站点分集对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路的影响分析

王中果徐常志田志新辛保礼张爱兵郑小松

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2空间电子信息技术研究院，西安 710100）

站点分集对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路的影响分析

王中果1徐常志2田志新1辛保礼2张爱兵2郑小松2

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2空间电子信息技术研究院，西安 710100）

采用国际电信联盟（ITU）的星地链路计算模型，推导出考虑站点分集增益后的大气总体衰减计算公式，并据此定量仿真分析站点分集对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路可用情况的改善效果。为综合衡量星地系统的费效比，提出站点效能因子指标，并依据此指标对站点分集效能进行定量分析。分析结果表明：站点分集可改善Ka频段星地数传链路的可用情况，且对降雨量较大站点的改善效果更为明显，但仅针对单颗卫星而言，其费效比不具备优势。文章采用的分析方法和提出的站点效能因子指标，可推广到其他频段的星地数传链路分析中，为卫星的总体分析设计提供参考。

低轨遥感卫星；Ka频段；站点分集；站点效能因子；分集增益

1 引言

目前，国内遥感卫星主要采用四相相移键控（QPSK）或参差四相相移键控（SQPSK）调制方式进行星地数据传输，传输频段为X频段，带宽仅为375 MHz［1］。随着遥感卫星空间分辨率的不断提高，有些载荷数据率相应大幅提升，有限的传输通道带宽制约着卫星效能的发挥，无法满足用户对海量遥感数据的需求，成为制约遥感卫星总体性能提升的瓶颈。综合考虑数据传输系统的工程实现可行性和海量数据下传需求，高空间分辨率低轨遥感卫星采用Ka频段进行对地数据传输是将来更好的选择方案［2］。然而，由于Ka频段频率较高，电磁波在传播路径上受雨、云、氧气、水蒸气、电离层闪烁等因素影响，信号衰减比X频段更严重。强降雨在星地数传链路上造成大幅衰减的小区，其水平范围通常不会超过几千米，因此，可将业务流量绕行至特定空间间隔外的其他地面站，以提高系统的可靠性，这种方式称为“站点分集”［3］。站点分集本质上是一种空间分集方式，将多副接收天线安置在空间间隔足够大的位置，利用多条信号路径传输相同信息，而且这些路径具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落的特性，通过在接收端选择降雨导致衰减（简称“雨衰”）更小的一路信号，或者对多路信号进行合并处理，改善传输的可靠性，减小接收信号在时间上的衰减量。由此方式带来的雨衰减小量称为站点分集增益。作为提高链路可用率的一种方式，站点分集在国外已有一定研究基础［4-6］，但均针对地球静止轨道的通信卫星，目前国内文献尚未涉及站点分集应用于低轨遥感卫星的量化分析。例如：文献［7］中将站点分集称为“地面站备份”，仅指出这是一种常用的抗Ka频段雨衰策略，但并未对其开展进一步的研究，文献［8］中提出“上行链路实时动态补偿、下行链路固定补偿”的Ka频段雨衰补偿方式，文献［9］中详细分析了“RS码作为外码、基于1/2卷积码的可变码率收缩码作内码加交织器构造自适应级联码”对Ka频段下行链路抗衰减的原理和性能。不过，文献［7-9］中也都只针对地球静止轨道通信卫星。

本文首先给出了星地数传链路关键影响因素分析原理；推导出考虑站点分集增益后的大气总体衰减计算公式；然后对北京站和喀什站的净分集增益进行定量仿真分析；再对其采用站点分集的链路可用情况改善效果进行定量分析；最后提出一种新的量化指标——站点效能因子，用于表示单位建设成本所获取的链路可用率，并通过该指标的寻优处理来衡量站点分集的费效比。本文分析方法可为未来低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输的工程设计提供参考。

