基于衛(wèi)星測控鏈路的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸動態(tài)調(diào)整技術(shù)

孫 偉，邢斯瑞，易 進(jìn)，徐 婧，張士偉

(長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130000)

0 引 言

近年來，商業(yè)遙感衛(wèi)星如火如荼地發(fā)展，亞米級分辨率衛(wèi)星層出不窮，尤其是大幅寬高分辨率衛(wèi)星的出現(xiàn)，對有效載荷數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提出了更高的要求. 目前國內(nèi)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l段普遍采用X頻段，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)也多采用此頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，短期內(nèi)更換其他頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要開展大量的地面設(shè)備升級工作以及高昂的升級成本，因此，如何在節(jié)約成本的前提下，提升當(dāng)前遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳的效率成為焦點(diǎn)問題. 近年來，衛(wèi)星測控頻段從原有的S頻段逐步向X頻段過渡[1]，同時(shí)也使得測控和數(shù)據(jù)傳輸頻率相近，具備可比性. 國內(nèi)外也有類似的自適應(yīng)算法[2,3]，但是本文根據(jù)目前遙感衛(wèi)星面臨的實(shí)際情況，從成本和實(shí)用的角度出發(fā)，可以對在軌衛(wèi)星進(jìn)行直接應(yīng)用，以目前X頻段衛(wèi)星測控技術(shù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于衛(wèi)星測控的動態(tài)調(diào)整衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)傳輸速率，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率的方法.

1 數(shù)據(jù)傳輸模型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星為了保證可靠性和穩(wěn)定性，主要以固定速率傳輸為主，但是由于存在空間損耗、 雨衰以及衛(wèi)星仰角等因素，經(jīng)常會在仰角小、 降雨多時(shí)余量較小，而在仰角大、 天氣晴朗時(shí)余量較大，另外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸天線方向圖也在隨著低軌衛(wèi)星的運(yùn)行而時(shí)刻發(fā)生變化. 根據(jù)現(xiàn)有情況，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站一般具有衛(wèi)星測控能力. 衛(wèi)星測控鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，上行鏈路用于衛(wèi)星遙控指令發(fā)送，控制整個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行衛(wèi)星任務(wù)等； 下行鏈路用于衛(wèi)星遙測信息下傳. 本文以衛(wèi)星測控的上行鏈路作為參考，動態(tài)控制下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路. 因此在不改變現(xiàn)有衛(wèi)星架構(gòu)的情況下，可以利用鏈路余量的變化去適應(yīng)性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?調(diào)制方式和信道編碼等參數(shù). 整個(gè)過程如圖1 所示.

圖1 數(shù)據(jù)傳輸模型流程圖Fig.1 Flow chart of data transmission model

測控鏈路建立后，衛(wèi)星會自動根據(jù)上行信號功率電平、 現(xiàn)有數(shù)據(jù)接收站的相關(guān)信息以及衛(wèi)星目前姿態(tài)情況，實(shí)時(shí)解析出鏈路衰減. 其中數(shù)據(jù)接收站的相關(guān)信息以已知的方式提前上注到衛(wèi)星上，包括其地理位置坐標(biāo)、 數(shù)據(jù)接收站所發(fā)出的測控上行等效全向輻射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP). 衛(wèi)星目前的姿態(tài)情況通過衛(wèi)星的姿態(tài)敏感器件獲取，結(jié)合內(nèi)置的測控天線方向圖和數(shù)據(jù)傳輸天線方向圖，通過查表法確定實(shí)時(shí)的天線增益，并換算到下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路，計(jì)算出數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路的余量. 衛(wèi)星根據(jù)此余量情況自主選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式、 傳輸速率和信道編碼方式等，同時(shí)此信息會實(shí)時(shí)加載在衛(wèi)星下行遙測信號中發(fā)回衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站，接收站實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)接收的解調(diào)方式、 接收速率和信道編碼等參數(shù)配置. 數(shù)據(jù)傳輸開始后，衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測鏈路情況并改變參數(shù)配置，地面數(shù)據(jù)接收同步進(jìn)行配置，達(dá)到效率提升的效果.

2 關(guān)鍵問題分析

在討論基于衛(wèi)星測控的數(shù)據(jù)傳輸鏈路模型時(shí)，主要考慮傳輸路徑的損耗、 大氣損耗和云雨衰減、 調(diào)制方式、 信道編碼以及傳輸速率等關(guān)鍵問題.

2.1 傳輸鏈路衰減

根據(jù)目前的頻率分配情況[1]，用于衛(wèi)星測控的上行頻率在7.2 GHz左右，本文以7.2 GHz為例進(jìn)行分析； 用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦蓄l率在8.0 GHz～8.4 GHz左右，本文以8.2 GHz為例進(jìn)行分析.

