可变编码调制在遥感卫星中的应用效能研究

张莎莎，曹海翊，张新伟，姚鑫雨，郑小松，张雨

1. 中国空间技术研究院 遥感卫星总体部，北京 100094 2. 西安空间无线电技术研究所，西安 710071

在高分辨率对地观测任务中，卫星载荷将产生海量的观测数据，需要通过星-地数传链路传输回地面站。执行对地观测任务的低轨遥感卫星，大多采用太阳同步轨道，该轨道特点决定了能用于进行星-地数据传输的时间十分有限，因此，需要不断提高卫星下行数传链路的传输速率，来满足日益增长的海量载荷数据的传输需求。

目前，中国遥感卫星普遍采用X频段进行星地载荷数据传输，常用的调制方式为QPSK，调制速率约150～450 Mbit/s。为满足遥感卫星对数据传输能力的需求，卫星数传链路设计主要从两个方面进行技术改进：1)向提升传统X频段带宽利用率方向发展，如X频段双圆极化复用技术[1]，已在2012年发射的资源三号卫星上得到了在轨验证，且被后续的遥感卫星普遍采用[2]。再如采用更高阶的调制方式，同时配合LDPC等具有高编码增益的信道编码，可在带宽不变的情况下传输更高的码速率[3-4]。这些方式的优点是可以利用大量技术成熟的X频段地面站资源，仅需进行一定规模的技术改造即可，但局限之处依然在于X频段带宽十分有限。2)向新的、更高的工作频段拓展，如Ka频段，但将地面站改造成Ka波段需要投入大量的经费和时间成本[5]。综上，研究通过新型数传体制以进一步提高X频段数传链路的传输效能十分必要。

在传统低轨遥感卫星数据传输系统设计中，数据传输系统采取的是固定编码调制(constant coding modulation，CCM)体制，即为了保证链路可用度，往往按照最差的信道条件来设计系统，即在最低接收仰角的情况下，链路余量仍需要满足3 dB的要求。依此条件确定了编码调制方式、码速率等参数后，在任务过程中这些设置往往是恒定不变的。根据低轨遥感卫星的轨道特点，在卫星单次对地面站传输的过程中，地面站的接收仰角先增大再减少，当接收仰角最大时，相对于卫星初始进站时，仅空间距离损耗便可减小10 dB以上，这部分由接收仰角变化带来的系统余量在系统设计时并没有被充分利用[6-7]。可见，CCM数传方式虽然实现简单，但是在信道条件变好时，对于宝贵的链路资源便造成了浪费。

为了最大限度地适应不断变化的信道条件和信道容量，就需使信息的发送速率随信道容量的变化而变化。可变编码调制(variable coding modulation，VCM)和自适应编码调制(adaptive coding modulation，ACM)就是依托于时变信道容量的设计，即可针对时变信道实时调整信道编码调制方式[8-9]，较早应用于卫星数字电视广播领域，并写入欧洲电信标准化组织(European telecommunication standards institute，ETSI)于2005年发布的DVB-S2(Digital Video Broadcasting by satellite-2nd generation)协议中[10-12]。该协议支持的VCM模式可支持多种信道编码和调制方式间组合切换；VCM结合使用回传信道，即可实现ACM。VCM和ACM技术已广泛应用于视频广播卫星，卫星可根据不同的业务类型和用户(音频广播、SDTV、HDTV等)选择不同的调制和编码方案。

对于近地遥感卫星来说，虽然ACM体制可以更加灵活地提升传输效率，但上、下行通信链路的高时变特性以及星地之间信号传输时延之间的矛盾限制了ACM技术的实现，且星上发射机及地面站均需要进行较大规模的技术升级方能具备ACM体制所需的回传信道，因此，相比于ACM，VCM更加适用于近地遥感卫星的星地数据传输。本文重点对VCM技术在近地遥感卫星中的应用进行了研究和分析。

1 VCM方案简介

1.1 DVB-S2的VCM系统架构

如图 1所示，DVB-S2推荐的VCM系统可由一些列功能模块组成，简要描述如下：

基带帧(BBFRAME)处理模块：为输入的基带数据流提供数据接口，通过CRC编码模块进行分割、插入基带标识等操作，形成基带帧。

前向纠错帧(FECFRAME)处理模块：对基带帧数据进行加扰处理，之后再送入由外码BCH和内码LDPC编码模块级联构成的前向纠错编码系统进行编码(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种编码码率可供选择)和比特交织，形成前向纠错帧。DVB-S2系统支持两种FEC帧格式，分别为帧长64 800 bit的普通FEC帧和帧长16 200 bit的短FEC帧。

