遙感衛(wèi)星星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析

王萬玉++毛偉++何元春

摘 要：隨著對地觀測技術(shù)及遙感應(yīng)用的發(fā)展，星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸瑢拵Ц咚賯鬏斠殉蔀樾堑財?shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢。文中針對高分辨率遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展需求，分析了提升遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力的技術(shù)途徑及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；星地鏈路；數(shù)據(jù)傳輸；頻譜利用率；可視時間

中圖分類號：TP39；V474 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

隨著對地觀測技術(shù)及遙感應(yīng)用需求的迅速發(fā)展，其在相同時間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，導致星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸b感信息與數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾也越來越嚴重。

解決遙感信息與星地數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾一般有兩種途徑：

（1）提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力，如采用雙圓極化頻率復(fù)用、提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（采用Ka頻段下傳數(shù)據(jù)）、提高調(diào)制解調(diào)體制效率（采用高階調(diào)制解調(diào)、高效編譯碼方式、VCM（可變編碼調(diào)制））、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)來提升星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的帶寬和頻譜利用率；

（2）增加星地間的可視時間，如在全球合理布局地面接收站點、采用高軌衛(wèi)星中繼遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高星地間高速數(shù)據(jù)長時間的傳輸能力。

本文針對高分辨率遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展需求，分析了提升遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)途徑，并給出了發(fā)展建議。

1 技術(shù)途徑及關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 雙圓極化頻率復(fù)用

利用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)可以使傳輸容量加倍，提高頻譜利用率，在頻譜資源如此緊張的今天，頻率復(fù)用（極化復(fù)用）技術(shù)是提高頻譜利用率的一種實用、經(jīng)濟的方法，在國內(nèi)外遙感衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)傳輸中也得到越來越多的應(yīng)用，如WorldView1&2、Geoeye-1、ZY-3、高分系列衛(wèi)星等。

受星、地天線極化鑒別率的影響，加之空間傳播鏈路對電磁波去極化的影響，使得星、空間傳輸鏈路、地合成的極化鑒別率下降，不可避免地會帶來一定程度的交叉極化干擾，導致系統(tǒng)性能惡化，接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

一般情況下，X波段星載天線的極化鑒別率約為27 dB，接收站天線的極化鑒別率約為30.5 dB，在各種惡劣的空間環(huán)境因素影響下，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可降低到13 dB；而Ka波段星載天線的極化鑒別率約為23 dB，接收站天線的極化鑒別率為24.5 dB，在各種惡劣的空間環(huán)境因素影響下，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可能會降低到8 dB。受交叉極化干擾的影響，系統(tǒng)性能會急劇下降。引起交叉極化干擾的原因主要有以下幾個方面：

（1）星載天線的極化鑒別率；

（2）傳輸路徑去極化效應(yīng)（降雨、降雪、冰晶、沙暴、塵暴等的影響）；

（3）接收站天線的極化鑒別率。

由此可見，星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的極化鑒別率是影響雙圓極化頻率復(fù)用的關(guān)鍵因素。實現(xiàn)雙圓極化頻率復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提高衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的極化鑒別率。因此，在衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的設(shè)計時，需對影響雙圓極化頻率復(fù)用的各種主要因數(shù)如輻射方向圖不對稱（包括反射面曲率對交叉極化的影響），天線主反射面、副反射面不對稱，喇叭輻射方向圖不對稱等產(chǎn)生的交叉極化；饋源結(jié)構(gòu)對交叉極化的影響；饋源中移相量偏差、幅度傳輸系數(shù)的偏差、圓波導橢圓度等產(chǎn)生的交叉極化；饋源中各正交模耦合器的隔離度對交叉極化的影響；天饋系統(tǒng)駐波對正交輻射場的去極化影響等進行分析、優(yōu)化設(shè)計，提高衛(wèi)星數(shù)傳和地面接收天饋系統(tǒng)的極化鑒別率。

