遙感衛(wèi)星星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸技術分析

王萬玉++毛偉++何元春

摘 要：隨著對地觀測技術及遙感應用的發(fā)展，星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸瑢拵Ц咚賯鬏斠殉蔀樾堑財?shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢。文中針對高分辨率遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g發(fā)展需求，分析了提升遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力的技術途徑及相關的關鍵技術。

關鍵詞：遙感衛(wèi)星；星地鏈路；數(shù)據(jù)傳輸；頻譜利用率；可視時間

中圖分類號：TP39；V474 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

隨著對地觀測技術及遙感應用需求的迅速發(fā)展，其在相同時間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，導致星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸b感信息與數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾也越來越嚴重。

解決遙感信息與星地數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾一般有兩種途徑：

（1）提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力，如采用雙圓極化頻率復用、提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（采用Ka頻段下傳數(shù)據(jù)）、提高調(diào)制解調(diào)體制效率（采用高階調(diào)制解調(diào)、高效編譯碼方式、VCM（可變編碼調(diào)制））、數(shù)據(jù)壓縮等技術來提升星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的帶寬和頻譜利用率；

（2）增加星地間的可視時間，如在全球合理布局地面接收站點、采用高軌衛(wèi)星中繼遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高星地間高速數(shù)據(jù)長時間的傳輸能力。

本文針對高分辨率遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g發(fā)展需求，分析了提升遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力的關鍵技術及實現(xiàn)途徑，并給出了發(fā)展建議。

1 技術途徑及關鍵技術分析

1.1 雙圓極化頻率復用

利用雙圓極化頻率復用技術可以使傳輸容量加倍，提高頻譜利用率，在頻譜資源如此緊張的今天，頻率復用（極化復用）技術是提高頻譜利用率的一種實用、經(jīng)濟的方法，在國內(nèi)外遙感衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)傳輸中也得到越來越多的應用，如WorldView1&2、Geoeye-1、ZY-3、高分系列衛(wèi)星等。

受星、地天線極化鑒別率的影響，加之空間傳播鏈路對電磁波去極化的影響，使得星、空間傳輸鏈路、地合成的極化鑒別率下降，不可避免地會帶來一定程度的交叉極化干擾，導致系統(tǒng)性能惡化，接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

一般情況下，X波段星載天線的極化鑒別率約為27 dB，接收站天線的極化鑒別率約為30.5 dB，在各種惡劣的空間環(huán)境因素影響下，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可降低到13 dB；而Ka波段星載天線的極化鑒別率約為23 dB，接收站天線的極化鑒別率為24.5 dB，在各種惡劣的空間環(huán)境因素影響下，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可能會降低到8 dB。受交叉極化干擾的影響，系統(tǒng)性能會急劇下降。引起交叉極化干擾的原因主要有以下幾個方面：

（1）星載天線的極化鑒別率；

（2）傳輸路徑去極化效應（降雨、降雪、冰晶、沙暴、塵暴等的影響）；

（3）接收站天線的極化鑒別率。

由此可見，星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率是影響雙圓極化頻率復用的關鍵因素。實現(xiàn)雙圓極化頻率復用的關鍵技術之一是提高衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的極化鑒別率。因此，在衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的設計時，需對影響雙圓極化頻率復用的各種主要因數(shù)如輻射方向圖不對稱（包括反射面曲率對交叉極化的影響），天線主反射面、副反射面不對稱，喇叭輻射方向圖不對稱等產(chǎn)生的交叉極化；饋源結(jié)構(gòu)對交叉極化的影響；饋源中移相量偏差、幅度傳輸系數(shù)的偏差、圓波導橢圓度等產(chǎn)生的交叉極化；饋源中各正交模耦合器的隔離度對交叉極化的影響；天饋系統(tǒng)駐波對正交輻射場的去極化影響等進行分析、優(yōu)化設計，提高衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的極化鑒別率。

提高天饋系統(tǒng)的隔離度會大大增加制造成本，而且由于受技術能力的限制提高幅度有限。此外，傳輸路徑去極化效應不可避免，且其對Ka頻段的影響更嚴重。因此極化干擾消除技術是實現(xiàn)雙圓極化頻率復用的另一關鍵技術。

極化干擾消除可以在射頻、中頻或基帶進行。就目前而言，由于遙感衛(wèi)星數(shù)傳鏈路所需的頻帶寬，在射頻段實現(xiàn)極化干擾消除難度較大，大多數(shù)極化干擾消除是在中頻或者基帶進行。

中頻的極化干擾消除是中頻模擬信號經(jīng)AD采樣變成中頻數(shù)字信號，然后經(jīng)交叉極化干擾消除器，消除極化干擾得到較干凈的兩路信號，并分別送給兩個解調(diào)模塊進行解調(diào)等后續(xù)操作。

