低軌遙感衛星Ka頻段自適應編碼調制應用效能分析

王中果 汪大寶 胡月 魯帆

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部,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計部,北京 100094)

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

我國低軌遙感衛星普遍采用X 頻段進行星地數傳,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]等衛星。其中:資源三號和資源一號02D 等衛星均采用固定編碼調制(CCM),固定傳輸速率,并按最差信道條件(最低仰角5°)進行鏈路設計。衛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,高分七號衛星首次采用X 頻段可變編碼調制(VCM)[7]。隨著遙感載荷對數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頻段成為衛星數傳的發展趨勢[8-9]。但是,大氣環境對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CCM 或VCM 設計,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VCM 結合實時信噪比估計及回傳信道,實現閉環自適應編碼調制(ACM),隨衛星過境信道(距離和大氣損耗)的動態變化,選取合適的調制方式和編碼碼率,提高鏈路的數據吞吐量[11]。

ACM 較早應用于衛星數字電視廣播領域,并寫入歐洲DVB-S2協議中[12-13]。鑒于該技術的重要性和成熟度,空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)形成了131.2-B-1[14]和131.3-B-1[15]藍皮書標準。但數字電視廣播衛星與低軌遙感衛星使用方式差別很大,主要體現在以下3個方面。①數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發方式,僅需要在地面中心關口站和地面各用戶終端對其前向鏈路和返向鏈路實現ACM 方案,并不需要在星上實現ACM[16-17],而低軌遙感衛星對地數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星傳輸速率通常遠大于數字電視廣播衛星,需要綜合考慮星上軟、硬件資源約束帶來的系統復雜度和工程實現難度,并進行適應性裁剪設計。國內外已有文獻針對低軌衛星Ka頻段VCM 和ACM 的系統開展了比較分析。文獻[10]對比了20 GHz的ACM和CCM 單軌數據吞吐量,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 的數據吞吐量,但僅選取單軌數據,且未充分體現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 在低軌遙感衛星中的應用效能進行研究。首先,分析了低軌遙感衛星ACM 調制編碼模式優化選擇方式,給出了星上自適應模式切換算法、仿真場景及參數;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律。

1 ACM 應用于低軌遙感衛星的優化選擇策略

1.1 調制編碼模式的確定

DVB-S2采用“BCH＋LDPC”級聯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),調制方式4 種(QPSK,8PSK,16APSK,32APSK),通過組合共形成28 種調制編碼模式,解調門限變化跨度可達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、調制方式等因素后每赫茲帶寬可傳輸的原始信息比特率。表1和后文中,[x]表示物理量x按照關系式[x]＝10lg x 取對數。

表1 DVB-S2推薦的調制編碼方式組合及解調特性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,當調制方式發生變化時,由于每個符號攜帶的比特數增多,即使編碼效率降低,在有效頻譜效率增大的情況下仍出現了解調門限減小的現象。解調門限大且有效頻譜效率小的調制編碼模式,性能較差,在選擇時刪除;而有效頻譜效率基本相同但解調門限差別較大的,可刪除解調門限更大的。基于此原則,完成第1輪篩選,將模式碼字為10,11,15,16,17,22,23 的7 種調制編碼模式去掉(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復雜度,在第1輪篩選的基礎上再進行第2輪篩選,篩選原則為:①解調門限變化范圍最大化;②相鄰模式解調門限相差不小于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),其對應解調門限分別記為[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 關系對比Fig.1 Effective spectral efficiencies versus Es/N0

1.2 星地ACM 自適應模式切換流程

對單圓極化系統,根據文獻[21]中的相關定義,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為衛星天線發射的等效全向輻射功率;Qr為地面站品質因數(通常也稱為G/T 值);Rs為射頻通道傳輸的符號速率;L為全部傳輸損耗(系統損耗),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、調制解調損耗Lmd;M 為系統余量,對低軌遙感衛星而言,一般要求3 d B 的設計余量。

本文使用式(1)進行鏈路預算,開展相關分析工作。需要注意的是,與低軌遙感衛星通常僅按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,通過多種因素聯合分析ACM 應用效能。