提高天饋系統(tǒng)的隔離度會大大增加制造成本，而且由于受技術(shù)能力的限制提高幅度有限。此外，傳輸路徑去極化效應(yīng)不可避免，且其對Ka頻段的影響更嚴重。因此極化干擾消除技術(shù)是實現(xiàn)雙圓極化頻率復(fù)用的另一關(guān)鍵技術(shù)。

極化干擾消除可以在射頻、中頻或基帶進行。就目前而言，由于遙感衛(wèi)星數(shù)傳鏈路所需的頻帶寬，在射頻段實現(xiàn)極化干擾消除難度較大，大多數(shù)極化干擾消除是在中頻或者基帶進行。

中頻的極化干擾消除是中頻模擬信號經(jīng)AD采樣變成中頻數(shù)字信號，然后經(jīng)交叉極化干擾消除器，消除極化干擾得到較干凈的兩路信號，并分別送給兩個解調(diào)模塊進行解調(diào)等后續(xù)操作。

基帶的極化干擾消除是在信號經(jīng)過載波同步和碼元同步后進行的，通過對垂直和正交的兩路基帶信號進行處理得到。隨著計算機及高碼速調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展，基于全數(shù)字高碼速解調(diào)器具備了中頻直接采樣的全數(shù)字化處理技術(shù)，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸、交互的超高速器件和接口技術(shù)，強大的DSP信號處理、并行處理技術(shù)等將交叉極化干擾消除功能與解調(diào)器進行一體化設(shè)計，在基帶實現(xiàn)交叉極化干擾消除功能已成為極化干擾消除的發(fā)展趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸載波頻段

為滿足下行數(shù)傳速率的要求，可通過提高工作頻段以增加傳輸帶寬。目前對地觀測衛(wèi)星下行鏈路均為X頻段，在未來幾年內(nèi)，X頻段將會變得非常擁擠。而Ka頻段在傳輸帶寬上相對X頻段具有顯著優(yōu)勢，可達2.5 GHz以上。

目前Ka頻段主要用于天基測控及中繼衛(wèi)星，還未用于極軌衛(wèi)星星地間的數(shù)據(jù)傳輸（國內(nèi)外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收主要采用S/X頻段）。但隨著更高的對地觀測分辨率和幅寬需求，其星載傳感器載荷獲得的數(shù)據(jù)量會越來越大，星地下傳速率的增長，采用Ka頻段進行星地數(shù)據(jù)傳輸是其發(fā)展方向。未來的航天任務(wù)將由目前的S、X、Ku頻段向Ka頻段轉(zhuǎn)變。

提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（X→Ka）可極大地擴展星地數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，但Ka頻段傳輸損耗大，尤其是雨衰大、雨致去極化嚴重，將它們用于星間傳輸非常理想，但用于星地間的數(shù)據(jù)傳輸也有其不利的一面 （大/暴雨時可導致鏈路截止）。同時，由于Ka頻段波束寬度很窄，對地面接收的捕獲跟蹤、動態(tài)性能等提出了很高的技術(shù)要求。

Ka頻段抗雨衰可采用如下策略：根據(jù)接收的下行信號電平，自動檢測下行信號的衰落強度、衰落變化率等自適應(yīng)調(diào)整控制星上發(fā)射功率；通過降低信息傳輸速率，增大Eb/N0值，以提高鏈路余量；采用信道編碼方式，在保證鏈路誤碼率的條件下，通過降低門限信噪比，提高鏈路的抗雨衰能力；采用兩地面站異地互相備份的方式，通過任務(wù)規(guī)劃，當A站有強降雨時，利用B站接收。

Ka頻段衛(wèi)星波束窄、動態(tài)高，采用Ka波段對衛(wèi)星進行捕獲并轉(zhuǎn)入自跟蹤存在極大的技術(shù)難度，且采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的衛(wèi)星上一般無X下傳信號。因此，對Ka頻段的捕獲跟蹤可采用S頻段進行跟蹤后引導Ka捕獲、自動跟蹤；或采用螺旋掃描+Ka自動跟蹤的方式，實現(xiàn)窄波束高動態(tài)目標的捕獲、跟蹤。

