王中果 汪大寶

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

目前，國內(nèi)遙感衛(wèi)星主要采用四相相移鍵控（QPSK）或參差四相相移鍵控（SQPSK）調(diào)制方式進行星地數(shù)據(jù)傳輸［1］，傳輸頻段為X 頻段，傳輸頻率范圍為8025 MHz～8400 MHz［2］，帶寬僅為375MHz。然而，隨著遙感衛(wèi)星空間分辨率的不斷提高，載荷數(shù)據(jù)率相應(yīng)大幅提升，有限的傳輸通道帶寬制約著衛(wèi)星效能的發(fā)揮，無法滿足用戶對海量遙感數(shù)據(jù)的需求，成為制約遙感衛(wèi)星總體性能提升的瓶頸。目前，國際上公布的X 頻段最大傳輸速率是“世界觀測”（WorldView）系列衛(wèi)星的800 Mbit／s（極化復(fù)用，單通道400 Mbit／s）［3-4］。

為解決上述難題，傳統(tǒng)方法仍選擇X 頻段，采用高效利用帶寬的高階調(diào)制技術(shù)，如八相相移鍵控（8PSK）、十六進制正交幅度調(diào)制（16QAM）等，或采用頻率極化復(fù)用技術(shù)進一步提高頻帶利用率。然而，由于受到衛(wèi)星自身資源的限制，星上數(shù)傳功率有限，導(dǎo)致傳輸速率提升空間有限。此外，隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的快速增加，不同衛(wèi)星X 頻段數(shù)傳信號間相互干擾的可能性也逐漸增大，因此，該方法不能從根本上解決問題?？紤]到除X 頻段外，國際電聯(lián)（ITU）還規(guī)定了另外2個頻段用于對地觀測遙感衛(wèi)星 的 下 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸，即Ka 頻 段（25.5 GHz～27GHz）和Q 頻段（37.5GHz～40.5GHz）［2］，其傳輸帶寬分別為X 頻段帶寬的4 倍和8 倍，理論上可大幅提高通道傳輸速率。然而，在實際工程應(yīng)用中，頻段越高相關(guān)微波產(chǎn)品設(shè)計制造難度越大，Q 頻段數(shù)傳技術(shù)現(xiàn)階段還難以在工程中實現(xiàn)。因此，綜合考慮數(shù)傳系統(tǒng)的工程實現(xiàn)可行性和海量數(shù)據(jù)下傳需求，遙感衛(wèi)星采用Ka頻段進行星地數(shù)據(jù)傳輸，是未來發(fā)展更好的選擇［5-6］。在進行遙感衛(wèi)星Ka頻段數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計前，必須進行可行性分析，并合理選擇系統(tǒng)參數(shù)，以實現(xiàn)星地數(shù)傳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

本文首先從鏈路可行性的角度進行分析，尋找出影響Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，并提出一種新的量化指標：傳輸效能因子，用于表示星地傳輸?shù)木C合效能；并研究了星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的優(yōu)化配置方案，以及實現(xiàn)地面站的最好利用方法，通過理論分析與仿真試驗，證明該方法可保證遙感數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠、高效率接收，可為未來Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓こ虒崿F(xiàn)提供參考。

2 星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路分析

2.1 基本原理

在遙感衛(wèi)星星地數(shù)據(jù)傳輸中，地面站接收系統(tǒng)的信噪比決定了解調(diào)信號的誤碼率，而誤碼率直接影響遙感圖像質(zhì)量。在進行星地數(shù)傳鏈路總體設(shè)計時，必須綜合考慮多種因素的影響，確保遙感數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠接收。使用糾錯編碼情況時，鏈路計算公式為［7］

2.2 Ka頻段星地傳輸鏈路分析

擬采用的Ka頻段（25.5GHz～27GHz）帶寬為1.5GHz，設(shè)置2 個頻點（25.8GHz和26.7GHz），SQPSK 和8PSK 單 通 道 碼 速 率 為800 Mbit／s 和1.2Gbit／s，并采用成型系數(shù)0.3基帶成型方式，可確保兩通道間信號無干擾。假定在一顆衛(wèi)星與一個地面站之間建立傳輸鏈路，衛(wèi)星采用高度為970km、回歸周期為14天的太陽同步圓軌道，其鏈路分析見表1。

