Dove卫星高速数传技术分析

李于衡,王学梅,孙海忠,马 也

(1. 北京宇航智科科技有限公司，北京100185；2. 北京空间信息中继传输技术研究中心，北京100094；3. 中国卫星发射测控系统部，北京 100011；4. 三亚中科遥感研究所，海南 三亚 572029)

0 引言

遥感卫星的数传系统主要工作在X频段，为实现600 Mbit/s以上高速数据传输，通常要求卫星发射的EIRP值大于20 dBW，地面接收站使用10 m以上的大口径天线。采用常规设计，微小卫星通常只能传输低速率数据。美国Planet公司的DOVE系列卫星只有5 kg重，属于纳卫星级，却可以使用4.5 m口径的地面天线，在X频段传输1.6 Gbit/s速率的数据，这个指标超过了目前大多数遥感卫星的数传能力。对它的设计思想、实现机理和实际接收效果进行深入的分析表明，Planet并没有发明什么新技术，只是创新了设计理念和充分发挥了现有的成熟技术，但收效是巨大的，它为高分辨遥感卫星提供了一种高效、实用的数传解决方案。

1 Dove卫星数传技术发展历程

Planet从2013年首发星以来，Dove系列卫星的体积和重量维持在10 cm×10 cm×30 cm和5 kg左右，信息的传输速率却从4 Mbit/s增加到1.6 Gbit/s，提升了400倍，这很大程度归功于Planet公司创立的敏捷航天方法，它是一种鼓励快速迭代的航天器开发思想，其目的是对每个航天器设计进行微小的改进，而不是在首次尝试时就详尽地完善每个航天器。这种方法的目标是通过能力的发展来持续优化航天器的结构，不断提升性能。采用敏捷航天方法，Planet已经完成了Dove卫星设计的14次迭代(Build -14)，实现了单位质量内最强的卫星平台、光学载荷和传输频谱效率。最新的Dove卫星采用1.6 GHz Quad处理器，下行速率1.8 Gbit/s、星上存贮器2 TByte、电池容量80 Whr、峰值功率50 W、像素47 000 000和幅宽35 km。

1.1 纵向比较

Planet一直致力于提升下行遥感数据的下传速率，图1给出了Planet从最初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提升过程。

图1 从Build-3到Build-14速率增长过程Fig. 1 HSD data rate improvements for various Dove build iterations

1.2 横向比较

图2显示了从2003年Cubesat标准建立以来，已发射的主要立方星数传速率变化情况，图中蓝点表示其他的立方星，可以看出大部分速率在10 Mbit/s以下，只有Corvus-BC卫星超过10 Mbit/s；绿点表示Digital Globe的WV3卫星速率，达到1.2 Gbit/s；红色表示Plane的Dove卫星速率，2013年它第一颗星发射时，速率只有4 Mbit/s，到2018年，已经实现1.7 Gbit/s的速率，超过了Digital Globe的WV3卫星，而WV3卫星是一个2 800 kg重的大卫星。

图2 全球Cubesat数传速率变化过程Fig.2 Increase trend of data rate for Cubesat

1.3 发展历程

Dove卫星高速数传技术发展进程如表1所示，第一颗Dove卫星的微带天线增益为3 dBi，发射功率为2 W，2013年4月25日英国智利奇尔伯顿天文台地面站使用6.1 m天线接收数据，速率为4 Mbit/s，创造了CubeSat数据传输速率新纪录；2017年2月发射的Flock 3p的数传系统中心频率为8 150 MHz，符号率为70 Mbaud，最高数据速率达到220 Mbit/s。2018年12月发射的flock-4系列卫星使用HSD2技术，速率达到1.6 Mbit/s，发射功率1 W，天线增益为15 dBi。

表1 鸽子卫星高速数传技术改进过程Tab.1 Summary of key HSD development milestones

DOVE卫星的天线非常有特色，DOVE卫星天线结构的变化如图3所示，其中图3(a)为早期的DOVE2卫星的天线结构，X频段增益只有3 dBi，图3(b)为Flock-3P的天线结构，X频段增益达到了15 dBi。

