雙圓極化頻率復用數傳鏈路極化損耗影響分析

張莎莎 劉希剛 黃縉

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

近年來，遙感衛星星載遙感器由單一遙感器向多遙感器發展。同時，隨著星載遙感器的地面像元分辨率、量化位數的不斷提高，遙感衛星觀測數據量也有了極大的提升，數據傳輸通道的傳輸能力不足，而造成星地數據傳輸頻帶資源緊張。

為滿足遙感衛星對數據傳輸系統能力需求的迅速增加，一方面須不斷拓展新的工作頻段，目前已考慮由傳統的X 頻段拓展到Ka頻段；另一方面可引入雙極化頻率復用（簡稱極化復用）技術，即利用不同極化的正交特性，將2路不同數據在同一頻域、同一時域利用極化特性分隔開來，從而將有限射頻帶寬的通信容量增加一倍，這對緩解日趨緊張的頻譜資源有重要的意義［1-2］。目前，雙圓極化頻率復用技術已成功應用于我國低軌遙感衛星，通過該技術可同時向地面站發送兩路碼速率為450 Mbit／s的X頻段數傳信號，極大地提高了數據傳輸的效率，使我國遙感衛星數傳技術達到了世界先進水平。該技術在目前我國在研的多顆遙感衛星中也都得到了應用。

本文首先簡要介紹遙感衛星雙圓極化復用數傳技術的原理，然后通過對數傳鏈路的分析提出一種極化損耗的計算方法，并研究極化損耗對鏈路性能的影響，以為數傳鏈路的設計提供參考。

2 雙圓極化頻率復用技術的基本原理

2．1 雙圓極化頻率復用的概念

雙圓極化頻率復用是指在同一頻點利用左旋和右旋圓極化相互正交的特性，將兩個通道的信號分別利用兩種圓極化方式進行傳輸。由于實際工程中的圓極化信號均為橢圓極化，因此兩種交叉極化波之間無法做到完全正交。評價交叉極化水平的指標通常用交叉極化隔離度（ⅠXP）或交叉極化鑒別率（DXP）來表示。在數據傳輸過程中，假設入射波能量為E1，經過數據傳輸系統后，會產生兩個分量：一個是同極化分量，能量為E11；另一個為交叉極化分量，能量為E12。交叉極化鑒別率（DXP）定義為：

式中：DXP的單位為dB；b1為極化波的能量反旋系數。當有兩個正交的極化波時，設進入系統前能量分別為E1和E2，在經過系統后，這兩個電磁波都會產生同極化和交叉極化分量。交叉極化隔離度（ⅠXP）的定義為，接收的同極化波的能量與接收的交叉極化的能量之比，即

式中：ⅠXP的單位為dB；E11為接收端接收到的E1極化波的同極化分量；E21為接收到的E2極化波的交叉極化分量。當兩個發射信號的幅值相等、發射端與接收端特性相同且經歷同樣的路徑時，可認為ⅠXP和DXP的值相等。DXP和ⅠXP的定義適用于所有正交極化信號傳輸系統。

2．2 交叉極化干擾的產生

在雙圓極化復用星地數傳鏈路中，由于發射及接收端極化的非圓性，以及傳輸途徑中各種介質存在著去極化效應（例如雨滴），會產生不同程度的交叉極化分量，以上這些因素就會造成一種極化波的一部分能量轉換為與之正交的極化狀態，造成兩個正交極化通道之間的干擾，這種現象稱為交叉極化干擾［3-5］。即交叉極化引入的干擾通常可劃分為3個環節［2］：

（1）數傳系統發射端引入的交叉極化干擾；

（2）數據傳輸路徑中，由于電離層、大氣等傳輸介質的去極化效應引入的交叉極化干擾；

（3）數傳系統接收端引入的交叉極化干擾。

交叉極化干擾可通過交叉極化損耗來衡量。

3 雙圓極化頻率復用數傳鏈路的極化損耗

3．1 信號傳輸過程分析

在遙感衛星雙圓極化復用數據傳輸系統中，通常兩路數傳通道發射信號的能量相等、信號傳播經歷的路徑相同、且接收端的特性也相同，可認為該系統的雙極化過程是對稱的，因此有以下假設：

發射左旋信號的功率為EL，發射右旋信號的功率為ER，且EL＝ER；發射端雙圓極化的能量反旋系數為bT，傳輸路徑的等效能量反旋系數為bL，接收端能量反旋系數為bR，于是，經發射端的發射出的主極化分量ELL＝（1-bT）EL，ERR＝（1-bT）ER；經發射端發射出的交叉極化分量ELR＝bTEL，ERL＝bTER……以此類推。考慮傳輸路徑的去極化效應后，鏈路各環節的主極化分量和交叉極化分量的功率如表1所示。

表1 雙圓極化復用數傳鏈路各環節的信號功率Table 1 Signal power at every part of dual-polarized data transmission link

以表1中的通道1信號為例，接收天線接收到的主極化信號（仍為左旋）的功率為

接收到的交叉極化信號（變成右旋）的功率為

式（3）和式（4）中忽略了二階小量。令b＝bR＋bL＋bT，可定義其為整個傳輸過程的等效能量反旋系數，則接收端主極化信號C與交叉極化信號Ⅰ的功率比可表示為

上式也可理解為整個傳輸過程的等效合成極化隔離度，即

由上式可知，只要知道了整個傳輸過程的等效能量反旋系數b，便可計算出等效合成極化隔離度。而整個傳輸過程的等效能量反旋系數b由三個因素決定，即發射端反旋系數bT、接收端反旋系數bR和傳輸路徑的反旋系數bL。其中bT和bR可通過對發射系統和接收系統的測試得到，而對bL的分析見3．2節。

