月基平臺對地觀測數據傳輸鏈路方案設計及分析

陳國強, 阮智星, 郭華東， 劉廣， 丁翼星， 張嚴心

(1. 中國科學院 遙感與數字地球研究所, 北京 100094; 2. 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044)

隨著中國航天技術和探月工程的不斷發展，利用月球作為觀測平臺開展對地觀測的理念，已成為國內外月球開發研究中的前沿思路之一[1-2]。建立良好的對地觀測平臺有助于更加全面地了解和認識地球，相較于傳統的星載平臺，月基平臺具有更遠的觀測距離(3.8×105km)，能夠覆蓋更寬的地球表面；具有更大的平臺搭建空間(直徑3 460 km)，可在月球表面區域集中搭建多個平臺，不必如星載平臺考慮星間最小角度限制。月球繞地公轉周期與其自轉周期之間的相等關系，使月球在繞地公轉時，總有固定的半個球面始終朝向地球，故相較于多數的星載平臺，可以實現全天候、周期性、可變觀測視角的對地觀測和通信[3]。不同于星載平臺存在的光壓攝動、地球扁率攝動和大氣阻力攝動等問題，月基平臺不需要定期校正平臺的位置；相較于以人造軌道衛星為基礎的星載平臺，月基平臺的壽命也長于前者，且可以省去與前者之間相互通信的星歷校準環節。如上所述，搭建以月球為基礎的對地觀測平臺對高效開展地球宏觀現象的科學研究具有重要意義[4]，并且在可預見的未來，待技術和理論成熟后，可以將其觀測對象轉變成除地球以外的其他宇宙深空對象。

月地之間的遠距離和月基平臺對地觀測的海量數據給月基平臺的數據傳輸帶來了巨大的挑戰[5]。月基平臺對地球進行觀測和通信時，由于電磁波的傳輸距離遙遠，不可避免會因為太空輻射、太陽風和日冕[6]等因素而產生較大的深空自由空間損耗；且由于傳輸距離遙遠，難以避免發散問題，電磁波的波長越大，發散問題越嚴重，目標接收到的信號越弱。同時，月基平臺為了滿足地球宏觀現象的觀測能力，需要盡可能搭設多源傳感器，實現長時間周期的大尺度觀測。觀測過程將記錄較大數據量的遙感影像，這將對月基平臺的數據傳輸能力提出更高的要求。因此，在設計月基平臺對地傳輸鏈路方案時，需要盡量滿足月地充足的數據通信時間和較高的數據傳輸質量的設計要求，從而保障月基平臺的進一步發展。月基平臺對地觀測的相關研究具有開創性。本文旨在為月基平臺對地觀測系統建設提供支持出發，重點滿足下行鏈路接收端能夠得到強度更大和誤碼率更低的有用信號，通過STK和MATLAB軟件聯合仿真，構建并討論可能的月基平臺對地觀測數據傳輸方案，結合月基平臺需求分析鏈路性能[7-8]，從而提出適應于月基平臺對地的傳輸方案。

1 數據傳輸鏈路中的重要參數

月基平臺傳輸通信鏈路的設計和衛星通信鏈路相似，影響傳輸的因素包括接收端和發射端之間的角度關系和傳輸過程的相關損耗等。在評價鏈路性能時,常用鏈路的信噪比和誤碼率等參數進行分析。

1.1 發射站相對地球站的仰角和方位角

隨著中國航天和通信事業的發展，點波束天線以其靈活性好、增益高和安全保密性強等特點，在各類通信衛星上得到了越來越廣泛的應用。由于空間通信的主體相距較遠，點波束天線的指向對角度更加敏感，天線指向的微小偏差，可能使點波束完全偏離原覆蓋區，從而直接導致通信中斷[9-10]。研究地球站與發射站(如衛星等)的幾何關系，主要是求算地球站觀測發射站的仰角和方位角等參數，以此為星地鏈路計算提供依據。因此，對于空間數據傳輸，發射端與接收端的仰角和方位角對信號最終能否被傳輸至關重要。在月基平臺對地觀測中，若存在轉發中繼衛星，則衛星相對地球站的仰角和方位角將影響衛星發射機對地球站的覆蓋增益[10]，繼而影響所獲取信號的強度等參數。如圖1和圖2所示，可以算出仰角和方位角。

若已知地球站的經度λP和緯度φP，衛星星下點經度λS和緯度φS，衛星的高度h，地球站的位置P，星下點的位置G，北極方向N.P，依次可求出地球站到衛星的仰角E和方位角A。

