Dove衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)分析

李于衡,王學梅,孫海忠,馬 也

(1. 北京宇航智科科技有限公司，北京100185；2. 北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京100094；3. 中國衛(wèi)星發(fā)射測控系統(tǒng)部，北京 100011；4. 三亞中科遙感研究所，海南 三亞 572029)

0 引言

遙感衛(wèi)星的數(shù)傳系統(tǒng)主要工作在X頻段，為實現(xiàn)600 Mbit/s以上高速數(shù)據(jù)傳輸，通常要求衛(wèi)星發(fā)射的EIRP值大于20 dBW，地面接收站使用10 m以上的大口徑天線。采用常規(guī)設(shè)計，微小衛(wèi)星通常只能傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)。美國Planet公司的DOVE系列衛(wèi)星只有5 kg重，屬于納衛(wèi)星級，卻可以使用4.5 m口徑的地面天線，在X頻段傳輸1.6 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)，這個指標超過了目前大多數(shù)遙感衛(wèi)星的數(shù)傳能力。對它的設(shè)計思想、實現(xiàn)機理和實際接收效果進行深入的分析表明，Planet并沒有發(fā)明什么新技術(shù)，只是創(chuàng)新了設(shè)計理念和充分發(fā)揮了現(xiàn)有的成熟技術(shù)，但收效是巨大的，它為高分辨遙感衛(wèi)星提供了一種高效、實用的數(shù)傳解決方案。

1 Dove衛(wèi)星數(shù)傳技術(shù)發(fā)展歷程

Planet從2013年首發(fā)星以來，Dove系列衛(wèi)星的體積和重量維持在10 cm×10 cm×30 cm和5 kg左右，信息的傳輸速率卻從4 Mbit/s增加到1.6 Gbit/s，提升了400倍，這很大程度歸功于Planet公司創(chuàng)立的敏捷航天方法，它是一種鼓勵快速迭代的航天器開發(fā)思想，其目的是對每個航天器設(shè)計進行微小的改進，而不是在首次嘗試時就詳盡地完善每個航天器。這種方法的目標是通過能力的發(fā)展來持續(xù)優(yōu)化航天器的結(jié)構(gòu)，不斷提升性能。采用敏捷航天方法，Planet已經(jīng)完成了Dove衛(wèi)星設(shè)計的14次迭代(Build -14)，實現(xiàn)了單位質(zhì)量內(nèi)最強的衛(wèi)星平臺、光學載荷和傳輸頻譜效率。最新的Dove衛(wèi)星采用1.6 GHz Quad處理器，下行速率1.8 Gbit/s、星上存貯器2 TByte、電池容量80 Whr、峰值功率50 W、像素47 000 000和幅寬35 km。

1.1 縱向比較

Planet一直致力于提升下行遙感數(shù)據(jù)的下傳速率，圖1給出了Planet從最初Build-3、5的小于100 kbit/s到Build-6的4 Mbit/s，到Build-12的100 Mbit/s，最后到2019年Build-14的1.6 Gbit/s提升過程。

圖1 從Build-3到Build-14速率增長過程Fig. 1 HSD data rate improvements for various Dove build iterations

1.2 橫向比較

圖2顯示了從2003年Cubesat標準建立以來，已發(fā)射的主要立方星數(shù)傳速率變化情況，圖中藍點表示其他的立方星，可以看出大部分速率在10 Mbit/s以下，只有Corvus-BC衛(wèi)星超過10 Mbit/s；綠點表示Digital Globe的WV3衛(wèi)星速率，達到1.2 Gbit/s；紅色表示Plane的Dove衛(wèi)星速率，2013年它第一顆星發(fā)射時，速率只有4 Mbit/s，到2018年，已經(jīng)實現(xiàn)1.7 Gbit/s的速率，超過了Digital Globe的WV3衛(wèi)星，而WV3衛(wèi)星是一個2 800 kg重的大衛(wèi)星。

