雙圓極化遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)極化鑒別率需求分析

王萬(wàn)玉+王永華+王強(qiáng)

摘 要： 針對(duì)雙圓極化頻率復(fù)用中的交叉極化干擾問(wèn)題，分析了雨衰及雨致去極化對(duì)LEO衛(wèi)星X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的影響，然后將交叉極化干擾按高斯白噪聲處理，并依據(jù)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率門限要求，提出了X頻段雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)極化鑒別率的技術(shù)需求。研究結(jié)果已用于雙圓極化遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并已成功接收了國(guó)內(nèi)首顆雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星（資源三號(hào)衛(wèi)星，數(shù)據(jù)速率為450 Mb/s×2）的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)； 雙圓極化； 頻率復(fù)用； 極化鑒別； 交叉極化干擾

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0045?04

Analysis on XPD requirement of dual?polarized remote satellite data receiving system

WANG Wan?yu1， WANG Rong?hua 2， WANG Qiang1

（1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China；

2. No. 39 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Xian 710065， China）

Abstract： The impact of rain attenuation and depolarization on the performance of LEO satellite X?band data transmission link with dual?circular polarization are analyzed. Base on a bit error rate threshold requirement， the cross?polarization interference caused by depolarization may be regarded as AGWN. The XPD requirements of the X?band remote sensing satellite data receive system are proposed. The results have been used in the design of the data receiving system for the double?circular polarized remote sensing satellite. The data from ZY?3 satellite （dual circular polarization frequency reuse remote sensing satellite， whose data rate is 450Mbps×2） was successfully received.

Keywords： data receiving system； dual?circular polarization； frequency reuse； polarization discrimination； cross?polarization interference

0 引 言

隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)及遙感應(yīng)用需求的發(fā)展，在軌衛(wèi)星的數(shù)量不斷增加，衛(wèi)星有效載荷的分辨率（包括高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）不斷提高，獲取的遙感信息容量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹?lái)越高。寬帶高速傳輸已經(jīng)成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢(shì)。

利用頻率復(fù)用（極化復(fù)用）技術(shù)可以使傳輸容量加倍，提高頻譜利用效率，在頻譜資源如此緊張的今天，頻率復(fù)用（極化復(fù)用）技術(shù)是提高頻譜利用率的一種既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的方法，在國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)傳輸中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用（如WorldView1&2，Geoeye?1，ZY?3，高分系列衛(wèi)星等）。然而，由于星、地天線極化鑒別率的影響，加之空間傳播鏈路對(duì)電磁波去極化的影響，使得星、空間傳輸鏈路、地合成軸比下降[1?2]，不可避免地會(huì)帶來(lái)一定程度的交叉極化干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。由此可見(jiàn)，衛(wèi)星、空間傳輸鏈路、地面接收系統(tǒng)合成的極化鑒別率是影響遙感衛(wèi)星采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)成敗的關(guān)鍵因數(shù)之一。

本文對(duì)引起交叉極化干擾的因素進(jìn)行了分析，采用國(guó)際電聯(lián)2008年出版的適用性最為廣泛的ITU?R模型，定量分析了雨衰及雨致去極化對(duì)X頻段信號(hào)的影響，然后將交叉極化干擾按高斯白噪聲處理（因此可以認(rèn)為交叉極化干擾增加了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的高斯白噪聲功率密度[3]），并依據(jù)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能優(yōu)于1e-11的要求，提出了X頻段雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)極化鑒別率的技術(shù)需求。所得結(jié)果一方面可為現(xiàn)有地面接收系統(tǒng)（接收X頻段單極化遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)）是否可用于接收雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供決策依據(jù)，也可為新建的X頻段雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 交叉極化干擾分析

雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)指在相同的頻率范圍內(nèi)，利用相互正交的兩個(gè)極化波同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立的信號(hào)，如使用水平線極化、垂直線極化或者左旋圓極化、右旋圓極化。利用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)可以使傳輸容量加倍，大大提高了頻譜利用效率。

然而，極化復(fù)用技術(shù)有一個(gè)問(wèn)題，就是它不可避免地會(huì)帶來(lái)一定程度的交叉極化干擾，即傳輸?shù)膬陕氛粯O化信號(hào)會(huì)有部分功率泄露到另外一個(gè)極化方向上，造成交叉極化干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，如圖1所示。

