对遥感卫星数据传输技术发展的探讨

周杨

（大庆钻探工程公司地质录井一公司，黑龙江 大庆 163411）

当前空间技术高速发展，各个国家对观测卫星系统的发展都给予了高度的重视，如遥感卫星、侦察卫星等。它们在国家经济、国家防御以及军事应用等方面都有着大量的应用价值。对地观测系统能够采用多种探测方法实现对地面物体和环境信息的获取，然后利用星载高速数据传输系统将信息传回地面。当前遥感卫星所能收集的信息远多于数据传输系统所能达到的传输能力，遥感信息跟数据传输系统传输能力之间的矛盾严重影响了科技的发展，数字技术和超大规模数字集成电路的发展，为新型传输技术的发展提供了基础。因此，需要研发新的高速数据传输技术，不断提升各个子系统的能力，促进数据传输能力的提升。

1 数据传输系统的构成

遥感卫星从整体上可以分为数据发送装置、传输信道和数据接收设备三个部分，系统的主要功能是将传感器获取的有效信息依据用户需求进行高精度和速度的传送，利用数据通信的通道传输到地面接受设备，进行数据转换城管委二进制的比特流序列。针对数据传输系统的指标体系能够将技术指标分为三个部分，分别是综合指标、发送端指标和接收端指标。其中，综合指标主要涉及传输速度、误码率和数据压缩比例。发送端指标主要有信道编码、调制方法、加密方法等，接收端指标主要包括解密方法、解调方法、信道译码以及去压缩等。在该指标体系中，最重要的指标是传输速率，其代表了数据传输系统的技术能力，也与其他指标存在紧密的关联。

2 发展需求分析

2.1 码速率

当前，世界各个国家使用的遥感卫星有十几种，具有不同的功能和用途，空间分辨率多种多样，遥感卫星的平台和传感器类型更加多样化，军用光学遥感影像的空间分辨率已经跟衍射极限较为接近，像元的分辨率已经达到了0.1～0.15m,民用遥感影像的分辨率也达到了0.6m，光谱分辨率都达到了纳米级别，波段不断增加至数百个。高光谱遥感技术充分利用其优势经过二十几年的发展，分辨率已经从原来的公里级提升到米级。同时，商业化的市场需求也对遥感卫星分辨率的提升产生了刺激，要求其观测宽带不断扩大。

这些因素都对遥感卫星数据粗函数的码率提出了新的要求，从原来的几MBPS发展到目前的上百MBPS，许多国家已经达到了320mbps，并且还在还在不断提升。

2.2 误码率

误码率指的是数据传输过程中接收的错误码元在总码元数中的比重，根据应用系统对卫星遥感信息解码编译的质量需求来说，以后对遥感卫星数据传输的误码率要求不会产生新的变化，通常电子信号探测类的误码率要求都是1×10-6，光学成像类卫星的误码率要求在1×10-7上下。

2.3 数据压缩

通常遥感卫星都具备高的光谱分辨率和高空间分辨率，会获取大量的初始数据，为了缓解数据传输的压力，在充分保证遥感器输出效率的同时，降低数据传输速率的唯一手段是在保证数据真实性的前提下对传感器获取到的信息进行压缩，不仅可以降低下传数据率，还可以保证解压缩后图像的质量。

3 数据传输技术的发展

数据传输的任务是将卫星获取的原始或者压缩处理后的数据在依据给定误码率的基础上传输到地面接收设备。码率较高的数据传输需要的带宽也较大，而且需要大的发射功率和损耗。在高速数据传输条件下，尽量减少传输带宽，降低卫星上的EIRP值，减少损耗是数据传输技术未来的发展方向。

3.1 传输频段

卫星到地的传输速率跟传输频段的选取存在直接关系，频段的选择不但要满足数据码率的传输需求，还要严格遵循国际电联就频段选择划分提出的相关该规定。高码速率的数据传输肯定需要更大的传输带宽，随着速率的不断提升，当前普遍使用的X频段依然无法满足未来发展的需求。从技术发展的趋势和未来的需求来看，将来选择Ka频段是必然的趋势，首先，Ka频段是国际电联提出的天对地的传输频段。其次，该频段的带宽较大，范围是37.5～40.5GHz，通常所用的3GHz，是X频段的8倍，能够满足未来大的传输带宽的需求。此外，未来也会利用激光作为载波开展空间数据的传输。然而，两种传输方式在传输过程中会出现大量的损耗，并且容易受到天气的影响，需要相关研究人员增加研发力度，使各类器件元件不断成熟，同时，还要加强对KA频段接受设备的研发。