2 星地数传链路关键影响因素分析原理

2.1 大气总体衰减

国际电信联盟（ITU）根据地球上不同地点的多年统计数据，建立了可预测任意地点、不同频段星地传输射频信号的多种大气衰减方法，包括雨衰［3］、云导致的衰减（简称“云衰”）［10］、水蒸气和氧气导致的衰减（简称“气体衰减”）［11］、对流层闪烁导致的衰减（简称“闪烁衰减”）［3］。

对于18 GHz以上工作频率的系统，尤其是在地面站天线低仰角和/或系统低余量时，必须考虑多源同生大气衰减的效应。大气总体衰减代表着雨、气体、云和闪烁的综合效应，ITU通过对全球所有纬度地区多年的地-空数据进行比对，拟合出如下计算公式，其总体均方根误差约为25%，可用于定量分析［3］。

式中：AT（p）为大气总体衰减，dB；p为衰减超过的概率，可表示“链路不可用率”，即在一年中对应比例时间内衰减量超过系统设计的余量，所提供的数据质量无法满足使用需求时，可认为链路不可用；AG（p）为水蒸气和氧气导致的固定概率的气体衰减，dB；AR（p）为降雨导致的固定概率的衰减，dB；AC（p）为云导致的固定概率的衰减，d B；AS（p）为对流层闪烁导致的固定概率的衰减，dB。

2.2 站点分集增益

如图1所示［4］，两个站点存在一定空间间隔，在地面站2与卫星之间路径出现降雨时，地面站1与卫星之间路径刚好没有降雨出现，则可选择地面站1进行接收。采用此种工作方式，可有效减小传输信号的衰减，提高链路的可靠性。

对低轨遥感卫星而言，如果两个站点对应的两条链路的衰减门限值相等，则该站点分集系统属于平衡类系统。对于两个站点空间间隔小于20 km的短距离平衡系统，利用以下5个参数即可计算出站点分集增益［3］：两个站点空间间隔d，km；单个站点的路径雨衰A，d B；频率f，GHz；仰角θ，（°）；传播路径方位与站点间基线的夹角ψ≤90°。

图1 站点分集示意Fig.1 Sketch of site diversity

站点分集增益的计算步骤如下［3］。

（1）利用式（2）计算空间间隔产生的增益。

式中：a的计算见式（3）；b的计算见式（4）。

（2）利用式（5）计算频率相关增益。

（3）利用式（6）计算仰角相关的增益项。

（4）利用式（7）计算基线相关增益。

（5）利用式（8）计算净分集增益。

记Asite1（t）和Asite2（t）分别为t时刻两个站点的雨衰，单个站点该时刻的分集增益如下［6］。

可以看出，任意时刻，Gnet1（t）和Gnet2（t）两者之一必然为0，因此，如果两个站点联合，该时刻的站点分集增益如下。

考虑到两个站点空间间隔较小（小于20 km），从长时间统计数据来看，其雨衰特性也很相似。因此，站点分集所带来的净分集增益是一个统计量，可表示为两个站点中较大雨衰与较小雨衰差值的概率分布。由于雨衰与链路不可用率相关，因此净分集增益也必然与链路不可用率相关。

从式（8）可以看出，在f、θ和ψ确定的前提下，净分集增益仅与Gd相关。从式（3）和式（4）可以看出，Gd仅由单个站点的路径雨衰A确定，即式（1）中定义的AR（p）。因此，在其他参数均确定的前提下，净分集增益可表示为链路不可用率的函数Gnet（p）。

按照上述分析，可以推导出考虑站点分集增益后的大气总体衰减计算公式如下。

3 实际应用分析结果

3.1 站点分集增益仿真分析

3.1.1 空间间隔产生的增益

ITU规定用于低轨遥感卫星下行数据传输的Ka频段范围为25.5～27.0 GHz［12］，本文选择高端频率27.0 GHz进行分析，按照式（5）得到Gf＝0.472。实际使用中，通常要求地面站接收天线在接收仰角5°时开始跟踪低轨遥感卫星，且随着接收仰角的增大，大气总体衰减逐渐变小［2］，因此本文选择5°仰角的最恶劣情况进行分析，按照式（6）得到Gθ＝1.03。由于两个站点的位置选择较多，传播路径方位与站点间基线的夹角范围较宽，理论上0°≤ψ≤90°均可能出现。但从式（7）可以看出，基线相关增益Gψ是ψ的线性函数，其最小值和最大值在ψ＝0°和ψ＝90°时得到，分别为1.00和1.18。

