极化复用在遥感卫星接收系统中的工程化应用

徐崇彦，张言锋，闫东磊

(1.北京遥感信息研究所，北京 100192；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

极化复用在遥感卫星接收系统中的工程化应用

徐崇彦1，张言锋1，闫东磊2

(1.北京遥感信息研究所，北京 100192；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

针对低轨遥感卫星双频点极化复用数传模式，研究遥感接收系统设计及工程化应用技术，通过对星地联合隔离度影响进行理论分析、星地无线极化复用试验，验证了极化复用技术实现可行性，采用极化对消解调技术，并通过卫星双点频极化复用模式数据的实际接收试验，验证了卫星极化复用模式数据接收可靠性,实现了双频点四通道极化复用的工程化应用。

极化复用技术；低轨遥感卫星；极化对消；极化隔离；交叉极化

0 引言

目前，采用功率利用率较高的二相调制(BPSK)或四相调制(QPSK)方式的低轨遥感卫星，在X频段进行星地数据传输，频率范围一般均符合国际电信联盟(ITU)规定的8 025～8 400 MHz，带宽仅为375 MHz[1]。然而，随着遥感技术的飞速发展，遥感卫星空间分辨率的不断提高，获取的遥感信息量呈几何级数增长，对星地链路传输信息速率提出了更高的要求。

随着遥感卫星接收速率的不断提高，极化复用技术逐渐成为研究热点，但大多限于理论层面，文献[2]利用ITU的星地链路计算模型，给出了雨衰和降雨去极化效应的影响分析；文献[3]提出了全数据交叉极化干扰消除器的设计方案，研制了具有交叉极化干扰消除、解调功能的一体化工程样机；文献[4]针对极化干扰对星地数据传输系统的影响，推导星地数据传输系统极化干扰的理论值，仿真数据传输系统在不同的调制体制和信道编码方式下的误码率恶化情况，比较在相同程度的极化干扰下各体制传输的性能，分析星地遥感数据传输系统所受极化干扰影响的规律。文献[5]通过对遥感卫星极化复用数据传输链路的分析，研究了交叉极化的产生及其对链路极化损耗的定量影响。

上述的理论分析多基于静态接收系统开展研究，但低轨遥感卫星接收过程是个动态时变过程，本文基于低轨遥感卫星接收的动态时变过程开展分析，发现星地联合隔离度将随着卫星轨道实时变化，同时地面站跟踪卫星也存在动态滞后，通过搭建试验系统量化指向角度偏差对隔离度产生的影响，得出采用极化复用技术在低轨遥感卫星接收过程中产生的极化干扰，并定量分析在不同情况下对接收误码率产生的影响，最后通过试验验证极化干扰对解调的影响及极化对消解调的有效性。

1 星地联合隔离度指标分析

星地链路极化隔离度指标取决于卫星天线隔离度、地面天线隔离度、卫星天线轴比和地面站天线轴比矢量间夹角以及卫星天线和地面天线的指向偏差。在卫星天线和地面天线完全对准及矢量夹角为0°的情况下，星地链路极化隔离度最大。

设卫星天线的轴比为VAR星，地面站天线的轴比为VAR地，星地合成轴比为VAR合成，则

(1)

式中，轴比单位为dB值。2α为卫星天线轴比与地面站天线轴比矢量间夹角，即当2α=0°时合成轴比最大，当2α=180°时合成轴比最小。

星地交叉极化隔离度计算公式为：

(2)

式中，XPI和VAR均为dB值。若VAR为卫星天线轴比，则计算的XPI为卫星交叉极化隔离度；若VAR为地面站天线轴比，则计算的XPI为地面站交叉极化隔离度。同样地，若VAR为星地合成轴比，则计算的XPI就是星地合成交叉极化隔离度。

同样利用交叉极化隔离度也可以计算轴比，计算公式为：

(3)

因此，为通过卫星和地面各种交叉隔离度情况得出合成的交叉隔离，按以下方式进行：利用式(3)计算某一种组合下的卫星及地面站轴比，再利用式(1)计算出合成最大轴比和合成最小轴比，最后利用式(2)计算出相应的最小和最大星地联合交叉极化隔离度。