3.2 调制解调

调制解调是遥感卫星数据传输系统最关键的技术，调制的目的是为了使得信号的特性与信号的要求向匹配，调制方法的选取通常取决于信道的特性。调制方法明确后，解调方法也就明确，所以调制是关键内容。

因为遥感卫星所采用的空间对地传输信道属于恒定参数信道，其主要的干扰因素是加性白噪声，为了获取更好的接受性能，选取PSK调制方式最为恰当，其不但能够充分利用载波带宽，还具备很好的抗干扰性能，带外具备很大的能量。并且卫星上的调制和地面接收装置的解调设计复杂度较低，硬件实现简单，技术较为成熟，所以PSK技术在卫星传输系统中获得了大量的使用。

从未来的发展需求来看，需要对调制解调方式进行调整，比如，利用X频段、QPSK调制解调方式开展传输，可以满足速度小于300mbps的数据传输需求，假如需要超过600mbps，上述两种手段受限于带宽和功率，则无法实现传输目的，需要利用KA或者更高频段，然而，需要克服大气损耗以及雨衰等方面的问题，需要采取新的调制解调方式。

3.3 差错控制

以后的遥感卫星将会大量使用差错控股之技术，以提升数据传输系统的抗干扰性和可靠性，在传输功率受到限制的条件下实现数据传输容量的提升。差错控制技术因为在信号中增加了冗余度而传输信号的码速率提升，使得传输带宽增加，为了避免频率资源的浪费，当前在传输码率有限的条件下，遥感卫星较少使用信道编码开展差错控制，然而，随着传输码速率提升，为了降低误码率，需要增加信道编码。我国立项的遥感卫星通常采用RS码，该种编码方式较为成熟，译码和硬件实现难度较低。卷积编码技术虽然编码简单然而译码难度和电路复杂程度较高，然而，可以获取较高的编码增益，VITERBI译码方式在国外遥感卫星获得大量使用，然而，在我国还没有工程应用。未来信源、信道联合编码技术、TCM技术等在未来高分辨率的传输型遥感卫星的发展中都有着极高的应用价值。

3.4 高增益天线

当前，我国进行数据传输通常是加大发射功率，提高星上数据传输EIRP值来保证传输质量，然而，受限于能源和期间，再增加发射功率难度较高。未来需要研发高增益相控阵天线技术，改变天线的工作状态，利用高增益天线使能量集中的有点，实现EIRP值的增加，提高数据传送的质量。利用点波束天线不但可以节省功率，而且控制起来较为容易，还能提升遥感卫星的安全性，具有很大的应用价值。

3.5 数据压缩技术

我国当前的遥感卫星多采用2:1的数据压缩，具有较好的效果，然而，从未来的需求来看，高光谱成像仪、SAR遥感器以及高分辨率光学设备的应用以及遥感卫星功能的增加，这一数据压缩的比例肯定无法满足未来发展的需求。未来遥感卫星图像压缩的比例应当在16:1，SAR图像数据的压缩应当达到2:1或者4:1。为了适应各类卫星提出的要求，数据压缩比应当可以进行控制，对于热点区域可以选取较小的压缩比，对于背景区域可以采用较大的压缩比。未来的技术发展方向主要有三点，分别是可将光大于8:1的高保真遥感图像数据的压缩技术、SAR遥感图像压缩技术以及可以控制压缩比的数据压缩技术。

4 结语

随着科技的进步，当前卫星遥感技术在理论和技术方面都获得了飞速的发展，新型的卫星遥感设备不断出现，微波遥感和高光谱遥感技术不断成熟，应用型遥感卫星也在向着多分辨率和多遥感平台共存的方向发展，同时，也对数据传输系统提出了新的要求，未来需要在传输频段、传输体系和压缩技术等方面进行研究，促进信号传输质量和速度的提升。