多模雙頻段車載遙感地面站的設(shè)計及應(yīng)用

(1.航天恒星科技有限公司,北京 100086； 2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

0 引言

隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星資源越來越豐富。為了充分發(fā)揮地面接收系統(tǒng)的效能，往往要求地面系統(tǒng)支持多種模式衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收。例如支持低軌遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收、支持靜止軌道遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收、支持X頻段的數(shù)傳、支持Ka頻段的數(shù)傳、支持多種解調(diào)方式的解調(diào)，真正實現(xiàn)地面接收站的一站多用，同時為了提高系統(tǒng)的機動性能，采用可拆卸、可搬移的方式。對于上述多種模式的使用需求，對系統(tǒng)的設(shè)計和工作流程，都提出了新的要求。

針對上述需求，依據(jù)星地鏈路計算的結(jié)果，對多模雙頻段車載地面站的組成、工作原理和數(shù)據(jù)接收工作流程進(jìn)行了設(shè)計，滿足多種衛(wèi)星的自動化數(shù)據(jù)接收，記錄傳輸需求。同時對車載地面站的關(guān)鍵點，高碼速率解調(diào)譯碼器和光傳輸進(jìn)行了重點設(shè)計，滿足不同衛(wèi)星的多種解調(diào)譯碼方式及車載系統(tǒng)快速拆卸的使用需求[1]。

系統(tǒng)設(shè)計采用成熟技術(shù)和通用設(shè)備，具有一定的先進(jìn)性，保證系統(tǒng)具有高可靠性、良好的可維護(hù)性及可擴充性；目前已經(jīng)交付中國遙感衛(wèi)星地面站，進(jìn)入業(yè)務(wù)運行階段，執(zhí)行以資源三號衛(wèi)星為代表的低軌遙感衛(wèi)星和以高分四號為代表的高軌衛(wèi)星的接收、記錄和傳輸任務(wù)。

1 車載遙感接收系統(tǒng)設(shè)計

1.1 星地鏈路計算

在確定地面站設(shè)備選型之前需對星地鏈路進(jìn)行預(yù)算,確定地面站設(shè)備的性能指標(biāo)。星地鏈路的預(yù)算主要包括3個方面的內(nèi)容:衛(wèi)星發(fā)射功率、空間損耗、地面站接收天線G/T值，解調(diào)門限。針對資源三號為代表的低軌衛(wèi)星和以高分四號為代表的高軌衛(wèi)星，系統(tǒng)鏈路預(yù)算如表1所示。

當(dāng)考慮雨雪天氣接收時(降雨量為中雨)，有3 dB以上的鏈路余量，滿足星地鏈路需求；同時，系統(tǒng)擬采用7.3米X/Ka雙頻段環(huán)焦天線，對X頻段設(shè)計接收G/T值優(yōu)于32 dB/K，Ka頻段設(shè)計接收G/T值優(yōu)于36 dB/K,系統(tǒng)有更大的余量。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

為實現(xiàn)包括資源三號和高分四號在內(nèi)的多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的能力，形成全天候、全天時、多種分辨率衛(wèi)星的接收能力；獨立完成衛(wèi)星信號的捕獲跟蹤、數(shù)據(jù)接收，記錄和傳輸工作，具備遠(yuǎn)程和本地雙重任務(wù)管理和設(shè)備監(jiān)控等能力，實現(xiàn)無人值守，具有自動化監(jiān)控管理能力；為保障業(yè)務(wù)的長期穩(wěn)定運行，可自動實現(xiàn)中頻、射頻環(huán)路自檢，并可自動完成G/T值、誤碼率等指標(biāo)測試；系統(tǒng)具備故障診斷功能，并向上級系統(tǒng)上報系統(tǒng)工作狀態(tài)，同時具備機動性、可拆卸搬移能力。車載地面站主要由天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)、記錄分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

