Ka頻段低軌遙感衛星可變編碼調制應用效能研究

王中果，汪大寶，趙鵬飛，張莎莎，武小棟，張曉，王振興

1. 中國空間技術研究院 遙感衛星總體部，北京 100094 2. 西安空間無線電技術研究所，西安 710071

1 引言

低軌高分辨率遙感衛星大多采用太陽同步軌道，其軌道特點導致星地數據傳輸時間十分有限，需要不斷提高衛星下行數傳鏈路的傳輸速率，來滿足日益增長的海量遙感載荷數據的傳輸需求[1]。這類衛星普遍采用X頻段(8.025～8.400 GHz)進行星地數據傳輸，如高分七號[2]、高分多模[3]。其中，高分多模衛星采用CCM，按最低仰角5°的最差信道條件進行鏈路設計。衛星單次對地面站傳輸過程中，傳輸速率固定，其仰角增大引起的自由空間損耗減小量可達10 dB以上[4]。為充分利用這部分余量，高分七號衛星首次采用VCM，根據接收仰角自適應改變編碼方式、調制方式、信息速率，在保證鏈路可靠性的前提下提升了傳輸效率，單通道最高傳輸速率達1.2 Gbit/s[2,5-6]。

X頻段375 MHz帶寬已難以滿足遙感載荷越來越高的數傳速率要求，而25.5～27.0 GHz、帶寬1.5 GHz的Ka頻段成為星地數據傳輸的發展趨勢[7-8]。但雨、云等引起的信號衰減，Ka頻段將超過10 dB[9]，而X頻段僅約2 dB[4]，大氣環境對Ka頻段的影響遠大于X頻段。雖然Ka頻段帶寬增加了3倍，但如果仍按CCM設計，需要預留更多的鏈路余量，這可能會導致傳輸能力提升有限，造成鏈路資源的浪費。

VCM較早應用于衛星數字電視廣播領域，歐洲電信標準化組織(ETSI)將其寫入DVB-S2[10]和DVB-S2X[11]協議中，空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)還形成了131.2-B-1[12]和131.3-B-1[13]藍皮書標準，但數字電視廣播衛星與低軌遙感衛星使用方式差別很大[14-16]。截至目前，中國低軌遙感衛星僅高分七號使用了X頻段VCM并得到在軌驗證，尚未見到使用Ka頻段VCM的公開報道。

國際已有文獻針對低軌衛星Ka頻段VCM系統展開了分析。文獻[17]中對比了三亞站晴天和暴雨條件下CCM和VCM的單軌數據吞吐量，僅體現了Ka鏈路部分衰減效果，且未考慮星上工程實現方案。文獻[18-19]分析了歐洲Matera和Svalbard地面站的鏈路可用情況，前者將所有傳輸弧段按照時間平分為6段，并以99.5%的最小鏈路可用度為設計依據開展Ka頻段CCM和VCM的傳輸效能分析，而后者對比分析了X頻段與Ka頻段VCM的鏈路可用情況，并將X、Ka頻段鏈路可用度分別設置為99.5%、90%，但均未考慮氣候條件差異對不同地面站傳輸效能的影響。文獻[20]分析了50～300 kg小型演示衛星平臺的Ka頻段VCM效能，但質量、功率的限制約束導致其傳輸效能提升有限。

中國幅員遼闊，不同地面站氣候條件差異較大，對Ka頻段數傳信號影響差別較大。面向后續工程實現，急需開展Ka頻段VCM系統方案設計和應用效能研究工作。為此，本文根據提出的傳輸效能因子指標，在傳輸效能與工程實現代價之間進行折中設計分析，為不同站點的星地數傳方案選擇提供參考。

2 仿真場景設計

2.1 模式碼字選擇

DVB-S2采用“BCH+LDPC”級聯的前向糾錯編碼方案，支持11種信道編碼碼率(1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10)，4種調制方式(QPSK，8PSK，16APSK，32APSK)，通過組合共形成模式碼字(MCS)為1～28的28種調制編碼模式[10]。結合工程經驗，考慮解調損耗時，該組合的符號信噪比(Es/N0)的解調門限變化跨度可達21.4 dB，其中Es為每個傳輸符號的平均能量、N0為噪聲功率譜密度。對幀長64 800 bit普通前向糾錯幀(普通FEC幀)，其調制編碼模式組合及誤碼率10-7時的解調特性如表1所示。

從表1可以看出：與MCS 11相比，MCS 12解調門限更高，但頻譜效率卻更低；與MCS 18相比，MCS 16和17雖頻譜效率略高，但解調門限增加的代價卻更大。這3種模式碼字(12,16,17)性能較差，在選擇時首先刪除，僅保留剩余25種(后文稱“組合1”)。