地球站到衛星之間的仰角為

圖1 地球站至衛星的仰角Fig.1 Elevation of earth station to satellite

圖2 地球站至衛星的方位角Fig.2 Azimuth of earth station to satellite

(1)

式中：RE為地球站點處與地心的距離；α為衛星星下覆蓋區對應地球半中心角，其滿足如下關系式:

cosα=cos(λP-λS)cosφScosφP+

sinφSsinφP

(2)

地球站到發射端之間的方位角為

A=arctan(sin(λP-λS)cosφS/

(cos(λP-λS)cosφScosφP-sinφSsinφP))

(3)

若φS=0，則衛星可視為地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛星[11]。

1.2 傳輸損耗

信號在自由空間傳播時，衰減主要來自自由空間的傳播損耗LS：

(4)

LS=32.44+20lgd+20lgf

(5)

式中：d為傳輸距離，km；f為載波頻率，MHz；λ為信號波長；c為信號傳播速度，一般取為光速。式(4)LS的單位為W，式(5)LS的單位為dB。

在衛星通信中，除了空間傳輸損耗之外，還有其他的損耗項，如雨衰、大氣吸收損耗和極化損耗等。圖3為衛星鏈路中信號傳輸過程中引發的損耗類型，其中EIRP為等效全向輻射功率。

圖3 衛星鏈路組成環節Fig.3 Segments of satellite link

1.3 鏈路評價參數

1.3.1 信 噪 比

信號的信噪比通常是輸出信號的功率與同時輸出的噪聲功率的比，常用分貝數(dB)表示，設備的信噪比越高表明它產生的噪聲越少。一般來說，信噪比越大，混在信號里的噪聲越小，信號的質量越高，否則相反[12]。

1.3.2 誤 碼 率

信號誤碼率指的是在傳輸的碼元總數中發生差錯的碼元數所占的比例(平均值)，也指信號的差錯概率。影響信號誤碼率的因子很多，通常以通信鏈路的信噪比大小作為判斷誤碼率高低的指標[12]。對于軍事通信下行鏈路，按照業務類型可分為：電話、傳真、數據、圖像和綜合業務，其對應的誤碼率分別不應高于10-4、10-4、10-6、10-6和10-6；對于美國靜止軌道衛星DIRECTV-14，其下行遙測鏈路誤碼率不應高于10-6[12]。 當信號誤碼率為10-6時，表明在信息傳輸過程中每十萬位信息中僅存在一兩位錯誤，對于實際的衛星傳輸鏈路，該數量級可體現其良好穩定的通信性能。因此在后文的中繼衛星下行鏈路信噪比閾值中，可以將其設置成誤碼率為10-6時對應的信噪比(Eb/No)，此時信噪比一般取為10 dB。

2 數據傳輸鏈路方案設計

目前的月地通信主要面向探月工程相關的需求，包括月球探測數據、地球大尺度影像和月地控制命令等信息的傳送，所涉及的數據量較小。月基平臺在滿足地球宏觀現象的觀測需求的基礎上，數據傳輸鏈路設計更加重視月地鏈接時效性和鏈路質量。月地之間的數據傳輸包含2種方式：①月地之間直接進行數據通信；②在月基平臺與地球站之間的下行鏈路通信中，加入若干中繼衛星，以期達到對電磁波信號的降噪和功率增強的處理。月基對地觀測通信業務包含月基平臺至中繼衛星的深空通信操作業務和中繼衛星至地球站的近地空間通信業務。在實際運用中，中繼衛星通常選為地球靜止軌道GEO衛星。本文將針對月地鏈接方式開展鏈路方案模擬和對比分析，提出適應于月基平臺的最優設計思路。

2.1 月基平臺數據傳輸鏈路基本參數

2.1.1 通信收發端站點位置和相關參數

在月球與地球的相互作用中，地球在月面的投影位置始終以近似橢圓的形狀繞月面0°N，0°W運動。若以上述點近似為地球在月球的固定投影點，則月基平臺發射天線的指向近似垂直于月面并指向地球。

本文選取了同經度范圍，不同緯度的3個地球站，其位置等參數如表1所示。

鏈路方案中月球站天線直徑設置為4 m,地球站為大口徑直徑30 m的天線；星載接收機發射機天線直徑分別設置為3.7 m和2 m。整個下行鏈路的傳輸頻率設置為14.5 GHz，即系統所選用的頻段為Ku頻段。

表1 位置參數

2.1.2 傳輸損耗參數

雨衰是指降雨引起的電波傳播損耗，是由雨滴和霧對微波能量的吸收和散射產生的，其大小與雨量和電波穿過雨區的有效傳輸距離有關，并且隨著頻率的增大而增大[12-13]，本文選取的雨衰參數文件為通用的ITU-R P618-9。

