发管道中。

地面站尽可能使用 COTS 组件，以降低复杂性和成本。Planet 总共在 15 个站点使用租用设备、同地天线系统和完全独立站点的组合来运营设备。资产的多样性使地面网络能够更好地扩展，以满足在轨星座的需求。对于可以在获得地面站点许可所需时间内构建、发射和部署星座的行业，下行链路容量相对快速的灵活性尤其重要（参考文献 6 ）。

几乎所有 Planet 地面站站点均配备用于遥测、跟踪和控制 (TT&C) 的 UHF 无线电。这些系统用于调度、基本健康状况和轨道确定测距。八个地面站站点还包括 X 波段 (HSD) 功能。这八个地理位置不同的地点总共包含 22 个不同直径的盘子，直径从 4.5 米到 7.6 米不等。所有天线均设计为至少 29 dB/KG/T（噪声温度增益），以优化卫星下行链路数据速率和地面系统成本。

有效负载数据在 X 波段从空间下行传输，使用低噪声块下变频器 (LNB) 下变频到 L 波段，并使用 COTS DVB-S2 接收器进行解调。典型地面站的平均传输速率为 160 Mbit/s，峰值数据速率为 220 Mbit/s，每 7-10 分钟地面站传输下载的数据量为 12-15 GB。接收器对DVB-S2数据包进行解帧，并通过千兆位以太网接口将原始IP帧发送到地面站服务器。地面站服务器监控链路状态（信噪比、链路余量、接收射频功率电平、误码率），重新组合图片文件，并将图片和指标上传到云端。此外，许多 Planet 地面天线系统都具有内置反馈环路，可使用 DVB-S2 接收器提供的链路统计数据进行基本开环功率跟踪。功率跟踪引入随机偏移并测试和检查反馈是否有积极或消极的响应。Planet 的 Dove 地面网络名义上是自主的并可远程监控，以实现可扩展性并提高运营效率。93) 94)图59显示了 Planet 的 S 波段/X 波段地面站系统的内部结构，图60显示了冰岛凯夫拉维克直径 4.5 m 的碟形天线的图片。

图 地面站系统功能块（图片来源：Planet Labs）

图 冰岛凯夫拉维克的直径 4.5 m 的地面站天线（图片来源：Planet Labs）

图 61：X 波段地面站天线的位置（黑色圆圈）和每个群的代表性 Dove 卫星的地面轨迹（Flock 2P = 黑色，Flock 3P = 红色，Flock 2E = 蓝色、绿色），图像来源：Planet Labs（参考文献.6)

图像管道

在下行链路期间，图像临时缓存在与接收天线位于同一位置的服务器上，并添加到互联网上传队列中。图像通过安全的互联网连接上传到云存储，从而启动每个图像的处理管道。本地存储将图像下行链路与网络中断或拥塞分离，并允许根据平均带宽（而不是峰值带宽或延迟）调整租用线路的大小。图像还保存在卫星上，直到下一次通过，以便在删除之前可以确认其已成功进入处理管道。

摄取后，图像将被单独去马赛克（去拜耳）、色彩校正、平场和正射校正。正射校正将图像水平对齐到 10 m (RMSE) 以内，并将数据映射到精细数字高程模型。进一步分析会生成云层遮罩，并确保发布给客户的图像满足一系列质量指标。2017 年 5 月期间，经过纠正并通过质量指标的第 90% 的图像在地面站下行传输后 5.5 小时内发布。

处理完成后，客户即可获得成功校正的图像。为了满足不同客户的多种用例，图像有多种形式：

• 客户可通过REST HTTP API 获取经正射校正的图像（scenes”，由一张全帧捕捉组成）。

•“Tiles”的生成类似于OSM“slippy map”架构，通过校正和堆叠来自单个图像带的场景的RGB 和NIR 波段，在针对所有Planet 产品固定的网格上生成。

• 所有满足最低质量条件的校正图像都可在基于网络的应用程序上提供，该应用程序向所有人开放，以便根据用户定义的感兴趣区域进行浏览和新图像警报。

数据分析和指标

Planet 的任务控制基础设施监视和控制卫星，地面网络每天处理超过 650 个 HSD 通行证。由于通道数量众多且工程师可用时间有限，因此不可能手动评估每个通道。因此，Planet 创建了一个自动指标收集和故障检测系统来监控星座范围内的高速下行链路性能。

自动化指标系统是使用开源工具构建的，如图62所示，并定期运行。首先整合传递相关信息，包括来自卫星、地面站和物理特征（与轨道相关）的信息。自动通过分类器评估通过的质量并识别失败的可能原因。组合的通过信息以及故障诊断被写入数据库。仪表板聚合来自通行证的信息并创建交互式可视化。交互式可视化允许轻松访问将性能信息传递给任何工程师，而无需编写新工具。

指标生成和报告系统的内部结构（图片来源：Planet Labs）

传递分类器使领域专家的决策过程自动化，以便自动诊断次优传递的可能故障模式。如果下载的图像数据量小于使用链路预算模型预测的总下行链路数据量的 80%，则 HSD 通过被视为失败。该预测使用一个公式，该公式取决于传输期间的发射器和接收器特性、倾斜范围和轨道几何形状来计算射频链路裕量。一旦一次通过被判定为失败通过（这仅意味着次优，而不是由于数据率预测中的保守假设而导致彻底失败），自动分类就会开始。

已经开发出一种自动分类方法来对故障进行分类。每周，来自射频和通信系统、轨道运营、卫星运营、系统集成和地面站运营团队的领域专家都会讨论、分类和调试失败的传递。手动对通道进行分类后，通过创建故障分层树来自动进行诊断。故障模式的层次结构主要基于识别该故障模式的确定性。

这种自动化方法可以将数千次传递分类到具有明确定义的问题陈述的离散桶中。故障总数和故障模式的严重程度为解决问题提供了方向。使用这种方法，HSD 性能在几个月内从平均 110 Mbit/s 提高到平均 160 Mbit/s，提高了约 50%，并且传递间差异也减少了。

综上所述，Planet运用“敏捷航天”的理念，快速原型化并迭代开发了端到端的高速卫星通信解决方案，不仅包括航天器和地面站软硬件的开发，还包括自动化监控的开发。、调度和控制系统以及数据指标和分析解决方案。这些共同优化的系统紧密耦合并协同工作，以实现创纪录的 220 Mbit/s 的下行链路速度和超过 4 TB/天的数据量。图 63 显示了每月汇总的数据量历史下行链路数据速率，图 9 显示了星座范围内的每日下行链路数据量以及活动卫星的数量。

原文始发于微信公众号（太空安全）：商业遥感卫星地面系统简要分析