對VCM系統，使用的模式碼字組合中調制編碼模式數量越多，在隨信道環境變化進行調節時，各調制編碼模式之間的過渡就越平滑，鏈路傳輸效率就越高[7]。然而，組合數量越多，系統復雜性越高，工程實現難度越大。高分七號衛星X頻段VCM系統選用模式碼字組合的MCS為13、18和20[7]，但該組合對Ka頻段卻不一定合適。為尋找更適合Ka頻段的MCS組合，再考慮以下5種進行分析：

1)組合2：相鄰Es/N0解調門限差別≥1 dB。

2)組合3：相鄰Es/N0解調門限差別≥2 dB。

3)組合4：相鄰Es/N0解調門限差別≥3 dB。

4)組合5：相鄰Es/N0解調門限差別≥4 dB。

5)組合6：相鄰Es/N0解調門限差別≥5 dB。

最終選擇分析的6種組合如圖1所示。組合1～6中包含的模式碼字個數分別為25、15、9、7、6、4。

圖1 模式碼字組合選擇Fig.1 Selection of MCS combination

2.2 其他仿真參數選擇

DVB-S2采用快速傅里葉變換(FFT)對映射后的同相/正交(I/Q)兩路基帶脈沖信號進行平方根升余弦滾降濾波。全部利用Ka頻段1.5 GHz帶寬，滾降系數選擇最小值0.20時，理論上可獲取1.25 Gbaud的最大傳輸符號速率，32APSK調制階數最大，對應射頻通道傳輸的編碼后速率最大值高達6.25 Gbit/s。

但是，目前國際上高速解調器的最高解調速率僅可達3 Gbit/s[6,21]，暫時難以滿足上述需求。可考慮采用雙頻點傳輸方式將通道速率減半，并預留一定保護間隔，將傳輸符號速率設置為600 Mbaud，具備工程可行性。

結合工程經驗及現有技術基礎，取某低軌遙感衛星Ka頻段星地數傳鏈路參數設置如表2所示。其中，地面站分別位于中國喀什、北京、三亞[22]，平均年降雨概率分別為0.38%、1.94%、2.46%，平均每年0.01%時間內降雨強度分別達到9.42 mm/h、42.56 mm/h、81.09 mm/h，可代表中國干旱少雨、雨量中等、降雨豐富這三種典型狀態。

表2 某低軌遙感衛星Ka頻段數傳鏈路設計參數

3 星上VCM系統設計及實現流程

與高分七號X頻段VCM將大氣衰減選為固定值不同，Ka頻段受大氣環境的影響遠大于X頻段，且大氣衰減與地面站位置、接收仰角、鏈路可用度等因素密切相關。因此，Ka頻段星上VCM系統需要在高分七號基礎上進行適應性更改設計。

所有計算和控制均在星上進行，具體方法為：

1)導航接收機實時定位、定軌解算，將當前位置/速度/時間(PVT)信息周期性轉發給數傳控制器。

2)根據待傳輸地面站位置和衛星當前位置信息，數傳控制器以采樣間隔ΔT周期性計算衛星與地面站間距、地面站接收仰角，由此確定自由空間損耗、大氣衰減，并按如下鏈路計算公式，估算地面站符號信噪比的實際接收值[ES/N0]rec。

[Es/N0]rec=[PEIRP]+[Qr]-

[Rs]-[L]-[M]+228.6

式中：PEIRP為衛星天線發射的等效全向輻射功率(EIRP)；Qr為地面站品質因數(通常也稱為G/T值)；Rs為射頻通道傳輸的符號速率；L為系統損耗，包括自由空間損耗Lf、大氣衰減La、天線指向損耗Lrp、極化損耗Lp、解調損耗Lmd；M為系統余量。

3)數傳控制器選擇模式碼字組合中的MCS最大值，使其Es/N0解調門限“≤[Es/N0]rec”。如果選擇的MCS有變化，則將該指令信息發送給可變編碼調制器；如無變化，則不向可變編碼調制器發送指令信息。

4)可變編碼調制器根據指令要求，進行對應的信道編碼、星座映射、組幀、基帶成型濾波、射頻調制等處理后輸出[6]，最后通過射頻通道和天線發射至地面站。

綜上，將Ka頻段衛星的VCM系統星上設計及實現流程描述如圖2所示。

圖2 Ka頻段星上VCM系統設計及實現流程Fig.2 Design and implementation flow of on-board VCM data transmission system at Ka-band

4 應用效能仿真及評估

4.1 傳輸效能因子定義

在一個回歸周期全接收弧段內可接收的總數據量越大，低軌遙感衛星地面站的星地鏈路傳輸能力越強。但對每個地面站而言，地理位置不同會導致可用接收弧段總長度不同，因此用原始信息傳輸的平均碼速率能更客觀地表示星地傳輸效能[14]。