天伺饋分系統(tǒng)采用7.3 m雙頻段環(huán)焦天線，主要由天饋、座架和伺服3部分組成。其中天饋包括天線、饋源、饋線網(wǎng)絡(luò)等，主要任務(wù)是完成衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)信號的采集輸出；座架包括俯仰+方位+傾斜組合三軸座架，具有全半球跟蹤接收能力，保證過頂跟蹤不丟失目標(biāo)，能夠跟蹤接收中低高軌遙感衛(wèi)星；伺服包括ACU、驅(qū)動設(shè)備、電機等，主要任務(wù)是根據(jù)指令采取各種控制策略控制天線的運動，快速、準(zhǔn)確地對目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲及跟蹤。

信道分系統(tǒng)包括X頻段信道和Ka頻段信道。具體包括低噪聲放大器、數(shù)字移相器、變頻器、光傳輸設(shè)備、跟蹤接收機、中頻均衡矩陣及高碼速率解調(diào)器等。天線饋源網(wǎng)絡(luò)輸出的左右旋數(shù)據(jù)信號經(jīng)低噪聲放大器、光纖傳輸、下變頻產(chǎn)生中頻信號，送入解調(diào)器，解調(diào)器對中頻信號實施數(shù)據(jù)解調(diào)。

測試分系統(tǒng)包括功率計和頻譜儀等。實現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)測試，包括：誤碼率、G/T值和伺服性能測試等。

記錄分系統(tǒng)包括原始記錄軟件和記錄服務(wù)器。完成原始數(shù)據(jù)的記錄和原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測，并對解調(diào)器輸出碼流格式進(jìn)行調(diào)整，將數(shù)據(jù)送給數(shù)傳分系統(tǒng)。

數(shù)傳分系統(tǒng)包括傳輸軟件、交換機和傳輸服務(wù)器等。完成衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)到用戶數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸以及系統(tǒng)與站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)之間的指令信息流網(wǎng)絡(luò)傳輸。

技術(shù)支持分系統(tǒng)：包括天線拖車、設(shè)備方艙、標(biāo)校設(shè)備、時統(tǒng)單元等。時統(tǒng)單元為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和標(biāo)準(zhǔn)時間信號；標(biāo)校設(shè)備為系統(tǒng)維護(hù)、故障定位提供檢測；設(shè)備方艙為整站的電子設(shè)備提供運行環(huán)境，天線拖車替代天線基座，實現(xiàn)設(shè)備的拆卸搬移。

監(jiān)控管理分系統(tǒng)包括監(jiān)控管理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及應(yīng)用軟件等。主要任務(wù)是根據(jù)站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)計劃形成數(shù)據(jù)接收計劃；控制系統(tǒng)參數(shù)配置，完成跟蹤、接收和記錄任務(wù)；對各分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理；對數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)故障信息進(jìn)行分析，結(jié)果上報站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)的典型設(shè)備組成如圖2所示。

設(shè)備分別部署與天線車和設(shè)備方艙內(nèi)部，天線車和設(shè)備方艙通過光纜進(jìn)行連接，方便系統(tǒng)的快速展收。在天線中心體內(nèi)，通過使用X頻段開關(guān)矩陣的方法，可以使Ka頻段和X頻段分時共享數(shù)據(jù)接收鏈路，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和系統(tǒng)的成本，衛(wèi)星接收工作流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備組成圖

圖3 接收工作流程

1.2.1 任務(wù)計劃執(zhí)行階段

在衛(wèi)星過境前，監(jiān)控管理分系統(tǒng)下發(fā)點位預(yù)報數(shù)據(jù)給天伺饋分系統(tǒng)，同時給站內(nèi)其它各分系統(tǒng)下發(fā)參數(shù)控制命令；按照接收計劃捕獲并跟蹤衛(wèi)星，接收衛(wèi)星下傳的遙感數(shù)據(jù)。由天伺饋分系統(tǒng)及信道分系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)，由記錄分系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)后原始數(shù)據(jù)的記錄、質(zhì)量檢測；數(shù)據(jù)接收完成后，記錄分系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控管理分系統(tǒng)下發(fā)的傳輸計劃將原始數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)；在任務(wù)執(zhí)行期間，監(jiān)控管理分系統(tǒng)對各分系統(tǒng)上報的設(shè)備運行狀態(tài)信息、正在執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備組態(tài)和工作鏈路進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行信息匯總后形成全站運行狀態(tài)信息并上報站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)。