大氣損耗包括大氣吸收損耗和大氣折射(散焦)損耗。其中，無線電波往返大氣時，在大氣層傳播中會受到包括電離層中自由電子、離子、對流層中氧分子和水蒸氣分子等的吸收，由此產生大氣吸收損耗[14]。本文選取的大氣吸收損耗參數文件為Simple Satcom。而大氣折射損耗是由于大氣層中的大氣密度因高度的變化而不同，使電磁波在傳輸路徑上出現彎曲的現象，引起天線波束擴散，繼而產生折射損耗。無線電波往返大氣層時，在大氣層傳播中會產生吸收損耗。

2.1.3 數據傳輸編碼方式

本文在仿真過程中，選擇較默認編碼方式BPSK更為有效的QPSK編碼方式。BPSK編碼方式在一個符號的持續時間T內能夠傳送1個比特的信息(+1或者-1)，當需要傳送比特+1時，就發送正余弦波；當需要傳送比特-1時，就發送負余弦波。而QPSK調制技術能夠在一個符號周期內傳送2個比特的信息。QPSK編碼方式不僅利用了同相(in-phase)分量，還利用了正交(quadrature)分量。同相分量和正交分量彼此正交，因此兩者可以被結合在一起而不會相互干擾。所以，QPSK編碼方式可以在第1個BPSK信號上疊加與之正交的第2個BPSK信號，而不產生任何干擾。故QPSK調制技術能夠成倍地提高BPSK的頻帶利用效率，因為在T時間內還能夠傳送另一個比特。

2.2 月地直傳通信方案

月基平臺與地球通信，其中一種方式為直接通信，不通過任何中繼衛星進行轉發，圖4為直接傳輸示意圖。

在同一個自然月內，月球在地球上投影落點分為北半球、南半球和赤道位置附近，而赤道位置附近又可以分為由北向南通過赤道及由南向北通過赤道。本文按照月球在地球上投影落點位置，模擬了月地關系這4種不同時間段的鏈路場景。圖5表征了各個不同時期不同地球站接收信號的信噪比的變化，通過信噪比的變化可以得出信號誤碼率的變化情況。在場景的每一個階段中，時長為2 d，每次間隔的步長為60 s。通過場景模擬可知，若不考慮對最高誤碼率限制的最低信噪比值，對地觀測系統的收發端一般均有不可見的時期，且在不同的可見時間段內，信噪比值會出現較大的振蕩。

圖4 直接傳輸示意圖Fig.4 Schematic of direct transmission

當月球的投影點位于地球北半球時候，高緯度地球站的可見性相較于中低緯度的地球站高。因為從空間位置上，地球站與地心的連線與月地軸心連線的夾角為銳角；并且此時中、低緯度地區可見情況高度重合，包括可見時間及接收端信噪比值大小。其他不同時期的地球站有時會有非銳角出現。當月球的投影點位于地球南半球時候，高緯度的地球站已經變得不可見，也就不能完成月地通信任務。通過疊加圖5(c)和圖5(d)，可以得出月球投影落于赤道時，此時高、中、低緯度的地球站的可見性差別最小，同一性最高。表2為各個階段不同緯度的地球站對月基平臺的可見時長占對應階段總時長的百分比。

圖5 直傳模式月球投影Fig.5 Lunar shadow in direct transmission mode

但實際情況下對于月基平臺通信，地球站可見不一定就能夠正常有效地進行通信。兩端能夠進行通信的基本條件是其間鏈路的信噪比滿足最低要求。當月基平臺與地球站可見時，地球站可能處于月基平臺波束覆蓋的邊緣，鏈路的損耗過大，致使接收端接收到的信號強度過小、誤碼率過高，使得接收到的信號質量大大降低，甚至成為無用的信號，所以通信鏈路傳輸的編碼應不大于其最大的誤碼率值，對于月球至地球通信的下行鏈路而言，如1.3.2節所述，按照最高誤碼率為10-6，即信噪比值Eb/No不應低于10 dB計，可得到有效通信概率，如表3所示。

由表3可以看出，當考慮基本的信噪比約束后，月地系統的可通信時間窗口會被壓縮，若將誤碼率的值進一步降低，時間窗口會進一步縮短，很明顯，上述各種情況的信噪比峰值均價不超過40 dB，若最低Eb/No閾值為40 dB，則月地的通信將變得不可能，這種情況不滿足于可靠、安全和實時傳輸數據的要求。因此月基平臺與地球站的直接通信不可避免會遇到信號強度衰減、傳播碼數的錯誤丟失、信號的延遲和通信兩端可見性等問題，并不是最優的鏈路方案。