3．2 信號傳輸介質的去極化效應分析

在遙感衛星星地數傳的電磁波傳播過程中，要經過電離層、大氣層。經過電離層時主要產生法拉第旋轉效應；經過大氣層時受到各種沉降粒子影響，產生去極化效應［6-8］。以電離層、晴空大氣為始終存在的因素，以降雨、降雪、沙塵暴的單一存在考慮（即不同時存在），電波穿過電離層、大氣層對X 頻段信號的典型去極化效應為3～4dB，惡劣天氣條件下，特別是特大暴雨天氣下，去極化效應非常嚴重［9］。

知道了傳輸介質的去極化效果，便可根據發射端的能量反旋系數bT計算得到傳輸介質的能量反旋系數bL。

3．3 鏈路極化損耗及其影響

通過上述分析和計算，可得到整個傳輸過程的等效能量反旋系數b。在進行雙圓極化頻率復用數傳鏈路的預算時，需對交叉極化引起的鏈路損耗進行評估。考慮交叉極化信號相對主極化信號均為噪聲（未考慮地面接收端極化補償），在接收端的信噪比為

式中：N0B為接收帶寬內的熱噪聲功率；Ⅰ為交叉極化信號功率。于是得到

定義由交叉極化引起的鏈路損耗為

式中：ⅠXP＿C為整個數傳鏈路的等效合成隔離度；L為鏈路交叉極化損耗，dB。

根據式（9），可繪制出在接收端接收到的實際信噪比隨鏈路功率（單極化模式下）和鏈路等效隔離度的變化曲線，如圖1所示；根據式（10），可繪制出極化損耗隨鏈路信噪比，單極化模式下）和鏈路等效隔離度的變化曲線，如圖2所示。

圖1 鏈路實際接收信噪比與鏈路功率及等效隔離度的變化曲線圖Fig．1 Curves of the actually received link SNR varying with link power and equivalent isolation

由圖1、圖2可得出以下結論：

（1）在鏈路功率（信噪比）一定的情況下，鏈路等效合成隔離度越大，表示兩個旋向信號的正交性越好，接收端實際接收信噪比越高，即由交叉極化引起的極化損耗就越小。

（2）在鏈路等效合成隔離度一定的情況下，隨著鏈路功率的增大，接收端的實際接收信噪比逐漸趨近于一個極限值，同時由交叉極化引起的極化損耗越大。這就說明，在鏈路等效合成隔離度一定的情況下，可以通過鏈路功率對雙圓極化帶來的鏈路損耗進行一定程度的補償，但隨著鏈路功率的增大，補償效果逐漸減弱。

圖2 極化損耗隨鏈路功率（單極化模式下信噪比）和鏈路等效隔離度的變化曲線圖Fig．2 Curves of the polarization loss varying with link power（SNR at mono-polarization mode）and equivalent isolation

4 雙圓極化頻率復用在遙感衛星數據傳輸中的應用

為了保證可靠的衛星數傳通信，國際通信衛星公司（INTELSAT）提出了嚴格的指標要求。例如對新建地球站天線要求達到電壓軸比RVA＿R≤1．06（0．5dB），相應的極化隔離度ⅠXP＿R≥30．7dB，計算可得接收端能量反旋系數bR＝0．000 9；同時要求星上天線極化隔離度達到ⅠXP＿T≥27dB，計算可得發射端能量反旋系數bT＝0．002 0。取傳輸介質去極化4dB，計算可得傳輸介質的能量反旋系數bL＝0．003 0。如此便可計算出整個傳輸過程的等效能量反旋系數b＝bR＋bL＋bT＝0．005 9，以及等效合成極化隔離度為

式中：得到的ⅠXP＿C的單位為dB。根據式（10）繪制出極化損耗隨鏈路接收信噪比（單極化模式下）的曲線，如圖3所示。

由圖3可知，此時極化損耗會隨著鏈路功率的增加而增大。因此需綜合考慮軌道高度和鏈路裕度要求等因素，設計鏈路發射功率和等效全向輻射功率（EIPR），以達到數傳鏈路的最優化設計。

圖3 極化損耗隨鏈路功率（單極化模式下）的變化曲線圖Fig．3 Curve of the polarization loss varying with link power（at mono-polarization mode）

5 結束語

根據上文中針對雙圓極化頻率復用技術在遙感衛星數據傳輸中的應用分析，可得出如下結論和建議：

（1）極化復用技術是解決遙感衛星輸出傳輸中頻帶資源緊張的一種有效手段，是未來衛星數據傳輸的一個發展趨勢。國內外均已成功地將此項技術應用于在軌運行的遙感衛星數據傳輸系統中。目前應用較廣泛的是X 頻段的雙圓極化數傳鏈路，未來還可以考慮擴展至Ka頻段的雙圓極化。

（2）采用極化復用會對數據傳輸質量帶來一定影響，主要表現在極化損耗上，在鏈路計算中需要予以考慮。根據本文提出的方法，可對各環節極化隔離度、鏈路發射功率等參數，定量估算極化復用對數據傳輸鏈路的影響。

（3）在實際的鏈路設計中，可根據不同軌道參數、不同頻點、不同地面站接收參數等信息，對鏈路的發射極化隔離度和發射ERIP 進行優化設計，達到指標體系的最優化，在確保下傳的質量時，尋求系統的最優化設計，節約系統成本。

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