圖2 全球Cubesat數(shù)傳速率變化過程Fig.2 Increase trend of data rate for Cubesat

1.3 發(fā)展歷程

Dove衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)發(fā)展進程如表1所示，第一顆Dove衛(wèi)星的微帶天線增益為3 dBi，發(fā)射功率為2 W，2013年4月25日英國智利奇爾伯頓天文臺地面站使用6.1 m天線接收數(shù)據(jù)，速率為4 Mbit/s，創(chuàng)造了CubeSat數(shù)據(jù)傳輸速率新紀錄；2017年2月發(fā)射的Flock 3p的數(shù)傳系統(tǒng)中心頻率為8 150 MHz，符號率為70 Mbaud，最高數(shù)據(jù)速率達到220 Mbit/s。2018年12月發(fā)射的flock-4系列衛(wèi)星使用HSD2技術(shù)，速率達到1.6 Mbit/s，發(fā)射功率1 W，天線增益為15 dBi。

表1 鴿子衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)改進過程Tab.1 Summary of key HSD development milestones

DOVE衛(wèi)星的天線非常有特色，DOVE衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)的變化如圖3所示，其中圖3(a)為早期的DOVE2衛(wèi)星的天線結(jié)構(gòu)，X頻段增益只有3 dBi，圖3(b)為Flock-3P的天線結(jié)構(gòu)，X頻段增益達到了15 dBi。

(a) Dove-2 (b) Flock-3P

2 數(shù)據(jù)接收站

Planet建立了獨立的地面系統(tǒng)，任務(wù)中心和數(shù)據(jù)分析中心位于美國舊金山總部，地面站位于美國肯塔基州的Morehead、加利福尼亞的Half moon bay和Palo alto，華盛頓布魯斯特，冰島凱夫拉維克、英國的Chilboton以及德國、新西蘭和澳大利亞等，其中8個地面站工作在X波段，每個站多副接收天線，口徑從4.5～7.6 m，共22副，它們的G/T值大于29 dB/K。圖4為冰島凱夫拉維克地面站4.5 m天線。

圖4 冰島凱夫拉維克4.5 m天線站Fig.4 4.5 m diameter ground station antenna at Keavik, Iceland

3 數(shù)傳鏈路

3.1 高速下行鏈路

Planet為了遙感數(shù)據(jù)傳輸，專門設(shè)計了高速下行鏈路(High Speed Downlink，HSD)，圖5為Planet X/S地面站系統(tǒng)組成框圖，其中X通道用于上行指令發(fā)送。下行鏈路中心頻率為8.2 GHz，采用DVB-S2傳輸協(xié)議。圖6為Flock-3P衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路，輸出功率2 W，采用12 dBi右旋圓極化天線。HSD支持網(wǎng)絡(luò)層IPV4協(xié)議，可以使用各種通用的文件傳輸程序?qū)πl(wèi)星程序和修改，使用ICMP的ping服務(wù)，時間小于100 ms。但由于下上、下行鏈路的速率嚴重不對稱(下行200 Mbit/s、上行250 kbit/s)，TCP協(xié)議的性能受到影響，需要使用專門的協(xié)議。多個Planet的數(shù)據(jù)包嵌入DVB-S2基帶幀格式中，可以跨2個DVB-S2基帶幀。盡管DVB-S2幀采用了FEC糾錯編碼減少了錯誤，Planet的數(shù)據(jù)幀還是采用了CRC校驗措施。

圖5 Planet X/S地面站系統(tǒng)組成Fig.5 High-Speed Downlink Block Diagram

圖6 Flock-3P衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路Fig.6 Satellite high-speed downlink transmitter functional blocks

