可變編碼調(diào)制在遙感衛(wèi)星中的應(yīng)用效能研究

張莎莎，曹海翊，張新偉，姚鑫雨，鄭小松，張雨

1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094 2. 西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所，西安 710071

在高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)任務(wù)中，衛(wèi)星載荷將產(chǎn)生海量的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要通過(guò)星-地?cái)?shù)傳鏈路傳輸回地面站。執(zhí)行對(duì)地觀(guān)測(cè)任務(wù)的低軌遙感衛(wèi)星，大多采用太陽(yáng)同步軌道，該軌道特點(diǎn)決定了能用于進(jìn)行星-地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間十分有限，因此，需要不斷提高衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路的傳輸速率，來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的海量載荷數(shù)據(jù)的傳輸需求。

目前，中國(guó)遙感衛(wèi)星普遍采用X頻段進(jìn)行星地載荷數(shù)據(jù)傳輸，常用的調(diào)制方式為QPSK，調(diào)制速率約150～450 Mbit/s。為滿(mǎn)足遙感衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力的需求，衛(wèi)星數(shù)傳鏈路設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)：1)向提升傳統(tǒng)X頻段帶寬利用率方向發(fā)展，如X頻段雙圓極化復(fù)用技術(shù)[1]，已在2012年發(fā)射的資源三號(hào)衛(wèi)星上得到了在軌驗(yàn)證，且被后續(xù)的遙感衛(wèi)星普遍采用[2]。再如采用更高階的調(diào)制方式，同時(shí)配合LDPC等具有高編碼增益的信道編碼，可在帶寬不變的情況下傳輸更高的碼速率[3-4]。這些方式的優(yōu)點(diǎn)是可以利用大量技術(shù)成熟的X頻段地面站資源，僅需進(jìn)行一定規(guī)模的技術(shù)改造即可，但局限之處依然在于X頻段帶寬十分有限。2)向新的、更高的工作頻段拓展，如Ka頻段，但將地面站改造成Ka波段需要投入大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本[5]。綜上，研究通過(guò)新型數(shù)傳體制以進(jìn)一步提高X頻段數(shù)傳鏈路的傳輸效能十分必要。

在傳統(tǒng)低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采取的是固定編碼調(diào)制(constant coding modulation，CCM)體制，即為了保證鏈路可用度，往往按照最差的信道條件來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即在最低接收仰角的情況下，鏈路余量仍需要滿(mǎn)足3 dB的要求。依此條件確定了編碼調(diào)制方式、碼速率等參數(shù)后，在任務(wù)過(guò)程中這些設(shè)置往往是恒定不變的。根據(jù)低軌遙感衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)，在衛(wèi)星單次對(duì)地面站傳輸?shù)倪^(guò)程中，地面站的接收仰角先增大再減少，當(dāng)接收仰角最大時(shí)，相對(duì)于衛(wèi)星初始進(jìn)站時(shí)，僅空間距離損耗便可減小10 dB以上，這部分由接收仰角變化帶來(lái)的系統(tǒng)余量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有被充分利用[6-7]。可見(jiàn)，CCM數(shù)傳方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是在信道條件變好時(shí)，對(duì)于寶貴的鏈路資源便造成了浪費(fèi)。

為了最大限度地適應(yīng)不斷變化的信道條件和信道容量，就需使信息的發(fā)送速率隨信道容量的變化而變化?？勺兙幋a調(diào)制(variable coding modulation，VCM)和自適應(yīng)編碼調(diào)制(adaptive coding modulation，ACM)就是依托于時(shí)變信道容量的設(shè)計(jì)，即可針對(duì)時(shí)變信道實(shí)時(shí)調(diào)整信道編碼調(diào)制方式[8-9]，較早應(yīng)用于衛(wèi)星數(shù)字電視廣播領(lǐng)域，并寫(xiě)入歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織(European telecommunication standards institute，ETSI)于2005年發(fā)布的DVB-S2(Digital Video Broadcasting by satellite-2nd generation)協(xié)議中[10-12]。該協(xié)議支持的VCM模式可支持多種信道編碼和調(diào)制方式間組合切換；VCM結(jié)合使用回傳信道，即可實(shí)現(xiàn)ACM。VCM和ACM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于視頻廣播衛(wèi)星，衛(wèi)星可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型和用戶(hù)(音頻廣播、SDTV、HDTV等)選擇不同的調(diào)制和編碼方案。

