基于衛星測控鏈路的衛星數據傳輸動態調整技術

孫 偉，邢斯瑞，易 進，徐 婧，張士偉

(長光衛星技術有限公司，吉林 長春 130000)

0 引 言

近年來，商業遙感衛星如火如荼地發展，亞米級分辨率衛星層出不窮，尤其是大幅寬高分辨率衛星的出現，對有效載荷數據傳輸技術提出了更高的要求. 目前國內作為數據傳輸的頻段普遍采用X頻段，地面數據接收系統也多采用此頻段進行數據接收，短期內更換其他頻段進行數據傳輸需要開展大量的地面設備升級工作以及高昂的升級成本，因此，如何在節約成本的前提下，提升當前遙感衛星數據下傳的效率成為焦點問題. 近年來，衛星測控頻段從原有的S頻段逐步向X頻段過渡[1]，同時也使得測控和數據傳輸頻率相近，具備可比性. 國內外也有類似的自適應算法[2,3]，但是本文根據目前遙感衛星面臨的實際情況，從成本和實用的角度出發，可以對在軌衛星進行直接應用，以目前X頻段衛星測控技術作為基礎，設計了一種基于衛星測控的動態調整衛星下行數據傳輸速率，提高衛星數據傳輸效率的方法.

1 數據傳輸模型設計

傳統遙感衛星為了保證可靠性和穩定性，主要以固定速率傳輸為主，但是由于存在空間損耗、 雨衰以及衛星仰角等因素，經常會在仰角小、 降雨多時余量較小，而在仰角大、 天氣晴朗時余量較大，另外衛星的數據傳輸天線方向圖也在隨著低軌衛星的運行而時刻發生變化. 根據現有情況，衛星數據接收站一般具有衛星測控能力. 衛星測控鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，上行鏈路用于衛星遙控指令發送，控制整個衛星運行狀態，執行衛星任務等； 下行鏈路用于衛星遙測信息下傳. 本文以衛星測控的上行鏈路作為參考，動態控制下行數據傳輸鏈路. 因此在不改變現有衛星架構的情況下，可以利用鏈路余量的變化去適應性設計數據傳輸的速率、 調制方式和信道編碼等參數. 整個過程如圖1 所示.

圖1 數據傳輸模型流程圖Fig.1 Flow chart of data transmission model

測控鏈路建立后，衛星會自動根據上行信號功率電平、 現有數據接收站的相關信息以及衛星目前姿態情況，實時解析出鏈路衰減. 其中數據接收站的相關信息以已知的方式提前上注到衛星上，包括其地理位置坐標、 數據接收站所發出的測控上行等效全向輻射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP). 衛星目前的姿態情況通過衛星的姿態敏感器件獲取，結合內置的測控天線方向圖和數據傳輸天線方向圖，通過查表法確定實時的天線增益，并換算到下行數據傳輸鏈路，計算出數據傳輸下行鏈路的余量. 衛星根據此余量情況自主選擇適當的調制方式、 傳輸速率和信道編碼方式等，同時此信息會實時加載在衛星下行遙測信號中發回衛星數據接收站，接收站實時調整數據接收的解調方式、 接收速率和信道編碼等參數配置. 數據傳輸開始后，衛星實時監測鏈路情況并改變參數配置，地面數據接收同步進行配置，達到效率提升的效果.

2 關鍵問題分析

在討論基于衛星測控的數據傳輸鏈路模型時，主要考慮傳輸路徑的損耗、 大氣損耗和云雨衰減、 調制方式、 信道編碼以及傳輸速率等關鍵問題.

2.1 傳輸鏈路衰減

根據目前的頻率分配情況[1]，用于衛星測控的上行頻率在7.2 GHz左右，本文以7.2 GHz為例進行分析； 用于衛星數據傳輸的下行頻率在8.0 GHz～8.4 GHz左右，本文以8.2 GHz為例進行分析.

