對遙感衛星數據傳輸技術發展的探討

周楊

（大慶鉆探工程公司地質錄井一公司，黑龍江 大慶 163411）

當前空間技術高速發展，各個國家對觀測衛星系統的發展都給予了高度的重視，如遙感衛星、偵察衛星等。它們在國家經濟、國家防御以及軍事應用等方面都有著大量的應用價值。對地觀測系統能夠采用多種探測方法實現對地面物體和環境信息的獲取，然后利用星載高速數據傳輸系統將信息傳回地面。當前遙感衛星所能收集的信息遠多于數據傳輸系統所能達到的傳輸能力，遙感信息跟數據傳輸系統傳輸能力之間的矛盾嚴重影響了科技的發展，數字技術和超大規模數字集成電路的發展，為新型傳輸技術的發展提供了基礎。因此，需要研發新的高速數據傳輸技術，不斷提升各個子系統的能力，促進數據傳輸能力的提升。

1 數據傳輸系統的構成

遙感衛星從整體上可以分為數據發送裝置、傳輸信道和數據接收設備三個部分，系統的主要功能是將傳感器獲取的有效信息依據用戶需求進行高精度和速度的傳送，利用數據通信的通道傳輸到地面接受設備，進行數據轉換城管委二進制的比特流序列。針對數據傳輸系統的指標體系能夠將技術指標分為三個部分，分別是綜合指標、發送端指標和接收端指標。其中，綜合指標主要涉及傳輸速度、誤碼率和數據壓縮比例。發送端指標主要有信道編碼、調制方法、加密方法等，接收端指標主要包括解密方法、解調方法、信道譯碼以及去壓縮等。在該指標體系中，最重要的指標是傳輸速率，其代表了數據傳輸系統的技術能力，也與其他指標存在緊密的關聯。

2 發展需求分析

2.1 碼速率

當前，世界各個國家使用的遙感衛星有十幾種，具有不同的功能和用途，空間分辨率多種多樣，遙感衛星的平臺和傳感器類型更加多樣化，軍用光學遙感影像的空間分辨率已經跟衍射極限較為接近，像元的分辨率已經達到了0.1～0.15m,民用遙感影像的分辨率也達到了0.6m，光譜分辨率都達到了納米級別，波段不斷增加至數百個。高光譜遙感技術充分利用其優勢經過二十幾年的發展，分辨率已經從原來的公里級提升到米級。同時，商業化的市場需求也對遙感衛星分辨率的提升產生了刺激，要求其觀測寬帶不斷擴大。

這些因素都對遙感衛星數據粗函數的碼率提出了新的要求，從原來的幾MBPS發展到目前的上百MBPS，許多國家已經達到了320mbps，并且還在還在不斷提升。

2.2 誤碼率

誤碼率指的是數據傳輸過程中接收的錯誤碼元在總碼元數中的比重，根據應用系統對衛星遙感信息解碼編譯的質量需求來說，以后對遙感衛星數據傳輸的誤碼率要求不會產生新的變化，通常電子信號探測類的誤碼率要求都是1×10-6，光學成像類衛星的誤碼率要求在1×10-7上下。

2.3 數據壓縮

通常遙感衛星都具備高的光譜分辨率和高空間分辨率，會獲取大量的初始數據，為了緩解數據傳輸的壓力，在充分保證遙感器輸出效率的同時，降低數據傳輸速率的唯一手段是在保證數據真實性的前提下對傳感器獲取到的信息進行壓縮，不僅可以降低下傳數據率，還可以保證解壓縮后圖像的質量。

3 數據傳輸技術的發展

數據傳輸的任務是將衛星獲取的原始或者壓縮處理后的數據在依據給定誤碼率的基礎上傳輸到地面接收設備。碼率較高的數據傳輸需要的帶寬也較大，而且需要大的發射功率和損耗。在高速數據傳輸條件下，盡量減少傳輸帶寬，降低衛星上的EIRP值，減少損耗是數據傳輸技術未來的發展方向。

3.1 傳輸頻段

衛星到地的傳輸速率跟傳輸頻段的選取存在直接關系，頻段的選擇不但要滿足數據碼率的傳輸需求，還要嚴格遵循國際電聯就頻段選擇劃分提出的相關該規定。高碼速率的數據傳輸肯定需要更大的傳輸帶寬，隨著速率的不斷提升，當前普遍使用的X頻段依然無法滿足未來發展的需求。從技術發展的趨勢和未來的需求來看，將來選擇Ka頻段是必然的趨勢，首先，Ka頻段是國際電聯提出的天對地的傳輸頻段。其次，該頻段的帶寬較大，范圍是37.5～40.5GHz，通常所用的3GHz，是X頻段的8倍，能夠滿足未來大的傳輸帶寬的需求。此外，未來也會利用激光作為載波開展空間數據的傳輸。然而，兩種傳輸方式在傳輸過程中會出現大量的損耗，并且容易受到天氣的影響，需要相關研究人員增加研發力度，使各類器件元件不斷成熟，同時，還要加強對KA頻段接受設備的研發。