2 天线隔离度对信号信噪比的影响分析

设接收的左旋极化信号为S1=SL+NL。式中，SL为有用信号；NL为噪声。右旋极化信号为S2=SR+NR。式中，SR为有用信号；NR为噪声。

考虑一路信号对另一路信号的干扰(2路信号之间的相互干扰影响一致，现以接收的左旋极化信号干扰右旋极化信号为例)，则受干扰支路的信噪比变为：

(4)

式中，A为两通路之间的隔离度，当两通路信噪比和总能量完全一致时，通过计算，仿真结果与理论计算的情况基本一致。不同极化隔离下误码率曲线如图1所示。

图1 不同极化隔离下误码率曲线

3 星地隔离度指标测试验证

上述分析了星地隔离度对信号信噪比的影响，以及在星地互指准确的情况下星地极化隔离度的最大和最小计算方法，但未考虑天线星地指向存在偏差的情况，为了更好地分析天线跟踪卫星过程中存在动态滞后的情况下星地极化隔离度情况，进行了星地联合极化隔离度测试，并给出了在不同隔离度下的误码率曲线。

卫星天线发射单载波右旋或左旋信号，地面天线分别用右旋和左旋通道接收，得到2个电平值，将2个电平值做差，即得到星地联合隔离度；拉偏星地天线，重复测量，得到天线拉偏时的联合隔离度[6-7]。

星地联合隔离度测试结果如图2所示。由图2可以看出，与星地互指准确的情况下相比，存在指向偏差时，星地联合隔离度明显下降。2条曲线的趋势一致，随着偏置角度增大，联合隔离度减小，在对准情况下联合隔离度基本处于最大值位置。通过理论计算得出星地联合隔离度范围；在星地互指准确的情况下，实际测量的星上天线和地面天线对准后的联合隔离度与理论分析相符。极化隔离下误码率曲线如图3所示。

图2 星地联合隔离度示意

图3 极化隔离下误码率曲线

通过上述分析可知，在天线跟踪存在较大动态滞后误差时，再加上星地实际数传链路中的极化效应(如雨、冰、沙暴和尘暴的影响)，会导致星地联合极化隔离度快速下降，数据接收误码率快速增大，影响数据接收，为了减小极化复用模式下的交叉极化干扰[8-9]，解调器需要研究极化对消技术[10]。

4 极化对消解调技术研究及工程化应用

在极化复用模式下(为了叙述方便，将仅论述右旋通道，左旋通道原理相同)，一个频点的右旋通道中包含了左旋信号的信息，不过左旋信号对右旋信号而言是作为噪声出现的，右旋信号同样有一部份信号泄露到左旋通道中。极化对消技术的目的就是为了将右旋通道中的左旋信号影响消除或减弱，达到提升右旋信号Eb/N0的目的，提高数据接收可靠性[11]。

可在基带实现交叉极化干扰消除功能。考虑到主路和干扰路的信号同步问题，采用在载波同步后进行数据交互方式实现。基带交叉极化干扰消除原理框图如图4所示。

图4 基带交叉极化干扰消除

从研究及工程化实现角度上讲有3个问题需要解决：

① 右旋通道和左旋通道的延时补偿机制。为了使得泄露干扰信号得到最好的去除，需要对右旋信号和左旋信号的群时延进行调整，然而，由于卫星和地面站的相对位置不固定，解调器码速率也不固定，右旋信号和左旋信号的群时延不为固定值，无法手动设置。因此，设计了动态搜索功能，自动搜索两通道信号的最佳时延补偿，以便通道数据对齐从而完成最佳干扰去除。

② 噪声滤波消除技术。在群时延补偿后，泄露干扰信号消除主要通过使用横向滤波器作为自适应滤波器，以使得系统输出功率最小为准则来调节横向滤波器的系数，从而使得输出信噪比达到最大。

③ 右旋通道和左旋通道间的解调软数据交换机制。在高码速率的解调条件下，右旋通道和左旋通道的解调软数据交换速率达到了吉比特量级，采用一般的物理接口已经很难实现，因此，可采用RapidIO接口，速率可达到3 125 Mbps×4，满足任务要求。

在通过上述机制实极化干扰消除后，采用如图5所示的仿真测试方法进行了性能测试：将2路450 Mbps、OQPSK信号经过衰减器和不同长度传输线后叠加到另外一路上来模拟带极化干扰的信道环境，其中，用衰减器对信号幅度进行衰减，传输线用来引入群时延偏差。

