频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统设计✴

王万玉，张宝全，刘爱平，李娟妮，李凡，王强

（1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心，北京100094；2.中国西南电子技术研究所，成都610036；3.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安710065）

频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统设计✴

王万玉1，张宝全1，刘爱平2，李娟妮3，李凡1，王强1

（1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心，北京100094；2.中国西南电子技术研究所，成都610036；3.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安710065）

针对双圆极化频率复用、高码速数据接收等关键技术，分析了影响系统交叉极化鉴别率、高码速数据接收链路误码性能的主要环节，提出了天馈、高码速数据接收链路的体系结构和设计方案。据此设计并建成的频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统已成功接收了国内首颗双圆极化频率复用遥感卫星（“资源三号”卫星，数据速率450 Mbit／s×2）的数据。

遥感卫星；数据接收系统；双圆极化；频率复用；高码速；盲均衡

1 引言

随着国内外遥感卫星有效载荷分辨率（包括高时间分辨率、高空间分辨率、高辐射分辨率、高光谱分辨率等）的不断提高，其在相同的时间获取的原始数据量倍增，遥感信息与数据传输系统传输能力之间的矛盾越来越严重，将卫星获取的原始数据传回到地面，变得越来越困难。

传输高码速率数据需要大的传输带宽、较大的发射功率，同时也会带来较大的调制解调损耗。利用双圆极化频率复用技术可以使传输容量加倍，提高频谱利用效率。在频谱资源如此紧张的今天，频率复用（极化复用）技术是提高频谱利用率的一种既实用又经济的方法，在国内外遥感卫星高码速数据传输中得到了越来越多的应用（如WorldView1＆2、Geoeye-1、ZY-3、GF系列卫星等）。

为适应未来的技术发展及满足ZY-3、GF系列卫星的需求，在“陆地观测卫星数据全国接收站网建设项目”和“高分数据地面接收系统先期攻关”中，中科院对地观测中心与国内相关单位（中国西南电子技术研究所、中国电子科技集团公司第三十九研究所、清华大学）合作开展了频率复用、高码速数据接收等关键技术的研究及试验，完成了频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统的设计、研制加工、系统集成及工程建设等工作，并成功接收了ZY-3卫星（双圆极化频率复用、码速率450 Mbit／s×2）数据。系统主要性能指标达到了国际先进水平，设计并建成的频率复用、高码速极轨卫星地面接收系统是国内首创。

2 系统组成

频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统主要由天馈伺分系统、跟踪接收分系统、记录与快视分系统、测试分系统、站任务管理与监控分系统、技术支持分系统组成，如图1所示。系统具备频率复用功能，可同时接收记录两路下行的卫星高速数据。

图1 系统组成图Fig.1 Block diagram of system

天馈伺分系统主要由12m口径卡塞格伦天线、S／X双频组合馈源、馈线网络、俯仰／方位／倾斜三轴结构座架、天线控制单元（ACU）、驱动设备、电机、传动装置等组成，主要任务是完成卫星捕获、跟踪和S／X频段卫星信号接收。

跟踪接收分系统主要由低噪声放大器（LNA）、数字移相器、下变频器、光端机、均衡单元、中频跟踪接收机、通用型高速数据解调器等组成。跟踪通道主要任务是提取角误差信号，送伺服分系统驱动天线捕获跟踪卫星；数据通道主要任务是完成S／X频段数据的解调，输出数据和时钟信号送给记录设备。

测试分系统主要由监测计算机、测试调制器、上变频器、测试开关、接口卡及误码仪、功率计、频谱仪等仪表组成，主要用于完成系统自检及性能指标测试；各关键节点的信号功率测量及频谱监测分析。

数据记录与快视分系统主要由通用记录器、实时快视处理和显示单元、集中存储单元、数据输出单元组成，主要完成卫星原始下行数据的实时记录、实时快视、非实时数据传输、实时数据传输等功能。

站任务管理与监控分系统主要由任务管理服务器、控制／监视计算机、接口组件和相关的支持软件组成，主要任务是根据运行管理部门下发的任务计划形成数据接收、记录及传输计划；自动或手动控制系统配置参数，完成跟踪、接收、记录及传输任务；对各分系统进行统一监控管理；将任务执行情况上报接收管理和监测分系统。

