站點分集對低軌遙感衛星Ka頻段星地數傳鏈路的影響分析

王中果徐常志田志新辛保禮張愛兵鄭小松

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2空間電子信息技術研究院，西安 710100）

站點分集對低軌遙感衛星Ka頻段星地數傳鏈路的影響分析

王中果1徐常志2田志新1辛保禮2張愛兵2鄭小松2

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2空間電子信息技術研究院，西安 710100）

采用國際電信聯盟（ITU）的星地鏈路計算模型，推導出考慮站點分集增益后的大氣總體衰減計算公式，并據此定量仿真分析站點分集對低軌遙感衛星Ka頻段星地數傳鏈路可用情況的改善效果。為綜合衡量星地系統的費效比，提出站點效能因子指標，并依據此指標對站點分集效能進行定量分析。分析結果表明：站點分集可改善Ka頻段星地數傳鏈路的可用情況，且對降雨量較大站點的改善效果更為明顯，但僅針對單顆衛星而言，其費效比不具備優勢。文章采用的分析方法和提出的站點效能因子指標，可推廣到其他頻段的星地數傳鏈路分析中，為衛星的總體分析設計提供參考。

低軌遙感衛星；Ka頻段；站點分集；站點效能因子；分集增益

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，傳輸頻段為X頻段，帶寬僅為375 MHz［1］。隨著遙感衛星空間分辨率的不斷提高，有些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。綜合考慮數據傳輸系統的工程實現可行性和海量數據下傳需求，高空間分辨率低軌遙感衛星采用Ka頻段進行對地數據傳輸是將來更好的選擇方案［2］。然而，由于Ka頻段頻率較高，電磁波在傳播路徑上受雨、云、氧氣、水蒸氣、電離層閃爍等因素影響，信號衰減比X頻段更嚴重。強降雨在星地數傳鏈路上造成大幅衰減的小區，其水平范圍通常不會超過幾千米，因此，可將業務流量繞行至特定空間間隔外的其他地面站，以提高系統的可靠性，這種方式稱為“站點分集”［3］。站點分集本質上是一種空間分集方式，將多副接收天線安置在空間間隔足夠大的位置，利用多條信號路徑傳輸相同信息，而且這些路徑具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落的特性，通過在接收端選擇降雨導致衰減（簡稱“雨衰”）更小的一路信號，或者對多路信號進行合并處理，改善傳輸的可靠性，減小接收信號在時間上的衰減量。由此方式帶來的雨衰減小量稱為站點分集增益。作為提高鏈路可用率的一種方式，站點分集在國外已有一定研究基礎［4-6］，但均針對地球靜止軌道的通信衛星，目前國內文獻尚未涉及站點分集應用于低軌遙感衛星的量化分析。例如：文獻［7］中將站點分集稱為“地面站備份”，僅指出這是一種常用的抗Ka頻段雨衰策略，但并未對其開展進一步的研究，文獻［8］中提出“上行鏈路實時動態補償、下行鏈路固定補償”的Ka頻段雨衰補償方式，文獻［9］中詳細分析了“RS碼作為外碼、基于1/2卷積碼的可變碼率收縮碼作內碼加交織器構造自適應級聯碼”對Ka頻段下行鏈路抗衰減的原理和性能。不過，文獻［7-9］中也都只針對地球靜止軌道通信衛星。

本文首先給出了星地數傳鏈路關鍵影響因素分析原理；推導出考慮站點分集增益后的大氣總體衰減計算公式；然后對北京站和喀什站的凈分集增益進行定量仿真分析；再對其采用站點分集的鏈路可用情況改善效果進行定量分析；最后提出一種新的量化指標——站點效能因子，用于表示單位建設成本所獲取的鏈路可用率，并通過該指標的尋優處理來衡量站點分集的費效比。本文分析方法可為未來低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸的工程設計提供參考。

2 星地數傳鏈路關鍵影響因素分析原理

2.1 大氣總體衰減

國際電信聯盟（ITU）根據地球上不同地點的多年統計數據，建立了可預測任意地點、不同頻段星地傳輸射頻信號的多種大氣衰減方法，包括雨衰［3］、云導致的衰減（簡稱“云衰”）［10］、水蒸氣和氧氣導致的衰減（簡稱“氣體衰減”）［11］、對流層閃爍導致的衰減（簡稱“閃爍衰減”）［3］。

對于18 GHz以上工作頻率的系統，尤其是在地面站天線低仰角和/或系統低余量時，必須考慮多源同生大氣衰減的效應。大氣總體衰減代表著雨、氣體、云和閃爍的綜合效應，ITU通過對全球所有緯度地區多年的地-空數據進行比對，擬合出如下計算公式，其總體均方根誤差約為25%，可用于定量分析［3］。

