低轨遥感卫星Ka频段自适应编码调制应用效能分析

王中果 汪大宝 胡月 鲁帆

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094)

(2 航天恒星科技有限公司,北京 100095)(3 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

在高分辨率对地观测任务中,卫星的遥感载荷将产生海量的观测数据,需要通过星地数传链路传回地面站。这些卫星大多采用太阳同步轨道,以获取稳定的光照条件,并实现星下点轨迹重复覆盖,从而满足全球范围任意目标区域的周期性遥感成像需求。其轨道特点导致进行星地数传的时间十分有限,因此,需要不断提高卫星下行数传链路的传输速率,满足日益增长的海量遥感载荷数据的传输需求[1]。

我国低轨遥感卫星普遍采用X 频段进行星地数传,传输频率范围8025～8400 MHz[2],如资源一号02D[3]、资源三号[4]、高分七号[5]等卫星。其中:资源三号和资源一号02D 等卫星均采用固定编码调制(CCM),固定传输速率,并按最差信道条件(最低仰角5°)进行链路设计。卫星单次对地面站传输过程中,仰角增大引起自由空间损耗减小可达10 dB以上[6],为充分利用这部分余量,高分七号卫星首次采用X 频段可变编码调制(VCM)[7]。随着遥感载荷对数传速率要求越来越高,X 频段375 MHz带宽已难以满足需求,而25.5～27 GHz[2]、带宽1.5 GHz的Ka频段成为卫星数传的发展趋势[8-9]。但是,大气环境对Ka频段影响远大于X 频段,降雨、云等引起的信号衰减将超过10 d B[10]。如果仍按传统CCM 或VCM 设计,需要预留更多的链路余量来克服降雨等引起的信号衰减,造成链路资源的浪费。因此,将开环VCM 结合实时信噪比估计及回传信道,实现闭环自适应编码调制(ACM),随卫星过境信道(距离和大气损耗)的动态变化,选取合适的调制方式和编码码率,提高链路的数据吞吐量[11]。

ACM 较早应用于卫星数字电视广播领域,并写入欧洲DVB-S2协议中[12-13]。鉴于该技术的重要性和成熟度,空间数据系统咨询委员会(CCSDS)形成了131.2-B-1[14]和131.3-B-1[15]蓝皮书标准。但数字电视广播卫星与低轨遥感卫星使用方式差别很大,主要体现在以下3个方面。①数字电视广播通常采用地球静止轨道,星地相对位置不变,地面站仰角通常较大,且星上广泛采用透明转发方式,仅需要在地面中心关口站和地面各用户终端对其前向链路和返向链路实现ACM 方案,并不需要在星上实现ACM[16-17],而低轨遥感卫星对地数传过程中星地相对位置和仰角不断变化,并需要在星上实现ACM。②虽然下行链路均采用Ka 频段,但高轨范围为17.7～21.2 GHz,而低轨范围为25.5～27.0 GHz,受大气影响差别较大。③高分辨率低轨遥感卫星传输速率通常远大于数字电视广播卫星,需要综合考虑星上软、硬件资源约束带来的系统复杂度和工程实现难度,并进行适应性裁剪设计。国内外已有文献针对低轨卫星Ka频段VCM 和ACM 的系统开展了比较分析。文献[10]对比了20 GHz的ACM和CCM 单轨数据吞吐量,与本文分析频率相差较大。文献[11,18-20]中均对26 GHz对地数传链路进行了分析。文献[11]中对比了三亚站晴天和暴雨条件下CCM,VCM,ACM 的数据吞吐量,但仅选取单轨数据,且未充分体现链路各类衰减的综合效果。文献[18-19]中仅分析了VCM,文献[20]中则重点对比分析了ACM 下地面站接收信噪比的不同估计算法。

本文重点对ACM 在低轨遥感卫星中的应用效能进行研究。首先,分析了低轨遥感卫星ACM 调制编码模式优化选择方式,给出了星上自适应模式切换算法、仿真场景及参数;然后,提出了一种用于表示星地传输综合效能的新的量化指标——传输效能因子,并据此针对不同降雨特性的典型地面站的ACM,VCM,CCM 传输性能进行对比分析,用于寻找降雨特性、传输体制等因素对星地综合传输效能的影响规律。

1 ACM 应用于低轨遥感卫星的优化选择策略

1.1 调制编码模式的确定

DVB-S2采用“BCH＋LDPC”级联的前向纠错编码方案,支持编码效率11种(1/4,1/3,2/5,1/2,3/5,2/3,3/4,4/5,5/6,8/9,9/10),调制方式4 种(QPSK,8PSK,16APSK,32APSK),通过组合共形成28 种调制编码模式,解调门限变化跨度可达18 dB,如表1所示。其中:Es为每个传输符号的平均能量;N0为噪声功率谱密度;Es/N0为实际接收的每个符号能量与噪声功率谱密度之比(简称符号信噪比);ηtot为有效频谱效率,它是综合考虑了编码效率、调制方式等因素后每赫兹带宽可传输的原始信息比特率。表1和后文中,[x]表示物理量x按照关系式[x]＝10lg x 取对数。