圖1 雙極化系統(tǒng)交叉極化干擾圖

引起交叉極化干擾的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 星載天線的極化鑒別率；

（2） 傳輸路徑去極化效應(yīng)（如降雨、降雪、冰晶、沙暴、塵暴的影響）；

（3） 接收站天線的極化鑒別率；

（4） 星、地天線的指向誤差。

在X頻段，星載天線的極化鑒別率為24.8 dB左右，接收站天線的極化鑒別率為24.8～30.5 dB，但由于各種惡劣環(huán)境因素的影響，傳輸路徑去極化效應(yīng)較為嚴(yán)重，導(dǎo)致衛(wèi)星、空間鏈路及地面接收系統(tǒng)的合成極化鑒別率較小，系統(tǒng)的性能會(huì)急劇下降、可用度降低。

2 大氣環(huán)境損耗及去極化

導(dǎo)致電磁波衰減及去極化的大氣環(huán)境包括電離層，對(duì)流層晴空大氣、云霧、降雨、降雪、冰晶、沙塵，其中雨衰及雨致去極化（含冰晶）的影響最嚴(yán)重。因此，在分析雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)極化鑒別率需求時(shí)，取影響最嚴(yán)重的降雨情況進(jìn)行分析。

降雨對(duì)雙圓極化頻率復(fù)用的影響包括同極化影響（雨衰）和交叉極化影響（去極化）。

2.1 雨衰

雨衰與接收站的地理位置、海拔高度、降雨率、電磁波頻率、極化方式、接收天線工作仰角、特征衰減模型等因素有關(guān)。本文采用適用性最為廣泛的2008年出版的ITU?R模型計(jì)算雨衰（適用頻段4～35 GHz），具體步驟如下：

第一步，確定雨高度（單位：km）：

[hR=0，Lat≤-715+0.1（Lat+21），-71≤Lat≤-215，-21≤Lat≤235-0.075（Lat-23），Lat>23 ] （1）

式中[Lat]表示緯度。

第二步，計(jì)算斜路徑長(zhǎng)度（單位：km）：

[Ls=（hR-Hs）sinθ，θ≥5°2（hR-Hs）sin2θ+2（hR-Hs）Re12+sinθ，θ<5?] （2）

式中：[Hs]表示站點(diǎn)海拔高度；[θ]為鏈路仰角。

第三步，獲得平均一年超過(guò)0.01%的降雨率[R0.01，]由[γ=arRbr]計(jì)算特征衰減[γ0.01。]

第四步，計(jì)算水平路徑校正因子[rh0.01]：

[rh0.01=11+0.78Lγ0.01f-0.38[1-exp（-2Lscosθ）]] （3）

第五步，計(jì)算校正的通過(guò)雨區(qū)路徑長(zhǎng)度[Lr：]

[Lr=Lcosθrh0.01cosθ，?>θ（HR-Hs）sinθ，?≤θ] （4）

式中[?=arctan[（HR-Hs）Lcosθrh0.01]]。

第六步，計(jì)算垂直路徑縮減因子[rv0.01：]

[rv0.01=11+sinθ31（1-e-θ[1+χ]）Lrγ0.01f2-0.45] （5）

式中：

[χ=36-Lat，Lat<36°0，Lat≥36°] （6）

第七步，計(jì)算通過(guò)雨區(qū)的等效路徑長(zhǎng)度（單位：km）：

[Le=Lrrv0.01] （7）

第八步，計(jì)算平均一年超過(guò)0.01%的降雨衰減（單位：dB）：

[A0.01=γ0.01Le] （8）

第九步，計(jì)算平均一年超過(guò)0.001%～10.0%的降雨衰減：

[As=A0.01p0.01-[0.655+0.033lnp-0.045lnA0.01-zsinθ（1-p）]] （9）

式中：[p]是百分概率，如果[p≥1%]則[z=0，]如果[p<1]%，則：

[z=0，Lat≥36°-0.005（Lat-36），θ≥25°andLat<36°-0.005（Lat-36）+1.8-4.25sinθ，θ<25°andLat<36°] （10）

