王中果 汪大寶 胡月 魯帆

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094)

(2 航天恒星科技有限公司,北京 100095)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

在高分辨率對地觀測任務(wù)中,衛(wèi)星的遙感載荷將產(chǎn)生海量的觀測數(shù)據(jù),需要通過星地數(shù)傳鏈路傳回地面站。這些衛(wèi)星大多采用太陽同步軌道,以獲取穩(wěn)定的光照條件,并實現(xiàn)星下點軌跡重復覆蓋,從而滿足全球范圍任意目標區(qū)域的周期性遙感成像需求。其軌道特點導致進行星地數(shù)傳的時間十分有限,因此,需要不斷提高衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路的傳輸速率,滿足日益增長的海量遙感載荷數(shù)據(jù)的傳輸需求[1]。

我國低軌遙感衛(wèi)星普遍采用X 頻段進行星地數(shù)傳,傳輸頻率范圍8025～8400 MHz[2],如資源一號02D[3]、資源三號[4]、高分七號[5]等衛(wèi)星。其中:資源三號和資源一號02D 等衛(wèi)星均采用固定編碼調(diào)制(CCM),固定傳輸速率,并按最差信道條件(最低仰角5°)進行鏈路設(shè)計。衛(wèi)星單次對地面站傳輸過程中,仰角增大引起自由空間損耗減小可達10 dB以上[6],為充分利用這部分余量,高分七號衛(wèi)星首次采用X 頻段可變編碼調(diào)制(VCM)[7]。隨著遙感載荷對數(shù)傳速率要求越來越高,X 頻段375 MHz帶寬已難以滿足需求,而25.5～27 GHz[2]、帶寬1.5 GHz的Ka頻段成為衛(wèi)星數(shù)傳的發(fā)展趨勢[8-9]。但是,大氣環(huán)境對Ka頻段影響遠大于X 頻段,降雨、云等引起的信號衰減將超過10 d B[10]。如果仍按傳統(tǒng)CCM 或VCM 設(shè)計,需要預留更多的鏈路余量來克服降雨等引起的信號衰減,造成鏈路資源的浪費。因此,將開環(huán)VCM 結(jié)合實時信噪比估計及回傳信道,實現(xiàn)閉環(huán)自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM),隨衛(wèi)星過境信道(距離和大氣損耗)的動態(tài)變化,選取合適的調(diào)制方式和編碼碼率,提高鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量[11]。

ACM 較早應(yīng)用于衛(wèi)星數(shù)字電視廣播領(lǐng)域,并寫入歐洲D(zhuǎn)VB-S2協(xié)議中[12-13]。鑒于該技術(shù)的重要性和成熟度,空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)形成了131.2-B-1[14]和131.3-B-1[15]藍皮書標準。但數(shù)字電視廣播衛(wèi)星與低軌遙感衛(wèi)星使用方式差別很大,主要體現(xiàn)在以下3個方面。①數(shù)字電視廣播通常采用地球靜止軌道,星地相對位置不變,地面站仰角通常較大,且星上廣泛采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式,僅需要在地面中心關(guān)口站和地面各用戶終端對其前向鏈路和返向鏈路實現(xiàn)ACM 方案,并不需要在星上實現(xiàn)ACM[16-17],而低軌遙感衛(wèi)星對地數(shù)傳過程中星地相對位置和仰角不斷變化,并需要在星上實現(xiàn)ACM。②雖然下行鏈路均采用Ka 頻段,但高軌范圍為17.7～21.2 GHz,而低軌范圍為25.5～27.0 GHz,受大氣影響差別較大。③高分辨率低軌遙感衛(wèi)星傳輸速率通常遠大于數(shù)字電視廣播衛(wèi)星,需要綜合考慮星上軟、硬件資源約束帶來的系統(tǒng)復雜度和工程實現(xiàn)難度,并進行適應(yīng)性裁剪設(shè)計。國內(nèi)外已有文獻針對低軌衛(wèi)星Ka頻段VCM 和ACM 的系統(tǒng)開展了比較分析。文獻[10]對比了20 GHz的ACM和CCM 單軌數(shù)據(jù)吞吐量,與本文分析頻率相差較大。文獻[11,18-20]中均對26 GHz對地數(shù)傳鏈路進行了分析。文獻[11]中對比了三亞站晴天和暴雨條件下CCM,VCM,ACM 的數(shù)據(jù)吞吐量,但僅選取單軌數(shù)據(jù),且未充分體現(xiàn)鏈路各類衰減的綜合效果。文獻[18-19]中僅分析了VCM,文獻[20]中則重點對比分析了ACM 下地面站接收信噪比的不同估計算法。