HSD的核心是使用了DVB-S2傳輸協(xié)議，它提供的調(diào)制方式為QPSK、8PSK、16APSK、 32APSK，編碼方式從1/4到9/10 FEC，總共有28種調(diào)制和編碼選項(MODCOD)，可以為載噪比變化20 dB提供不同的調(diào)制和編碼選項選擇， 提供的自適應(yīng)調(diào)制和編碼調(diào)整(Adoption of Adaptive Coding and Modulation，ACM)機制，可以根據(jù)信道質(zhì)量選擇合適的調(diào)制和編碼方式，實現(xiàn)最佳速率傳輸。圖7給出了DVB-S2協(xié)議ACM機制的應(yīng)用示例，圖中4個接收站分別處于不同的天氣環(huán)境，晴天時站信道條件最好，使用16APSK調(diào)制和5/6FEC；雨天時站信道條件最差，使用8PSK調(diào)制和3/4FEC。Planet正是充分利用ACM技術(shù)，動態(tài)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

如圖1所示，法國旅游部門自上而下分別是法國政府、旅游聯(lián)盟和地區(qū)旅游局，而旅游聯(lián)盟又分成各大區(qū)旅游委員會、省級旅游委員會和旅游辦公室。政府主要行使監(jiān)督和賦予其他相關(guān)機構(gòu)權(quán)利的職能，對各地的旅游行業(yè)發(fā)展提出引導性的策略性意見；而國家旅游聯(lián)盟是非政府組織，負責協(xié)助政府和執(zhí)行政策，其屬下的旅游辦公室遍布旅游景區(qū)，可免費為游客提供旅游咨詢和觀光游覽向?qū)?，并提供地圖和旅游景點宣傳手冊，供游客充分了解當?shù)靥厣吐糜钨Y源[12]。

圖7 DVB-S2協(xié)議ACM應(yīng)用示例Fig.7 Example of ACM of DVB-S2

圖8為Planet衛(wèi)星和地面站之間ACM自適應(yīng)調(diào)制和編碼控制環(huán)路，地面站使用自適應(yīng)調(diào)制和編碼控制算法，以1 s的時間間隔，根據(jù)接收信號的信噪比和設(shè)計的鏈路余量進行比較，超過門限，發(fā)出控制指令，更新衛(wèi)星的調(diào)制和編碼方式，在傳輸符號速率為70 Mbaud，實現(xiàn)了不同的信息傳輸速率，例如使用16 APSK調(diào)制、3/4 FEC，速率可達220 Mbit/s(原始RF鏈路速率達到283 Mbit/s)。當接收信噪比變得很差時，使用QPSK調(diào)制和3/4 FEC，傳輸速率可以降得很低。圖9為2017年6月13日柯阿維克地面站一次跟蹤Flock 3P衛(wèi)星過程中MODCOD調(diào)節(jié)示例。

圖8 Dove衛(wèi)星和地面站之間ACM控制環(huán)Fig.8 Adaptive coding and modulation control loop

圖9 一次跟蹤信道鏈路控制過程Fig.9 Link metrics for a Flock 3P

由圖9可知，在衛(wèi)星出入境時段，地面接收的導頻信號較弱，對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收速率小于50 Mbit/s，隨著導頻信號增強，通過MODCOD控制，數(shù)據(jù)接收速率逐漸增加，信噪比超過17 dB后，速率穩(wěn)定在200 Mbit/s，整個過程信道的鏈路余量始終大于3 dB。

3.2 高速下行鏈路2

高速下行鏈路2(HIGH SPEED DOWNLINK 2，HSD2)是Planet最新一代的緊湊型，低質(zhì)量，低功耗無線電系統(tǒng)，采用商業(yè)貨架產(chǎn)品，包括天線的展開結(jié)構(gòu)，星上HSD2終端的體積僅為0.25 U，功耗50 W，2018年12月和2019年6月發(fā)射的22顆Flock-4系列衛(wèi)星使用HSD2技術(shù)，使用4.5 m口徑天線接收，速率可以達到1.6 Mbit/s，每軌接收的數(shù)據(jù)量高達80 GByte。