Ka頻段跟蹤需較高的動態(tài)性能，地面接收系統(tǒng)設(shè)計時需盡可能地減小負載慣量、增大傳動鏈的剛度（尤其是輸出軸的剛度），以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率；提高伺服系統(tǒng)的采樣率，縮短采樣周期，可擴展帶寬，同時可降低輸入指令誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力；采用復(fù)合控制技術(shù)，即引入前饋補償，提高加速度誤差常數(shù)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸體制

在數(shù)據(jù)傳輸體制方面可以采取高階調(diào)制解調(diào)、高效編譯碼方式，或采用VCM（可變編碼調(diào)制）等措施。頻帶利用率如下所示：

n=Rb/B=log2M/（1+ρ）

式中，n為頻帶利用率；Rb為傳輸比特率；B為帶寬；M為調(diào)制的階數(shù)；ρ為成形濾波的滾降系數(shù)。可見，階數(shù)越高，頻帶利用率越高，在相同帶寬內(nèi)可傳輸更高的數(shù)據(jù)速率。

采取高階調(diào)制解調(diào)體制可提高有效數(shù)據(jù)速率，即在相同的帶寬內(nèi)可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。但高階調(diào)制信號的接收對信噪比、數(shù)據(jù)傳輸鏈路幅頻性能的要求更高。

寬帶高碼速率數(shù)據(jù)接收要求在更寬的頻帶內(nèi)具有一致的特性，包括幅頻特性、相頻特性（含群時延特性）等。但實際上，分布在衛(wèi)星和地面接收站的信道設(shè)備如變頻器、高功率放大器HPA、發(fā)射/接收天線、電纜、低噪聲放大器、濾波器等都具有不同程度的幅頻特性、相頻特性不平坦以及非線性，導致出現(xiàn)傳輸碼間干擾ISI。對寬帶高碼速接收鏈路的相頻特性（含群時延特性）的不平坦以及非線性問題，需采用高速的自適應(yīng)盲均衡技術(shù)進行補償。盲信道均衡不僅可實現(xiàn)多徑傳輸、信道衰落等的均衡，也可均衡接收信道中的電路不理想特性（如幅頻特性不平坦和群時延特性不平坦）。

高階調(diào)制信號的接收對信噪比的要求更高，相應(yīng)地對星上發(fā)射功率的要求更高；此外，數(shù)傳速率的提高也將為星上發(fā)射功率帶來更大的壓力。解決該問題可采用如下技術(shù)：

（1）采用高性能、全數(shù)字調(diào)制解調(diào)設(shè)備，降低調(diào)制解調(diào)損耗；

（2）采用高效編譯碼技術(shù)如RS、LDPC、卷積-RS或卷積-LDPC級聯(lián)等，提高糾錯能力確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。高效的編譯碼方式具有強大的編碼增益，與QPSK，8PSK，16APSK，32APSK聯(lián)合應(yīng)用，可提高有效數(shù)據(jù)速率。

另一方面，在低軌衛(wèi)星星地鏈路設(shè)計時，是按照確保5°仰角數(shù)據(jù)接收設(shè)計的，而且目前高碼速率衛(wèi)星多采用點波束下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而在衛(wèi)星過境的過程中，由于天氣、傳輸距離變化等原因，星上的發(fā)射功率未得到充分利用。為有效利用星上發(fā)射功率，最大化衛(wèi)星過境時下傳的載荷數(shù)據(jù)量，可以采用VCM（可變編碼調(diào)制）方式的數(shù)據(jù)傳輸體制。采用合適的編碼率和調(diào)制方案來提高下行鏈路利用率，同常規(guī)傳輸方式相比，數(shù)據(jù)量將增加2倍以上。ESA（歐空局）已經(jīng)開展相關(guān)研究，我國也將在高分專項遙感衛(wèi)星中采用VCM方式的數(shù)據(jù)傳輸體制。