基帶的極化干擾消除是在信號經(jīng)過載波同步和碼元同步后進行的，通過對垂直和正交的兩路基帶信號進行處理得到。隨著計算機及高碼速調(diào)制解調(diào)技術的發(fā)展，基于全數(shù)字高碼速解調(diào)器具備了中頻直接采樣的全數(shù)字化處理技術，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸、交互的超高速器件和接口技術，強大的DSP信號處理、并行處理技術等將交叉極化干擾消除功能與解調(diào)器進行一體化設計，在基帶實現(xiàn)交叉極化干擾消除功能已成為極化干擾消除的發(fā)展趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸載波頻段

為滿足下行數(shù)傳速率的要求，可通過提高工作頻段以增加傳輸帶寬。目前對地觀測衛(wèi)星下行鏈路均為X頻段，在未來幾年內(nèi)，X頻段將會變得非常擁擠。而Ka頻段在傳輸帶寬上相對X頻段具有顯著優(yōu)勢，可達2.5 GHz以上。

目前Ka頻段主要用于天基測控及中繼衛(wèi)星，還未用于極軌衛(wèi)星星地間的數(shù)據(jù)傳輸（國內(nèi)外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收主要采用S/X頻段）。但隨著更高的對地觀測分辨率和幅寬需求，其星載傳感器載荷獲得的數(shù)據(jù)量會越來越大，星地下傳速率的增長，采用Ka頻段進行星地數(shù)據(jù)傳輸是其發(fā)展方向。未來的航天任務將由目前的S、X、Ku頻段向Ka頻段轉(zhuǎn)變。

提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（X→Ka）可極大地擴展星地數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，但Ka頻段傳輸損耗大，尤其是雨衰大、雨致去極化嚴重，將它們用于星間傳輸非常理想，但用于星地間的數(shù)據(jù)傳輸也有其不利的一面 （大/暴雨時可導致鏈路截止）。同時，由于Ka頻段波束寬度很窄，對地面接收的捕獲跟蹤、動態(tài)性能等提出了很高的技術要求。

Ka頻段抗雨衰可采用如下策略：根據(jù)接收的下行信號電平，自動檢測下行信號的衰落強度、衰落變化率等自適應調(diào)整控制星上發(fā)射功率；通過降低信息傳輸速率，增大Eb/N0值，以提高鏈路余量；采用信道編碼方式，在保證鏈路誤碼率的條件下，通過降低門限信噪比，提高鏈路的抗雨衰能力；采用兩地面站異地互相備份的方式，通過任務規(guī)劃，當A站有強降雨時，利用B站接收。

Ka頻段衛(wèi)星波束窄、動態(tài)高，采用Ka波段對衛(wèi)星進行捕獲并轉(zhuǎn)入自跟蹤存在極大的技術難度，且采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的衛(wèi)星上一般無X下傳信號。因此，對Ka頻段的捕獲跟蹤可采用S頻段進行跟蹤后引導Ka捕獲、自動跟蹤；或采用螺旋掃描+Ka自動跟蹤的方式，實現(xiàn)窄波束高動態(tài)目標的捕獲、跟蹤。

Ka頻段跟蹤需較高的動態(tài)性能，地面接收系統(tǒng)設計時需盡可能地減小負載慣量、增大傳動鏈的剛度（尤其是輸出軸的剛度），以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率；提高伺服系統(tǒng)的采樣率，縮短采樣周期，可擴展帶寬，同時可降低輸入指令誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應能力；采用復合控制技術，即引入前饋補償，提高加速度誤差常數(shù)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸體制

在數(shù)據(jù)傳輸體制方面可以采取高階調(diào)制解調(diào)、高效編譯碼方式，或采用VCM（可變編碼調(diào)制）等措施。頻帶利用率如下所示：

n=Rb/B=log2M/（1+ρ）

式中，n為頻帶利用率；Rb為傳輸比特率；B為帶寬；M為調(diào)制的階數(shù)；ρ為成形濾波的滾降系數(shù)?？梢?，階數(shù)越高，頻帶利用率越高，在相同帶寬內(nèi)可傳輸更高的數(shù)據(jù)速率。

采取高階調(diào)制解調(diào)體制可提高有效數(shù)據(jù)速率，即在相同的帶寬內(nèi)可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。但高階調(diào)制信號的接收對信噪比、數(shù)據(jù)傳輸鏈路幅頻性能的要求更高。

