低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究

王中果 汪大宝

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

目前，国内遥感卫星主要采用四相相移键控（QPSK）或参差四相相移键控（SQPSK）调制方式进行星地数据传输［1］，传输频段为X 频段，传输频率范围为8025 MHz～8400 MHz［2］，带宽仅为375MHz。然而，随着遥感卫星空间分辨率的不断提高，载荷数据率相应大幅提升，有限的传输通道带宽制约着卫星效能的发挥，无法满足用户对海量遥感数据的需求，成为制约遥感卫星总体性能提升的瓶颈。目前，国际上公布的X 频段最大传输速率是“世界观测”（WorldView）系列卫星的800 Mbit／s（极化复用，单通道400 Mbit／s）［3-4］。

为解决上述难题，传统方法仍选择X 频段，采用高效利用带宽的高阶调制技术，如八相相移键控（8PSK）、十六进制正交幅度调制（16QAM）等，或采用频率极化复用技术进一步提高频带利用率。然而，由于受到卫星自身资源的限制，星上数传功率有限，导致传输速率提升空间有限。此外，随着遥感卫星数量的快速增加，不同卫星X 频段数传信号间相互干扰的可能性也逐渐增大，因此，该方法不能从根本上解决问题。考虑到除X 频段外，国际电联（ITU）还规定了另外2个频段用于对地观测遥感卫星 的 下 行 数 据 传 输，即Ka 频 段（25.5 GHz～27GHz）和Q 频段（37.5GHz～40.5GHz）［2］，其传输带宽分别为X 频段带宽的4 倍和8 倍，理论上可大幅提高通道传输速率。然而，在实际工程应用中，频段越高相关微波产品设计制造难度越大，Q 频段数传技术现阶段还难以在工程中实现。因此，综合考虑数传系统的工程实现可行性和海量数据下传需求，遥感卫星采用Ka频段进行星地数据传输，是未来发展更好的选择［5-6］。在进行遥感卫星Ka频段数传系统设计前，必须进行可行性分析，并合理选择系统参数，以实现星地数传系统的优化设计。

本文首先从链路可行性的角度进行分析，寻找出影响Ka频段星地数据传输的关键因素，并提出一种新的量化指标：传输效能因子，用于表示星地传输的综合效能；并研究了星地数据传输链路的优化配置方案，以及实现地面站的最好利用方法，通过理论分析与仿真试验，证明该方法可保证遥感数据稳定、可靠、高效率接收，可为未来Ka频段星地数据传输的工程实现提供参考。

2 星地数据传输链路分析

2.1 基本原理

在遥感卫星星地数据传输中，地面站接收系统的信噪比决定了解调信号的误码率，而误码率直接影响遥感图像质量。在进行星地数传链路总体设计时，必须综合考虑多种因素的影响，确保遥感数据的稳定、可靠接收。使用纠错编码情况时，链路计算公式为［7］

2.2 Ka频段星地传输链路分析

拟采用的Ka频段（25.5GHz～27GHz）带宽为1.5GHz，设置2 个频点（25.8GHz和26.7GHz），SQPSK 和8PSK 单 通 道 码 速 率 为800 Mbit／s 和1.2Gbit／s，并采用成型系数0.3基带成型方式，可确保两通道间信号无干扰。假定在一颗卫星与一个地面站之间建立传输链路，卫星采用高度为970km、回归周期为14天的太阳同步圆轨道，其链路分析见表1。

表1 星地传输链路分析Table 1 Analysis result of data transmission link

表1中例举的链路分析，是一个链路能否用作可靠数传的依据，其中，尤其要注意大气损耗对Ka频段的影响。由表1可知，对SQPSK和8PSK方式，5°仰角接收、在大气损耗分别为19.7dB和14.4dB时，可确保有3dB的系统余量，这时的链路是可用的。但大气损耗（尤其是雨衰）与地面站位置密切相关，从而不同地面站的链路可用率是不同的。因此，必须着重通过对大气损耗指标的分析，以确认Ka数传链路的可行性。同时，由于自由空间传输损耗与接收仰角相关，为始终保持有3dB的系统余量，可得到大气损耗允许值与接收仰角之间的关系如图1所示。由图1可知，接收仰角由5°增加至90°，大气损耗允许值增加10.2dB。