物理层帧(PLFRAME)处理模块：对前向纠错帧进行星座映射、物理成帧及加扰，形成物理层帧。DVB-S2中定义了QPSK、8PSK、16APSK和32APSK等从低到高四种调制方式，映射部分的主要功能就是把输入的前向纠错帧串行码流转换为与系统设定的调制方式相匹配的并行码流输出。

调制模块：对物理层帧进行基带滤波和正交调制，形成射频信号。DVB-S2中首先采用FFT快速傅里叶变换对映射后的I/Q两路基带窄脉冲信号进行平方根升余弦滚降滤波(滚降系数α为0.2，0.25，0.35可选)，从而实现基带成形，最终完成对信号的正交调制。

图1 基于DVB-S2的VCM系统功能模块Fig.1 VCM system function block diagram based on DVB-S2

1.2 卫星VCM数据传输系统设计及实现流程

卫星VCM数据传输系统设计的目标是：在有限的数据传输时间和信道带宽内，同时在满足传输误码率要求和链路余量要求的条件下，通过选取不同的编码调制方式进行切换使用，以获得尽可能大的信息吞吐量。实际应用中，其重点在于如何结合卫星的轨道和链路信息，选择最优的编码调制方式，并通过切换指令驱动不同方式之间的切换。

考虑到常规传输体制在一次数据传输任务过程中，系统余量的变化主要是由空间衰减(由星地距离决定)和雨衰(由地面站位置、传输仰角决定)等引起的，因此，可在卫星上配置编码调制方式选择模型，将载波频率、星上发射EIRP、指向损耗、极化损耗、地面接收G/T值、调制解调损耗等作为模型中的可预设参数，将实时的当前时刻、轨道位置、地面站位置等作为模型中的时变参数，以固定的时间步距进行星地接收仰角、星地距离、雨衰以及地面接收载噪谱密度比的计算，从而在满足误码率和链路余量的条件下，选择最优的编码调制方式，使得有效信息速率尽可能大，具体方法为：

2)对于每个时间区间，预先估算该时间区间内地面可能接收的载噪谱密度比Ci/N0。一般在工程应用中，为保证地面解调时的时钟提取和稳定解调，VCM模式下均采用固定的符号速率Rs，则有Es/N0=Ci/(N0×Rs)；

3)根据DVB-S2中推荐的编码调制方式组合及每种组合下的解调Es/N0门限理论值(加性白噪声信道，Pe=10-7)，具体如表1所示，可以得到在时间区间Ti内，同时满足“能够保证一定误码率前提下的正常解调”和“信息速率尽量高”的最优编码调制方式Mi(i=1,2,…,N)；

4)若Mi=Mi-1，则在该时间区间内维持与上一时间区间相同的编码调制方式；若Mi≠Mi-1，则在该时间区间起始处通过星载计算机发送编码调制方式切换指令至编码调制器，以完成最优编码调制方式的设置。

表1 DVB-S2中推荐的编码调制组合及其解调特性 (帧长64 800 bit的普通FEC帧，Pe=10-7)

综上，将卫星VCM数传系统的设计流程描述如图 2所示。

图 2 卫星VCM数传系统设计及实现流程Fig.2 Design and implementation flow of VCM data transmission system of satellite

2 VCM效能仿真及评估

2.1 VCM效能仿真模型

将VCM数传系统的效能定义为在相同调制符号率和数传链路条件下，系统所能传输的信息量与传统CCM数传系统相比所能提升的百分比。

2.2 VCM传输效能结果

结合卫星在轨的实际数据传输弧段，分别对卫星对单个地面站的数据传输和卫星对2个地面站的接力传输情况进行了VCM效能仿真。

(1)算例1

算例1为卫星对单个地面站的数据传输。

仿真分析所用到的卫星轨道高度为505 km，卫星发射EIRP为28 dBW，调制符号率为300兆符号/s。仿真时长为4 d，地面站选择为北京地区，4d内共传输16轨，如图 3所示，每轨传输过程中编码调制方式选择和切换的最小时间步距Δt为5 s，考虑到实际应用中档位切换过程中的延时，取链路所需保证的最小余量为4 dB。

图3 仿真弧段示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation arc segment

为与CCM传输模式进行效能对比和评估，在相同仿真参数下，将VCM体制下的传输信息量与8PSK调制，且与同样为300兆符号/s的符号速率下的CCM体制的传输信息量进行比较，得出VCM体制下的传输信息量提升百分比，具体的仿真结果如表 2所示。

从以上结果可以看出：

1)在相同的调制符号速率下，相比于CCM传输体制，在对单一地面站传输的模式下，VCM传输体制能够获得平均42.1%的效能提升。

2)一次传输弧段的总时长越长，VCM传输体制所能获得的效能越高，以表 2中的弧段4为例，最高仰角达到85.7°，近似于卫星星下点过地面站，能够获得最高56.3%的效能提升；整个传输过程中的编码调制方式切换情况如表 3所示，信道容量的变化情况如图 4所示，链路余量变化情况如图 5所示。