表1 DVB-S2推荐的调制编码方式组合及解调特性Table 1 Recommended modulation code combination and its demodulation characteristic of DVB-S2

从表1可以看出:随着模式码字的增大,当调制方式发生变化时,由于每个符号携带的比特数增多,即使编码效率降低,在有效频谱效率增大的情况下仍出现了解调门限减小的现象。解调门限大且有效频谱效率小的调制编码模式,性能较差,在选择时删除;而有效频谱效率基本相同但解调门限差别较大的,可删除解调门限更大的。基于此原则,完成第1轮筛选,将模式码字为10,11,15,16,17,22,23 的7 种调制编码模式去掉(见图1),保留剩余21种。

ACM 的实时信道估计存在误差,以基于导频序列的最大似然算法为例,强降雨条件下(降雨率100 mm/h)信噪比估计绝对误差最大约1.5 dB[12]。综合考虑信道估计算法精度及工程实现复杂度,在第1轮筛选的基础上再进行第2轮筛选,筛选原则为:①解调门限变化范围最大化;②相邻模式解调门限相差不小于2 dB。最终选用的模式码字为1,3,6,12,14,20,25,28(如图1中所示),其对应解调门限分别记为[Es/N0]MC(1),…,[Es/N0]MC(8),形成的集合定义为A＝{[Es/N0]MC(1),[Es/N0]MC(2),…,[Es/N0]MC(8)}。

图1 有效频谱效率与Es/N0 关系对比Fig.1 Effective spectral efficiencies versus Es/N0

1.2 星地ACM 自适应模式切换流程

对单圆极化系统,根据文献[21]中的相关定义,可以推导出使用纠错编码时的链路计算公式,具体如下。

式中:PEIRP为卫星天线发射的等效全向辐射功率;Qr为地面站品质因数(通常也称为G/T 值);Rs为射频通道传输的符号速率;L为全部传输损耗(系统损耗),包括自由空间损耗Lf、大气损耗La、天线指向损耗Lrp、极化损耗Lp、调制解调损耗Lmd;M 为系统余量,对低轨遥感卫星而言,一般要求3 d B 的设计余量。

本文使用式(1)进行链路预算,开展相关分析工作。需要注意的是,与低轨遥感卫星通常仅按5°最小跟踪仰角的最恶劣条件开展链路分析设计不同,这里要计算链路各个仰角的符号信噪比,以便综合考虑星地距离实时变化带来的自由空间损耗变化,以及不同地面站位置、仰角、链路可用度等因素带来的大气损耗变化,通过多种因素联合分析ACM 应用效能。

由于大气损耗的时变特性,实际在轨使用时,在任意时刻t,地面接收系统实时预估符号信噪比[Es/N0](t)后,通过上行链路反馈给卫星,作为下一时刻调制编码方式选择的依据。星上ACM的模式切换算法为:在集合A 中选择最大的MC(j),使得[Es/N0]MC(j)＜[Es/N0](t),其中j＝1,2,…,8。

综上,将星地ACM 自适应模式切换过程描述如图2所示。其中,ACM 与CCM,VCM 不同的部分功能模块采用底色标示,便于区分。

图2 ACM 自适应模式切换过程Fig.2 Adaptive handover process of ACM

1.3 仿真场景及参数选择

DVB-S2采用快速傅里叶变换对映射后的同相/正交(I/Q)两路基带脉冲信号进行平方根升余弦滚降滤波,滚降系数α 可选择为0.20,0.25,0.35。按照通信理论,全部利用Ka频段的1.5 GHz带宽,α 取值0.20,0.25,0.35时,Rs分别为1.25 Gbaud,1.20 Gbaud,1.11 Gbaud,传输的最大符号速率为1.25 Gbaud。传输符号速率为1.25 Gbaud时,QPSK,8PSK,16APSK,32APSK 对应的编码后速率分别为2.50 Gbit/s,3.75 Gbit/s,5.00 Gbit/s,6.25 Gbit/s。在解调译码设备方面,目前国际上推出的高速解调器,其解调速率可达3.00Gbit/s以上[22],但暂时难以满足6.25 Gbit/s的32APSK解调需求,因此,可考虑在25.5～27.0 GHz上设置2个传输频点,通过双频点传输方式将单通道传输速率减半,使地面解调器与星上传输速率匹配,此时每个频点传输符号速率减小至625 Mbaud,并且具备工程可行性。