低軌衛星在整個軌道周期中與數據接收站的距離是時刻變化的，以某系列衛星軌道高度535 km，最大仰角90°為例，根據空間衰減的計算公式

L=(4πd/λ)2,

(1)

式中：L為空間衰減值；d為空間距離；λ為電磁波波長.

根據式(1)可以分別對整個可見弧段范圍內測控上行和數傳下行鏈路的空間衰減進行統計，結果如圖2 所示.

從圖2 中可以看出，仰角接近0°和180°時衰減值最大，仰角90°時衰減值最小，最大和最小差值接近14 dB，因此當采用固定傳輸速率時在仰角90°時的余量較大，可以以適當的方式充分利用.

圖2 不同仰角情況下兩種頻率衰減值Fig.2 Two frequency attenuation values under differentelevation angles

另外，兩條曲線的差值表示在同一仰角下的測控鏈路和數據傳輸鏈路衰減值，可以發現差值為固定值，約等于1.13 dB.

2.2 大氣及云雨衰減

無線電波在通過大氣層傳輸時，會受到很多氣體水分等影響，導致信號損耗，包括大氣吸收(氣體效應)、 云層衰減(氣溶膠和冰粒效應)、 降雨衰減、 雨和冰晶去極化[3]等等. 本文參考文獻[4]數據，對測控上行鏈路和數據傳輸下行鏈路兩個頻段信號在傳播過程中衰減的相對值進行對比，表 1 對比了大氣中電子、 氧氣、 水對電磁波的吸收，表 2 對比了降雨衰減等對電磁波產生的損耗.

表 1 不同仰角下大氣吸收損耗值Tab.1 Atmospheric absorption attenuation at differentelevation angles

表 2 不同降雨量下損耗值Tab.2 Different rainfall attenuation values

由上述2個表格可知，在不同仰角下，測控鏈路和數據傳輸鏈路大氣吸收衰減差值小于0.4 dB，降雨衰減等差值小于0.2 dB，總的大氣及降雨等引起的衰減差值小于0.6 dB.

2.3 調制方式和傳輸速率

衛星數據傳輸最為關心的參數是傳輸速率，決定了數據傳輸的能力. 在有限帶寬下進行數據傳輸，高階調制是較為合理的選擇，但是高階調制帶來的非線性以及接收門限的提高也成為高速率的矛盾點. 本文以實用性為主，以實際在軌衛星作為出發點，兼顧后續衛星.

遙感衛星通常選用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和8進制相移鍵控(8 Phase Shift Keying，8PSK)作為數據傳輸常用的調制方式. 考慮提升數據傳輸效率，也可以考慮更高階的調制方式，建議采用正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式，以此獲得更多的鏈路余量，圖3 給出了不同調制方式下誤碼率和Eb/N0的關系.

圖3 誤碼率和Eb/N0關系圖Fig.3 Relationship between BER and Eb/N0

電子信號探測和微波成像類衛星對誤碼率的要求一般在1×10-6左右，光學成像類衛星一般在1×10-7左右[5],從圖中可以對應得到每種調制方式的門限值，以此作為鏈路余量計算的依據.

傳輸速率方面，由于受到信號帶寬的影響，衛星在采用了高階調制方式的情況下單通道最高傳輸速率能夠達到900 Mbps，且向下分檔可調，以適應不同接收能力的數據接收站需求. 后續衛星也將逐漸采用新的高階調制方式，以提升到更高的速率.

2.4 信道編碼方式

對于低軌遙感衛星，國際空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)推薦了一種低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check, LDPC)編碼方式[6-8], 即7/8碼率的LDPC(8 176,7 154)，此編碼方式具有高效率的糾錯能力[9,10]，推薦低軌近地軌道衛星采用此編碼方式進行數據下傳，因此本文在信道編碼上均以此為例，選擇此編碼方式進行分析，其他信道編碼方式不再討論.