1.2.2 任務(wù)執(zhí)行情況上報階段

任務(wù)執(zhí)行完成后，天伺饋分系統(tǒng)生成天線的接收質(zhì)量報告(ACU鎖定、失鎖時工作狀態(tài)參數(shù)信息)、信道分系統(tǒng)生成信道的接收質(zhì)量報告(跟蹤接收機、解調(diào)器的鎖定、失鎖時的狀態(tài)參數(shù)信息和解調(diào)器誤碼信息)及記錄分系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)質(zhì)量報告(原始數(shù)據(jù)載荷、模式、文件大小等參數(shù)信息)并上報至監(jiān)控管理分系統(tǒng)，監(jiān)控管理分系統(tǒng)綜合各分系統(tǒng)的質(zhì)量報告形成接收質(zhì)量分析報告上報給站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸完成后，記錄分系統(tǒng)生成傳輸完成報告并上報至監(jiān)控管理分系統(tǒng)；監(jiān)控管理分系統(tǒng)收集匯總各分系上報的執(zhí)行情況及傳輸完成報告，形成本次接收任務(wù)的完成報告，并上報給站網(wǎng)運行管理系統(tǒng)，完成接收任務(wù)的閉環(huán)。

2 關(guān)鍵點設(shè)計實現(xiàn)

2.1 高碼速率解調(diào)器的設(shè)計實現(xiàn)

高速解調(diào)譯碼器作為車載地面站的核心設(shè)備，完成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的解調(diào)、譯碼等，具備BPSK、QPSK、UQPSK、OQPSK、16APSK、8PSK、16QAM等多種解調(diào)方式[8-9]；解調(diào)器碼速率支持2 Gbps，支持符合CCSDC標(biāo)準(zhǔn)的VITERBI譯碼、R-S譯碼及LDPC譯碼。高速數(shù)字解調(diào)器采用3U VPX系統(tǒng)架構(gòu)，分為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、硬件電路子系統(tǒng)、固件子系統(tǒng)和上位機應(yīng)用軟件子系統(tǒng)4個子系統(tǒng)。其中核心的固件子系統(tǒng)是完成高速解調(diào)、譯碼、數(shù)據(jù)存儲等核心功能。主處理板采用標(biāo)準(zhǔn)的3U VPX架構(gòu)實現(xiàn)，其核心是一片Xilinx公司高性能、大容量 FPGA芯片。

目前主流衛(wèi)星為了提高頻譜利用率，普遍采用極化復(fù)用的傳輸模式，例如資源三號衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星等。雖然采用交叉極化復(fù)用技術(shù)可大幅提高傳輸系統(tǒng)的頻譜效率，但由于極化復(fù)用信道的非理想特性，兩路極化信道的交叉極化鑒別率(XPD)受天線性能和電磁波在空間的傳播因素影響，會導(dǎo)致兩路信道之間的相互干擾影響傳輸系統(tǒng)的性能，尤其是寬帶、高頻段的系統(tǒng)應(yīng)用中影響尤為明顯，這需要在解調(diào)器內(nèi)部做極化干擾消除的信號處理[5-7]。

理想的正交極化波傳輸如圖4所示，在信號傳輸過程中會遇到不利因素，造成電波的極化發(fā)生偏離，使XPD下降，這種現(xiàn)象叫做去極化效應(yīng)，去極化產(chǎn)生的因素主要包括：

1)天線的端口隔離度、天線的靜態(tài)XPD、天線XPD在工作頻段的平坦度等非理想因素；

2)雨雪大霧天氣時，雨滴和冰晶的散射；

3)晴空時，大氣層的非均勻性、地面的信號反射。

圖4 正交極化波傳輸示意圖

以上因素均可造成傳輸系統(tǒng)XPD的下降，當(dāng)采用X頻段傳輸時，XPD最低可達(dá)18 dB以下，當(dāng)采用Ka頻段傳輸時，XPD最低可達(dá)12 dB以下，尤其是進(jìn)行高速信號傳輸時，交叉極化干擾帶來嚴(yán)重的碼間串?dāng)_使信號的解調(diào)更為困難，有必要采用極化干擾消除技術(shù)降低極化干擾對接收性能的影響。因此在解調(diào)器設(shè)計時，需要特別考慮極化對消的效應(yīng)。