對(duì)于近地遙感衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，雖然ACM體制可以更加靈活地提升傳輸效率，但上、下行通信鏈路的高時(shí)變特性以及星地之間信號(hào)傳輸時(shí)延之間的矛盾限制了ACM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，且星上發(fā)射機(jī)及地面站均需要進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)升級(jí)方能具備ACM體制所需的回傳信道，因此，相比于A(yíng)CM，VCM更加適用于近地遙感衛(wèi)星的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸。本文重點(diǎn)對(duì)VCM技術(shù)在近地遙感衛(wèi)星中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和分析。

1 VCM方案簡(jiǎn)介

1.1 DVB-S2的VCM系統(tǒng)架構(gòu)

如圖 1所示，DVB-S2推薦的VCM系統(tǒng)可由一些列功能模塊組成，簡(jiǎn)要描述如下：

基帶幀(BBFRAME)處理模塊：為輸入的基帶數(shù)據(jù)流提供數(shù)據(jù)接口，通過(guò)CRC編碼模塊進(jìn)行分割、插入基帶標(biāo)識(shí)等操作，形成基帶幀。

前向糾錯(cuò)幀(FECFRAME)處理模塊：對(duì)基帶幀數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾處理，之后再送入由外碼BCH和內(nèi)碼LDPC編碼模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成的前向糾錯(cuò)編碼系統(tǒng)進(jìn)行編碼(共有1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10共11種編碼碼率可供選擇)和比特交織，形成前向糾錯(cuò)幀。DVB-S2系統(tǒng)支持兩種FEC幀格式，分別為幀長(zhǎng)64 800 bit的普通FEC幀和幀長(zhǎng)16 200 bit的短FEC幀。

物理層幀(PLFRAME)處理模塊：對(duì)前向糾錯(cuò)幀進(jìn)行星座映射、物理成幀及加擾，形成物理層幀。DVB-S2中定義了QPSK、8PSK、16APSK和32APSK等從低到高四種調(diào)制方式，映射部分的主要功能就是把輸入的前向糾錯(cuò)幀串行碼流轉(zhuǎn)換為與系統(tǒng)設(shè)定的調(diào)制方式相匹配的并行碼流輸出。

調(diào)制模塊：對(duì)物理層幀進(jìn)行基帶濾波和正交調(diào)制，形成射頻信號(hào)。DVB-S2中首先采用FFT快速傅里葉變換對(duì)映射后的I/Q兩路基帶窄脈沖信號(hào)進(jìn)行平方根升余弦滾降濾波(滾降系數(shù)α為0.2，0.25，0.35可選)，從而實(shí)現(xiàn)基帶成形，最終完成對(duì)信號(hào)的正交調(diào)制。

圖1 基于DVB-S2的VCM系統(tǒng)功能模塊Fig.1 VCM system function block diagram based on DVB-S2

1.2 衛(wèi)星VCM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程

衛(wèi)星VCM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：在有限的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和信道帶寬內(nèi)，同時(shí)在滿(mǎn)足傳輸誤碼率要求和鏈路余量要求的條件下，通過(guò)選取不同的編碼調(diào)制方式進(jìn)行切換使用，以獲得盡可能大的信息吞吐量。實(shí)際應(yīng)用中，其重點(diǎn)在于如何結(jié)合衛(wèi)星的軌道和鏈路信息，選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制方式，并通過(guò)切換指令驅(qū)動(dòng)不同方式之間的切換。