寬帶高碼速率數(shù)據(jù)接收要求在更寬的頻帶內(nèi)具有一致的特性，包括幅頻特性、相頻特性（含群時延特性）等。但實際上，分布在衛(wèi)星和地面接收站的信道設備如變頻器、高功率放大器HPA、發(fā)射/接收天線、電纜、低噪聲放大器、濾波器等都具有不同程度的幅頻特性、相頻特性不平坦以及非線性，導致出現(xiàn)傳輸碼間干擾ISI。對寬帶高碼速接收鏈路的相頻特性（含群時延特性）的不平坦以及非線性問題，需采用高速的自適應盲均衡技術進行補償。盲信道均衡不僅可實現(xiàn)多徑傳輸、信道衰落等的均衡，也可均衡接收信道中的電路不理想特性（如幅頻特性不平坦和群時延特性不平坦）。

高階調(diào)制信號的接收對信噪比的要求更高，相應地對星上發(fā)射功率的要求更高；此外，數(shù)傳速率的提高也將為星上發(fā)射功率帶來更大的壓力。解決該問題可采用如下技術：

（1）采用高性能、全數(shù)字調(diào)制解調(diào)設備，降低調(diào)制解調(diào)損耗；

（2）采用高效編譯碼技術如RS、LDPC、卷積-RS或卷積-LDPC級聯(lián)等，提高糾錯能力確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。高效的編譯碼方式具有強大的編碼增益，與QPSK，8PSK，16APSK，32APSK聯(lián)合應用，可提高有效數(shù)據(jù)速率。

另一方面，在低軌衛(wèi)星星地鏈路設計時，是按照確保5°仰角數(shù)據(jù)接收設計的，而且目前高碼速率衛(wèi)星多采用點波束下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而在衛(wèi)星過境的過程中，由于天氣、傳輸距離變化等原因，星上的發(fā)射功率未得到充分利用。為有效利用星上發(fā)射功率，最大化衛(wèi)星過境時下傳的載荷數(shù)據(jù)量，可以采用VCM（可變編碼調(diào)制）方式的數(shù)據(jù)傳輸體制。采用合適的編碼率和調(diào)制方案來提高下行鏈路利用率，同常規(guī)傳輸方式相比，數(shù)據(jù)量將增加2倍以上。ESA（歐空局）已經(jīng)開展相關研究，我國也將在高分專項遙感衛(wèi)星中采用VCM方式的數(shù)據(jù)傳輸體制。

1.4 增加星地間的可視時間

增加星地間的可視時間，如在全球合理布局地面接收站點、采用高軌衛(wèi)星中繼遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高星地間高速數(shù)據(jù)長時間的傳輸能力。

20世紀中葉以來，遙感技術出現(xiàn)了新的發(fā)展態(tài)勢，許多科學領域，尤其是地球科學諸多研究領域的發(fā)展越來越依賴于遙感技術的進步和遙感數(shù)據(jù)的獲取能力。覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)遍布全世界的地面站，是優(yōu)先獲得全球性地球資源信息進行研究的重要手段。

目前，世界衛(wèi)星遙感技術領先的國家或組織，如美國地質(zhì)調(diào)查局USGS（United States Geological Survey）、歐空局ESA（European Space Agency）、法國的Airbus Defence &Space等，都已建立了遍布全球的衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系。

對于極軌衛(wèi)星而言，北極和南極地區(qū)擁有得天獨厚的數(shù)據(jù)接收優(yōu)勢：過站機會多，獲取的數(shù)據(jù)量大。美國、挪威、瑞典、加拿大、日本、德國等均已在南北極地區(qū)建立了遙感衛(wèi)星地面接收站，數(shù)量現(xiàn)已接近30套，負責接收LANDSAT、SPOT、ERS等低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

中繼衛(wèi)星可起到極軌衛(wèi)星與地面接收站的長時間高速數(shù)據(jù)傳輸通道的橋梁作用。極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星間可視弧段長、中繼衛(wèi)星與地面可全天通信，同時極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與地面間采用Ka頻段傳輸數(shù)據(jù)，極大地擴展了數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，可見采用中繼星可實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力，極大地提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力和時效性。

1.5 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮技術是將原始碼速率壓縮到數(shù)據(jù)傳輸能力允許的范圍內(nèi)，同時確保解壓縮數(shù)據(jù)重構(gòu)圖像的質(zhì)量滿足任務需求，其主要目的是力求用最少的數(shù)據(jù)表示信源所發(fā)出的信號，使信號占用的存儲空間盡可能小，以達到提高信息傳輸速度的目的。

在遙感衛(wèi)星上應用數(shù)據(jù)壓縮技術是由法國在SPOT-1衛(wèi)星上首先使用的，該衛(wèi)星的星載數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)采用了固定長度的DPCM編碼，壓縮比為8∶6。目前國內(nèi)外大多數(shù)遙感衛(wèi)星普遍采用DPCM、DCT、ADPCM、JPEG2000、BAQ壓縮算法進行數(shù)據(jù)壓縮，實現(xiàn)了2?8∶1的數(shù)據(jù)壓縮，可有效降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳的碼速率并取得良好效果。