结合工程经验及现有技术基础,单个数传通道的参数设置如表2所示,极化方式选择圆极化。

表2 Ka频段星地数传链路参数Table 2 Parameters of data transmission link at Ka-band

单个射频通道的传输符号速率固定为625 Mbaud时,QPSK,8PSK,16APSK,32APSK 对应的编码后速率分别为1.250 Gbit/s,1.875 Gbit/s,2.500 Gbit/s,3.125 Gbit/s。不同编码效率下,其有效频谱效率不同,导致信道编码前的原始信息码速率也不同,变化范围为306.40～2 783.14 Mbit/s,具体数据见表1。

大气损耗可以细分为电波穿过晴天大气层的吸收损耗,穿过对流层的雨、云等时产生的吸收或散射损耗,因大气和电离层折射率变化而产生的大气闪烁损耗等。在实际对地数传链路中,大气损耗与地面站位置和链路可用度密切相关。为此,地面站选择喀什、北京、三亚,平均在每年超过0.01%的时间内,其降雨量分别达到6.1 mm/h,38.6 mm/h,89.0 mm/h,可代表我国干旱少雨、降雨量中等、降雨丰富3种典型状态。本文根据国际电信联盟(ITU)发布的无线电波在大气气体中的衰减和相关效应(ITU-R P.676-12)[23],设计地对空电信系统所需的传播数据和预测方法(ITU-R P.618-13)[24],以及云雾引起的衰减(ITU-R P.840-8)[25],计算大气吸收损耗、雨衰、大气闪烁及云衰。

2 ACM 应用效能仿真及评估

2.1 传输效能因子定义

对于低轨遥感卫星地面站,在1个回归周期全接收弧段内可接收的总数据量越大,星地链路传输能力越强。但对每个地面站而言,地理位置不同会导致可用接收弧段总长度不同,因此用原始信息的平均传输码速率能更客观地表示星地传输效能。为此,定义低轨遥感卫星对单个地面站的传输效能因子为

式中:AL为链路可用度;Rb(t)为t 时刻的原始信息码速率,Mbit/s;tstart(i)和tend(i)分别为第i 个数传弧段的起始时刻和结束时刻;N 为1个回归周期内的数传弧段个数。

仿真分析时,式(2)的积分需要进行离散化处理,通过等间隔的采样将积分改为累加求和,即

式中:ΔT 为采样间隔;ti,j是第i个数传弧段的第j个采样时刻;Mi是第i个数传弧段的采样点个数。

2.2 传输效能因子仿真分析

考虑太阳同步回归轨道的星下点轨迹重复特性,采用STK 软件对1个回归周期(31天)内喀什站、北京站、三亚站的数传弧段分别进行仿真。综合考虑动态信道模型衰减特性和仿真计算量,传输过程中采样间隔设置为1 s。定量分析结果如表3所示,可以看出:①纬度接近的喀什站和北京站,其传输弧段特性比较接近;②三亚站纬度较低,卫星进入该站的机会相对更少,弧段个数和传输弧段总长度均小于喀什站和北京站,相对比例约为79%;③3个地面站传输弧段的最短长度、最长长度、平均长度的统计特性比较接近,与纬度关系不大。

表3 星地数传弧段信息统计Table 3 Statistic of satellite-to-earth data transmission arc segment

以1°为间隔,统计5°～90°接收仰角范围内落入每个小区间范围的时间,结果如表4所示。可以看出:①大量的接收弧段均位于接收仰角较小的区域内,10°以下的比例超过36%,15°以下的比例超过58%,20°以下的比例超过71%,25°以下的比例超过80%,30°以下的比例超过86%;②为尽可能提高传输效能因子,应充分利用小仰角的长传输弧段,并在此范围内尽可能提高原始信息码速率。

表4 数传弧段占比Table 4 Ratio of data transmission arc segment %

结合各地面站的数传弧段特性分析结果,下面对ACM 和VCM 下的传输效能因子进行分析。

2.2.1 ACM

对于低轨遥感卫星的特定地面站,最小仰角5°时的链路情况最恶劣,此时的链路可用度直接决定了全接收弧段的数据可靠传输能力。为获取最大的链路可用度,5°仰角时ACM 采用对解调门限要求最小的调制编码模式,即模式码字1(QPSK 1/4),此时各地面站的链路可用情况如表5所示。

表5 星地数传链路可用情况(仰角5°)Table 5 Availability of satellite-to-earth data transmission link(elevation angle of 5°)

考虑仰角增大时自由空间损耗和大气损耗同时减小的综合效果,ACM 下不同调制编码模式对应的仰角理论范围如表6所示。虽然卫星实际在轨时信道动态变化,需要动态调整模式码字,但从理论统计分析角度来看,表6的估计是可信的。