表1 星地傳輸鏈路分析Table 1 Analysis result of data transmission link

表1中例舉的鏈路分析，是一個鏈路能否用作可靠數(shù)傳的依據(jù)，其中，尤其要注意大氣損耗對Ka頻段的影響。由表1可知，對SQPSK和8PSK方式，5°仰角接收、在大氣損耗分別為19.7dB和14.4dB時，可確保有3dB的系統(tǒng)余量，這時的鏈路是可用的。但大氣損耗（尤其是雨衰）與地面站位置密切相關(guān)，從而不同地面站的鏈路可用率是不同的。因此，必須著重通過對大氣損耗指標的分析，以確認Ka數(shù)傳鏈路的可行性。同時，由于自由空間傳輸損耗與接收仰角相關(guān)，為始終保持有3dB的系統(tǒng)余量，可得到大氣損耗允許值與接收仰角之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，接收仰角由5°增加至90°，大氣損耗允許值增加10.2dB。

圖1 大氣損耗Fig.1 Atmospheric loss

2.3 大氣損耗分析

大氣損耗可以細分為電波穿過晴天大氣層的吸收損耗，穿過對流層的雨、云等時產(chǎn)生的吸收或散射損耗，因大氣和電離層折射率變化而產(chǎn)生的大氣閃爍損耗等。本節(jié)根據(jù)國際電聯(lián)（ITU）發(fā)布的無線電波在大氣氣體中的衰減標準（ITU-R P.676-9）［9］、設(shè)計地球-空間電信系統(tǒng)所需的傳播數(shù)據(jù)和預(yù)測方法（ITU-R P.618-10）［10］和云霧引起的衰減（ITU-R P.840-5）［11］，計算大氣吸收損耗、雨衰、大氣閃爍及云衰。頻點選擇為26.25GHz（25.5GHz～27GHz中心頻點）。地面站選擇北京、三亞、喀什、牡丹江，在平均年份超過0.01%的時間內(nèi)，其降雨量分別達到每小時50mm、125mm、12mm、50mm［12］。

對低軌遙感衛(wèi)星而言，ITU 雨衰模型適用的鏈路可用率范圍為95%～99.999%［10］。圖1還給出了4個地面站在典型鏈路可用率（99.99%、99.9%、99%、95%）下的大氣損耗情況。

不同鏈路可用率下各地面站的起始跟蹤仰角見表2。

由表2可以看出，在既定衛(wèi)星軌道前提下，鏈路可用率與地面站位置密切相關(guān)。例如，99.99%的鏈路可用率對喀什站和牡丹江站可行，但無法實現(xiàn)5°起全弧段跟蹤；99.9%的鏈路可用率對三亞站不可行，對喀什站基本可實現(xiàn)5°起跟蹤，但北京站和牡丹江站無法實現(xiàn)5°起全弧段跟蹤；95%的鏈路可用率對4個地面站均可行，僅三亞站無法實現(xiàn)5°起全弧段跟蹤。

由以上分析可以得出：對于某一地面站，鏈路可用率與可接收弧段是一對互相制約的因素，即高的鏈路可用率會導(dǎo)致合格的可接收弧段減少。同時，它們還與調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率等因素相關(guān)。極端情況下，鏈路可用率100%的可接收弧段長度為0，鏈路可用率為0%的可接收弧段為5°起始跟蹤弧段，兩者的乘積均為0，實際上鏈路均不可用。在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)尋找鏈路可用率與可接收弧段長度之間的一個平衡點，使獲取星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笮?。為了實現(xiàn)星地數(shù)傳系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，必須綜合考慮影響數(shù)傳鏈路的多項互相制約的指標。

表2 起始跟蹤仰角Table 2 Initial tracking elevation

3 Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸效能分析

3.1 低軌遙感衛(wèi)星傳輸效能因子定義

與廣播電視通信衛(wèi)星所追求的長時間、不間斷服務(wù)（即鏈路可用率盡量大）不同，低軌遙感衛(wèi)星對地數(shù)據(jù)傳輸為間歇性工作方式，因此，按照通信衛(wèi)星的思維方式進行低軌遙感衛(wèi)星數(shù)傳鏈路設(shè)計存在不合理之處。從前文分析可知，鏈路可用率由99.9%提高至99.99%，雖然僅僅增加了0.09%，但直接導(dǎo)致北京站和三亞站無合格的可接收弧段。

對地面站而言，本質(zhì)問題是，在一個回歸周期全接收弧段內(nèi)可接收的總數(shù)據(jù)量越大，星地鏈路傳輸能力越強。但對每個地面站而言，由于地理位置不同會導(dǎo)致可用接收弧段總長度不同，因此，用平均傳輸碼速率可更客觀地表示星地傳輸效能。為此，定義低軌遙感衛(wèi)星傳輸效能因子E 為