式中：AT（p）為大氣總體衰減，dB；p為衰減超過的概率，可表示“鏈路不可用率”，即在一年中對應比例時間內衰減量超過系統設計的余量，所提供的數據質量無法滿足使用需求時，可認為鏈路不可用；AG（p）為水蒸氣和氧氣導致的固定概率的氣體衰減，dB；AR（p）為降雨導致的固定概率的衰減，dB；AC（p）為云導致的固定概率的衰減，d B；AS（p）為對流層閃爍導致的固定概率的衰減，dB。

2.2 站點分集增益

如圖1所示［4］，兩個站點存在一定空間間隔，在地面站2與衛星之間路徑出現降雨時，地面站1與衛星之間路徑剛好沒有降雨出現，則可選擇地面站1進行接收。采用此種工作方式，可有效減小傳輸信號的衰減，提高鏈路的可靠性。

對低軌遙感衛星而言，如果兩個站點對應的兩條鏈路的衰減門限值相等，則該站點分集系統屬于平衡類系統。對于兩個站點空間間隔小于20 km的短距離平衡系統，利用以下5個參數即可計算出站點分集增益［3］：兩個站點空間間隔d，km；單個站點的路徑雨衰A，d B；頻率f，GHz；仰角θ，（°）；傳播路徑方位與站點間基線的夾角ψ≤90°。

圖1 站點分集示意Fig.1 Sketch of site diversity

站點分集增益的計算步驟如下［3］。

（1）利用式（2）計算空間間隔產生的增益。

式中：a的計算見式（3）；b的計算見式（4）。

（2）利用式（5）計算頻率相關增益。

（3）利用式（6）計算仰角相關的增益項。

（4）利用式（7）計算基線相關增益。

（5）利用式（8）計算凈分集增益。

記Asite1（t）和Asite2（t）分別為t時刻兩個站點的雨衰，單個站點該時刻的分集增益如下［6］。

可以看出，任意時刻，Gnet1（t）和Gnet2（t）兩者之一必然為0，因此，如果兩個站點聯合，該時刻的站點分集增益如下。

考慮到兩個站點空間間隔較小（小于20 km），從長時間統計數據來看，其雨衰特性也很相似。因此，站點分集所帶來的凈分集增益是一個統計量，可表示為兩個站點中較大雨衰與較小雨衰差值的概率分布。由于雨衰與鏈路不可用率相關，因此凈分集增益也必然與鏈路不可用率相關。

從式（8）可以看出，在f、θ和ψ確定的前提下，凈分集增益僅與Gd相關。從式（3）和式（4）可以看出，Gd僅由單個站點的路徑雨衰A確定，即式（1）中定義的AR（p）。因此，在其他參數均確定的前提下，凈分集增益可表示為鏈路不可用率的函數Gnet（p）。

按照上述分析，可以推導出考慮站點分集增益后的大氣總體衰減計算公式如下。

3 實際應用分析結果

3.1 站點分集增益仿真分析

3.1.1 空間間隔產生的增益

ITU規定用于低軌遙感衛星下行數據傳輸的Ka頻段范圍為25.5～27.0 GHz［12］，本文選擇高端頻率27.0 GHz進行分析，按照式（5）得到Gf＝0.472。實際使用中，通常要求地面站接收天線在接收仰角5°時開始跟蹤低軌遙感衛星，且隨著接收仰角的增大，大氣總體衰減逐漸變小［2］，因此本文選擇5°仰角的最惡劣情況進行分析，按照式（6）得到Gθ＝1.03。由于兩個站點的位置選擇較多，傳播路徑方位與站點間基線的夾角范圍較寬，理論上0°≤ψ≤90°均可能出現。但從式（7）可以看出，基線相關增益Gψ是ψ的線性函數，其最小值和最大值在ψ＝0°和ψ＝90°時得到，分別為1.00和1.18。

由式（8）可以看出，在Gf、Gθ和Gψ均確定的前提下，凈分集增益的變化規律僅由式（2）中的空間間隔產生的增益Gd確定，而Gd由兩個站點空間間隔d和單個站點的路徑雨衰A確定，圖2給出了三者的關系示意。

從圖2可以看出：

（1）兩個站點空間間隔d相同時，雨衰A越大，增益Gd越大。

（2）雨衰A相同時，增大兩個站點空間間隔d，可以提高增益Gd。

（3）當兩個站點空間間隔d超過10 km時，增益Gd改善效果不明顯。

圖2 空間間隔產生的增益Fig.2 Gain contributed by spatial separation

3.1.2 凈分集增益

圖2僅從數據大小角度分析了空間間隔產生的增益與兩個站點空間間隔及單個站點雨衰的關系。雨衰與鏈路不可用率密切相關，且與站點的地理位置密切相關。為此，選擇喀什站和北京站進行分析，平均每年在超過0.01%的時間內，其降雨量分別達到12 mm/h和50 mm/h［13］，分別對應于干旱少雨和降雨量中等這兩種情況。兩個站點均選擇直徑12 m、效率50%的大型反射面天線。