由式（8）可以看出，在Gf、Gθ和Gψ均确定的前提下，净分集增益的变化规律仅由式（2）中的空间间隔产生的增益Gd确定，而Gd由两个站点空间间隔d和单个站点的路径雨衰A确定，图2给出了三者的关系示意。

从图2可以看出：

（1）两个站点空间间隔d相同时，雨衰A越大，增益Gd越大。

（2）雨衰A相同时，增大两个站点空间间隔d，可以提高增益Gd。

（3）当两个站点空间间隔d超过10 km时，增益Gd改善效果不明显。

图2 空间间隔产生的增益Fig.2 Gain contributed by spatial separation

3.1.2 净分集增益

图2仅从数据大小角度分析了空间间隔产生的增益与两个站点空间间隔及单个站点雨衰的关系。雨衰与链路不可用率密切相关，且与站点的地理位置密切相关。为此，选择喀什站和北京站进行分析，平均每年在超过0.01%的时间内，其降雨量分别达到12 mm/h和50 mm/h［13］，分别对应于干旱少雨和降雨量中等这两种情况。两个站点均选择直径12 m、效率50%的大型反射面天线。

图3和图4分别给出了北京站和喀什站的净分集增益仿真结果。链路不可用率与雨衰一一对应，与第3.1.1节的结论对应，可以看出：

（1）在两个站点空间间隔相同时，对同一个站点，链路不可用率增大时，由于雨衰减小，净分集增益对应减少；同时，在同一链路可用率下，由于喀什站干旱少雨，雨衰小于北京站，因此其净分集增益也小于北京站。

（2）在同一链路不可用率下，增大两个站点空间间隔可增大净分集增益。

（3）两个站点空间间隔超过10 km时，曲线基本完全重合，净分集增益基本不再改变。

图3 净分集增益（北京站）Fig.3 Net diversity gain of Beijing station

图4 净分集增益（喀什站）Fig.4 Net diversity gain of Kashi station

3.2 链路可用情况改善效果仿真分析

按照式（1）和式（12）的计算方法，图5和图6分别给出了北京站和喀什站在不同链路不可用率下对应的大气总体衰减情况，并对比采用单个站点接收及不同空间间隔下的站点分集接收情况。从图5和图6可以看出：

（1）站点分集带来了净分集增益，在相同的链路不可用率下，可有效减小大气总体衰减，但随着链路不可用率的增加，对应的净分集增益也逐渐减小，使大气总体衰减的改善量也逐渐减小。

（2）在固定的大气总体衰减值下，站点分集可减小链路不可用率，即提高了链路可用率。

为了定量分析改善效果，下面选取一些典型情况进行分析。工程设计时，为了克服大气总体衰减（尤其是雨衰）而为系统预留20 dB以上余量是极不经济的一种选择，因此选择10～20 d B系统余量（对应于大气总体衰减）进行分析。

图5 大气总体衰减（北京站）Fig.5 Total attenuation of Beijing station

图6 大气总体衰减（喀什站）Fig.6 Total attenuation of Kashi station

由第3.1.1节的分析可知，当空间间隔超过10 km时，增益的改善效果不明显，因此选择两个站点空间间隔10 km的典型情况进行分析。此外，传播路径方位与站点间基线的夹角ψ＝90°时，所带来的净分集增益最大，因此也选择这种情况进行分析。

从图5（b）可以看出，单个站点接收和站点分集接收的大气总体衰减在10～20 dB时，北京站的链路不可用率为1.00%～5.00%。从图6（b）可以看出，单个站点接收和站点分集接收的大气总体衰减在10～20 dB时，喀什站的链路不可用率为0.01%～0.30%。为了更清楚地显示出不同大气总体衰减值对应的链路不可用率，选取更密集的链路不可用率数据进行仿真分析，结果如图7所示，具体的链路不可用率对应情况如表1所示。