式中：AL表示鏈路可用率，Rg表示地面站接收比例因子，Rb表示通道總速率（Mbit／s）。其中，Rg定義為遙感衛(wèi)星在一個回歸周期內(nèi)、某一仰角起始跟蹤與5°仰角起始跟蹤所對應(yīng)的總跟蹤弧段長度之比，用于衡量起始跟蹤仰角對數(shù)傳弧段的影響。

3.2 地面站接收比例因子分析

采用STK 軟件，對運行于高度為970km、回歸周期為14天的太陽同步圓軌道的低軌遙感衛(wèi)星進行分析，得到與表2對應(yīng)的地面站接收比例因子見表3?？梢钥闯?，在低仰角起始跟蹤時，仰角對總接收弧段長度影響更為明顯，即使增加很小的角度，也會造成接收弧段總長度的急劇減小。如圖2所示，即使增加5°（即10°起跟蹤），其接收弧段長度減小比例高達30%。

表3 地面站接收比例因子Table 3 Receiving ratio factor of ground station %

圖2 地面站接收比例因子與起始跟蹤仰角關(guān)系Fig.2 Relationship between receiving ratio factor of ground station and initial tracking elevation

3.3 Ka傳輸效能因子仿真分析

通道碼速率與調(diào)制方式相關(guān)，因此傳輸效能因子也與調(diào)制方式相關(guān)。在極端情況下，鏈路可用率100%時，地面站接收比例因子為0，鏈路可用率為0%時，地面站接收比例因子也為100%，傳輸效能因子均為0?？梢姡瑢τ谀撤N特定的調(diào)制方式，鏈路可用率和地面站接收比例因子互相制約。獲取優(yōu)化的數(shù)傳系統(tǒng)鏈路可用率，就是尋找傳輸效能因子最大值的過程。

為了驗證本文方法的有效性，以北京站、三亞站、喀什站和牡丹江站為例，對SQPSK 和8PSK 兩種調(diào)制方式下的傳輸效能因子進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3所示，定量分析結(jié)果見表4。

圖3 傳輸效能因子尋優(yōu)分析Fig.3 Optimization of transmission effectiveness factor

表4 各地面站最優(yōu)傳輸效能因子Table 4 Best transmission effectiveness factor of every ground station

由仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）采用8PSK 調(diào)制方式時，獲得最佳的傳輸效能（具體數(shù)據(jù)見表4）。

（2）降雨量最小的喀什站傳輸效能因子最大，降雨量最大的三亞站傳輸效能因子最小。但由于ITU雨衰計算模型僅適用于鏈路不可用率0.001%～5%，三亞站在鏈路可用率95%時，傳輸效能因子仍有增大的趨勢，因此，現(xiàn)實中減小鏈路可用率可提高其傳輸效能。

（3）與“世界觀測”（WorldView）系列衛(wèi)星的800 Mbit／s傳輸效能（X 頻段鏈路可用率接近于100%）相比，采用Ka頻段的最大傳輸效能可達到X 頻段的近3倍。

4 結(jié)論

本文通過對傳輸效能因子的尋優(yōu)分析，確認了Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，并設(shè)計了各地面站最合適鏈路可用率的優(yōu)化配置方案，以實現(xiàn)星地傳輸鏈路的優(yōu)化設(shè)計。

（1）低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸速率可以高達2.4Gbit／s，是X 頻段速率的3倍，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠有效地解決海量遙感數(shù)據(jù)下傳的問題。

（2）進行遙感衛(wèi)星Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計時，針對不同地面接收站位置的環(huán)境因素，尋求數(shù)據(jù)接收站的優(yōu)化配置方案。采用本文提出的方法，能夠較便利地根據(jù)地面站特點綜合考慮鏈路可用率，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)接收任務(wù)的合理規(guī)劃。本文所舉實例表明：內(nèi)陸干旱少雨的地面站（如喀什站）能夠?qū)崿F(xiàn)99%以上的鏈路可用率，降雨量中等的地面站（如北京站和牡丹江站）能夠?qū)崿F(xiàn)95%以上的鏈路可用率，因此3站均可作為主接收站；降雨豐富的地面站（如三亞站），無法實現(xiàn)95%以上的鏈路可用率，因此適宜作為副接收站。

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