圖3和圖4分別給出了北京站和喀什站的凈分集增益仿真結果。鏈路不可用率與雨衰一一對應，與第3.1.1節的結論對應，可以看出：

（1）在兩個站點空間間隔相同時，對同一個站點，鏈路不可用率增大時，由于雨衰減小，凈分集增益對應減少；同時，在同一鏈路可用率下，由于喀什站干旱少雨，雨衰小于北京站，因此其凈分集增益也小于北京站。

（2）在同一鏈路不可用率下，增大兩個站點空間間隔可增大凈分集增益。

（3）兩個站點空間間隔超過10 km時，曲線基本完全重合，凈分集增益基本不再改變。

圖3 凈分集增益（北京站）Fig.3 Net diversity gain of Beijing station

圖4 凈分集增益（喀什站）Fig.4 Net diversity gain of Kashi station

3.2 鏈路可用情況改善效果仿真分析

按照式（1）和式（12）的計算方法，圖5和圖6分別給出了北京站和喀什站在不同鏈路不可用率下對應的大氣總體衰減情況，并對比采用單個站點接收及不同空間間隔下的站點分集接收情況。從圖5和圖6可以看出：

（1）站點分集帶來了凈分集增益，在相同的鏈路不可用率下，可有效減小大氣總體衰減，但隨著鏈路不可用率的增加，對應的凈分集增益也逐漸減小，使大氣總體衰減的改善量也逐漸減小。

（2）在固定的大氣總體衰減值下，站點分集可減小鏈路不可用率，即提高了鏈路可用率。

為了定量分析改善效果，下面選取一些典型情況進行分析。工程設計時，為了克服大氣總體衰減（尤其是雨衰）而為系統預留20 dB以上余量是極不經濟的一種選擇，因此選擇10～20 d B系統余量（對應于大氣總體衰減）進行分析。

圖5 大氣總體衰減（北京站）Fig.5 Total attenuation of Beijing station

圖6 大氣總體衰減（喀什站）Fig.6 Total attenuation of Kashi station

由第3.1.1節的分析可知，當空間間隔超過10 km時，增益的改善效果不明顯，因此選擇兩個站點空間間隔10 km的典型情況進行分析。此外，傳播路徑方位與站點間基線的夾角ψ＝90°時，所帶來的凈分集增益最大，因此也選擇這種情況進行分析。

從圖5（b）可以看出，單個站點接收和站點分集接收的大氣總體衰減在10～20 dB時，北京站的鏈路不可用率為1.00%～5.00%。從圖6（b）可以看出，單個站點接收和站點分集接收的大氣總體衰減在10～20 dB時，喀什站的鏈路不可用率為0.01%～0.30%。為了更清楚地顯示出不同大氣總體衰減值對應的鏈路不可用率，選取更密集的鏈路不可用率數據進行仿真分析，結果如圖7所示，具體的鏈路不可用率對應情況如表1所示。

圖7 鏈路可用情況改善效果仿真結果Fig.7 Simulation result of link availability improvement

表1 鏈路不可用率改善情況Table 1 Reduction of link unavailability %

從表1可以看出：

（1）對特定的站點，大氣總體衰減（系統余量）減小時，站點分集所帶來的鏈路可用率改善值增大。

（2）大氣總體衰減相同時，采用站點分集所帶來的鏈路可用情況改善結果，降雨量中等的北京站優于干旱少雨的喀什站。

3.3 站點效能因子仿真分析

雖然站點分集可有效改善低軌遙感衛星的鏈路可用情況，但“單個站點＋單顆衛星”與“兩個站點＋單顆衛星”相比，增加的一個站點必然會使建設成本增大，而建設成本與鏈路可用率之間應該存在一個良好的折中，使單位建設成本所獲取的鏈路可用率最大，費效比最低。為此，定義站點效能因子為

式中：AL為鏈路可用率（與鏈路不可用率之和為100%）；Money為總建設成本。

假設一顆衛星的成本為1，一個站點的建設成本為x，則在“單個站點＋單顆衛星”配置方式下，站點效能因子為

在“兩個站點＋單顆衛星”配置方式下，站點效能因子為

按照式（14）和式（15）的定義，為了使站點分集更有優勢，則ED＞ES，即

結合表1數據，可以計算出：

（1）對于北京站，x＜0.006 20時，站點分集才更有優勢。

（2）對于喀什站，x＜0.000 36時，站點分集才更有優勢。

不過，在實際工程實現時，一個站點建設成本僅為一顆衛星建設成本的0.620%或者0.036%，是很難實現的。因此，按照式（13）提出的方式進行評價，站點分集很難具有優勢。

