低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸效能研究

王中果 汪大寶

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

目前，國內遙感衛星主要采用四相相移鍵控（QPSK）或參差四相相移鍵控（SQPSK）調制方式進行星地數據傳輸［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，隨著遙感衛星空間分辨率的不斷提高，載荷數據率相應大幅提升，有限的傳輸通道帶寬制約著衛星效能的發揮，無法滿足用戶對海量遙感數據的需求，成為制約遙感衛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）系列衛星的800 Mbit／s（極化復用，單通道400 Mbit／s）［3-4］。

為解決上述難題，傳統方法仍選擇X 頻段，采用高效利用帶寬的高階調制技術，如八相相移鍵控（8PSK）、十六進制正交幅度調制（16QAM）等，或采用頻率極化復用技術進一步提高頻帶利用率。然而，由于受到衛星自身資源的限制，星上數傳功率有限，導致傳輸速率提升空間有限。此外，隨著遙感衛星數量的快速增加，不同衛星X 頻段數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。考慮到除X 頻段外，國際電聯（ITU）還規定了另外2個頻段用于對地觀測遙感衛星 的 下 行 數 據 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，在實際工程應用中，頻段越高相關微波產品設計制造難度越大，Q 頻段數傳技術現階段還難以在工程中實現。因此，綜合考慮數傳系統的工程實現可行性和海量數據下傳需求，遙感衛星采用Ka頻段進行星地數據傳輸，是未來發展更好的選擇［5-6］。在進行遙感衛星Ka頻段數傳系統設計前，必須進行可行性分析，并合理選擇系統參數，以實現星地數傳系統的優化設計。

本文首先從鏈路可行性的角度進行分析，尋找出影響Ka頻段星地數據傳輸的關鍵因素，并提出一種新的量化指標：傳輸效能因子，用于表示星地傳輸的綜合效能；并研究了星地數據傳輸鏈路的優化配置方案，以及實現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據穩定、可靠、高效率接收，可為未來Ka頻段星地數據傳輸的工程實現提供參考。

2 星地數據傳輸鏈路分析

2.1 基本原理

在遙感衛星星地數據傳輸中，地面站接收系統的信噪比決定了解調信號的誤碼率，而誤碼率直接影響遙感圖像質量。在進行星地數傳鏈路總體設計時，必須綜合考慮多種因素的影響，確保遙感數據的穩定、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。假定在一顆衛星與一個地面站之間建立傳輸鏈路，衛星采用高度為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傳的依據，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，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，為始終保持有3dB的系統余量，可得到大氣損耗允許值與接收仰角之間的關系如圖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、云等時產生的吸收或散射損耗，因大氣和電離層折射率變化而產生的大氣閃爍損耗等。本節根據國際電聯（ITU）發布的無線電波在大氣氣體中的衰減標準（ITU-R P.676-9）［9］、設計地球-空間電信系統所需的傳播數據和預測方法（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，其降雨量分別達到每小時50mm、125mm、12mm、50mm［12］。

對低軌遙感衛星而言，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，在既定衛星軌道前提下，鏈路可用率與地面站位置密切相關。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5°起跟蹤，但北京站和牡丹江站無法實現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致合格的可接收弧段減少。同時，它們還與調制方式、數據傳輸速率等因素相關。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。在系統設計時，應尋找鏈路可用率與可接收弧段長度之間的一個平衡點，使獲取星地數據傳輸的最大效能。為了實現星地數傳系統的最佳工作狀態，必須綜合考慮影響數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頻段星地數據傳輸效能分析

3.1 低軌遙感衛星傳輸效能因子定義

與廣播電視通信衛星所追求的長時間、不間斷服務（即鏈路可用率盡量大）不同，低軌遙感衛星對地數據傳輸為間歇性工作方式，因此，按照通信衛星的思維方式進行低軌遙感衛星數傳鏈路設計存在不合理之處。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，本質問題是，在一個回歸周期全接收弧段內可接收的總數據量越大，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定義為遙感衛星在一個回歸周期內、某一仰角起始跟蹤與5°仰角起始跟蹤所對應的總跟蹤弧段長度之比，用于衡量起始跟蹤仰角對數傳弧段的影響。