表6 ACM 下调制编码模式对应的仰角理论范围Table 6 Theoretical elevation angle range corresponding to modulation code combination of ACM

本文仿真结果表明:喀什站、北京站、三亚站的ACM 传输效能因子分别为1 935.12 Mbit/s,2067.58 Mbit/s,1 930.56 Mbit/s。不同模式码字的数传弧段长度占比见图3,可以看出:采用ACM,模式码字1使用时长占比仅约5%,而其他有效频谱效率更高的模式码字被大量使用,尤其是32APSK 9/10使用时长占比高达约50%,这将带来传输效能的大幅提升。

图3 ACM 下不同模式码字使用时间占比Fig.3 Using time percentage of different mode codes of ACM

2.2.2 VCM

与ACM 不同,VCM 将不同仰角的大气损耗简化为固定数值[1],并要确保最小仰角5°时链路可用,且仅考虑星地传输距离变化带来的自由空间损耗变化,并将其作为调制编码方式切换的依据。

5°仰角时VCM 也采用模式码字1(QPSK 1/4),其链路可用度最大。仰角由5°变为90°,对应的自由空间衰减变化12.4 d B,而模式码字3,6,12,14,20,25,28对应的Es/N0解调门限相比模式码字1分别增加2.05 dB,5.45 dB,7.85 dB,10.26 dB,13.38 dB,15.99 d B,18.40 d B。可以看出:在VCM 中,后3种模式码字不会被选用,前5种模式码字切换对应仰角分别为10.84°,22.43°,33.48°,49.92°。

本文的仿真结果表明:喀什站、北京站、三亚站的VCM传输效能因子分别为536.06 Mbit/s,530.70 Mbit/s,490.14 Mbit/s。不同模式码字的数传弧段长度占比如图4所示,可以看出:采用VCM,模式码字1,3使用总时长占比达76%左右,而其他有效频谱效率更高的模式码字占比仅24%左右。

图4 VCM 下不同模式码字使用时间占比Fig.4 Using time percentage of different mode codes of VCM

2.3 ACM 应用效能提升评估

对同一地面站,在相同的链路可用度下,ACM,VCM,CCM(QPSK 1/4且符号速率同为625 Mbaud)的传输效能因子如表7和图5所示。将VCM,ACM,CCM 的传输效能因子进行比较,得出传输效能提升百分比,如表7和图6所示。

图5 不同传输体制下各地面站传输效能因子Fig.5 Transmission effectiveness factors of different ground stations under different transmission modes

图6 传输效能提升情况对比Fig.6 Comparison of transmission efficiency improvement

表7 ACM,VCM,CCM 的传输效能对比Table 7 Comparison of transmission efficiency of ACM,VCM and CCM

从表7可以看出:①VCM 相比CCM 能够获得约75%的效能提升,效能提升比例与地面站位置及降雨量基本无关。②对单一地面站传输时,ACM相比CCM 能够获得不小于531.65%的效能提升,相比VCM 能够获得不小于260.99%的效能提升,而且对高云雨环境适应性更强,可有效扩展地面站布置的选择区域。③随着降雨量的增加,喀什站、北京站、三亚站的链路可用度逐渐减小,CCM 和VCM的传输效能因子与链路可用度等比例减小,但ACM 的传输效能因子却不是单调递减的规律,因此针对特定的链路设计参数,可按照传输效能最大的原则来选择合适的地面站位置。

3 结束语

为提升数据传输效能,本文将基于DVB-S2标准的ACM 应用于低轨遥感卫星。ACM 可根据信道情况自适应调整调制编码模式,在不同天气状况和仰角下都能够充分利用链路资源。仿真结果表明:按链路可用度最大的原则设计时,ACM 的传输能力明显优于VCM 和CCM,提升比例分别高达531.65%和260.99%,应用效能显著增强,且对于降雨量越大的地面站传输效能提升效果越好。本文提出的“按自由空间损耗和ITU 模型大气损耗随1个回归周期内数传弧段仰角分布变化进行星地传输效能综合评估”的设计分析方法,以及调制编码模式的选择方式,可为未来我国Ka频段ACM 对地数传的工程设计和实现提供参考。在后续工程应用中,可考虑利用地面站和卫星S频段上行遥控链路的已有硬件资源,通过地面系统和卫星系统的适应性更改满足反馈当前链路信息的上行链路新需求。此外,还可针对具体的星地数传链路参数,兼顾链路可用度与传输效能因子,并在两者之间进行折中设计,通过增大模式码字集合中的最小值,在适当降低链路可用度的原则下增加传输效能因子,获取更大的下传数据总量。