技术支持子系统主要由天线罩、时统单元、标校、供电、空调等设备组成。

3 关键技术研究

3.1 频率复用技术研究及试验

随着数传码速率的不断增高，频率资源更为紧缺，频率复用技术是解决该问题的有效手段之一。但采用双圆极化频率复用技术的极轨卫星对地数传采用点波束，且卫星（含星上天线）和地面接收站天线是不断运动的，星地天线的对准偏差造成星地合成轴比下降［1］，加之空间传播链路对电磁波去极化的影响［2-3］，给遥感卫星频率复用带来技术难点。国内首次在ZY-3遥感卫星中采用频率复用技术，但对遥感卫星地面接收系统双圆极化频率复用中的关键技术缺乏深入的研究。

针对双圆极化工作方式，我们主要开展了如下几方面的研究及试验。

首先，根据双圆极化频率复用系统交叉极化鉴别率的要求，考虑在单脉冲方式下跟踪精度等因素，并根据星上天馈设备的轴比指标，确定了满足极化复用使用需求的接收系统轴比要求小于等于0.5 dB。

其次，对遥感卫星地面接收系统中影响频率复用（双圆极化）的各种主要因数进行分析，如：辐射方向图不对称，包括喇叭辐射方向图不对称，天线主反射面、副反射面的不对称等产生的交叉极化；馈源结构对交叉极化的影响；反射面曲率对交叉极化的影响；馈源中移相量偏差、幅度传输系数的偏差、圆波导椭圆度等产生的交叉极化；馈源中各正交模耦合器的隔离度对交叉极化的影响；天馈系统驻波对正交辐射场的去极化影响。

第三，研究、制定相应的解决方案，并利用分析计算和仿真试验等手段对制定的解决方案及关键指标进行验证，设计满足双圆极化频率复用的天馈系统结构及技术方案。

最后，在实验室、测试场对所研制的天馈系统的关键技术指标进行全面测试，并对星地系统间不同交叉极化鉴别率情况下的高码速数据接收解调误码性能进行试验研究，验证所设计的地面接收系统对频率复用高码速率遥感卫星数据的接收能力；在接收站，利用已建成的频率复用高码速率遥感卫星数据地面接收系统开展ZY-3、GF系列卫星的星地对接试验，验证星地接口的匹配性、正确性以及双圆极化频率复用方式下高码速数据传输、接收的可行性。

3.2 高码速数据接收链路关键技术研究及试验

高码速数据的接收给地面系统接收链路提出了更高更新的技术要求。随着码速率的提高，对接收链路的相位噪声、链路幅频特性、高码速数据传输的要求也越高，幅度、相位的自动均衡等成为高码速数据接收的关键技术。

针对高码速数据接收链路，我们主要开展了如下三方面的研究及试验。

（1）变频方案研究

针对ZY-3、GF系列卫星需求，并考虑兼顾未来的技术发展，接收链路设计需满足大于600 Mbit／s高码速数据接收需求，因此目前遥感卫星地面接收系统常用的720±250 MHz中频及带宽已不能满足需求。为此，我们将中频及带宽设计为1 200± 350 MHz，利用ADS软件建模分析研究不同变频方案的组合干扰，选取组合干扰最少、性能最优的变频方式作为系统的变频方案。

（2）数据接收链路误码性能分析研究

高码速率数据接收要求在更宽的频带内，接收链路具有一致的特性，包括幅频特性、相频特性（含群时延特性）等。但实际上，地面接收系统的信道设备，如变频器、电缆、低噪声放大器、滤波器等都具有不同程度的幅频特性、相频特性不平坦以及非线性，从而导致传输的码间干扰。随着码速率的提高，接收链路的相位噪声、幅频特性对系统误码性能的影响也增大。考虑到卫星信道的群时延特性变化较大，对幅频自动均衡问题，需要采用高速的自适应盲均衡技术进行补偿。

针对上述问题，我们分析计算和仿真研究了相位噪声、幅频特性等对系统误码性能的影响，制定了详细的技术方案及关键技术指标需求，并利用现有地面接收系统，试验验证接收链路在不同群时延情况下国内外自适应盲均衡器对系统误码性能的改善能力。

（3）高码速数据的网络传输试验研究

目前，国内外遥感卫星地面接收系统均采用ECL差分输出的方式传输中频数字信号，其缺点是不适合长距离高码速数据的传输。随着计算机及网络技术的发展及数字高码速调制解调设备技术发展，使得利用网络取代以前的中频数据切换开关成为可能。网络传输具有传输距离长、码速率高等优点，将成为新的发展趋势。我们搭建了实验平台，对网络传输高码速中频数字信号相关技术进行了试验研究。