表2 直傳模式地球站可見性概率

表3 直傳模式地球站有效通信概率

2.3 月地中繼通信方案

為了有效解決月地直接通信時出現的可見性和鏈路信噪比最低要求的問題，本文引入中繼衛星對由月球傳入地球的信號進行中繼轉發的思路。中繼衛星一般是地球靜止軌道衛星，是地球同步軌道衛星的特例[15]。該顆衛星定點于同經度范圍的3個地球站的上空，也可以定點于其他位置。一般而言，當衛星與地球站的緯度相對位置已經固定時，兩者經度相差越小，信號在傳輸過程經過的大氣層路徑或越短，大氣損耗和多徑損耗也會降低。

圖6為一種月地中繼傳輸示意圖，通過布置在月基平臺上的傳感器，可以將發射機的信號向著中繼衛星的方向傳輸。

圖7基于一顆中繼衛星的鏈路方案，模擬了月球繞地球周期內4個時間段的數據傳輸信噪比變化情況。對于加有一顆中繼衛星時，月地系統基本上可以實現全天候的可見度，只是當月球的投影向地球赤道靠近時，系統會出現小時間范圍的不可見，此時系統也就不能正常通信。

總體而言，中緯度地區地球站較高低緯度地球站的通信效果好，且此時三者曲線沒有較大的起伏，與沒有添加中繼衛星相比，保證了信號傳輸的一致性、避免了較大的振蕩。

在地球站可見性概率方面，如表4所示，添加了中繼衛星后的地球站可見性概率明顯優于地月直接通信。

為了使全天候的信號傳輸通信成為可能，可以在2.2節中繼衛星A之外引進另一顆中繼衛星B，其位置定點于沿衛星繞地轉動方向相反的某處,模擬的鏈路方案如圖8所示。

此時在A的通信時間窗口之外的通信盲區有2種可供選擇的鏈路：①月基平臺、中繼衛星B、中繼衛星A、地球站；②月基平臺、中繼衛星B、地球站。在確定2顆衛星的星間角度的時候，應當留有一定的裕度。該方案2顆中繼衛星經度值相差40°，可以充分保證了當衛星A進入信號傳輸盲區后，設備有充分的時間調整響應；待衛星離開信號傳輸盲區后，設備不至于立刻切換而改變鏈路對象。各衛星的參數保持一致，衛星B對衛星A的信號進行二次放大、降噪處理，使下行鏈路的傳輸信號比一次處理更能擬合源信號。

對上述2顆中繼衛星進行仿真，可以發現地球高、中、低緯度地球站的信噪比隨時間的變化曲線高度重合，故此只在此表示出中緯度地球站的Eb/No隨時間的變化趨勢圖。

圖6 中繼傳輸示意圖Fig.6 Schematic diagram of relay transmission

圖7 單顆中繼衛星模式月球投影Fig.7 Lunar shadow in single relay satellite mode

圖7(c)、圖7(d)和圖9模擬可知，不同模式

表4 單顆中繼衛星模式地球站可見性概率Table 4 Visibility probability of earth station in single relay satellite mode %

圖8 2顆中繼衛星組傳輸示意圖Fig.8 Schematic diagram of transmission of two relay satellites

圖9 2顆中繼衛星模式月球投影Fig.9 Lunar shadow in two relay satellites mode

下信號有效通信窗口不一樣，故此可以在中繼衛星通信將要進入通信盲區時，改變鏈路的路徑，從而實現全天候，無時斷的信號傳輸。

3 結 論

月基平臺的相關研究是極具開創性的工作，對于全面深刻認識月基平臺建設的可行性及關鍵技術具有重要意義。本文利用STK和MATLAB模擬技術，基于深空通信和衛星數據傳輸等基本理論，仿真月基數據傳輸鏈路，首次提出了適用于月基對地觀測平臺的下行鏈路通信方案。分析認為月地直傳通信方案存在傳輸兩端可見性低、下行鏈路通信周期內信噪比較低且不穩定，將無法滿足月基平臺的觀測和后續分析需求。本文提出的月地下行鏈路中繼通信方案，在仿真條件下認為設置中緯度地面接收站、最小間隔經度值為40°的2顆中繼衛星，可以很好地實現全天候、無時斷的信號傳輸，保障月基對地觀測平臺的運行。

月基數據傳輸方案的構建將進一步開展月地接收、發射端參數和信號鏈路參數等研究，期待在未來若干年內，能夠真正地實現以月球為一個大型集中的基站而對地球、甚至其他宇宙對象進行觀測研究。

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