為保證可靠性傳輸，數據傳輸鏈路余量一般取2 dB～3 dB的余量[11]，本文的仿真均基于3 dB左右的鏈路進行分析.

3 模型建立

通過測控上行鏈路余量情況，實時估算數據傳輸下行鏈路，需要對測控上行鏈路和數據傳輸下行鏈路進行模型分析，加以對比，得出星上配置情況.

測控上行鏈路的計算公式為

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

Rc-[Eb/N0]c,

(2)

式中：Mc為測控上行鏈路余量；EIRPE為地面測控站上行功率；Lc為測控上行鏈路總衰減； [G/T]c為衛星上行測控接收性能指數G/T值，其中G為接收天線增益；T為表示接收系統噪聲性能的等效噪聲溫度；B為玻爾茲曼常數；Rc為測控上行鏈路的碼速率； [Eb/N0]c為上行測控接收解調門限，所有參數均以dB形式表示.

數據傳輸下行鏈路的計算公式為

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

[Eb/N0]s，

(3)

式中：Ms為數據傳輸下行鏈路余量；EIRPs為衛星數據傳輸下行功率；Ls為數據傳輸下行鏈路總衰減； [G/T]E為地面數據接收站性能指數G/T值；B為玻爾茲曼常數；Rs為數據傳輸碼速率； [Eb/N0]s為數據傳輸下行接收解調門限，所有參數均以dB形式表示.

通過鏈路模型可知，式(2)中僅Lc未知，但可以通過實時統計Mc求得，式(3)中Ls可通過上文分析，近似為

Ls=1.73+Lc.

(4)

將鏈路余量Ms取3 dB，可以求出適當的Rs和[Eb/N0]s.

4 仿真與性能評估

本文根據此方法對目前某星座在軌遙感衛星以及改進后的衛星分別進行仿真與性能評估.

4.1 目前在軌衛星

對于目前已經在軌的衛星，以地面數據接收站7 m天線為例，為保證傳輸可靠性，選擇鏈路余量為3 dB，調制方式采用QPSK，碼元速率選擇600 Mbps，信道編碼選擇7/8LDPC編碼，在不同仰角傳輸時，整軌的鏈路余量情況如圖4 所示，經統計，3度仰角開始接收，177°結束時，時長634 s，總數據量為380 400 Mb.

圖4 不同仰角下鏈路余量示意圖Fig.4 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

采用本文方案，根據仿真結果，可以在仰角為3°～18°，162°～177°時采用QPSK 600 Mbps，18°～162°時采用8PSK 900 Mbps，經計算，總數據量為482 700 Mb，提高了傳輸效率約26.89%.

4.2 改進后衛星

后續衛星可以適當對衛星數據傳輸系統進行改造，增加更多種調制方式和速率，從而實現更多分段配置數據傳輸，提高使用效率.

為保證高速率傳輸，將采用10 m天線作為數據接收站，選擇鏈路余量3 dB，調制方式選擇QPSK/8PSK/16QAM/32QAM/64QAM，碼元速率選擇600/900/1 200/1 500/1 800 Mbps，信道編碼選擇7/8LDPC編碼，在不同仰角傳輸時，整軌的鏈路余量情況如圖5 所示.

圖5 不同仰角下鏈路余量示意圖Fig.5 Schematic diagram of link margin at differentelevation angles

經統計，若采用傳統方式，QPSK 600 Mbps傳輸數據量為380 400 Mb，8PSK 900 Mbps傳輸數據量為570 600 Mb，而采用本文方法數傳數據量為755 100 Mb，分別較兩種傳統方式提高98.50% 和32.33%.

5 結 論

本文提出了一種切實可行的基于測控鏈路的衛星數據傳輸技術，當遙感衛星需求的數據速率高時，設計多速率，效率提升均在30%以上，可以為后續遙感衛星數據傳輸提供設計參考.