4 系统设计

4.1 系统体系结构设计

（1）硬件设备体系结构

系统设备体系结构设计可以为各接收站建立一个良好的设备架构。如图2所示，本系统设计时考虑了与已有系统的兼容性及未来发展的可扩展性，采用模块化、一体化开放式体系架构的设计思路，为高速数据接收站建立了一个良好的体系结构。

设计中规范设备的硬件接口，提升设备的标准化、规范化程度；各接收站配置射频开关矩阵、中频均衡开关矩阵、数据分配单元及合理的电平分配，实现射频统一、中频统一及统一基带数据接口，既可以实现设备可根据任务需要灵活配置，又可以实现设备共享，提高设备利用率，同时便于系统扩展；新研设备与成熟的标准同类设备采用相同接口，在保证系统先进性的同时增加系统的适应性、降低技术风险。

各接收站配置相同的光传输设备、各类开关矩阵、下变频器、解调设备及数据记录设备，可实现各站备件的共享，节省维护运行成本。

图2 硬件设备体系结构图Fig.2 Architecture diagram of the hardware

（2）软件体系结构

为了提高系统的自动化运行管理能力，使系统具有良好的可扩充性，应用软件采用多层体系结构，体系结构风格为C／S结构与B／S结构相结合，包含支持业务管理及数据处理显示的C／S结构，并通过WEB向外提供地面数据接收站信息查询服务（B／S结构），为用户提供全面的、集中的任务管理与设备监控功能，并实现地面数据接收站的远程管理与监控功能。

应用软件分为数据层、业务（或功能）层及表示层。

4.2 天馈结构及技术方案设计

依据频率复用相关技术需求，及频率复用关键技术研究和试验结果，我们对天馈结构及技术方案进行了深入细致的分析研究、设计。具体结构及技术方案设计如下。

（1）双反射面天线

采用结构旋转对称的双反射面天线，并严格控制双反射面天线的制造公差，确保双反射面天线本身产生的交叉极化分量在-35 dB以下。抛物面天线焦平面归一化交叉极化分量与抛物面的焦距F对其口径D之比的平方成反比［4］，因此在综合考虑副反射面的位置、口径，以及结构情况等后，选用焦径比（F／D）大的结构有利于降低交叉极化分量。

（2）S／X馈源

如图3所示，采用五喇叭体制的S／X组合馈源，这种体制馈源的两个频段的信号之间不直接产生关联，避免了双频共用喇叭形式中出现的对X频段信号影响问题。中间为X频段喇叭，采用在宽频带内具有近乎轴对称的辐射方向图、较低的旁瓣、优良的反射特性和极低的交叉极化性能的波纹喇叭［4-5］。外围的4个S频段切角喇叭通过组合产生S频段所要求的和差信号。为减小对S频段指标的影响，及减小S馈源体积，S频段的馈源组合网络采用带状线形式；X喇叭采用高性能小张角的波纹喇叭。

图3 S／X馈源结构图Fig.3 Feed structure diagram of Sband and X band

（3）X频段馈源

高性能小张角的波纹喇叭、高性能宽频带跟踪模耦合器、高精度移相器的设计是X频段馈源实现低圆极化轴比的关键。波纹喇叭的设计首先综合考虑S／X双频天线的效率和旁瓣特性，优化设计X频段波纹喇叭对副面边缘的照射角；其次优化设计波纹槽参数，以便有效地抑制波纹喇叭中对交叉极化影响较大的高次模。跟踪模耦合器的耦合孔采用角对称的结构，并优化设计波导的结构尺寸以及耦合孔的分布和间距；为加工方便耦合孔选用小圆孔。高精度移相器的设计在综合分析技术需求、各类移相器的性能及加工、安装、调试等因素后，采用介质加载移相器，相移偏差δ控制在｜90°±1.8°｜。

4.3 高码速数据接收链路体系结构和技术方案设计

依据高码速数据接收链路相关技术需求及其相关的关键技术研究和试验结果，我们对高码速数据接收链路体系结构和技术方案进行了深入细致的分析研究、设计。具体设计如下。

（1）变频方案

采用一次变频方案，中频频率及带宽设计为1 200±350 MHz。

（2）X数据下变频器

X数据下变频器是实现星地高速数传接收的重要设备，也是高性能宽带信道技术设计的关键设备。针对低轨卫星高速数据接收的特点，选取群时延较小的滤波器，使1 GHz信息带内的群时延波动不超过3 ns；变频器本振源选用RS信号源，其1 kHz相噪优于-100 dBc／Hz，100 kHz相噪优于-120 dBc／Hz，以改善接收链路因噪声相位抖动造成的解调损失。