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

2 数据接收站

Planet建立了独立的地面系统，任务中心和数据分析中心位于美国旧金山总部，地面站位于美国肯塔基州的Morehead、加利福尼亚的Half moon bay和Palo alto，华盛顿布鲁斯特，冰岛凯夫拉维克、英国的Chilboton以及德国、新西兰和澳大利亚等，其中8个地面站工作在X波段，每个站多副接收天线，口径从4.5～7.6 m，共22副，它们的G/T值大于29 dB/K。图4为冰岛凯夫拉维克地面站4.5 m天线。

图4 冰岛凯夫拉维克4.5 m天线站Fig.4 4.5 m diameter ground station antenna at Keavik, Iceland

3 数传链路

3.1 高速下行链路

Planet为了遥感数据传输，专门设计了高速下行链路(High Speed Downlink，HSD)，图5为Planet X/S地面站系统组成框图，其中X通道用于上行指令发送。下行链路中心频率为8.2 GHz，采用DVB-S2传输协议。图6为Flock-3P卫星下行数传链路，输出功率2 W，采用12 dBi右旋圆极化天线。HSD支持网络层IPV4协议，可以使用各种通用的文件传输程序对卫星程序和修改，使用ICMP的ping服务，时间小于100 ms。但由于下上、下行链路的速率严重不对称(下行200 Mbit/s、上行250 kbit/s)，TCP协议的性能受到影响，需要使用专门的协议。多个Planet的数据包嵌入DVB-S2基带帧格式中，可以跨2个DVB-S2基带帧。尽管DVB-S2帧采用了FEC纠错编码减少了错误，Planet的数据帧还是采用了CRC校验措施。

图5 Planet X/S地面站系统组成Fig.5 High-Speed Downlink Block Diagram

图6 Flock-3P卫星下行数传链路Fig.6 Satellite high-speed downlink transmitter functional blocks

HSD的核心是使用了DVB-S2传输协议，它提供的调制方式为QPSK、8PSK、16APSK、 32APSK，编码方式从1/4到9/10 FEC，总共有28种调制和编码选项(MODCOD)，可以为载噪比变化20 dB提供不同的调制和编码选项选择， 提供的自适应调制和编码调整(Adoption of Adaptive Coding and Modulation，ACM)机制，可以根据信道质量选择合适的调制和编码方式，实现最佳速率传输。图7给出了DVB-S2协议ACM机制的应用示例，图中4个接收站分别处于不同的天气环境，晴天时站信道条件最好，使用16APSK调制和5/6FEC；雨天时站信道条件最差，使用8PSK调制和3/4FEC。Planet正是充分利用ACM技术，动态实现高速数据传输。

如图1所示，法国旅游部门自上而下分别是法国政府、旅游联盟和地区旅游局，而旅游联盟又分成各大区旅游委员会、省级旅游委员会和旅游办公室。政府主要行使监督和赋予其他相关机构权利的职能，对各地的旅游行业发展提出引导性的策略性意见；而国家旅游联盟是非政府组织，负责协助政府和执行政策，其属下的旅游办公室遍布旅游景区，可免费为游客提供旅游咨询和观光游览向导，并提供地图和旅游景点宣传手册，供游客充分了解当地特色和旅游资源[12]。

图7 DVB-S2协议ACM应用示例Fig.7 Example of ACM of DVB-S2

图8为Planet卫星和地面站之间ACM自适应调制和编码控制环路，地面站使用自适应调制和编码控制算法，以1 s的时间间隔，根据接收信号的信噪比和设计的链路余量进行比较，超过门限，发出控制指令，更新卫星的调制和编码方式，在传输符号速率为70 Mbaud，实现了不同的信息传输速率，例如使用16 APSK调制、3/4 FEC，速率可达220 Mbit/s(原始RF链路速率达到283 Mbit/s)。当接收信噪比变得很差时，使用QPSK调制和3/4 FEC，传输速率可以降得很低。图9为2017年6月13日柯阿维克地面站一次跟踪Flock 3P卫星过程中MODCOD调节示例。