由于大氣損耗的時變特性,實際在軌使用時,在任意時刻t,地面接收系統實時預估符號信噪比[Es/N0](t)后,通過上行鏈路反饋給衛星,作為下一時刻調制編碼方式選擇的依據。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,便于區分。

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

1.3 仿真場景及參數選擇

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,傳輸的最大符號速率為1.25 Gbaud。傳輸符號速率為1.25 Gbaud時,QPSK,8PSK,16APSK,32APSK 對應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。在解調譯碼設備方面,目前國際上推出的高速解調器,其解調速率可達3.00Gbit/s以上[22],但暫時難以滿足6.25 Gbit/s的32APSK解調需求,因此,可考慮在25.5～27.0 GHz上設置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。

結合工程經驗及現有技術基礎,單個數傳通道的參數設置如表2所示,極化方式選擇圓極化。

表2 Ka頻段星地數傳鏈路參數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,具體數據見表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。在實際對地數傳鏈路中,大氣損耗與地面站位置和鏈路可用度密切相關。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,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。本文根據國際電信聯盟(ITU)發布的無線電波在大氣氣體中的衰減和相關效應(ITU-R P.676-12)[23],設計地對空電信系統所需的傳播數據和預測方法(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

對于低軌遙感衛星地面站,在1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,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 個數傳弧段的起始時刻和結束時刻;N 為1個回歸周期內的數傳弧段個數。

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個數傳弧段的第j個采樣時刻;Mi是第i個數傳弧段的采樣點個數。

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)內喀什站、北京站、三亞站的數傳弧段分別進行仿真。綜合考慮動態信道模型衰減特性和仿真計算量,傳輸過程中采樣間隔設置為1 s。定量分析結果如表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,衛星進入該站的機會相對更少,弧段個數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、平均長度的統計特性比較接近,與緯度關系不大。

表3 星地數傳弧段信息統計Table 3 Statistic of satellite-to-earth data transmission arc segment

以1°為間隔,統計5°～90°接收仰角范圍內落入每個小區間范圍的時間,結果如表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域內,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,應充分利用小仰角的長傳輸弧段,并在此范圍內盡可能提高原始信息碼速率。

表4 數傳弧段占比Table 4 Ratio of data transmission arc segment %

結合各地面站的數傳弧段特性分析結果,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據可靠傳輸能力。為獲取最大的鏈路可用度,5°仰角時ACM 采用對解調門限要求最小的調制編碼模式,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 下不同調制編碼模式對應的仰角理論范圍如表6所示。雖然衛星實際在軌時信道動態變化,需要動態調整模式碼字,但從理論統計分析角度來看,表6的估計是可信的。

表6 ACM 下調制編碼模式對應的仰角理論范圍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,并將其作為調制編碼方式切換的依據。

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°變為90°,對應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對應的Es/N0解調門限相比模式碼字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仰角分別為10.84°,22.43°,33.48°,49.92°。

本文的仿真結果表明: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。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,而且對高云雨環境適應性更強,可有效擴展地面站布置的選擇區域。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遞減的規律,因此針對特定的鏈路設計參數,可按照傳輸效能最大的原則來選擇合適的地面站位置。

3 結束語

為提升數據傳輸效能,本文將基于DVB-S2標準的ACM 應用于低軌遙感衛星。ACM 可根據信道情況自適應調整調制編碼模式,在不同天氣狀況和仰角下都能夠充分利用鏈路資源。仿真結果表明:按鏈路可用度最大的原則設計時,ACM 的傳輸能力明顯優于VCM 和CCM,提升比例分別高達531.65%和260.99%,應用效能顯著增強,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個回歸周期內數傳弧段仰角分布變化進行星地傳輸效能綜合評估”的設計分析方法,以及調制編碼模式的選擇方式,可為未來我國Ka頻段ACM 對地數傳的工程設計和實現提供參考。在后續工程應用中,可考慮利用地面站和衛星S頻段上行遙控鏈路的已有硬件資源,通過地面系統和衛星系統的適應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傳鏈路參數,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,獲取更大的下傳數據總量。