2.2 雨致去極化

雨致去極化的交叉極化鑒別率采用2008年的ITU?R給出了關(guān)于水汽凝結(jié)體引起去極化的交叉極化鑒別率的最新研究結(jié)果（適合于[8 GHz≤f≤35 ]GHz）。該模型表示為[4]：

[XPDp（dB）=30log f-VlogAp+Cτ+Cθ+Cσ] （11）

式中：

[V=12.8f0.19，8 GHz≤f≤20 GHz22.6，20 GHz

[Cτ=-10log[1-0.484（1+cos4τ）]] （13）

式中：[τ]表示極化傾角，[τ=45°]表示圓極化。[Cθ]表示為：

[Cθ=-40log （cosθ）] （14）

式中：[θ]表示鏈路仰角。[Cσ]表示為：

[Cσ=0.005 2σ2] （15）

式中：[σ]是雨滴的傾角方差，[σ]對(duì)應(yīng)時(shí)間概率為1%，0.1%，0.01%，0.001%時(shí)，分別取值為0°，5°，10°，15°。

另外，0 ℃以上的冰晶也會(huì)產(chǎn)生去極化作用，國(guó)際無(wú)線電聯(lián)盟給出了冰晶對(duì)XPD影響的計(jì)算公式：

[XPDIce，p=XPDrain，p?0.5?（0.3+0.1?log p）] （16）

受到降雨和冰晶去極化影響的極化鑒別率為：

[XPDatmp=XPDrain p-XPDice p] （17）

以北京、喀什、三亞接收站為例，5°仰角時(shí)降雨造成的雨衰、降雨造成雨致去極化的交叉極化鑒別率（含冰晶）如圖2～圖7所示。從圖中可看出，三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小。

圖2 雨衰（北京站）

3 極化鑒別率需求分析

接收的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量可用星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率來(lái)表征。對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一般要求星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率優(yōu)于1e-11，對(duì)應(yīng)的BER或[EbN0]稱為確保接收數(shù)據(jù)質(zhì)量所需的門限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的條件為：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

圖3 空間鏈路XPD（北京站）

圖4 雨衰（喀什站）

圖5 空間鏈路XPD（喀什站）

圖6 雨衰（三亞站）

圖7 空間鏈路XPD（三亞站）

對(duì)單極化情況，分析數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能時(shí)需考慮星上EIPR、地面接收系統(tǒng)G/T、載波頻率、碼速率、調(diào)制解調(diào)方式、編譯碼方式、空間傳輸鏈路損耗、指向損耗、極化損耗等因素。對(duì)雙極化頻率復(fù)用情況，除考慮上述因數(shù)外，還需考慮星、空間傳輸鏈路、地造成的交叉極化干擾的影響。

交叉極化干擾可以認(rèn)為是高斯白噪聲，因此可以認(rèn)為交叉極化干擾增加了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的高斯白噪聲功率密度，導(dǎo)致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]為正常大氣環(huán)境條件下地面接收系統(tǒng)接收的[EbN0；][F]是大氣環(huán)境損耗和去極化效應(yīng)造成的[EbN0]的降低值；CPA為大氣環(huán)境造成的損耗；XPD為數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率；[Γ]為頻譜利用效率。

數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率XPD是衛(wèi)星（XPDsat）、空間傳輸鏈路（XPDatm）、地面接收系統(tǒng)（XPDers）合成的極化鑒別率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系統(tǒng)的極化鑒別率需求。

以國(guó)內(nèi)在軌運(yùn)行的X頻段極化復(fù)用衛(wèi)星為例，取衛(wèi)星軌道高度為500 km，EIRP為30 dB、載頻為8 200 MHz、OQPSK調(diào)制、下傳數(shù)據(jù)碼速率為2×450 Mb/s、星上數(shù)傳天線軸比小于1 dB；地面接收系統(tǒng)G/T大于35 dB/K、[5°]仰角開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的降雨率，北京、喀什和三亞站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所需軸比如圖8所示。

由圖8可知，隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，因此為確保接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大；相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

圖8 接收系統(tǒng)所需軸比

對(duì)新建地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為0.5 dB（極化鑒別率為30.5 dB）[5?6]。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.8%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為98%。

對(duì)已有的地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為1.0 dB（極化鑒別率為24.8 dB）。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.64%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為96.4%。