图8 Dove卫星和地面站之间ACM控制环Fig.8 Adaptive coding and modulation control loop

图9 一次跟踪信道链路控制过程Fig.9 Link metrics for a Flock 3P

由图9可知，在卫星出入境时段，地面接收的导频信号较弱，对应的数据接收速率小于50 Mbit/s，随着导频信号增强，通过MODCOD控制，数据接收速率逐渐增加，信噪比超过17 dB后，速率稳定在200 Mbit/s，整个过程信道的链路余量始终大于3 dB。

3.2 高速下行链路2

高速下行链路2(HIGH SPEED DOWNLINK 2，HSD2)是Planet最新一代的紧凑型，低质量，低功耗无线电系统，采用商业货架产品，包括天线的展开结构，星上HSD2终端的体积仅为0.25 U，功耗50 W，2018年12月和2019年6月发射的22颗Flock-4系列卫星使用HSD2技术，使用4.5 m口径天线接收，速率可以达到1.6 Mbit/s，每轨接收的数据量高达80 GByte。

3.2.1 技术原理

HSD2在HSD基础上，采用频分复用和极化复用技术，采用两路极化信号同时传输(左、右旋圆极化)，每一路信道占用300 MHz带宽，输出功率1 W，天线增益15 dBi。一路信道又由3个频分的子信道组成，如图10所示，每个子信道的中心频率间隔为100 MHz，工作频率分别为8.09 GHz、 8.19 GHz 和8.29 GHz，每个子信道的符号率为76.8 Mbit/s，功率0.33 W。图11为Planet地面HSD2接收解调系统组成原理图，采用了6路子信道解调器。

图10 星上HSD2原理框图Fig.10 Block diagram of the six channel HSD2 satellite transmitter

图11 HSD2地面接收解调系统Fig.11 Block diagram of the six channel HSD2-capable ground station

HSD2采用频分复用技术，使一路极化信道的信息传输速率比HSD增加3倍，再采用2路极化复用，使总信息速率比HSD增加到6倍。HSD的信息速率为283 Mbit/s，因此，理论上HSD2信息速率就可以达到283×6=1.7 Gbit/s。

表2 鸽子卫星HSD2信道链路计算Tab.2 Simplied Link Budgets for HSD2 radio

3.2.2 应用实例

图12是2019年5月28日11:46～11:55，冰岛凯夫拉维克地面站接收Flock-4A卫星数据统计结果，Flock-4A卫星使用了HSD2系统。图12(a)为凯夫拉维克地面站天线跟踪角度变化情况，9 min跟踪时间内，最大仰角超过60°，图12(b)给出了6个信道接收信号强度变化情况，图12(c)展现了随着信道质量的变化，星上调制/编码方式自适应控制结果，其中信道1的MODCOD最大值为26、信道0和5的MODCOD最大值为21，卫星出、入境前后，6个信道都使用QPSK调制，卫星过顶前后，使用16/32 APSK调制。图12(d)展现了整个跟踪过程中的每个信道的传输速率，信道1的速率达到311 Mbit/s，而信道0和5只有248 Mbit/s。

(a) 地面站天线跟踪角度

4 结束语

Planet数传系统具有非常突出的特点，主要如下：

① 创造了敏捷航天思路，克服了传统设计状态固化的思路，通过不断技术迭代，持续提升信道传输能力，从而在卫星体积功耗没有大变化情况下，实现了数传速率从4 Mbit/s到1.6 Gbit/s的飞跃；

② 采用DVB-S2标准体制，利用其设计的28种高效调制和编码方式的动态组合，最大限度提升信道频谱利用率；

③ 采用通用货架产品(COTS)，降低成本和缩短研发进度；

④ 通过频分复用和极化复用技术，成倍地提高了数据传输速率；

⑤ 充分发挥软件无线电的作用，除了卫星天线和调制符号速率需要改变硬件外，其他都是通过软件的改进。例如，在Planet开始的3年里面，星上数传系统仅有几次的硬件改动，但有无数次的软件改进；

⑥ 利用DVB-S2协议的ACM机制，结合跟踪条件最大限度地发掘星/地收、发设备能力，在实际数据传输过程中，通过星地闭环实时自适应调整调制/编码设置，实现动态传输速率，从而达到最佳传输效率。比如在卫星进站、角度跟踪条件差的情况下，以几十兆的低速率传输，当仰角大于15°且无雨情况下，以1.6 Gbit/s速率传输。