數(shù)據(jù)壓縮技術己得到了廣泛應用，但隨著遙感信息獲取技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)的種類不斷增多，數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增大，不同種類數(shù)據(jù)之間的關系錯綜復雜，數(shù)據(jù)壓縮的內(nèi)涵和方法不斷向前發(fā)展。因此，一方面需不斷探索一些新的壓縮方法，不斷突破更大壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮技術；另一方面需要研究可控壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮技術，在重要的感興趣目標區(qū)（ROI），采用確保無可覺察視覺損失的低壓縮比，在相對不重要的非感興趣目標區(qū)，采用有可覺察視覺損失的大壓縮比，使數(shù)據(jù)壓縮的平均壓縮比提高。

2 結(jié) 語

隨著空間技術及信息化建設和遙感應用業(yè)務化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，已形成了一個高、中、低軌道綜合利用，大、中、小衛(wèi)星平臺及多傳感器相輔相成，單個衛(wèi)星和星座互相促進，立體、多角度、全方位、全天候全天時、長期連續(xù)性穩(wěn)定可靠運行的全球和區(qū)域性對地觀測體系，實現(xiàn)對全球的陸地、大氣、海洋的立體觀測和動態(tài)監(jiān)測。高/超高空間分辨率、高光譜分辨率和主動式全天候雷達衛(wèi)星將成為對地觀測的重要組成部分及發(fā)展趨勢。

隨著對地觀測技術以及遙感應用需求的發(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，其在相同時間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，導致星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁?，遙感信息與數(shù)據(jù)獲取能力之間的矛盾越來越大。這些都對未來發(fā)展規(guī)劃以及技術需求提出了更高、更新的要求。針對新的發(fā)展需求，結(jié)合上述分析提出以下建議：

（1）強化衛(wèi)星組網(wǎng)，減少衛(wèi)星間的沖突

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，地面接收資源雖不斷擴建但仍難以避免接收時間的沖突。而解決衛(wèi)星接收時間沖突的有效途徑之一便是依據(jù)衛(wèi)星使用需求，合理設計衛(wèi)星軌道，采用上午星、下午星、晨昏軌道、衛(wèi)星組網(wǎng)等措施，盡可能避免衛(wèi)星接收時間的沖突。

（2）合理布局地面接收站，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球獲取能力

衛(wèi)星地面接收站的建設布局和衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力已成為衡量一個國家有效利用空間信息技術的能力指標之一。隨著空間信息技術的快速發(fā)展，遙感衛(wèi)星性能逐步提升，應用領域愈加寬廣，為保證全球遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速獲取能力，各國正逐步加強衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系的布局與建設。

我國在全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速獲取方面，與先進國家相比還有很大差距。目前我國僅有覆蓋全國及周邊地區(qū)、北極地區(qū)的遙感衛(wèi)星接收站網(wǎng)，未來可根據(jù)突破性、全局性的戰(zhàn)略原則，并利用已有的國際合作條件設計規(guī)劃、逐步加強衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系的布局與建設，充分發(fā)揮我國遙感衛(wèi)星的效益，滿足我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)自主獲取的能力需要。

（3）采用新技術，提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力

高碼速率數(shù)據(jù)傳輸需要更大的傳輸帶寬，較高的發(fā)射功率，同時也會帶來相對較為惡化的調(diào)制解調(diào)損耗。提升衛(wèi)星星地數(shù)據(jù)傳輸能力的技術手段主要有雙圓極化頻率復用、提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（X→Ka）、采取高階調(diào)制解調(diào)和高效編譯碼方式、VCM數(shù)傳體制、數(shù)據(jù)壓縮等。在未來的設計中，可采用這些新技術來提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力。

（4）加快民用中繼衛(wèi)星的規(guī)劃，實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力

中繼衛(wèi)星可起到極軌衛(wèi)星與地面接收站的長時間高速數(shù)據(jù)傳輸通道的橋梁作用。極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星間可視弧段長、中繼衛(wèi)星與地面可全天通信，同時極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與地面間采用Ka頻段傳輸數(shù)據(jù)，極大地擴展了數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，可見采用中繼星可實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力，極大地提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力和時效性。

（5）統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一建設，綜合利用，節(jié)約投資

未來地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的建設，應堅持高分辨率對地觀測地面系統(tǒng)資源共享、統(tǒng)籌共性、兼顧個性、服務各大部委和民眾的建設原則及國家對衛(wèi)星地面設施“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理”的要求，充分利用已有的衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)資源和條件，統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、統(tǒng)一建設，形成集中管理、統(tǒng)一調(diào)度的地面接收站網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享，提高資金使用效益。

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