考慮到常規(guī)傳輸體制在一次數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)過(guò)程中，系統(tǒng)余量的變化主要是由空間衰減(由星地距離決定)和雨衰(由地面站位置、傳輸仰角決定)等引起的，因此，可在衛(wèi)星上配置編碼調(diào)制方式選擇模型，將載波頻率、星上發(fā)射EIRP、指向損耗、極化損耗、地面接收G/T值、調(diào)制解調(diào)損耗等作為模型中的可預(yù)設(shè)參數(shù)，將實(shí)時(shí)的當(dāng)前時(shí)刻、軌道位置、地面站位置等作為模型中的時(shí)變參數(shù)，以固定的時(shí)間步距進(jìn)行星地接收仰角、星地距離、雨衰以及地面接收載噪譜密度比的計(jì)算，從而在滿(mǎn)足誤碼率和鏈路余量的條件下，選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制方式，使得有效信息速率盡可能大，具體方法為：

2)對(duì)于每個(gè)時(shí)間區(qū)間，預(yù)先估算該時(shí)間區(qū)間內(nèi)地面可能接收的載噪譜密度比Ci/N0。一般在工程應(yīng)用中，為保證地面解調(diào)時(shí)的時(shí)鐘提取和穩(wěn)定解調(diào)，VCM模式下均采用固定的符號(hào)速率Rs，則有Es/N0=Ci/(N0×Rs)；

3)根據(jù)DVB-S2中推薦的編碼調(diào)制方式組合及每種組合下的解調(diào)Es/N0門(mén)限理論值(加性白噪聲信道，Pe=10-7)，具體如表1所示，可以得到在時(shí)間區(qū)間Ti內(nèi)，同時(shí)滿(mǎn)足“能夠保證一定誤碼率前提下的正常解調(diào)”和“信息速率盡量高”的最優(yōu)編碼調(diào)制方式Mi(i=1,2,…,N)；

4)若Mi=Mi-1，則在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)維持與上一時(shí)間區(qū)間相同的編碼調(diào)制方式；若Mi≠M(fèi)i-1，則在該時(shí)間區(qū)間起始處通過(guò)星載計(jì)算機(jī)發(fā)送編碼調(diào)制方式切換指令至編碼調(diào)制器，以完成最優(yōu)編碼調(diào)制方式的設(shè)置。

表1 DVB-S2中推薦的編碼調(diào)制組合及其解調(diào)特性 (幀長(zhǎng)64 800 bit的普通FEC幀，Pe=10-7)

綜上，將衛(wèi)星VCM數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程描述如圖 2所示。

圖 2 衛(wèi)星VCM數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Design and implementation flow of VCM data transmission system of satellite

2 VCM效能仿真及評(píng)估

2.1 VCM效能仿真模型

將VCM數(shù)傳系統(tǒng)的效能定義為在相同調(diào)制符號(hào)率和數(shù)傳鏈路條件下，系統(tǒng)所能傳輸?shù)男畔⒘颗c傳統(tǒng)CCM數(shù)傳系統(tǒng)相比所能提升的百分比。

2.2 VCM傳輸效能結(jié)果

結(jié)合衛(wèi)星在軌的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸弧段，分別對(duì)衛(wèi)星對(duì)單個(gè)地面站的數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星對(duì)2個(gè)地面站的接力傳輸情況進(jìn)行了VCM效能仿真。

(1)算例1

算例1為衛(wèi)星對(duì)單個(gè)地面站的數(shù)據(jù)傳輸。

仿真分析所用到的衛(wèi)星軌道高度為505 km，衛(wèi)星發(fā)射EIRP為28 dBW，調(diào)制符號(hào)率為300兆符號(hào)/s。仿真時(shí)長(zhǎng)為4 d，地面站選擇為北京地區(qū)，4d內(nèi)共傳輸16軌，如圖 3所示，每軌傳輸過(guò)程中編碼調(diào)制方式選擇和切換的最小時(shí)間步距Δt為5 s，考慮到實(shí)際應(yīng)用中檔位切換過(guò)程中的延時(shí)，取鏈路所需保證的最小余量為4 dB。