交叉極化信號在信道中的傳輸模型如圖5所示，發(fā)送端發(fā)送兩路信號極化波：水平極化信號SH和垂直極化信號SV，信號在信道中受到同極化方向的影響記為HH和VV，受到交叉極化方向上的影響記為HV和VH。同極化方向的影響主要包含碼間干擾(ISI)、碼元延時等，交叉極化方向的影響主要包括交叉極化干擾(XPI)，在接收端采用均衡技術(shù)可以消除碼間干擾，而XPI的消除則需要引入交叉極化干擾對消器(XPIC)。

圖5 XPI產(chǎn)生模型

SV和SH為發(fā)送信號，RV和RH為含有XPI的接收信號。CVV和CHH表示同極化信號對自身影響的信道傳輸函數(shù)，CVH和CHV表示XPI對主極化信號影響的信道傳輸函數(shù)。SV和SH經(jīng)過該信道后會疊加上和加性高斯白噪聲(AWGN)n1和n2，所以，接收端所接收的信號RV和RH可表示為：

(1)

經(jīng)天線分離出的信號RV和RH均含有XPI，此時需要引入XPIC來消除，XPIC的簡化模型如圖6所示。

圖6 XPIC的簡化模型

從圖6中可得出的輸出信號為：

(2)

(3)

從上式中可得出，如果要消除XPI，必須滿足：

(4)

令EVV=EHH=1，可有：

(5)

通常XPIC有3種實現(xiàn)方式：

1)模擬實現(xiàn)方式：該方式是在AD采樣前端的模擬信號鏈路實現(xiàn)，優(yōu)點是在數(shù)字解調(diào)前消除了極化干擾的影響，提高了解調(diào)性能，并降低了數(shù)字器件的資源使用率，缺點是實現(xiàn)難度大，性能較差。

2)符號級實現(xiàn)方式：符號級實現(xiàn)方式是在完成兩個通道的解調(diào)、碼元同步后，對兩路碼元同步輸出結(jié)果進(jìn)行極化干擾對消，優(yōu)點是性能優(yōu)異，缺點是數(shù)字器件的資源耗費巨大，只能應(yīng)用于兩路信號符號速率完全一致的場景，且必須在解調(diào)成功后才可實現(xiàn)，使用范圍受限。

3)中頻實現(xiàn)方式：中頻實現(xiàn)方式是基于兩路信號的中頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，優(yōu)點是數(shù)字器件資源耗費適中，可應(yīng)用兩路信號符號速率不一致的情況，適用范圍廣。

綜合權(quán)衡以上3種實現(xiàn)方式，在解調(diào)器設(shè)計采用中頻實現(xiàn)方式實現(xiàn)XPIC。圖7給出了一種利用中頻橫向均衡器的自適應(yīng)交叉極化干擾抵消器的結(jié)構(gòu)，它利用橫向濾波器的頻率特性變換作用來進(jìn)行交叉極化干擾抵消，H方向極化波的接收信號s(t)通過中頻橫向濾波器后，形成具有與干擾波相同頻率特性的補償信號s′(t)。主信號為混有干擾波的主極化(V極化)接收信號，在減法器，主信號減去s′(t)，從而消除H方向?qū)方向的極化干擾，由于這種干擾抵消電路位于解調(diào)之前，因此對解調(diào)的載波提取有利。

中頻橫向濾波器的抽頭系數(shù)c、d的更新采用LMS算法，由圖7所示，中頻橫向均衡把基帶均衡器網(wǎng)絡(luò)改在中頻實現(xiàn)，但只用了一條延時單元，相應(yīng)的抽頭系數(shù)運算量減少了一半，占用資源更少。

圖7 中頻XPIC工作原理

令輸入的信號為：

s(t)=Re{u(t)e-jwot}

(6)