本文重點對ACM 在低軌遙感衛(wèi)星中的應(yīng)用效能進行研究。首先,分析了低軌遙感衛(wèi)星ACM 調(diào)制編碼模式優(yōu)化選擇方式,給出了星上自適應(yīng)模式切換算法、仿真場景及參數(shù);然后,提出了一種用于表示星地傳輸綜合效能的新的量化指標——傳輸效能因子,并據(jù)此針對不同降雨特性的典型地面站的ACM,VCM,CCM 傳輸性能進行對比分析,用于尋找降雨特性、傳輸體制等因素對星地綜合傳輸效能的影響規(guī)律。

1 ACM 應(yīng)用于低軌遙感衛(wèi)星的優(yōu)化選擇策略

1.1 調(diào)制編碼模式的確定

DVB-S2采用“BCH＋LDPC”級聯(lián)的前向糾錯編碼方案,支持編碼效率11種(1/4,1/3,2/5,1/2,3/5,2/3,3/4,4/5,5/6,8/9,9/10),調(diào)制方式4 種(QPSK,8PSK,16APSK,32APSK),通過組合共形成28 種調(diào)制編碼模式,解調(diào)門限變化跨度可達18 dB,如表1所示。其中:Es為每個傳輸符號的平均能量;N0為噪聲功率譜密度;Es/N0為實際接收的每個符號能量與噪聲功率譜密度之比(簡稱符號信噪比);ηtot為有效頻譜效率,它是綜合考慮了編碼效率、調(diào)制方式等因素后每赫茲帶寬可傳輸?shù)脑夹畔⒈忍芈省１?和后文中,[x]表示物理量x按照關(guān)系式[x]＝10lg x 取對數(shù)。

表1 DVB-S2推薦的調(diào)制編碼方式組合及解調(diào)特性Table 1 Recommended modulation code combination and its demodulation characteristic of DVB-S2

從表1可以看出:隨著模式碼字的增大,當調(diào)制方式發(fā)生變化時,由于每個符號攜帶的比特數(shù)增多,即使編碼效率降低,在有效頻譜效率增大的情況下仍出現(xiàn)了解調(diào)門限減小的現(xiàn)象。解調(diào)門限大且有效頻譜效率小的調(diào)制編碼模式,性能較差,在選擇時刪除;而有效頻譜效率基本相同但解調(diào)門限差別較大的,可刪除解調(diào)門限更大的?；诖嗽瓌t,完成第1輪篩選,將模式碼字為10,11,15,16,17,22,23 的7 種調(diào)制編碼模式去掉(見圖1),保留剩余21種。

ACM 的實時信道估計存在誤差,以基于導頻序列的最大似然算法為例,強降雨條件下(降雨率100 mm/h)信噪比估計絕對誤差最大約1.5 dB[12]。綜合考慮信道估計算法精度及工程實現(xiàn)復雜度,在第1輪篩選的基礎(chǔ)上再進行第2輪篩選,篩選原則為:①解調(diào)門限變化范圍最大化;②相鄰模式解調(diào)門限相差不小于2 dB。最終選用的模式碼字為1,3,6,12,14,20,25,28(如圖1中所示),其對應(yīng)解調(diào)門限分別記為[Es/N0]MC(1),…,[Es/N0]MC(8),形成的集合定義為A＝{[Es/N0]MC(1),[Es/N0]MC(2),…,[Es/N0]MC(8)}。

圖1 有效頻譜效率與Es/N0 關(guān)系對比Fig.1 Effective spectral efficiencies versus Es/N0

1.2 星地ACM 自適應(yīng)模式切換流程

對單圓極化系統(tǒng),根據(jù)文獻[21]中的相關(guān)定義,可以推導出使用糾錯編碼時的鏈路計算公式,具體如下。

式中:PEIRP為衛(wèi)星天線發(fā)射的等效全向輻射功率;Qr為地面站品質(zhì)因數(shù)(通常也稱為G/T 值);Rs為射頻通道傳輸?shù)姆査俾?L為全部傳輸損耗(系統(tǒng)損耗),包括自由空間損耗Lf、大氣損耗La、天線指向損耗Lrp、極化損耗Lp、調(diào)制解調(diào)損耗Lmd;M 為系統(tǒng)余量,對低軌遙感衛(wèi)星而言,一般要求3 d B 的設(shè)計余量。