但CCM、VCM應用特點不同：

1)CCM在所有弧段內的調制編碼模式和原始信息碼速率固定不變。

2)VCM可隨著地面站接收仰角變化，在某些固定仰角門限完成調制編碼模式切換，隨仰角增大來增大模式碼字，并以此改變原始信息碼速率。

定義低軌遙感衛星對單個地面站的CCM傳輸效能因子為：

ECCM=AL×Rb

式中：AL為鏈路可用度，Rb為原始信息碼速率 (Mbit/s)，這兩個參數均與MCS相關。Rb可由表2中的傳輸符號速率與表1中的頻譜效率相乘直接得到。

考慮離散化處理，定義低軌遙感衛星對單個地面站的VCM傳輸效能因子為：

式中：tij是第i個數傳弧段的第j個采樣時刻；Mi是第i個數傳弧段的采樣點個數；Rb(tij)為第i個數傳弧段的第j個采樣時刻的原始信息碼速率(Mbit/s)；tstart(i)和tend(i)分別為第i個數傳弧段起始時刻和結束時刻；N為一個回歸周期內的數傳弧段個數。

4.2 VCM效能提升仿真模型

VCM數傳系統效能定義為“在相同調制符號率和數傳鏈路條件下，系統所能傳輸的信息量與傳統CCM數傳系統相比所能提升的百分比”[1]。具體而言，CCM選擇某一MCS時，VCM可將該MCS作為其待選模式碼字組合中的最小值，并在接收仰角增大時根據鏈路條件的改善切換至其他頻譜效率更高的模式碼字。為此，VCM數傳系統效能Improve可定義為：

式中：ECCM(MCS)表示模式碼字MCS的CCM傳輸效能因子；EVCM(MCS)表示以MCS為最小模式碼字的VCM傳輸效能因子。

4.3 仿真結果

為體現Ka頻段與X頻段的差異，采用兩種策略：

1)策略1：僅考慮自由空間損耗變化(與高分七號X頻段VCM相同)。

2)策略2：綜合考慮自由空間損耗、大氣衰減變化(Ka頻段的特殊性)。

同時，考慮工程實現復雜程度對效能的影響情況，按照圖1的6組MCS組合，針對上述兩種策略均開展效能仿真。

考慮太陽同步回歸軌道的星下點軌跡重復特性，采用STK軟件對1個回歸周期(31天)內喀什站、北京站、三亞站的數傳弧段分別進行了仿真[14]。綜合考慮動態信道模型衰減特性和仿真計算量，傳輸過程中采樣間隔設置為1 s。

4.3.1 鏈路可用情況

大氣衰減由4部分組成：大氣吸收損耗、雨衰、大氣閃爍、云衰[23]。本文根據國際電信聯盟(ITU)發布的最新版本P系列建議書[23-25]，對上述參數進行仿真計算。

對低軌遙感衛星地面站，最小仰角5°時鏈路情況最惡劣，此時的鏈路可用度直接決定了全接收弧段的數據可靠傳輸能力[14]。喀什站、北京站、三亞站的鏈路不可用度如表3所示。可以看出：

1)對某地面站，MCS增加，鏈路不可用度增大。

2)對某MCS，喀什站、北京站、三亞站降雨量逐漸增加，鏈路不可用度增大。整體來看，鏈路可用情況喀什站最好，北京站次之，三亞站最差。

表3 數傳鏈路不可用度(仰角5°)及CCM傳輸效能因子

續表3

4.3.2 傳輸效能因子

CCM傳輸效能因子如表3所示。6種MCS組合、兩種策略下的VCM傳輸效能因子如表4～表9所示。可以看出：

1)對某地面站，CCM選擇某MCS、而VCM以該MCS為最小值時，傳輸效能因子均有所增大，且VCM(策略2)>VCM(策略1)>CCM。

2)對某地面站，隨著MCS增加，CCM傳輸效能因子增加。

3)對喀什站，隨著最小MCS增加，策略1/策略2的VCM傳輸效能因子均增加。

4)對北京站，隨著最小MCS增加，除“策略2+組合1”先增后減、且在最小MCS 25達最大值外，其他情況的VCM傳輸效能因子均增加。

5)對三亞站，隨著最小MCS增加，除“策略1+組合1”先增后減、且在最小MCS 25達最大值，以及“策略2+組合1～5”先增后減、且分別在最小MCS 15/15/18/19/15達最大值外，其他情況的VCM傳輸效能因子均增加。

表4 VCM傳輸效能因子(組合1)

續表4

表5 VCM傳輸效能因子(組合2)

表6 VCM傳輸效能因子(組合3)

表7 VCM傳輸效能因子(組合4)

表8 VCM傳輸效能因子(組合5)

表9 VCM傳輸效能因子(組合6)