图5 交叉极化干扰消除性能测试

在仿真中设置输入信号与白噪声的信噪比为15 dB，极化隔离度为10 dB，在加入极化对消解调技术前，解调后的Eb/N0统计为7 dB(误码率为10-3量级)，加入极化对消技术后，解调后的Eb/N0统计为14 dB(误码率已经降至10-13量级)，约有6 dB以上的性能改善。可见，采用极化对消技术可以给性能带来一个较大的改善。

5 结束语

通过分析不同隔离度对信号信噪比的影响，确定了由极化复用引入的解调损失小于0.5 dB时星地隔离度的指标要求；结合卫星天线隔离度和地面天线隔离度，对星地隔离度进行了分析，得出星地天线互指准确的条件下星地最大隔离度和最小隔离度；在星地指向有较大偏差，星地隔离度恶化的条件下，由极化复用模式引入的噪声将极大地影响数据接收质量，因此设计并实现了解调器极化对消解调技术，可达到6 dB以上的性能改善；进行了星地天线互指准确的条件下和指向有偏差的情况下，星地极化隔离度指标参数测试以及相应的解调损失测试，在卫星设计阶段，验证了双频点极化复用模式接收的可行性，并在卫星发射后，成功实现了卫星双点频极化复用模式数据可靠接收。

[1] 赵 宁.极化复用技术在遥感卫星数据传输中的应用[J].航天器工程,2010,19(4):55-62.

[2] ITU.Radio Regulations(Edition of 2012)[S].Geneva:ITU,2012.

[3] 王万玉,陈金树.交叉极化干扰消除技术研究[J].电讯技术,2013(6)：707-710.

[4] 郝志松,李 聪.极化干扰对星地遥感数据传输影响分析[J].无线电工程,2012,42(4):62-64.

[5] 张莎莎,刘希刚,黄 缙.双圆极化频率复用数传链路极化损耗影响分析[J].航天器工程,2012,12(6):98-102.

[6] 王万玉,李娟妮,张保全,等.宽频带低轴比双圆极化频率复用天馈系统设计[J]电讯技术,2012,52(6)：423-428.

[7] 吕海寰,蔡剑铭,甘仲民,等.卫星通信系统[M].北京：中国邮电出版社,2001.

[8] 王卫民.频率复用通信系统中的交叉极化问题[J].微波学报,2005,21(zl):157-159.

[9] 沈民谊.卫星通信天线、馈源、跟踪系统[M].北京：人民邮电出版社,1993.

[10] CHIOU T W,WONG K L.Broadband Dual-polarized Single Microstrip Patch Antenna with High Isolation and Lowcross Polarization[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2002,50(3):399-401.

[11] OPPENHEIM A V,SCHAFER R W,BUCK J R.离散时间信号处理[M].刘树棠，黄建国，译.西安：西安交通大学出版社，2001.

徐崇彦 女，(1970—)，高级工程师。主要研究方向：空间遥感卫星应用。

张言锋 男，(1976—)，高级工程师。主要研究方向：空间遥感卫星应用。

The Engineering Application of Dual-polarized Technology in Remote Sensing Satellite Receiving System

XU Chong-yan1,ZHANG Yan-feng1,YAN Dong-lei2

(1.BeijingInstituteofRemoteSensingInformation,Beijing100192,China;2.SpaceStarTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100086,China)

With the dual-frequency dual-polarized data transmission mode of LEO remote sensing satellites,this paper studies the design of remote sensing data receiving system and its engineering application.Based on the theoretical analysis of influence of satellite-ground joint isolation and the experiments of satellite-ground dual-polarized wireless link,the feasibility of dual-polarized technology is verified.Based on polarization cancellation demodulation technology and real experiments on data receiving under the dual-frequency four-channel dual-polarized mode,the reliability of dual-polarized technology is verified,and the engineering application of dual-frequency four-channel dual-polarized technology is realized.

dual-polarized technology;LEO remote sensing satellite;polarization cancellation;polarization isolation;cross polarization

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.19

徐崇彦,张言锋,闫东磊.极化复用在遥感卫星接收系统中的工程化应用[J].无线电工程,2017,47(3):75-78.

2016-12-09

国家部委基金资助项目。

V19

A

1003-3106(2017)03-0075-04