低軌衛(wèi)星在整個(gè)軌道周期中與數(shù)據(jù)接收站的距離是時(shí)刻變化的，以某系列衛(wèi)星軌道高度535 km，最大仰角90°為例，根據(jù)空間衰減的計(jì)算公式

L=(4πd/λ)2,

(1)

式中：L為空間衰減值；d為空間距離；λ為電磁波波長.

根據(jù)式(1)可以分別對整個(gè)可見弧段范圍內(nèi)測控上行和數(shù)傳下行鏈路的空間衰減進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2 所示.

從圖2 中可以看出，仰角接近0°和180°時(shí)衰減值最大，仰角90°時(shí)衰減值最小，最大和最小差值接近14 dB，因此當(dāng)采用固定傳輸速率時(shí)在仰角90°時(shí)的余量較大，可以以適當(dāng)?shù)姆绞匠浞掷?

圖2 不同仰角情況下兩種頻率衰減值Fig.2 Two frequency attenuation values under differentelevation angles

另外，兩條曲線的差值表示在同一仰角下的測控鏈路和數(shù)據(jù)傳輸鏈路衰減值，可以發(fā)現(xiàn)差值為固定值，約等于1.13 dB.

2.2 大氣及云雨衰減

無線電波在通過大氣層傳輸時(shí)，會受到很多氣體水分等影響，導(dǎo)致信號損耗，包括大氣吸收(氣體效應(yīng))、 云層衰減(氣溶膠和冰粒效應(yīng))、 降雨衰減、 雨和冰晶去極化[3]等等. 本文參考文獻(xiàn)[4]數(shù)據(jù)，對測控上行鏈路和數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路兩個(gè)頻段信號在傳播過程中衰減的相對值進(jìn)行對比，表 1 對比了大氣中電子、 氧氣、 水對電磁波的吸收，表 2 對比了降雨衰減等對電磁波產(chǎn)生的損耗.

表 1 不同仰角下大氣吸收損耗值Tab.1 Atmospheric absorption attenuation at differentelevation angles

表 2 不同降雨量下?lián)p耗值Tab.2 Different rainfall attenuation values

由上述2個(gè)表格可知，在不同仰角下，測控鏈路和數(shù)據(jù)傳輸鏈路大氣吸收衰減差值小于0.4 dB，降雨衰減等差值小于0.2 dB，總的大氣及降雨等引起的衰減差值小于0.6 dB.

2.3 調(diào)制方式和傳輸速率

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸最為關(guān)心的參數(shù)是傳輸速率，決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰? 在有限帶寬下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，高階調(diào)制是較為合理的選擇，但是高階調(diào)制帶來的非線性以及接收門限的提高也成為高速率的矛盾點(diǎn). 本文以實(shí)用性為主，以實(shí)際在軌衛(wèi)星作為出發(fā)點(diǎn)，兼顧后續(xù)衛(wèi)星.

遙感衛(wèi)星通常選用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和8進(jìn)制相移鍵控(8 Phase Shift Keying，8PSK)作為數(shù)據(jù)傳輸常用的調(diào)制方式. 考慮提升數(shù)據(jù)傳輸效率，也可以考慮更高階的調(diào)制方式，建議采用正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式，以此獲得更多的鏈路余量，圖3 給出了不同調(diào)制方式下誤碼率和Eb/N0的關(guān)系.

圖3 誤碼率和Eb/N0關(guān)系圖Fig.3 Relationship between BER and Eb/N0

電子信號探測和微波成像類衛(wèi)星對誤碼率的要求一般在1×10-6左右，光學(xué)成像類衛(wèi)星一般在1×10-7左右[5],從圖中可以對應(yīng)得到每種調(diào)制方式的門限值，以此作為鏈路余量計(jì)算的依據(jù).

傳輸速率方面，由于受到信號帶寬的影響，衛(wèi)星在采用了高階調(diào)制方式的情況下單通道最高傳輸速率能夠達(dá)到900 Mbps，且向下分檔可調(diào)，以適應(yīng)不同接收能力的數(shù)據(jù)接收站需求. 后續(xù)衛(wèi)星也將逐漸采用新的高階調(diào)制方式，以提升到更高的速率.

2.4 信道編碼方式

對于低軌遙感衛(wèi)星，國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)推薦了一種低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check, LDPC)編碼方式[6-8], 即7/8碼率的LDPC(8 176,7 154)，此編碼方式具有高效率的糾錯(cuò)能力[9,10]，推薦低軌近地軌道衛(wèi)星采用此編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳，因此本文在信道編碼上均以此為例，選擇此編碼方式進(jìn)行分析，其他信道編碼方式不再討論.