4 結(jié) 論

星、空間傳輸鏈路、地合成的極化鑒別率是影響遙感衛(wèi)星采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)成敗的關(guān)鍵因數(shù)之一。隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，為確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大。相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

為提高雙圓極化頻率復(fù)用地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的利用率，在衛(wèi)星和地面接收系統(tǒng)天饋設(shè)計(jì)時(shí)，需盡可能提高天饋系統(tǒng)的軸比。同時(shí)，在地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采用交叉極化干擾消除技術(shù)[7?8]，降低交叉極化干擾的影響。

參考文獻(xiàn)

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[6] 王萬(wàn)玉，李娟妮，張寶全，等.寬頻帶低軸比雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2012，52（6）：835?839.

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[8] YANG Jun?yi， CHEN Jin?shu， WANG Wan?yu， et al. Joint XPI and ISI cancellation for dually?polarized radio systems over earth?space links [J]. Procedia Engineering， 2012， 29： 3217?3221.

圖2 雨衰（北京站）

3 極化鑒別率需求分析

接收的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量可用星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率來(lái)表征。對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一般要求星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率優(yōu)于1e-11，對(duì)應(yīng)的BER或[EbN0]稱為確保接收數(shù)據(jù)質(zhì)量所需的門限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的條件為：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

圖3 空間鏈路XPD（北京站）

圖4 雨衰（喀什站）

圖5 空間鏈路XPD（喀什站）

圖6 雨衰（三亞站）

圖7 空間鏈路XPD（三亞站）

對(duì)單極化情況，分析數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能時(shí)需考慮星上EIPR、地面接收系統(tǒng)G/T、載波頻率、碼速率、調(diào)制解調(diào)方式、編譯碼方式、空間傳輸鏈路損耗、指向損耗、極化損耗等因素。對(duì)雙極化頻率復(fù)用情況，除考慮上述因數(shù)外，還需考慮星、空間傳輸鏈路、地造成的交叉極化干擾的影響。

交叉極化干擾可以認(rèn)為是高斯白噪聲，因此可以認(rèn)為交叉極化干擾增加了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的高斯白噪聲功率密度，導(dǎo)致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]為正常大氣環(huán)境條件下地面接收系統(tǒng)接收的[EbN0；][F]是大氣環(huán)境損耗和去極化效應(yīng)造成的[EbN0]的降低值；CPA為大氣環(huán)境造成的損耗；XPD為數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率；[Γ]為頻譜利用效率。

數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率XPD是衛(wèi)星（XPDsat）、空間傳輸鏈路（XPDatm）、地面接收系統(tǒng)（XPDers）合成的極化鑒別率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系統(tǒng)的極化鑒別率需求。

以國(guó)內(nèi)在軌運(yùn)行的X頻段極化復(fù)用衛(wèi)星為例，取衛(wèi)星軌道高度為500 km，EIRP為30 dB、載頻為8 200 MHz、OQPSK調(diào)制、下傳數(shù)據(jù)碼速率為2×450 Mb/s、星上數(shù)傳天線軸比小于1 dB；地面接收系統(tǒng)G/T大于35 dB/K、[5°]仰角開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的降雨率，北京、喀什和三亞站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所需軸比如圖8所示。

由圖8可知，隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，因此為確保接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大；相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

圖8 接收系統(tǒng)所需軸比

對(duì)新建地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為0.5 dB（極化鑒別率為30.5 dB）[5?6]。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.8%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為98%。

對(duì)已有的地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為1.0 dB（極化鑒別率為24.8 dB）。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.64%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為96.4%。

4 結(jié) 論

星、空間傳輸鏈路、地合成的極化鑒別率是影響遙感衛(wèi)星采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)成敗的關(guān)鍵因數(shù)之一。隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，為確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大。相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

為提高雙圓極化頻率復(fù)用地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的利用率，在衛(wèi)星和地面接收系統(tǒng)天饋設(shè)計(jì)時(shí)，需盡可能提高天饋系統(tǒng)的軸比。同時(shí)，在地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采用交叉極化干擾消除技術(shù)[7?8]，降低交叉極化干擾的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈民誼，蔡鎮(zhèn)元.衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

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[5] 王萬(wàn)玉，張寶全，劉愛(ài)平，等.頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2012，52（4）：423?428.