图1 大气损耗Fig.1 Atmospheric loss

2.3 大气损耗分析

大气损耗可以细分为电波穿过晴天大气层的吸收损耗，穿过对流层的雨、云等时产生的吸收或散射损耗，因大气和电离层折射率变化而产生的大气闪烁损耗等。本节根据国际电联（ITU）发布的无线电波在大气气体中的衰减标准（ITU-R P.676-9）［9］、设计地球-空间电信系统所需的传播数据和预测方法（ITU-R P.618-10）［10］和云雾引起的衰减（ITU-R P.840-5）［11］，计算大气吸收损耗、雨衰、大气闪烁及云衰。频点选择为26.25GHz（25.5GHz～27GHz中心频点）。地面站选择北京、三亚、喀什、牡丹江，在平均年份超过0.01%的时间内，其降雨量分别达到每小时50mm、125mm、12mm、50mm［12］。

对低轨遥感卫星而言，ITU 雨衰模型适用的链路可用率范围为95%～99.999%［10］。图1还给出了4个地面站在典型链路可用率（99.99%、99.9%、99%、95%）下的大气损耗情况。

不同链路可用率下各地面站的起始跟踪仰角见表2。

由表2可以看出，在既定卫星轨道前提下，链路可用率与地面站位置密切相关。例如，99.99%的链路可用率对喀什站和牡丹江站可行，但无法实现5°起全弧段跟踪；99.9%的链路可用率对三亚站不可行，对喀什站基本可实现5°起跟踪，但北京站和牡丹江站无法实现5°起全弧段跟踪；95%的链路可用率对4个地面站均可行，仅三亚站无法实现5°起全弧段跟踪。

由以上分析可以得出：对于某一地面站，链路可用率与可接收弧段是一对互相制约的因素，即高的链路可用率会导致合格的可接收弧段减少。同时，它们还与调制方式、数据传输速率等因素相关。极端情况下，链路可用率100%的可接收弧段长度为0，链路可用率为0%的可接收弧段为5°起始跟踪弧段，两者的乘积均为0，实际上链路均不可用。在系统设计时，应寻找链路可用率与可接收弧段长度之间的一个平衡点，使获取星地数据传输的最大效能。为了实现星地数传系统的最佳工作状态，必须综合考虑影响数传链路的多项互相制约的指标。

表2 起始跟踪仰角Table 2 Initial tracking elevation

3 Ka频段星地数据传输效能分析

3.1 低轨遥感卫星传输效能因子定义

与广播电视通信卫星所追求的长时间、不间断服务（即链路可用率尽量大）不同，低轨遥感卫星对地数据传输为间歇性工作方式，因此，按照通信卫星的思维方式进行低轨遥感卫星数传链路设计存在不合理之处。从前文分析可知，链路可用率由99.9%提高至99.99%，虽然仅仅增加了0.09%，但直接导致北京站和三亚站无合格的可接收弧段。

对地面站而言，本质问题是，在一个回归周期全接收弧段内可接收的总数据量越大，星地链路传输能力越强。但对每个地面站而言，由于地理位置不同会导致可用接收弧段总长度不同，因此，用平均传输码速率可更客观地表示星地传输效能。为此，定义低轨遥感卫星传输效能因子E 为

式中：AL表示链路可用率，Rg表示地面站接收比例因子，Rb表示通道总速率（Mbit／s）。其中，Rg定义为遥感卫星在一个回归周期内、某一仰角起始跟踪与5°仰角起始跟踪所对应的总跟踪弧段长度之比，用于衡量起始跟踪仰角对数传弧段的影响。

3.2 地面站接收比例因子分析

采用STK 软件，对运行于高度为970km、回归周期为14天的太阳同步圆轨道的低轨遥感卫星进行分析，得到与表2对应的地面站接收比例因子见表3。可以看出，在低仰角起始跟踪时，仰角对总接收弧段长度影响更为明显，即使增加很小的角度，也会造成接收弧段总长度的急剧减小。如图2所示，即使增加5°（即10°起跟踪），其接收弧段长度减小比例高达30%。

表3 地面站接收比例因子Table 3 Receiving ratio factor of ground station %

图2 地面站接收比例因子与起始跟踪仰角关系Fig.2 Relationship between receiving ratio factor of ground station and initial tracking elevation

3.3 Ka传输效能因子仿真分析

通道码速率与调制方式相关，因此传输效能因子也与调制方式相关。在极端情况下，链路可用率100%时，地面站接收比例因子为0，链路可用率为0%时，地面站接收比例因子也为100%，传输效能因子均为0。可见，对于某种特定的调制方式，链路可用率和地面站接收比例因子互相制约。获取优化的数传系统链路可用率，就是寻找传输效能因子最大值的过程。