3.2 調制解調

調制解調是遙感衛星數據傳輸系統最關鍵的技術，調制的目的是為了使得信號的特性與信號的要求向匹配，調制方法的選取通常取決于信道的特性。調制方法明確后，解調方法也就明確，所以調制是關鍵內容。

因為遙感衛星所采用的空間對地傳輸信道屬于恒定參數信道，其主要的干擾因素是加性白噪聲，為了獲取更好的接受性能，選取PSK調制方式最為恰當，其不但能夠充分利用載波帶寬，還具備很好的抗干擾性能，帶外具備很大的能量。并且衛星上的調制和地面接收裝置的解調設計復雜度較低，硬件實現簡單，技術較為成熟，所以PSK技術在衛星傳輸系統中獲得了大量的使用。

從未來的發展需求來看，需要對調制解調方式進行調整，比如，利用X頻段、QPSK調制解調方式開展傳輸，可以滿足速度小于300mbps的數據傳輸需求，假如需要超過600mbps，上述兩種手段受限于帶寬和功率，則無法實現傳輸目的，需要利用KA或者更高頻段，然而，需要克服大氣損耗以及雨衰等方面的問題，需要采取新的調制解調方式。

3.3 差錯控制

以后的遙感衛星將會大量使用差錯控股之技術，以提升數據傳輸系統的抗干擾性和可靠性，在傳輸功率受到限制的條件下實現數據傳輸容量的提升。差錯控制技術因為在信號中增加了冗余度而傳輸信號的碼速率提升，使得傳輸帶寬增加，為了避免頻率資源的浪費，當前在傳輸碼率有限的條件下，遙感衛星較少使用信道編碼開展差錯控制，然而，隨著傳輸碼速率提升，為了降低誤碼率，需要增加信道編碼。我國立項的遙感衛星通常采用RS碼，該種編碼方式較為成熟，譯碼和硬件實現難度較低。卷積編碼技術雖然編碼簡單然而譯碼難度和電路復雜程度較高，然而，可以獲取較高的編碼增益，VITERBI譯碼方式在國外遙感衛星獲得大量使用，然而，在我國還沒有工程應用。未來信源、信道聯合編碼技術、TCM技術等在未來高分辨率的傳輸型遙感衛星的發展中都有著極高的應用價值。

3.4 高增益天線

當前，我國進行數據傳輸通常是加大發射功率，提高星上數據傳輸EIRP值來保證傳輸質量，然而，受限于能源和期間，再增加發射功率難度較高。未來需要研發高增益相控陣天線技術，改變天線的工作狀態，利用高增益天線使能量集中的有點，實現EIRP值的增加，提高數據傳送的質量。利用點波束天線不但可以節省功率，而且控制起來較為容易，還能提升遙感衛星的安全性，具有很大的應用價值。

3.5 數據壓縮技術

我國當前的遙感衛星多采用2:1的數據壓縮，具有較好的效果，然而，從未來的需求來看，高光譜成像儀、SAR遙感器以及高分辨率光學設備的應用以及遙感衛星功能的增加，這一數據壓縮的比例肯定無法滿足未來發展的需求。未來遙感衛星圖像壓縮的比例應當在16:1，SAR圖像數據的壓縮應當達到2:1或者4:1。為了適應各類衛星提出的要求，數據壓縮比應當可以進行控制，對于熱點區域可以選取較小的壓縮比，對于背景區域可以采用較大的壓縮比。未來的技術發展方向主要有三點，分別是可將光大于8:1的高保真遙感圖像數據的壓縮技術、SAR遙感圖像壓縮技術以及可以控制壓縮比的數據壓縮技術。

4 結語

隨著科技的進步，當前衛星遙感技術在理論和技術方面都獲得了飛速的發展，新型的衛星遙感設備不斷出現，微波遙感和高光譜遙感技術不斷成熟，應用型遙感衛星也在向著多分辨率和多遙感平臺共存的方向發展，同時，也對數據傳輸系統提出了新的要求，未來需要在傳輸頻段、傳輸體系和壓縮技術等方面進行研究，促進信號傳輸質量和速度的提升。