本文使用式(1)進行鏈路預算,開展相關(guān)分析工作。需要注意的是,與低軌遙感衛(wèi)星通常僅按5°最小跟蹤仰角的最惡劣條件開展鏈路分析設(shè)計不同,這里要計算鏈路各個仰角的符號信噪比,以便綜合考慮星地距離實時變化帶來的自由空間損耗變化,以及不同地面站位置、仰角、鏈路可用度等因素帶來的大氣損耗變化,通過多種因素聯(lián)合分析ACM 應(yīng)用效能。

由于大氣損耗的時變特性,實際在軌使用時,在任意時刻t,地面接收系統(tǒng)實時預估符號信噪比[Es/N0](t)后,通過上行鏈路反饋給衛(wèi)星,作為下一時刻調(diào)制編碼方式選擇的依據(jù)。星上ACM的模式切換算法為:在集合A 中選擇最大的MC(j),使得[Es/N0]MC(j)＜[Es/N0](t),其中j＝1,2,…,8。

綜上,將星地ACM 自適應(yīng)模式切換過程描述如圖2所示。其中,ACM 與CCM,VCM 不同的部分功能模塊采用底色標示,便于區(qū)分。

圖2 ACM 自適應(yīng)模式切換過程Fig.2 Adaptive handover process of ACM

1.3 仿真場景及參數(shù)選擇

DVB-S2采用快速傅里葉變換對映射后的同相/正交(I/Q)兩路基帶脈沖信號進行平方根升余弦滾降濾波,滾降系數(shù)α 可選擇為0.20,0.25,0.35。按照通信理論,全部利用Ka頻段的1.5 GHz帶寬,α 取值0.20,0.25,0.35時,Rs分別為1.25 Gbaud,1.20 Gbaud,1.11 Gbaud,傳輸?shù)淖畲蠓査俾蕿?.25 Gbaud。傳輸符號速率為1.25 Gbaud時,QPSK,8PSK,16APSK,32APSK 對應(yīng)的編碼后速率分別為2.50 Gbit/s,3.75 Gbit/s,5.00 Gbit/s,6.25 Gbit/s。在解調(diào)譯碼設(shè)備方面,目前國際上推出的高速解調(diào)器,其解調(diào)速率可達3.00Gbit/s以上[22],但暫時難以滿足6.25 Gbit/s的32APSK解調(diào)需求,因此,可考慮在25.5～27.0 GHz上設(shè)置2個傳輸頻點,通過雙頻點傳輸方式將單通道傳輸速率減半,使地面解調(diào)器與星上傳輸速率匹配,此時每個頻點傳輸符號速率減小至625 Mbaud,并且具備工程可行性。

結(jié)合工程經(jīng)驗及現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ),單個數(shù)傳通道的參數(shù)設(shè)置如表2所示,極化方式選擇圓極化。

表2 Ka頻段星地數(shù)傳鏈路參數(shù)Table 2 Parameters of data transmission link at Ka-band

單個射頻通道的傳輸符號速率固定為625 Mbaud時,QPSK,8PSK,16APSK,32APSK 對應(yīng)的編碼后速率分別為1.250 Gbit/s,1.875 Gbit/s,2.500 Gbit/s,3.125 Gbit/s。不同編碼效率下,其有效頻譜效率不同,導致信道編碼前的原始信息碼速率也不同,變化范圍為306.40～2 783.14 Mbit/s,具體數(shù)據(jù)見表1。

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。在實際對地數(shù)傳鏈路中,大氣損耗與地面站位置和鏈路可用度密切相關(guān)。為此,地面站選擇喀什、北京、三亞,平均在每年超過0.01%的時間內(nèi),其降雨量分別達到6.1 mm/h,38.6 mm/h,89.0 mm/h,可代表我國干旱少雨、降雨量中等、降雨豐富3種典型狀態(tài)。本文根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的無線電波在大氣氣體中的衰減和相關(guān)效應(yīng)(ITU-R P.676-12)[23],設(shè)計地對空電信系統(tǒng)所需的傳播數(shù)據(jù)和預測方法(ITU-R P.618-13)[24],以及云霧引起的衰減(ITU-R P.840-8)[25],計算大氣吸收損耗、雨衰、大氣閃爍及云衰。

2 ACM 應(yīng)用效能仿真及評估

2.1 傳輸效能因子定義

對于低軌遙感衛(wèi)星地面站,在1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,地理位置不同會導致可用接收弧段總長度不同,因此用原始信息的平均傳輸碼速率能更客觀地表示星地傳輸效能。為此,定義低軌遙感衛(wèi)星對單個地面站的傳輸效能因子為