3.2.1 技術(shù)原理

HSD2在HSD基礎(chǔ)上，采用頻分復(fù)用和極化復(fù)用技術(shù)，采用兩路極化信號同時傳輸(左、右旋圓極化)，每一路信道占用300 MHz帶寬，輸出功率1 W，天線增益15 dBi。一路信道又由3個頻分的子信道組成，如圖10所示，每個子信道的中心頻率間隔為100 MHz，工作頻率分別為8.09 GHz、 8.19 GHz 和8.29 GHz，每個子信道的符號率為76.8 Mbit/s，功率0.33 W。圖11為Planet地面HSD2接收解調(diào)系統(tǒng)組成原理圖，采用了6路子信道解調(diào)器。

圖10 星上HSD2原理框圖Fig.10 Block diagram of the six channel HSD2 satellite transmitter

圖11 HSD2地面接收解調(diào)系統(tǒng)Fig.11 Block diagram of the six channel HSD2-capable ground station

HSD2采用頻分復(fù)用技術(shù)，使一路極化信道的信息傳輸速率比HSD增加3倍，再采用2路極化復(fù)用，使總信息速率比HSD增加到6倍。HSD的信息速率為283 Mbit/s，因此，理論上HSD2信息速率就可以達到283×6=1.7 Gbit/s。

表2 鴿子衛(wèi)星HSD2信道鏈路計算Tab.2 Simplied Link Budgets for HSD2 radio

3.2.2 應(yīng)用實例

圖12是2019年5月28日11:46～11:55，冰島凱夫拉維克地面站接收Flock-4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，F(xiàn)lock-4A衛(wèi)星使用了HSD2系統(tǒng)。圖12(a)為凱夫拉維克地面站天線跟蹤角度變化情況，9 min跟蹤時間內(nèi)，最大仰角超過60°，圖12(b)給出了6個信道接收信號強度變化情況，圖12(c)展現(xiàn)了隨著信道質(zhì)量的變化，星上調(diào)制/編碼方式自適應(yīng)控制結(jié)果，其中信道1的MODCOD最大值為26、信道0和5的MODCOD最大值為21，衛(wèi)星出、入境前后，6個信道都使用QPSK調(diào)制，衛(wèi)星過頂前后，使用16/32 APSK調(diào)制。圖12(d)展現(xiàn)了整個跟蹤過程中的每個信道的傳輸速率，信道1的速率達到311 Mbit/s，而信道0和5只有248 Mbit/s。

(a) 地面站天線跟蹤角度

4 結(jié)束語

Planet數(shù)傳系統(tǒng)具有非常突出的特點，主要如下：

① 創(chuàng)造了敏捷航天思路，克服了傳統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)固化的思路，通過不斷技術(shù)迭代，持續(xù)提升信道傳輸能力，從而在衛(wèi)星體積功耗沒有大變化情況下，實現(xiàn)了數(shù)傳速率從4 Mbit/s到1.6 Gbit/s的飛躍；

② 采用DVB-S2標準體制，利用其設(shè)計的28種高效調(diào)制和編碼方式的動態(tài)組合，最大限度提升信道頻譜利用率；

③ 采用通用貨架產(chǎn)品(COTS)，降低成本和縮短研發(fā)進度；

④ 通過頻分復(fù)用和極化復(fù)用技術(shù)，成倍地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率；

⑤ 充分發(fā)揮軟件無線電的作用，除了衛(wèi)星天線和調(diào)制符號速率需要改變硬件外，其他都是通過軟件的改進。例如，在Planet開始的3年里面，星上數(shù)傳系統(tǒng)僅有幾次的硬件改動，但有無數(shù)次的軟件改進；

⑥ 利用DVB-S2協(xié)議的ACM機制，結(jié)合跟蹤條件最大限度地發(fā)掘星/地收、發(fā)設(shè)備能力，在實際數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過星地閉環(huán)實時自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制/編碼設(shè)置，實現(xiàn)動態(tài)傳輸速率，從而達到最佳傳輸效率。比如在衛(wèi)星進站、角度跟蹤條件差的情況下，以幾十兆的低速率傳輸，當仰角大于15°且無雨情況下，以1.6 Gbit/s速率傳輸。