（3）高码速调制解调器

采用全数字通用型高码速调制解调器（QPSK达到10～640 Mbit／s），具备BPSK、UQPSK、QPSK、S／OQPSK、8PSK等多种调制／解调方式，及VITERBI、RS和TCM编译码功能；解调损耗小于1.0 dB，具有帧同步、数据记录功能，及ECL、千兆以太网数据输出能力。

（4）幅度、相位均衡

采用中频均衡器对高码速宽带接收链路的幅频特性进行均衡，采用自适应盲均衡器对高码速宽带接收链路的相频特性（含群时延特性）进行自动均衡，改善接收链路的幅频特性、相频特性不平坦以及非线性而导致传输的码间干扰。盲信道均衡不仅实现多径传输、信道衰落等的均衡，也可均衡接收信道中的电路不理想特性（如幅频特性不平坦和群时延特性不平坦）。

（5）高码速数据的传输设计

解调后的高码速数据可经ECL接口、千兆以太网输出给记录设备。通过网络传输具有传输距离长、码速率高等优点，将成为新的发展趋势。

5 系统主要技术特点

系统的主要技术特点如下。

（1）采用新技术，提升系统的技术先进性和可扩展性

1）在宽频带内实现了低轴比，具备接收双频率复用（4下行通道）的卫星信号；

2）采用1.2 GHz中频、高码速低损耗的数据解调器、盲均衡技术，具备接收更高码速的卫星信号；

3）采用设备“即插即用”技术，实现接收站信道和解调设备的零代码的接入，提高系统的可扩展性。

（2）采用一体化设计，提高系统可靠性和设备利用率，降低运行维护成本

1）通过射频开关矩阵、测试开关、中频均衡分配单元、DPS对多套接收系统设备进行自动拆分／重组，使地面接收站设备具备矩阵切换能力；

2）统一规划设计各设备的物理接口、电气接口，具有站内、站间互为备份的能力；

3）通过站级的控制与管理对全站设备进行组织调配和控制管理，并统一负责对外信息交互，从而使全站形成一个有机的运行整体。

（3）自动化运行管理、测试与故障诊断，大幅提高系统自动化水平

1）软件采用C／S与B／S结合的多层体系结构，可实现软件的多重、灵活部署，同时可提高软件的可靠性和可扩充性；

2）采用基于规则的任务分配方式，实现全接收站卫星任务对天线及共享设备的自动动态分配；

3）自动化测试采用基于计划的驱动方式，实现多项／多组测试的自动化执行；

4）系统可实现日常操作的全自动化，可实现全站的无人操作管理。

6 系统测试

已完成3套频率复用高码速率遥感卫星地面接收系统的研制、安装调试、测试验收工作，并已投入运行，系统工作正常。系统主要指标测试结果如下：

（1）系统G／T值：大于等于36 dB／K（X频段），大于等于22.5 dB／K（S频段）；

（2）轴比：小于等于0.5 dB（X频段，频率7.95～8.95 GHz，波束中心±0.02°范围）；

（3）跟踪精度：优于1／10半功率波束宽度（X、S）；

（4）调制／解调方式：QPSK、S／OQPSK、8PSK；

（5）数据接收码速率：10～640 Mbit／s（QPSK、S／OQPSK），10～960 Mbit／s（8PSK）；

（6）群时延：3 ns／7 950～8 950 MHz；

（7）带内平坦度：小于±1.5 dB／全频段（均衡以后），小于±0.5 dB／50 MHz（均衡以后）；

（8）误码性能：在BER=10-4～10-7范围内，Eb／N0偏离理论值：小于等于2.0 dB（QPSK、S／OQPSK），小于等于2.5 dB（8PSK）；

（9）盲均衡性能：对450Mbit／s的OQPSK无噪声信号，当引入的信道失真折合Eb／N0为9.4 dB时，均衡器能提供2 dB增益，将解调BER从1.8×10-5减小到1×10-7以下。

测试和运行结果表明：系统主要性能指标达到了国际先进水平，满足频率复用高码速数据接收的技术需求，已成功接收ZY-3卫星数据（频率复用、码速率450 Mbit／s×2）。