式中:AL為鏈路可用度;Rb(t)為t 時刻的原始信息碼速率,Mbit/s;tstart(i)和tend(i)分別為第i 個數(shù)傳弧段的起始時刻和結(jié)束時刻;N 為1個回歸周期內(nèi)的數(shù)傳弧段個數(shù)。

仿真分析時,式(2)的積分需要進行離散化處理,通過等間隔的采樣將積分改為累加求和,即

式中:ΔT 為采樣間隔;ti,j是第i個數(shù)傳弧段的第j個采樣時刻;Mi是第i個數(shù)傳弧段的采樣點個數(shù)。

2.2 傳輸效能因子仿真分析

考慮太陽同步回歸軌道的星下點軌跡重復特性,采用STK 軟件對1個回歸周期(31天)內(nèi)喀什站、北京站、三亞站的數(shù)傳弧段分別進行仿真。綜合考慮動態(tài)信道模型衰減特性和仿真計算量,傳輸過程中采樣間隔設(shè)置為1 s。定量分析結(jié)果如表3所示,可以看出:①緯度接近的喀什站和北京站,其傳輸弧段特性比較接近;②三亞站緯度較低,衛(wèi)星進入該站的機會相對更少,弧段個數(shù)和傳輸弧段總長度均小于喀什站和北京站,相對比例約為79%;③3個地面站傳輸弧段的最短長度、最長長度、平均長度的統(tǒng)計特性比較接近,與緯度關(guān)系不大。

表3 星地數(shù)傳弧段信息統(tǒng)計Table 3 Statistic of satellite-to-earth data transmission arc segment

以1°為間隔,統(tǒng)計5°～90°接收仰角范圍內(nèi)落入每個小區(qū)間范圍的時間,結(jié)果如表4所示。可以看出:①大量的接收弧段均位于接收仰角較小的區(qū)域內(nèi),10°以下的比例超過36%,15°以下的比例超過58%,20°以下的比例超過71%,25°以下的比例超過80%,30°以下的比例超過86%;②為盡可能提高傳輸效能因子,應(yīng)充分利用小仰角的長傳輸弧段,并在此范圍內(nèi)盡可能提高原始信息碼速率。

表4 數(shù)傳弧段占比Table 4 Ratio of data transmission arc segment %

結(jié)合各地面站的數(shù)傳弧段特性分析結(jié)果,下面對ACM 和VCM 下的傳輸效能因子進行分析。

2.2.1 ACM

對于低軌遙感衛(wèi)星的特定地面站,最小仰角5°時的鏈路情況最惡劣,此時的鏈路可用度直接決定了全接收弧段的數(shù)據(jù)可靠傳輸能力。為獲取最大的鏈路可用度,5°仰角時ACM 采用對解調(diào)門限要求最小的調(diào)制編碼模式,即模式碼字1(QPSK 1/4),此時各地面站的鏈路可用情況如表5所示。

表5 星地數(shù)傳鏈路可用情況(仰角5°)Table 5 Availability of satellite-to-earth data transmission link(elevation angle of 5°)

考慮仰角增大時自由空間損耗和大氣損耗同時減小的綜合效果,ACM 下不同調(diào)制編碼模式對應(yīng)的仰角理論范圍如表6所示。雖然衛(wèi)星實際在軌時信道動態(tài)變化,需要動態(tài)調(diào)整模式碼字,但從理論統(tǒng)計分析角度來看,表6的估計是可信的。

表6 ACM 下調(diào)制編碼模式對應(yīng)的仰角理論范圍Table 6 Theoretical elevation angle range corresponding to modulation code combination of ACM

本文仿真結(jié)果表明:喀什站、北京站、三亞站的ACM 傳輸效能因子分別為1 935.12 Mbit/s,2067.58 Mbit/s,1 930.56 Mbit/s。不同模式碼字的數(shù)傳弧段長度占比見圖3,可以看出:采用ACM,模式碼字1使用時長占比僅約5%,而其他有效頻譜效率更高的模式碼字被大量使用,尤其是32APSK 9/10使用時長占比高達約50%,這將帶來傳輸效能的大幅提升。

圖3 ACM 下不同模式碼字使用時間占比Fig.3 Using time percentage of different mode codes of ACM

2.2.2 VCM

與ACM 不同,VCM 將不同仰角的大氣損耗簡化為固定數(shù)值[1],并要確保最小仰角5°時鏈路可用,且僅考慮星地傳輸距離變化帶來的自由空間損耗變化,并將其作為調(diào)制編碼方式切換的依據(jù)。