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星進行分析，得到與表2對應的地面站接收比例因子見表3?？梢钥闯觯诘脱鼋瞧鹗几檿r，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

通道碼速率與調制方式相關，因此傳輸效能因子也與調制方式相關。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?，對于某種特定的調制方式，鏈路可用率和地面站接收比例因子互相制約。獲取優化的數傳系統鏈路可用率，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 兩種調制方式下的傳輸效能因子進行仿真分析。仿真結果如圖3所示，定量分析結果見表4。

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

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

由仿真結果可以得出如下結論：

（1）采用8PSK 調制方式時，獲得最佳的傳輸效能（具體數據見表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 結論

本文通過對傳輸效能因子的尋優分析，確認了Ka頻段星地數據傳輸的可行性，并設計了各地面站最合適鏈路可用率的優化配置方案，以實現星地傳輸鏈路的優化設計。

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

（2）進行遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸方案設計時，針對不同地面接收站位置的環境因素，尋求數據接收站的優化配置方案。采用本文提出的方法，能夠較便利地根據地面站特點綜合考慮鏈路可用率，實現地面數據接收任務的合理規劃。本文所舉實例表明：內陸干旱少雨的地面站（如喀什站）能夠實現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）能夠實現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95%以上的鏈路可用率，因此適宜作為副接收站。

（References）

［1］趙寧.極化復用技術在遙感衛星數據傳輸中的應用［J］.航天器工程，2010，19（4）：59-66 Zhao Ning.Application of dual-polarized technology in remote sensing satellite data transmission［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（4）：59-66（in Chinese）

［2］International Telecommunications Union.Radio Regulations（2012）［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［3］陳世平.航天遙感科學技術的發展［J］.航天器工程，2009，18（2）：5-11 Chen Shiping.Development of space remote sensing science and technology［J］.Spacecraft Engineering，2009，18（2）：5-11（in Chinese）

［4］郭今昌.商用高分辨率光學遙感衛星及平臺技術分析［J］.航天器工程，2009，18（2）：87-93 Guo Jinchang.Technical analysis of high resolution commercial optical remote sensing satellite［J］.Spacecraft Engineering，2009，18（2）：87-93（in Chinese）

［5］Toptsidis N，Arapoglou P D，Berttnelli M.Link adaptation for Ka-band lowearth orbit earth observation systems：a realistic performance assessment［J］.International Journal of Satellite Communication and Networking，2012，30（3）：131-146

［6］Simons R N，Wintucky E G，London D G.Demonstration of multi-Gbps data rates at Ka-band using software-defined modem and broadband high power amplifier for space communications［C］／／Microwave Symposium Digest（MTT），2011IEEE MTF-S International.New York：IEEE，2011

［7］國防科學技術工業委員會.星-地數據傳輸鏈路的計算與標定方法，GJB 5421-2005［S］.北京：國防科學技術工業委員會，2005：4-9 Commission of Science，Technology and Industry for National Defense.Methods for calculation and calibration of satellite-earth data transmission link，GJB 5421-2005［S］.Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defense，2005：4-9（in Chinese）

［8］The Consultative Committee for Space Data Systems.Low density parity check codes for use in near-earth and deep space applications，CCSDS 131.1-O-2［S］.Washington D.C.：The Consultative Committee for Space Data Systems，2007：18，34

［9］International Telecommunications Union.Attenuation by atmospheric gases，ITU-R P 676-9 ［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［10］International Telecommunications Union.Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems，ITU-R P 618-10［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2009

［11］International Telecommunications Union.Attenuation due to clouds and fog，ITU-R P 840-5［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［12］仇盛柏.我國分鐘降雨率分布［J］.通信學報，1996，17（3）：78-83 Qiu Shengbo.The distributions of 1-min rainfall rate in China［J］.Journal of China Institute of Communications，1996，17（3）：78-83（in Chinese）