表2 VCM传输效能仿真结果(算例1)

表3 一次传输过程中编码调制方式切换情况 (以弧段4为例)

(2)算例2

遥感卫星实际在轨运行使用时，先后对两个地面站进行接力传输是十分常用的工作模式，这样可以有效提高传输时长，以传输更多的数据量。因此算例2主要针对卫星先后对两个地面站进行接力数据传输的模式，对VCM的传输效能进行分析。仿真分析所用到的算例仍采用与本文第2节中相同的仿真参数，仿真时长为4d，地面站选择为北京地区和三亚地区，4天内共双站接力传输10轨。

由于目前普遍采用的是点波束天线，在传输过程中，波束始终程控指向地面站。因此，在卫星先后对两个地面站进行接力传输时，需要在传输过程中进行波束指向的切换，具体切换时机的选择策略可以为：

1)优先站1传输的切换策略。即对站1完成弧段的传输后，再切换至站2传输；

2)优先站2传输的切换策略。即对站1进行传输的过程中，一旦满足对站2的5°仰角接收条件，便即刻切换至站2传输；

图4 一次传输过程中信道容量变化 (以弧段4为例)Fig.4 Change of channel capacity in one transmission (Taking arc segment 4 as an example)

图5 一次传输过程中链路余量变化 (以弧段4为例)Fig.5 Change of link margin in one transmission (Taking arc segment 4 as an example)

3)等仰角切换策略。首先对站1传输，当对站1和站2的传输仰角相当时，切换至站2传输。

在算例2的仿真中，对以上三种策略均进行了验证，并对不同策略下的传输效率进行了比较分析，具体的仿真结果如表 4所示。

从以上的结果可以看出：

1)在相同的调制符号速率下，相比于CCM传输体制，双站接力模式下VCM传输体制能够获得平均不小于53.3%的效能提升；

2)双站接力传输模式下，三种不同的地面站切换策略中，优先站1或站2的传输策略能够获得平均53.3%左右的效能提升；等仰角切换策略能够获得平均56.6%的效能提升；等仰角切换策略的传输效能略高于前两者，为推荐在轨使用最优切换策略。

表4 VCM传输效能仿真结果(算例2)

3 VCM技术在高分七号卫星中的应用

基于DVB-S2的VCM技术已应用于高分七号卫星(GF-7)的星地数据传输系统。高分七号卫星是一颗高分辨率测绘卫星，该卫星采用双线阵测绘体制，通过前、后视相机对同一地区的不同角度观测来实现1∶10000比例尺卫星测绘。考虑到星上软、硬件资源的限制，同时综合考虑星地无线信道情况，将不同仰角的雨衰简化为固定数值，仅将星地传输距离作为选择编码调制方式的依据，并选择表1中的8PSK 2/3、16APSK 2/3和16APSK 4/5三种编码调制方式进行在轨切换。

GF-7已于2019年11月3日发射入轨，结合在轨测试数据，制定编码调制方式切换策略如下：

1)S≥1 927 km(对应地面站7°接收仰角)时，采用8PSK 2/3编码调制；

2)1 927 km≤S<1 710 km(对应地面站10°接收仰角)时，采用16APSK 2/3编码调制；

3)S<1 710 km时，采用16APSK 4/5编码调制。

在该切换策略下，对GF-7 VCM实际在轨传输效能进行统计分析，得到传输效能与地面站最大仰角之间的关系曲线如图 6所示。

图 6 GF-7 VCM传输效能与 地面站最大仰角之间的关系Fig.6 The relationship between the VCM transmission efficiency of GF-7 satellite and the maximum receiving elevation of ground station

从图中数据可以看出，对于GF-7，当满足弧段最高仰角大于10°时，VCM调制模式即可获得不低于相同信道条件下的8PSK CCM调制的信息速率。随着最大仰角的增加，弧段总时长也随之增加，VCM效率也逐渐提升，最大可为800M 8PSK调制的1.25倍。

4 结束语

为了提升近地遥感卫星数据传输效能，本文将基于DVB-S2标准的VCM数据传输体制应用于近地遥感卫星，提出了VCM数据传输的系统设计方法，重点阐述了星上VCM数传系统的设计及实现流程，并通过对2个典型算例的仿真分析，证明该VCM数传系统明显提升了星地数据传输效率，且在双站传输模式下，选择两站之间等仰角点进行地面站切换，能够获得更高的传输效能，推荐卫星使用该策略。目前，采用此设计的VCM数据传输系统已在GF-7中得到了成功应用。建议后续遥感卫星在使用VCM数传体制时，还需对星载调制器进行升级和优化设计，在充分提升和利用系统软、硬件能力的同时，合理增加可切换档位数量，以获取更高的传输效率。