为了验证本文方法的有效性，以北京站、三亚站、喀什站和牡丹江站为例，对SQPSK 和8PSK 两种调制方式下的传输效能因子进行仿真分析。仿真结果如图3所示，定量分析结果见表4。

图3 传输效能因子寻优分析Fig.3 Optimization of transmission effectiveness factor

表4 各地面站最优传输效能因子Table 4 Best transmission effectiveness factor of every ground station

由仿真结果可以得出如下结论：

（1）采用8PSK 调制方式时，获得最佳的传输效能（具体数据见表4）。

（2）降雨量最小的喀什站传输效能因子最大，降雨量最大的三亚站传输效能因子最小。但由于ITU雨衰计算模型仅适用于链路不可用率0.001%～5%，三亚站在链路可用率95%时，传输效能因子仍有增大的趋势，因此，现实中减小链路可用率可提高其传输效能。

（3）与“世界观测”（WorldView）系列卫星的800 Mbit／s传输效能（X 频段链路可用率接近于100%）相比，采用Ka频段的最大传输效能可达到X 频段的近3倍。

4 结论

本文通过对传输效能因子的寻优分析，确认了Ka频段星地数据传输的可行性，并设计了各地面站最合适链路可用率的优化配置方案，以实现星地传输链路的优化设计。

（1）低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输速率可以高达2.4Gbit／s，是X 频段速率的3倍，显著提高了数据传输速率，能够有效地解决海量遥感数据下传的问题。

（2）进行遥感卫星Ka频段星地数据传输方案设计时，针对不同地面接收站位置的环境因素，寻求数据接收站的优化配置方案。采用本文提出的方法，能够较便利地根据地面站特点综合考虑链路可用率，实现地面数据接收任务的合理规划。本文所举实例表明：内陆干旱少雨的地面站（如喀什站）能够实现99%以上的链路可用率，降雨量中等的地面站（如北京站和牡丹江站）能够实现95%以上的链路可用率，因此3站均可作为主接收站；降雨丰富的地面站（如三亚站），无法实现95%以上的链路可用率，因此适宜作为副接收站。

（References）

［1］赵宁.极化复用技术在遥感卫星数据传输中的应用［J］.航天器工程，2010，19（4）：59-66 Zhao Ning.Application of dual-polarized technology in remote sensing satellite data transmission［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（4）：59-66（in Chinese）

［2］International Telecommunications Union.Radio Regulations（2012）［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［3］陈世平.航天遥感科学技术的发展［J］.航天器工程，2009，18（2）：5-11 Chen Shiping.Development of space remote sensing science and technology［J］.Spacecraft Engineering，2009，18（2）：5-11（in Chinese）

［4］郭今昌.商用高分辨率光学遥感卫星及平台技术分析［J］.航天器工程，2009，18（2）：87-93 Guo Jinchang.Technical analysis of high resolution commercial optical remote sensing satellite［J］.Spacecraft Engineering，2009，18（2）：87-93（in Chinese）

［5］Toptsidis N，Arapoglou P D，Berttnelli M.Link adaptation for Ka-band lowearth orbit earth observation systems：a realistic performance assessment［J］.International Journal of Satellite Communication and Networking，2012，30（3）：131-146

［6］Simons R N，Wintucky E G，London D G.Demonstration of multi-Gbps data rates at Ka-band using software-defined modem and broadband high power amplifier for space communications［C］／／Microwave Symposium Digest（MTT），2011IEEE MTF-S International.New York：IEEE，2011

［7］国防科学技术工业委员会.星-地数据传输链路的计算与标定方法，GJB 5421-2005［S］.北京：国防科学技术工业委员会，2005：4-9 Commission of Science，Technology and Industry for National Defense.Methods for calculation and calibration of satellite-earth data transmission link，GJB 5421-2005［S］.Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defense，2005：4-9（in Chinese）

［8］The Consultative Committee for Space Data Systems.Low density parity check codes for use in near-earth and deep space applications，CCSDS 131.1-O-2［S］.Washington D.C.：The Consultative Committee for Space Data Systems，2007：18，34

［9］International Telecommunications Union.Attenuation by atmospheric gases，ITU-R P 676-9 ［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［10］International Telecommunications Union.Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems，ITU-R P 618-10［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2009

［11］International Telecommunications Union.Attenuation due to clouds and fog，ITU-R P 840-5［S］.Geneva，Switzerland：International Telecommunications Union，2012

［12］仇盛柏.我国分钟降雨率分布［J］.通信学报，1996，17（3）：78-83 Qiu Shengbo.The distributions of 1-min rainfall rate in China［J］.Journal of China Institute of Communications，1996，17（3）：78-83（in Chinese）