7 结束语

本文所设计的频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统已应用于“陆地观测卫星数据全国接收站网建设项目”建设工程中，系统主要性能指标达到了国际先进水平，并已成功接收了国内首颗双圆极化频率复用遥感卫星（“资源三号”卫星，双圆极化频率复用、码速率450 Mbit／s×2）数据的接收。

系统的研制实现了宽频带低轴比X／S组合馈源，通用型全数字高性能低损耗、高码速调制解调器等关键设备研制、工程化，促进了卫星地面接收系统设备的国产化，且其技术指标已达国际先进水平。

［1］沈民谊，蔡镇元.卫星通信天线、馈源、跟踪系统［M］.北京：人民邮电出版社，1993：9-10. SHEN Min-yi，GAI Zhen-yuan.Satellite Communications Antenna，Feed and Tracking System［M］.Beijing：People′s Posts＆Telecommunications Press，1993：9-10.（in Chinese）

［2］Roddy D.Satellite Communications［M］.3th ed.Beijing：Tsinghua University Press，2003：115-118.

［3］Vassear H.Degradation of Availability Performance in Dual -Polarized Satellite Communications System［J］.IEEE Transactions on Communications，2000：48（3）：465-472.

［4］杨可忠，杨智友，章日荣.现代面天线技术［M］.北京：人民邮电出版社，1993：9-10. YANGKe-zhong，YANG Zhi-you，ZHANG Ri-rong.New Technology of Modern Antenna［M］.Beijing：People′s Posts＆Telecommunications Press，1993：9-10.（in Chinese）

［5］吕洪生，杨新德.实用卫星通信工程［M］.成都：电子科技大学出版社，1994：97-99. LV Hong-sheng，YANG Xin-de.Practical Satellite Communication Engieering［M］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China Press，1994：97-99.（in Chinese）

WANGWan-yu was born in Dangtu，Anhui Province，in 1962.He received the M.S.degree in 1990.He is now a senior engineer of professor and also the instructor of graduate students. His research direction is signal and information processing.

Email：wywang＠ceode.ac.cn

张宝全（1966—），男，河北人，1988年获学士学位，现为高级工程师、硕士生导师，主要研究方向为信号与信息处理；

ZHANG Bao-quan was born in HebeiProvince，in 1966.He received the B.S.degree in 1988.He is now a senior engineer and also the instructor of graduate students.His research direction is signal and information processing.

刘爱平（1960—），女，北京人，1982年获学士学位，现为研究员，主要研究方向为航天测控及信号与信息处理；

李娟妮（1979—），女，陕西人，2002年获学士学位，现为工程师，主要从事天线及微波技术研究；

LIJuan-niwas born in Shaanxi Province，in 1979.She received the B.S.degree in 2002.She is now an engineer.Her research concerns antenna andmicrowave.

李凡（1981—），男，北京人，2004年获学士学位，现为工程师，主要研究方向为信号与信息处理；

LIFan was born in Beijing，in 1981.He received the B.S. degree in 2004.He is now an engineer.His research direction is signal and information processing.

王强（1983—），男，北京人，2006年获学士学位，现为工程师，主要研究方向为信号与信息处理。

WANGQiang was born in Beijing，in 1983.He received the B.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is signal and information processing.

Design of Data Receiving System for Frequency Reuse High Data Rate Remote Sensing Satellites

WANGWan-yu1，ZHANGBao-quan1，LIU Ai-ping2，LIJuan-ni3，LIFan1，WANG Qiang1
（1.Center for Earth Observation＆Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；3.The 39th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xi′an 710065，China）

To solve the key technologies of dual circular polarization frequency reuse and high data rate reception，this paper analyses themain factors that affect the system cross-polarization discrimination and the error performance of high data rate receiving link，proposes the architecture and design of antenna and feed，high data rate receiving link.Accordingly designed and realized system has successfully

ZY-3 satellite（China′s first remote sensing satellite with dual circular polarization frequency reuse and data rate of 450 Mbit／s×2）data.

remote sensing satellite；data receiving system；dual circular polarization；frequency reuse；high data rate；blind equalization

ngwas in Beijing，in 1960.She received the B.S. degree in 1982.She is now a professor.Her research concerns TT＆C，signal and information processing.

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.001

王万玉（1962—），男，安徽当涂人，1990年获硕士学位，现为研究员、硕士生导师，主要研究方向为信号与信息处理；

1001-893X（2012）04-0423-06

2012-03-31；

2012-04-17