1.4 增加星地間的可視時間

增加星地間的可視時間，如在全球合理布局地面接收站點、采用高軌衛(wèi)星中繼遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高星地間高速數(shù)據(jù)長時間的傳輸能力。

20世紀中葉以來，遙感技術(shù)出現(xiàn)了新的發(fā)展態(tài)勢，許多科學領(lǐng)域，尤其是地球科學諸多研究領(lǐng)域的發(fā)展越來越依賴于遙感技術(shù)的進步和遙感數(shù)據(jù)的獲取能力。覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)遍布全世界的地面站，是優(yōu)先獲得全球性地球資源信息進行研究的重要手段。

目前，世界衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)先的國家或組織，如美國地質(zhì)調(diào)查局USGS（United States Geological Survey）、歐空局ESA（European Space Agency）、法國的Airbus Defence &Space等，都已建立了遍布全球的衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系。

對于極軌衛(wèi)星而言，北極和南極地區(qū)擁有得天獨厚的數(shù)據(jù)接收優(yōu)勢：過站機會多，獲取的數(shù)據(jù)量大。美國、挪威、瑞典、加拿大、日本、德國等均已在南北極地區(qū)建立了遙感衛(wèi)星地面接收站，數(shù)量現(xiàn)已接近30套，負責接收LANDSAT、SPOT、ERS等低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

中繼衛(wèi)星可起到極軌衛(wèi)星與地面接收站的長時間高速數(shù)據(jù)傳輸通道的橋梁作用。極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星間可視弧段長、中繼衛(wèi)星與地面可全天通信，同時極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與地面間采用Ka頻段傳輸數(shù)據(jù)，極大地擴展了數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，可見采用中繼星可實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力，極大地提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力和時效性。

1.5 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是將原始碼速率壓縮到數(shù)據(jù)傳輸能力允許的范圍內(nèi)，同時確保解壓縮數(shù)據(jù)重構(gòu)圖像的質(zhì)量滿足任務(wù)需求，其主要目的是力求用最少的數(shù)據(jù)表示信源所發(fā)出的信號，使信號占用的存儲空間盡可能小，以達到提高信息傳輸速度的目的。

在遙感衛(wèi)星上應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是由法國在SPOT-1衛(wèi)星上首先使用的，該衛(wèi)星的星載數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)采用了固定長度的DPCM編碼，壓縮比為8∶6。目前國內(nèi)外大多數(shù)遙感衛(wèi)星普遍采用DPCM、DCT、ADPCM、JPEG2000、BAQ壓縮算法進行數(shù)據(jù)壓縮，實現(xiàn)了2?8∶1的數(shù)據(jù)壓縮，可有效降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳的碼速率并取得良好效果。

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)己得到了廣泛應(yīng)用，但隨著遙感信息獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)的種類不斷增多，數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增大，不同種類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，數(shù)據(jù)壓縮的內(nèi)涵和方法不斷向前發(fā)展。因此，一方面需不斷探索一些新的壓縮方法，不斷突破更大壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)；另一方面需要研究可控壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，在重要的感興趣目標區(qū)（ROI），采用確保無可覺察視覺損失的低壓縮比，在相對不重要的非感興趣目標區(qū)，采用有可覺察視覺損失的大壓縮比，使數(shù)據(jù)壓縮的平均壓縮比提高。

2 結(jié) 語

隨著空間技術(shù)及信息化建設(shè)和遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，已形成了一個高、中、低軌道綜合利用，大、中、小衛(wèi)星平臺及多傳感器相輔相成，單個衛(wèi)星和星座互相促進，立體、多角度、全方位、全天候全天時、長期連續(xù)性穩(wěn)定可靠運行的全球和區(qū)域性對地觀測體系，實現(xiàn)對全球的陸地、大氣、海洋的立體觀測和動態(tài)監(jiān)測。高/超高空間分辨率、高光譜分辨率和主動式全天候雷達衛(wèi)星將成為對地觀測的重要組成部分及發(fā)展趨勢。