結合表1中數據，假設x＝0.050 00，北京站和喀什站的站點效能因子如圖8所示。從圖8可以看出：

（1）對北京站或喀什站，單個站點接收的站點效能因子優于兩個站點接收。

（2）對同一種接收方式（單個站點或兩個站點），干旱少雨的喀什站的站點效能因子優于降雨量中等的北京站。

圖8 站點效能因子Fig.8 Site effectiveness factor

4 結論

本文通過對低軌遙感衛星Ka頻段星地數傳鏈路中站點分集的定量影響分析，得出如下結論。

（1）站點分集可改善Ka頻段星地數傳鏈路的可用情況，且對降雨量較大的站點，其改善效果更為明顯。

（2）同一顆低軌遙感衛星在同一地區建立兩個站點接收下傳數據，就建設成本而言，不具備優勢，費效比較高。

（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）：57 Zhao Ning.Application of dual-polarized technology in remote sensing satellite data transmission［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（4）：57（in Chinese）

［2］王中果，汪大寶.低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸效能研究［J］.航天器工程，2013，22（1）：72-77 Wang Zhongguo，Wang Dabao.Research on transmission effectiveness of remote sensing data from LEO satellite to earth at Ka-band［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（1）：72-77（in Chinese）

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

［4］A D Panagopoulos，P-D M Arapoglou，P G Cottis.Satellite communications at Ku，Ka，and V bands：propagation impairments and mitigation techniques［J］.IEEE Communications Surveys&Tutorials，2004，6（3）：2-14

［5］A D Panagopoulos，P-D M Arapoglou，G E Chatzarakis，et al.A new formula for the prediction of the site diversity improvement factor［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，2004，25（12）：1781-1789

［6］D D Hodges，R J Watson.An analysis of conditional site diversity：a study at Ka-band［J］.IEEE Transactions on antennas and propagation，2009，57（3）：721-727

［7］梅妍玭.衛星鏈路Ka頻段雨衰研究［D］.南京：南京郵電大學，2009 Mei Yanpin.Research on rain attenuation of satellite link at Ka-band［J］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2009（in Chinese）

［8］翟政安，唐朝京.Ka頻段衛星通信鏈路雨衰對策［J］.中國空間科學技術，2010，30（3）：55-62 Zhai Zheng'an，Tang Chaojing.Fade countermeasure techniques for Ka-band satellite communication links［J］.Chinese Space Science and Technology，2010，30（3）：55-62（in Chinese）

［9］翁木云，龐寶茂，陳長興，等.用于衛星鏈路的自適應級聯碼研究［J］.電訊技術，2004，44（5）：45-49 Weng Muyun，Pang Baomao，Chen Changxing，et.al. Adaptive concatenated codes in satellite links［J］.Telecommunication Engineering，2004，44（5）：45-49（in Chinese）

［10］ITU.ITU-R P.840-5 Attenuation due to clouds and fog［S］.Geneva：ITU，2012

［11］ITU.ITU-R P.676-9 Attenuation by atmospheric gases［S］.Geneva：ITU，2012

［12］ITU.Radio Regulations（edition of 2012）［S］.Geneva：ITU，2012

［13］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）

（編輯：夏光）

Effect Analysis of Site Diversity on Satellite-to-earth Data Transmission Link at Ka-band of LEO Remote Sensing Satellite

WANG Zhongguo1XU Changzhi2TIAN Zhixin1XIN Baoli2ZHANG Aibing2ZHENG Xiaosong2
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Academy of Space Electronic Information Technology，Xi'an 710100，China）

This paper adopts the satellite-to-earth propagation model proposed by ITU（International Telecommunications Union），deduces the total attenuation which considers net diversity gain，and analyzes quantitatively the link availability improvement of a LEO remote sensing satellite which uses site diversity scheme at Ka-band.To evaluate the cost-effectiveness ratio of system，the site effectiveness factor figure is proposed，and the effectiveness of site diversity is conducted quantitatively.Simulation results show that the site diversity can improve the link availability，especially for the area of higher rain rate，but cost-effectiveness ratio is not preponderant for only single satellite.The analysis method used and the site effectiveness factor figure proposed in this paper can be generalized to satellite-to-earth data transmission link analysis at other bands，and provide special reference for system analysis and design of a satellite.

LEO remote sensing satellite；Ka-band；site diversity；site effectiveness factor；diversity gain

V474.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.012

2015-01-04；

：2015-03-04

王中果，男，碩士，工程師，從事低軌遙感衛星數據傳輸總體設計工作。Email：wang_zhongguo@sohu.com。