圖3 仿真弧段示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation arc segment

為與CCM傳輸模式進(jìn)行效能對(duì)比和評(píng)估，在相同仿真參數(shù)下，將VCM體制下的傳輸信息量與8PSK調(diào)制，且與同樣為300兆符號(hào)/s的符號(hào)速率下的CCM體制的傳輸信息量進(jìn)行比較，得出VCM體制下的傳輸信息量提升百分比，具體的仿真結(jié)果如表 2所示。

從以上結(jié)果可以看出：

1)在相同的調(diào)制符號(hào)速率下，相比于CCM傳輸體制，在對(duì)單一地面站傳輸?shù)哪Ｊ较?，VCM傳輸體制能夠獲得平均42.1%的效能提升。

2)一次傳輸弧段的總時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，VCM傳輸體制所能獲得的效能越高，以表 2中的弧段4為例，最高仰角達(dá)到85.7°，近似于衛(wèi)星星下點(diǎn)過(guò)地面站，能夠獲得最高56.3%的效能提升；整個(gè)傳輸過(guò)程中的編碼調(diào)制方式切換情況如表 3所示，信道容量的變化情況如圖 4所示，鏈路余量變化情況如圖 5所示。

表2 VCM傳輸效能仿真結(jié)果(算例1)

表3 一次傳輸過(guò)程中編碼調(diào)制方式切換情況 (以弧段4為例)

(2)算例2

遙感衛(wèi)星實(shí)際在軌運(yùn)行使用時(shí)，先后對(duì)兩個(gè)地面站進(jìn)行接力傳輸是十分常用的工作模式，這樣可以有效提高傳輸時(shí)長(zhǎng)，以傳輸更多的數(shù)據(jù)量。因此算例2主要針對(duì)衛(wèi)星先后對(duì)兩個(gè)地面站進(jìn)行接力數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，?duì)VCM的傳輸效能進(jìn)行分析。仿真分析所用到的算例仍采用與本文第2節(jié)中相同的仿真參數(shù)，仿真時(shí)長(zhǎng)為4d，地面站選擇為北京地區(qū)和三亞地區(qū)，4天內(nèi)共雙站接力傳輸10軌。

由于目前普遍采用的是點(diǎn)波束天線(xiàn)，在傳輸過(guò)程中，波束始終程控指向地面站。因此，在衛(wèi)星先后對(duì)兩個(gè)地面站進(jìn)行接力傳輸時(shí)，需要在傳輸過(guò)程中進(jìn)行波束指向的切換，具體切換時(shí)機(jī)的選擇策略可以為：

1)優(yōu)先站1傳輸?shù)那袚Q策略。即對(duì)站1完成弧段的傳輸后，再切換至站2傳輸；

2)優(yōu)先站2傳輸?shù)那袚Q策略。即對(duì)站1進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中，一旦滿(mǎn)足對(duì)站2的5°仰角接收條件，便即刻切換至站2傳輸；

圖4 一次傳輸過(guò)程中信道容量變化 (以弧段4為例)Fig.4 Change of channel capacity in one transmission (Taking arc segment 4 as an example)

圖5 一次傳輸過(guò)程中鏈路余量變化 (以弧段4為例)Fig.5 Change of link margin in one transmission (Taking arc segment 4 as an example)

3)等仰角切換策略。首先對(duì)站1傳輸，當(dāng)對(duì)站1和站2的傳輸仰角相當(dāng)時(shí)，切換至站2傳輸。

在算例2的仿真中，對(duì)以上三種策略均進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)不同策略下的傳輸效率進(jìn)行了比較分析，具體的仿真結(jié)果如表 4所示。