图7 链路可用情况改善效果仿真结果Fig.7 Simulation result of link availability improvement

表1 链路不可用率改善情况Table 1 Reduction of link unavailability %

从表1可以看出：

（1）对特定的站点，大气总体衰减（系统余量）减小时，站点分集所带来的链路可用率改善值增大。

（2）大气总体衰减相同时，采用站点分集所带来的链路可用情况改善结果，降雨量中等的北京站优于干旱少雨的喀什站。

3.3 站点效能因子仿真分析

虽然站点分集可有效改善低轨遥感卫星的链路可用情况，但“单个站点＋单颗卫星”与“两个站点＋单颗卫星”相比，增加的一个站点必然会使建设成本增大，而建设成本与链路可用率之间应该存在一个良好的折中，使单位建设成本所获取的链路可用率最大，费效比最低。为此，定义站点效能因子为

式中：AL为链路可用率（与链路不可用率之和为100%）；Money为总建设成本。

假设一颗卫星的成本为1，一个站点的建设成本为x，则在“单个站点＋单颗卫星”配置方式下，站点效能因子为

在“两个站点＋单颗卫星”配置方式下，站点效能因子为

按照式（14）和式（15）的定义，为了使站点分集更有优势，则ED＞ES，即

结合表1数据，可以计算出：

（1）对于北京站，x＜0.006 20时，站点分集才更有优势。

（2）对于喀什站，x＜0.000 36时，站点分集才更有优势。

不过，在实际工程实现时，一个站点建设成本仅为一颗卫星建设成本的0.620%或者0.036%，是很难实现的。因此，按照式（13）提出的方式进行评价，站点分集很难具有优势。

结合表1中数据，假设x＝0.050 00，北京站和喀什站的站点效能因子如图8所示。从图8可以看出：

（1）对北京站或喀什站，单个站点接收的站点效能因子优于两个站点接收。

（2）对同一种接收方式（单个站点或两个站点），干旱少雨的喀什站的站点效能因子优于降雨量中等的北京站。

图8 站点效能因子Fig.8 Site effectiveness factor

4 结论

本文通过对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路中站点分集的定量影响分析，得出如下结论。

（1）站点分集可改善Ka频段星地数传链路的可用情况，且对降雨量较大的站点，其改善效果更为明显。

（2）同一颗低轨遥感卫星在同一地区建立两个站点接收下传数据，就建设成本而言，不具备优势，费效比较高。

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（编辑：夏光）

Effect Analysis of Site Diversity on Satellite-to-earth Data Transmission Link at Ka-band of LEO Remote Sensing Satellite

WANG Zhongguo1XU Changzhi2TIAN Zhixin1XIN Baoli2ZHANG Aibing2ZHENG Xiaosong2
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Academy of Space Electronic Information Technology，Xi'an 710100，China）

This paper adopts the satellite-to-earth propagation model proposed by ITU（International Telecommunications Union），deduces the total attenuation which considers net diversity gain，and analyzes quantitatively the link availability improvement of a LEO remote sensing satellite which uses site diversity scheme at Ka-band.To evaluate the cost-effectiveness ratio of system，the site effectiveness factor figure is proposed，and the effectiveness of site diversity is conducted quantitatively.Simulation results show that the site diversity can improve the link availability，especially for the area of higher rain rate，but cost-effectiveness ratio is not preponderant for only single satellite.The analysis method used and the site effectiveness factor figure proposed in this paper can be generalized to satellite-to-earth data transmission link analysis at other bands，and provide special reference for system analysis and design of a satellite.

LEO remote sensing satellite；Ka-band；site diversity；site effectiveness factor；diversity gain

V474.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.012

2015-01-04；

：2015-03-04

王中果，男，硕士，工程师，从事低轨遥感卫星数据传输总体设计工作。Email：wang_zhongguo@sohu.com。