基于卫星测控链路的卫星数据传输动态调整技术

孙 伟，邢斯瑞，易 进，徐 婧，张士伟

(长光卫星技术有限公司，吉林 长春 130000)

0 引 言

近年来，商业遥感卫星如火如荼地发展，亚米级分辨率卫星层出不穷，尤其是大幅宽高分辨率卫星的出现，对有效载荷数据传输技术提出了更高的要求. 目前国内作为数据传输的频段普遍采用X频段，地面数据接收系统也多采用此频段进行数据接收，短期内更换其他频段进行数据传输需要开展大量的地面设备升级工作以及高昂的升级成本，因此，如何在节约成本的前提下，提升当前遥感卫星数据下传的效率成为焦点问题. 近年来，卫星测控频段从原有的S频段逐步向X频段过渡[1]，同时也使得测控和数据传输频率相近，具备可比性. 国内外也有类似的自适应算法[2,3]，但是本文根据目前遥感卫星面临的实际情况，从成本和实用的角度出发，可以对在轨卫星进行直接应用，以目前X频段卫星测控技术作为基础，设计了一种基于卫星测控的动态调整卫星下行数据传输速率，提高卫星数据传输效率的方法.

1 数据传输模型设计

传统遥感卫星为了保证可靠性和稳定性，主要以固定速率传输为主，但是由于存在空间损耗、 雨衰以及卫星仰角等因素，经常会在仰角小、 降雨多时余量较小，而在仰角大、 天气晴朗时余量较大，另外卫星的数据传输天线方向图也在随着低轨卫星的运行而时刻发生变化. 根据现有情况，卫星数据接收站一般具有卫星测控能力. 卫星测控链路分为上行链路和下行链路，上行链路用于卫星遥控指令发送，控制整个卫星运行状态，执行卫星任务等； 下行链路用于卫星遥测信息下传. 本文以卫星测控的上行链路作为参考，动态控制下行数据传输链路. 因此在不改变现有卫星架构的情况下，可以利用链路余量的变化去适应性设计数据传输的速率、 调制方式和信道编码等参数. 整个过程如图1 所示.

图1 数据传输模型流程图Fig.1 Flow chart of data transmission model

测控链路建立后，卫星会自动根据上行信号功率电平、 现有数据接收站的相关信息以及卫星目前姿态情况，实时解析出链路衰减. 其中数据接收站的相关信息以已知的方式提前上注到卫星上，包括其地理位置坐标、 数据接收站所发出的测控上行等效全向辐射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP). 卫星目前的姿态情况通过卫星的姿态敏感器件获取，结合内置的测控天线方向图和数据传输天线方向图，通过查表法确定实时的天线增益，并换算到下行数据传输链路，计算出数据传输下行链路的余量. 卫星根据此余量情况自主选择适当的调制方式、 传输速率和信道编码方式等，同时此信息会实时加载在卫星下行遥测信号中发回卫星数据接收站，接收站实时调整数据接收的解调方式、 接收速率和信道编码等参数配置. 数据传输开始后，卫星实时监测链路情况并改变参数配置，地面数据接收同步进行配置，达到效率提升的效果.

2 关键问题分析

在讨论基于卫星测控的数据传输链路模型时，主要考虑传输路径的损耗、 大气损耗和云雨衰减、 调制方式、 信道编码以及传输速率等关键问题.

2.1 传输链路衰减

根据目前的频率分配情况[1]，用于卫星测控的上行频率在7.2 GHz左右，本文以7.2 GHz为例进行分析； 用于卫星数据传输的下行频率在8.0 GHz～8.4 GHz左右，本文以8.2 GHz为例进行分析.

低轨卫星在整个轨道周期中与数据接收站的距离是时刻变化的，以某系列卫星轨道高度535 km，最大仰角90°为例，根据空间衰减的计算公式

L=(4πd/λ)2,

(1)

式中：L为空间衰减值；d为空间距离；λ为电磁波波长.

根据式(1)可以分别对整个可见弧段范围内测控上行和数传下行链路的空间衰减进行统计，结果如图2 所示.

从图2 中可以看出，仰角接近0°和180°时衰减值最大，仰角90°时衰减值最小，最大和最小差值接近14 dB，因此当采用固定传输速率时在仰角90°时的余量较大，可以以适当的方式充分利用.

图2 不同仰角情况下两种频率衰减值Fig.2 Two frequency attenuation values under differentelevation angles

另外，两条曲线的差值表示在同一仰角下的测控链路和数据传输链路衰减值，可以发现差值为固定值，约等于1.13 dB.

2.2 大气及云雨衰减

无线电波在通过大气层传输时，会受到很多气体水分等影响，导致信号损耗，包括大气吸收(气体效应)、 云层衰减(气溶胶和冰粒效应)、 降雨衰减、 雨和冰晶去极化[3]等等. 本文参考文献[4]数据，对测控上行链路和数据传输下行链路两个频段信号在传播过程中衰减的相对值进行对比，表 1 对比了大气中电子、 氧气、 水对电磁波的吸收，表 2 对比了降雨衰减等对电磁波产生的损耗.

表 1 不同仰角下大气吸收损耗值Tab.1 Atmospheric absorption attenuation at differentelevation angles

表 2 不同降雨量下损耗值Tab.2 Different rainfall attenuation values

由上述2个表格可知，在不同仰角下，测控链路和数据传输链路大气吸收衰减差值小于0.4 dB，降雨衰减等差值小于0.2 dB，总的大气及降雨等引起的衰减差值小于0.6 dB.