從以上的結(jié)果可以看出：

1)在相同的調(diào)制符號(hào)速率下，相比于CCM傳輸體制，雙站接力模式下VCM傳輸體制能夠獲得平均不小于53.3%的效能提升；

2)雙站接力傳輸模式下，三種不同的地面站切換策略中，優(yōu)先站1或站2的傳輸策略能夠獲得平均53.3%左右的效能提升；等仰角切換策略能夠獲得平均56.6%的效能提升；等仰角切換策略的傳輸效能略高于前兩者，為推薦在軌使用最優(yōu)切換策略。

表4 VCM傳輸效能仿真結(jié)果(算例2)

3 VCM技術(shù)在高分七號(hào)衛(wèi)星中的應(yīng)用

基于DVB-S2的VCM技術(shù)已應(yīng)用于高分七號(hào)衛(wèi)星(GF-7)的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。高分七號(hào)衛(wèi)星是一顆高分辨率測(cè)繪衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用雙線(xiàn)陣測(cè)繪體制，通過(guò)前、后視相機(jī)對(duì)同一地區(qū)的不同角度觀(guān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)1∶10000比例尺衛(wèi)星測(cè)繪?？紤]到星上軟、硬件資源的限制，同時(shí)綜合考慮星地?zé)o線(xiàn)信道情況，將不同仰角的雨衰簡(jiǎn)化為固定數(shù)值，僅將星地傳輸距離作為選擇編碼調(diào)制方式的依據(jù)，并選擇表1中的8PSK 2/3、16APSK 2/3和16APSK 4/5三種編碼調(diào)制方式進(jìn)行在軌切換。

GF-7已于2019年11月3日發(fā)射入軌，結(jié)合在軌測(cè)試數(shù)據(jù)，制定編碼調(diào)制方式切換策略如下：

1)S≥1 927 km(對(duì)應(yīng)地面站7°接收仰角)時(shí)，采用8PSK 2/3編碼調(diào)制；

2)1 927 km≤S<1 710 km(對(duì)應(yīng)地面站10°接收仰角)時(shí)，采用16APSK 2/3編碼調(diào)制；

3)S<1 710 km時(shí)，采用16APSK 4/5編碼調(diào)制。

在該切換策略下，對(duì)GF-7 VCM實(shí)際在軌傳輸效能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到傳輸效能與地面站最大仰角之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖 6所示。

圖 6 GF-7 VCM傳輸效能與 地面站最大仰角之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between the VCM transmission efficiency of GF-7 satellite and the maximum receiving elevation of ground station

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于GF-7，當(dāng)滿(mǎn)足弧段最高仰角大于10°時(shí)，VCM調(diào)制模式即可獲得不低于相同信道條件下的8PSK CCM調(diào)制的信息速率。隨著最大仰角的增加，弧段總時(shí)長(zhǎng)也隨之增加，VCM效率也逐漸提升，最大可為800M 8PSK調(diào)制的1.25倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提升近地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效能，本文將基于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的VCM數(shù)據(jù)傳輸體制應(yīng)用于近地遙感衛(wèi)星，提出了VCM數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)闡述了星上VCM數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程，并通過(guò)對(duì)2個(gè)典型算例的仿真分析，證明該VCM數(shù)傳系統(tǒng)明顯提升了星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效率，且在雙站傳輸模式下，選擇兩站之間等仰角點(diǎn)進(jìn)行地面站切換，能夠獲得更高的傳輸效能，推薦衛(wèi)星使用該策略。目前，采用此設(shè)計(jì)的VCM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已在GF-7中得到了成功應(yīng)用。建議后續(xù)遙感衛(wèi)星在使用VCM數(shù)傳體制時(shí)，還需對(duì)星載調(diào)制器進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在充分提升和利用系統(tǒng)軟、硬件能力的同時(shí)，合理增加可切換檔位數(shù)量，以獲取更高的傳輸效率。