為保證可靠性傳輸，數(shù)據(jù)傳輸鏈路余量一般取2 dB～3 dB的余量[11]，本文的仿真均基于3 dB左右的鏈路進(jìn)行分析.

3 模型建立

通過測控上行鏈路余量情況，實(shí)時(shí)估算數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路，需要對測控上行鏈路和數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路進(jìn)行模型分析，加以對比，得出星上配置情況.

測控上行鏈路的計(jì)算公式為

Mc(dB)=EIRPE-Lc+[G/T]c-B-

Rc-[Eb/N0]c,

(2)

式中：Mc為測控上行鏈路余量；EIRPE為地面測控站上行功率；Lc為測控上行鏈路總衰減； [G/T]c為衛(wèi)星上行測控接收性能指數(shù)G/T值，其中G為接收天線增益；T為表示接收系統(tǒng)噪聲性能的等效噪聲溫度；B為玻爾茲曼常數(shù)；Rc為測控上行鏈路的碼速率； [Eb/N0]c為上行測控接收解調(diào)門限，所有參數(shù)均以dB形式表示.

數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路的計(jì)算公式為

Ms(dB)=EIRPs-Ls+[G/T]E-B-Rs-

[Eb/N0]s，

(3)

式中：Ms為數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路余量；EIRPs為衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸下行功率；Ls為數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路總衰減； [G/T]E為地面數(shù)據(jù)接收站性能指數(shù)G/T值；B為玻爾茲曼常數(shù)；Rs為數(shù)據(jù)傳輸碼速率； [Eb/N0]s為數(shù)據(jù)傳輸下行接收解調(diào)門限，所有參數(shù)均以dB形式表示.

通過鏈路模型可知，式(2)中僅Lc未知，但可以通過實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)Mc求得，式(3)中Ls可通過上文分析，近似為

Ls=1.73+Lc.

(4)

將鏈路余量Ms取3 dB，可以求出適當(dāng)?shù)腞s和[Eb/N0]s.

4 仿真與性能評估

本文根據(jù)此方法對目前某星座在軌遙感衛(wèi)星以及改進(jìn)后的衛(wèi)星分別進(jìn)行仿真與性能評估.

4.1 目前在軌衛(wèi)星

對于目前已經(jīng)在軌的衛(wèi)星，以地面數(shù)據(jù)接收站7 m天線為例，為保證傳輸可靠性，選擇鏈路余量為3 dB，調(diào)制方式采用QPSK，碼元速率選擇600 Mbps，信道編碼選擇7/8LDPC編碼，在不同仰角傳輸時(shí)，整軌的鏈路余量情況如圖4 所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3度仰角開始接收，177°結(jié)束時(shí)，時(shí)長634 s，總數(shù)據(jù)量為380 400 Mb.

圖4 不同仰角下鏈路余量示意圖Fig.4 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

采用本文方案，根據(jù)仿真結(jié)果，可以在仰角為3°～18°，162°～177°時(shí)采用QPSK 600 Mbps，18°～162°時(shí)采用8PSK 900 Mbps，經(jīng)計(jì)算，總數(shù)據(jù)量為482 700 Mb，提高了傳輸效率約26.89%.

4.2 改進(jìn)后衛(wèi)星

后續(xù)衛(wèi)星可以適當(dāng)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加更多種調(diào)制方式和速率，從而實(shí)現(xiàn)更多分段配置數(shù)據(jù)傳輸，提高使用效率.

為保證高速率傳輸，將采用10 m天線作為數(shù)據(jù)接收站，選擇鏈路余量3 dB，調(diào)制方式選擇QPSK/8PSK/16QAM/32QAM/64QAM，碼元速率選擇600/900/1 200/1 500/1 800 Mbps，信道編碼選擇7/8LDPC編碼，在不同仰角傳輸時(shí)，整軌的鏈路余量情況如圖5 所示.

圖5 不同仰角下鏈路余量示意圖Fig.5 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，若采用傳統(tǒng)方式，QPSK 600 Mbps傳輸數(shù)據(jù)量為380 400 Mb，8PSK 900 Mbps傳輸數(shù)據(jù)量為570 600 Mb，而采用本文方法數(shù)傳數(shù)據(jù)量為755 100 Mb，分別較兩種傳統(tǒng)方式提高98.50% 和32.33%.

5 結(jié) 論

本文提出了一種切實(shí)可行的基于測控鏈路的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，當(dāng)遙感衛(wèi)星需求的數(shù)據(jù)速率高時(shí)，設(shè)計(jì)多速率，效率提升均在30%以上，可以為后續(xù)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸提供設(shè)計(jì)參考.