5°仰角時VCM 也采用模式碼字1(QPSK 1/4),其鏈路可用度最大。仰角由5°變?yōu)?0°,對應(yīng)的自由空間衰減變化12.4 d B,而模式碼字3,6,12,14,20,25,28對應(yīng)的Es/N0解調(diào)門限相比模式碼字1分別增加2.05 dB,5.45 dB,7.85 dB,10.26 dB,13.38 dB,15.99 d B,18.40 d B。可以看出:在VCM 中,后3種模式碼字不會被選用,前5種模式碼字切換對應(yīng)仰角分別為10.84°,22.43°,33.48°,49.92°。

本文的仿真結(jié)果表明:喀什站、北京站、三亞站的VCM傳輸效能因子分別為536.06 Mbit/s,530.70 Mbit/s,490.14 Mbit/s。不同模式碼字的數(shù)傳弧段長度占比如圖4所示,可以看出:采用VCM,模式碼字1,3使用總時長占比達76%左右,而其他有效頻譜效率更高的模式碼字占比僅24%左右。

圖4 VCM 下不同模式碼字使用時間占比Fig.4 Using time percentage of different mode codes of VCM

2.3 ACM 應(yīng)用效能提升評估

對同一地面站,在相同的鏈路可用度下,ACM,VCM,CCM(QPSK 1/4且符號速率同為625 Mbaud)的傳輸效能因子如表7和圖5所示。將VCM,ACM,CCM 的傳輸效能因子進行比較,得出傳輸效能提升百分比,如表7和圖6所示。

圖5 不同傳輸體制下各地面站傳輸效能因子Fig.5 Transmission effectiveness factors of different ground stations under different transmission modes

圖6 傳輸效能提升情況對比Fig.6 Comparison of transmission efficiency improvement

表7 ACM,VCM,CCM 的傳輸效能對比Table 7 Comparison of transmission efficiency of ACM,VCM and CCM

從表7可以看出:①VCM 相比CCM 能夠獲得約75%的效能提升,效能提升比例與地面站位置及降雨量基本無關(guān)。②對單一地面站傳輸時,ACM相比CCM 能夠獲得不小于531.65%的效能提升,相比VCM 能夠獲得不小于260.99%的效能提升,而且對高云雨環(huán)境適應(yīng)性更強,可有效擴展地面站布置的選擇區(qū)域。③隨著降雨量的增加,喀什站、北京站、三亞站的鏈路可用度逐漸減小,CCM 和VCM的傳輸效能因子與鏈路可用度等比例減小,但ACM 的傳輸效能因子卻不是單調(diào)遞減的規(guī)律,因此針對特定的鏈路設(shè)計參數(shù),可按照傳輸效能最大的原則來選擇合適的地面站位置。

3 結(jié)束語

為提升數(shù)據(jù)傳輸效能,本文將基于DVB-S2標準的ACM 應(yīng)用于低軌遙感衛(wèi)星。ACM 可根據(jù)信道情況自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制編碼模式,在不同天氣狀況和仰角下都能夠充分利用鏈路資源。仿真結(jié)果表明:按鏈路可用度最大的原則設(shè)計時,ACM 的傳輸能力明顯優(yōu)于VCM 和CCM,提升比例分別高達531.65%和260.99%,應(yīng)用效能顯著增強,且對于降雨量越大的地面站傳輸效能提升效果越好。本文提出的“按自由空間損耗和ITU 模型大氣損耗隨1個回歸周期內(nèi)數(shù)傳弧段仰角分布變化進行星地傳輸效能綜合評估”的設(shè)計分析方法,以及調(diào)制編碼模式的選擇方式,可為未來我國Ka頻段ACM 對地數(shù)傳的工程設(shè)計和實現(xiàn)提供參考。在后續(xù)工程應(yīng)用中,可考慮利用地面站和衛(wèi)星S頻段上行遙控鏈路的已有硬件資源,通過地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)的適應(yīng)性更改滿足反饋當前鏈路信息的上行鏈路新需求。此外,還可針對具體的星地數(shù)傳鏈路參數(shù),兼顧鏈路可用度與傳輸效能因子,并在兩者之間進行折中設(shè)計,通過增大模式碼字集合中的最小值,在適當降低鏈路可用度的原則下增加傳輸效能因子,獲取更大的下傳數(shù)據(jù)總量。