其中:u(t)為信號的副包絡(luò)，wo為載波的角頻率。延時單元的抽頭信號經(jīng)cm(m=-N～N)加權(quán)并相加后，得到圖5中下方支路的信號：

(7)

延時單元的抽頭信號經(jīng)dm(m=-N～N)加權(quán)并相加后，再經(jīng)過90°相移得到上方支路的信號:

(8)

將s1(t)和s2(t)相加，并根據(jù)woT=2nπ，有：

S(t)=s1(t)+s2(t)=

(9)

u(t-mT)可以寫成：

u(t-mT)=δ(t-mT)?u(t)

(10)

其中：?表示卷積，因此可得：

Re{h(t)?u(t)e-jw0t}

(11)

圖8(a)、(b)分別為XPD為10 dB時，通道1為300 Mbps、QPSK信號，通道2為450 Mbps、SQPSK信號時XPIC之前的星座圖，圖8(c)、(d)為XPIC之后的星座圖。

圖8 不同碼速率信號的XPIC解調(diào)前后星座圖

圖9為XPD為12 dB時，兩通道為600 Mbps、8 PSK信號時，通道2的XPIC之前與XPIC之后的星座圖。

圖9 600 Mbps、8PSK信號的XPIC前后星座圖

圖10為XPD為12 dB時，兩通道為800 Mbps、16QAM信號時，通道2的XPIC之前與XPIC之后的星座圖。

通過以上分析和實際測試表明，從300 Mbps的碼速率到800 Mbps的碼速率解調(diào)，經(jīng)過XPIC之后的解調(diào)，系統(tǒng)解調(diào)效能有明顯改善，性能優(yōu)于10 dB以上。

2.2 光傳輸設(shè)計

車載地面站有天線車和方艙車組成，天線車和方艙車之間大量的信號交換，保障信號的穩(wěn)定傳輸，又滿足快捷展收的需求，信號的傳輸采用光鏈路進(jìn)行。高速射頻信號采用外部強度調(diào)制和強度探測解調(diào)方式進(jìn)行設(shè)計，完全可以滿足帶寬要求[11-14]。天線拖車與設(shè)備方艙傳輸?shù)男盘栴愋腿绫?所示[15]。

工程部署時敷設(shè)兩根光纜用于信號傳輸，方便快捷。傳輸?shù)纳漕l信號5路，移相及監(jiān)控信號3路，共8路，本方案選用10芯野戰(zhàn)光纖，另外2路用于備份。天線及極化控制信號共16路光纖，采用20芯野戰(zhàn)光纖，四路用于備份。天線及極化控制信號共16路光纖，同樣采用20芯野戰(zhàn)光纖，四路用于備份。

表2 光信號列表

3 工程應(yīng)用情況

目前該車載遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)已經(jīng)交付用戶執(zhí)行任務(wù)三年多，長期進(jìn)行陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)任務(wù)的接收和高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收，長期穩(wěn)定運行，有力保障了遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的長期業(yè)務(wù)運行。實時接收資源三號衛(wèi)星的解調(diào)器界面如圖11所示，接收到的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)如圖12所示。通過實際接收衛(wèi)星，衛(wèi)星的鏈路余量約為8 dB(晴天無雨)，與星地鏈路計算基本一致，驗證了設(shè)計與實際接收情況的一致性，并且通過專用軟件對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計，誤碼率優(yōu)于10-9量級，也滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖11 解調(diào)器接收解調(diào)實際衛(wèi)星圖示意圖

圖12 衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文主要針對低軌遙感衛(wèi)星和靜止軌道遙感衛(wèi)星的接收需求，通過分析計算星地鏈路，對車載遙感接收系統(tǒng)的組成、原理、工作流程做了簡單的介紹，同時對高碼速率解調(diào)器譯碼器和光傳輸設(shè)計進(jìn)行了深入的設(shè)計分析。實際測試表明，該系統(tǒng)可滿足低軌遙感衛(wèi)星和靜止軌道遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的功能需求，并且滿足設(shè)計指標(biāo)，驗證了技術(shù)的可行性和工程的可實現(xiàn)性，可廣泛用于多種模式的遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)。