2.3 调制方式和传输速率

卫星数据传输最为关心的参数是传输速率，决定了数据传输的能力. 在有限带宽下进行数据传输，高阶调制是较为合理的选择，但是高阶调制带来的非线性以及接收门限的提高也成为高速率的矛盾点. 本文以实用性为主，以实际在轨卫星作为出发点，兼顾后续卫星.

遥感卫星通常选用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和8进制相移键控(8 Phase Shift Keying，8PSK)作为数据传输常用的调制方式. 考虑提升数据传输效率，也可以考虑更高阶的调制方式，建议采用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式，以此获得更多的链路余量，图3 给出了不同调制方式下误码率和Eb/N0的关系.

图3 误码率和Eb/N0关系图Fig.3 Relationship between BER and Eb/N0

电子信号探测和微波成像类卫星对误码率的要求一般在1×10-6左右，光学成像类卫星一般在1×10-7左右[5],从图中可以对应得到每种调制方式的门限值，以此作为链路余量计算的依据.

传输速率方面，由于受到信号带宽的影响，卫星在采用了高阶调制方式的情况下单通道最高传输速率能够达到900 Mbps，且向下分档可调，以适应不同接收能力的数据接收站需求. 后续卫星也将逐渐采用新的高阶调制方式，以提升到更高的速率.

2.4 信道编码方式

对于低轨遥感卫星，国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)推荐了一种低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)编码方式[6-8], 即7/8码率的LDPC(8 176,7 154)，此编码方式具有高效率的纠错能力[9,10]，推荐低轨近地轨道卫星采用此编码方式进行数据下传，因此本文在信道编码上均以此为例，选择此编码方式进行分析，其他信道编码方式不再讨论.

为保证可靠性传输，数据传输链路余量一般取2 dB～3 dB的余量[11]，本文的仿真均基于3 dB左右的链路进行分析.

3 模型建立

通过测控上行链路余量情况，实时估算数据传输下行链路，需要对测控上行链路和数据传输下行链路进行模型分析，加以对比，得出星上配置情况.

测控上行链路的计算公式为

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

Rc-[Eb/N0]c,

(2)

式中：Mc为测控上行链路余量；EIRPE为地面测控站上行功率；Lc为测控上行链路总衰减； [G/T]c为卫星上行测控接收性能指数G/T值，其中G为接收天线增益；T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度；B为玻尔兹曼常数；Rc为测控上行链路的码速率； [Eb/N0]c为上行测控接收解调门限，所有参数均以dB形式表示.

数据传输下行链路的计算公式为

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

[Eb/N0]s，

(3)

式中：Ms为数据传输下行链路余量；EIRPs为卫星数据传输下行功率；Ls为数据传输下行链路总衰减； [G/T]E为地面数据接收站性能指数G/T值；B为玻尔兹曼常数；Rs为数据传输码速率； [Eb/N0]s为数据传输下行接收解调门限，所有参数均以dB形式表示.

通过链路模型可知，式(2)中仅Lc未知，但可以通过实时统计Mc求得，式(3)中Ls可通过上文分析，近似为

Ls=1.73+Lc.

(4)

将链路余量Ms取3 dB，可以求出适当的Rs和[Eb/N0]s.

4 仿真与性能评估

本文根据此方法对目前某星座在轨遥感卫星以及改进后的卫星分别进行仿真与性能评估.

4.1 目前在轨卫星

对于目前已经在轨的卫星，以地面数据接收站7 m天线为例，为保证传输可靠性，选择链路余量为3 dB，调制方式采用QPSK，码元速率选择600 Mbps，信道编码选择7/8LDPC编码，在不同仰角传输时，整轨的链路余量情况如图4 所示，经统计，3度仰角开始接收，177°结束时，时长634 s，总数据量为380 400 Mb.

图4 不同仰角下链路余量示意图Fig.4 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

采用本文方案，根据仿真结果，可以在仰角为3°～18°，162°～177°时采用QPSK 600 Mbps，18°～162°时采用8PSK 900 Mbps，经计算，总数据量为482 700 Mb，提高了传输效率约26.89%.

4.2 改进后卫星

后续卫星可以适当对卫星数据传输系统进行改造，增加更多种调制方式和速率，从而实现更多分段配置数据传输，提高使用效率.

为保证高速率传输，将采用10 m天线作为数据接收站，选择链路余量3 dB，调制方式选择QPSK/8PSK/16QAM/32QAM/64QAM，码元速率选择600/900/1 200/1 500/1 800 Mbps，信道编码选择7/8LDPC编码，在不同仰角传输时，整轨的链路余量情况如图5 所示.

图5 不同仰角下链路余量示意图Fig.5 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

经统计，若采用传统方式，QPSK 600 Mbps传输数据量为380 400 Mb，8PSK 900 Mbps传输数据量为570 600 Mb，而采用本文方法数传数据量为755 100 Mb，分别较两种传统方式提高98.50% 和32.33%.

5 结 论

本文提出了一种切实可行的基于测控链路的卫星数据传输技术，当遥感卫星需求的数据速率高时，设计多速率，效率提升均在30%以上，可以为后续遥感卫星数据传输提供设计参考.