[6] 王萬(wàn)玉，李娟妮，張寶全，等.寬頻帶低軸比雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2012，52（6）：835?839.

[7] 王萬(wàn)玉，陳金樹(shù).交叉極化干擾消除技術(shù)研究[J].電訊技術(shù)，2013，53（6）：707?710.

[8] YANG Jun?yi， CHEN Jin?shu， WANG Wan?yu， et al. Joint XPI and ISI cancellation for dually?polarized radio systems over earth?space links [J]. Procedia Engineering， 2012， 29： 3217?3221.

圖2 雨衰（北京站）

3 極化鑒別率需求分析

接收的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量可用星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率來(lái)表征。對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一般要求星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的誤碼率優(yōu)于1e-11，對(duì)應(yīng)的BER或[EbN0]稱為確保接收數(shù)據(jù)質(zhì)量所需的門限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的條件為：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

圖3 空間鏈路XPD（北京站）

圖4 雨衰（喀什站）

圖5 空間鏈路XPD（喀什站）

圖6 雨衰（三亞站）

圖7 空間鏈路XPD（三亞站）

對(duì)單極化情況，分析數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能時(shí)需考慮星上EIPR、地面接收系統(tǒng)G/T、載波頻率、碼速率、調(diào)制解調(diào)方式、編譯碼方式、空間傳輸鏈路損耗、指向損耗、極化損耗等因素。對(duì)雙極化頻率復(fù)用情況，除考慮上述因數(shù)外，還需考慮星、空間傳輸鏈路、地造成的交叉極化干擾的影響。

交叉極化干擾可以認(rèn)為是高斯白噪聲，因此可以認(rèn)為交叉極化干擾增加了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的高斯白噪聲功率密度，導(dǎo)致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]為正常大氣環(huán)境條件下地面接收系統(tǒng)接收的[EbN0；][F]是大氣環(huán)境損耗和去極化效應(yīng)造成的[EbN0]的降低值；CPA為大氣環(huán)境造成的損耗；XPD為數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率；[Γ]為頻譜利用效率。

數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率XPD是衛(wèi)星（XPDsat）、空間傳輸鏈路（XPDatm）、地面接收系統(tǒng)（XPDers）合成的極化鑒別率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系統(tǒng)的極化鑒別率需求。

以國(guó)內(nèi)在軌運(yùn)行的X頻段極化復(fù)用衛(wèi)星為例，取衛(wèi)星軌道高度為500 km，EIRP為30 dB、載頻為8 200 MHz、OQPSK調(diào)制、下傳數(shù)據(jù)碼速率為2×450 Mb/s、星上數(shù)傳天線軸比小于1 dB；地面接收系統(tǒng)G/T大于35 dB/K、[5°]仰角開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的降雨率，北京、喀什和三亞站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所需軸比如圖8所示。

由圖8可知，隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，因此為確保接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大；相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

圖8 接收系統(tǒng)所需軸比

對(duì)新建地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為0.5 dB（極化鑒別率為30.5 dB）[5?6]。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.8%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為98%。

對(duì)已有的地面接收系統(tǒng)，X頻段軸比為1.0 dB（極化鑒別率為24.8 dB）。從圖中可得出：北京站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.64%；喀什站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為99.94%；三亞站X頻段雙圓極化頻率復(fù)用的可用度為96.4%。

4 結(jié) 論

星、空間傳輸鏈路、地合成的極化鑒別率是影響遙感衛(wèi)星采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)成敗的關(guān)鍵因數(shù)之一。隨著降雨率的增大，雨衰及雨致去極化對(duì)數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼性能的影響越大，為確保數(shù)據(jù)接收鏈路誤碼率優(yōu)于1e-11，地面接收系統(tǒng)所需的極化鑒別率增大。相同極化鑒別率的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，由于三亞站受雨衰及雨致去極化的影響較嚴(yán)重，喀什站受雨衰及雨致去極化的影響較小，因此三亞站的系統(tǒng)可用度低于喀什站。

為提高雙圓極化頻率復(fù)用地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的利用率，在衛(wèi)星和地面接收系統(tǒng)天饋設(shè)計(jì)時(shí)，需盡可能提高天饋系統(tǒng)的軸比。同時(shí)，在地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采用交叉極化干擾消除技術(shù)[7?8]，降低交叉極化干擾的影響。

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