隨著對地觀測技術(shù)以及遙感應(yīng)用需求的發(fā)展，在軌衛(wèi)星的數(shù)量不斷增加，衛(wèi)星有效載荷的分辨率（包括高時間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）不斷提高，其在相同時間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，導致星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸b感信息與數(shù)據(jù)獲取能力之間的矛盾越來越大。這些都對未來發(fā)展規(guī)劃以及技術(shù)需求提出了更高、更新的要求。針對新的發(fā)展需求，結(jié)合上述分析提出以下建議：

（1）強化衛(wèi)星組網(wǎng)，減少衛(wèi)星間的沖突

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，地面接收資源雖不斷擴建但仍難以避免接收時間的沖突。而解決衛(wèi)星接收時間沖突的有效途徑之一便是依據(jù)衛(wèi)星使用需求，合理設(shè)計衛(wèi)星軌道，采用上午星、下午星、晨昏軌道、衛(wèi)星組網(wǎng)等措施，盡可能避免衛(wèi)星接收時間的沖突。

（2）合理布局地面接收站，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球獲取能力

衛(wèi)星地面接收站的建設(shè)布局和衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力已成為衡量一個國家有效利用空間信息技術(shù)的能力指標之一。隨著空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，遙感衛(wèi)星性能逐步提升，應(yīng)用領(lǐng)域愈加寬廣，為保證全球遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速獲取能力，各國正逐步加強衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系的布局與建設(shè)。

我國在全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速獲取方面，與先進國家相比還有很大差距。目前我國僅有覆蓋全國及周邊地區(qū)、北極地區(qū)的遙感衛(wèi)星接收站網(wǎng)，未來可根據(jù)突破性、全局性的戰(zhàn)略原則，并利用已有的國際合作條件設(shè)計規(guī)劃、逐步加強衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)體系的布局與建設(shè)，充分發(fā)揮我國遙感衛(wèi)星的效益，滿足我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)自主獲取的能力需要。

（3）采用新技術(shù)，提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力

高碼速率數(shù)據(jù)傳輸需要更大的傳輸帶寬，較高的發(fā)射功率，同時也會帶來相對較為惡化的調(diào)制解調(diào)損耗。提升衛(wèi)星星地數(shù)據(jù)傳輸能力的技術(shù)手段主要有雙圓極化頻率復(fù)用、提高數(shù)據(jù)傳輸載波頻段（X→Ka）、采取高階調(diào)制解調(diào)和高效編譯碼方式、VCM數(shù)傳體制、數(shù)據(jù)壓縮等。在未來的設(shè)計中，可采用這些新技術(shù)來提高星地數(shù)據(jù)傳輸鏈路能力。

（4）加快民用中繼衛(wèi)星的規(guī)劃，實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力

中繼衛(wèi)星可起到極軌衛(wèi)星與地面接收站的長時間高速數(shù)據(jù)傳輸通道的橋梁作用。極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星間可視弧段長、中繼衛(wèi)星與地面可全天通信，同時極軌衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與地面間采用Ka頻段傳輸數(shù)據(jù)，極大地擴展了數(shù)傳鏈路的傳輸帶寬，可見采用中繼星可實現(xiàn)長時間高速數(shù)據(jù)的傳輸能力，極大地提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力和時效性。

（5）統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一建設(shè)，綜合利用，節(jié)約投資

未來地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)堅持高分辨率對地觀測地面系統(tǒng)資源共享、統(tǒng)籌共性、兼顧個性、服務(wù)各大部委和民眾的建設(shè)原則及國家對衛(wèi)星地面設(shè)施“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”的要求，充分利用已有的衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)資源和條件，統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、統(tǒng)一建設(shè)，形成集中管理、統(tǒng)一調(diào)度的地面接收站網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享，提高資金使用效益。

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