為更直觀地反映出傳輸效能因子的變化規律，以VCM組合1為例，將其與CCM的傳輸效能因子繪制在一張圖上，如圖3所示。

圖3 傳輸效能因子(CCM/VCM組合1)Fig.3 Transmission efficiency factors(CCM/VCM combination 1)

為定量反映VCM傳輸效能因子的變化情況，對每個地面站，均以CCM傳輸效能因子最大值(MCS 28)為基準進行對比，得到其相對百分比，如圖4所示。可以看出：

1)對某地面站、某VCM策略，隨著組合序號的增大(選用MCS種類減小)，傳輸效能因子均有一定程度的減小。

2)對喀什站，該百分比最大值為99.99%(對應于“策略2+組合1”，最小MCS 27)。

3)對北京站，該百分比最大值為100.41%(對應于“策略2+組合1”，最小MCS 25)。

4)對三亞站，該百分比最大值為109.76%(對應于“策略2+組合1”，最小MCS 15)。

圖4 傳輸效能因子對比Fig.4 Comparison of transmission efficiency factors

4.3.3 VCM效能提升評估

按照4.2節定義，對VCM相比CCM的效能提升情況開展分析，以組合1為例，VCM系統效能如表10所示。可以看出，CCM選擇某MCS、而VCM以該MCS為最小值時，對某地面站：

1)策略1能夠獲得最大超過92%的效能提升，效能提升比例與地面站位置及降雨量基本無關系。隨著MCS增大，效能提升比例逐漸減小。

2)策略2能夠獲得最大超過566%的效能提升，雨量中等的北京站、降雨豐富的三亞站，其效能提升比例接近，且均略大于干旱少雨的喀什站，說明此策略對高云雨環境適應性更強。與策略1相似，隨MCS增大，策略2的效能提升比例也逐漸減小。

表10 VCM系統效能提升仿真結果(組合1)

5 星地傳輸方案選擇

對喀什站，其VCM傳輸效能因子均小于MCS 28的CCM傳輸效能因子，因此更適合采用MCS 28的CCM方式，且其鏈路可用度可達99.820%，鏈路可用情況良好。

對北京站，其傳輸效能因子在“策略2+組合1”、最小MCS 25的VCM達到最大值，似乎更適合采用MCS組合{25,26,27,28}的VCM方式，且此時僅4種MCS，星上工程實現復雜程度也可接受，對應的鏈路可用度96.452%。但與MCS 28的CCM相比，傳輸效能因子僅提升0.41%，提升效果非常有限。因此，可根據用戶使用需求，靈活選擇MCS 28的CCM或MCS組合{25,26,27,28}的VCM方式，但需要注意此CCM鏈路可用度95.527%(相比VCM降低0.925%)。

對三亞站，其傳輸效能因子在“策略2+組合1”、最小MCS 15的VCM達到最大值，且與MCS 28的CCM相比提升了9.76%，提升效果較為明顯，因此似乎更適合采用MCS組合{15,18,19,…,28}的VCM方式，但此時共12種MCS，星上工程實現的復雜程度較大。而組合2中的{15,19,21,24,26,28}(共6種MCS)、組合3中的{18,21,25,28}(共4種MCS)、組合4中的{19,24,28}(共3種MCS)、組合5中的{15,22,28}(共3種MCS)、組合6中的{15,28}(共2種MCS)，是各自組合中傳輸效能因子最大的，與上述組合1中的12種MCS相比，其傳輸效能因子分別下降0.48%、0.98%、1.47%、2.32%、5.00%。與北京站的4種MCS數量匹配，可考慮喀什站選用組合3中{18,21,25,28}的MCS組合，此時傳輸效能因子相比MCS 28的CCM提升8.37%。但需要注意，此VCM鏈路可用度仍只有85.432%，鏈路可用情況不容樂觀。

6 結論

為提升數據傳輸效能，本文將基于DVB-S2標準的VCM數據傳輸體制應用于Ka頻段低軌遙感衛星。分析了Ka頻段與X頻段信號特性的差別，提出了適合Ka頻段的星上VCM系統設計方案及實現流程，并根據低軌遙感衛星的軌道運行特點定義了傳輸效能因子。通過對2種VCM策略、6種調制編碼模式組合的仿真分析，證明提出的綜合考慮大氣衰減和自由空間損耗VCM的新策略對高云雨環境具有更好的提升效果，推薦北京站和三亞站可使用該VCM策略，而喀什站仍選用傳統的CCM。

本文提出的分析方法和調制編碼模式選擇方式，可為未來中國Ka頻段星地數傳系統的工程設計和實現提供參考。后續低軌遙感衛星在Ka頻段使用VCM數傳體制時，可結合型號星地數傳系統具體指標參數開展分析，并選擇合適的調制編碼模式組合。此外，星載調制器、地面解調器等配套設備也應同步開展優化升級設計和研制工作，以滿足未來更高傳輸速率需求。