Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

王中果，汪大宝，赵鹏飞，张莎莎，武小栋，张晓，王振兴

1. 中国空间技术研究院 遥感卫星总体部，北京 100094 2. 西安空间无线电技术研究所，西安 710071

1 引言

低轨高分辨率遥感卫星大多采用太阳同步轨道，其轨道特点导致星地数据传输时间十分有限，需要不断提高卫星下行数传链路的传输速率，来满足日益增长的海量遥感载荷数据的传输需求[1]。这类卫星普遍采用X频段(8.025～8.400 GHz)进行星地数据传输，如高分七号[2]、高分多模[3]。其中，高分多模卫星采用CCM，按最低仰角5°的最差信道条件进行链路设计。卫星单次对地面站传输过程中，传输速率固定，其仰角增大引起的自由空间损耗减小量可达10 dB以上[4]。为充分利用这部分余量，高分七号卫星首次采用VCM，根据接收仰角自适应改变编码方式、调制方式、信息速率，在保证链路可靠性的前提下提升了传输效率，单通道最高传输速率达1.2 Gbit/s[2,5-6]。

X频段375 MHz带宽已难以满足遥感载荷越来越高的数传速率要求，而25.5～27.0 GHz、带宽1.5 GHz的Ka频段成为星地数据传输的发展趋势[7-8]。但雨、云等引起的信号衰减，Ka频段将超过10 dB[9]，而X频段仅约2 dB[4]，大气环境对Ka频段的影响远大于X频段。虽然Ka频段带宽增加了3倍，但如果仍按CCM设计，需要预留更多的链路余量，这可能会导致传输能力提升有限，造成链路资源的浪费。

VCM较早应用于卫星数字电视广播领域，欧洲电信标准化组织(ETSI)将其写入DVB-S2[10]和DVB-S2X[11]协议中，空间数据系统咨询委员会(CCSDS)还形成了131.2-B-1[12]和131.3-B-1[13]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[14-16]。截至目前，中国低轨遥感卫星仅高分七号使用了X频段VCM并得到在轨验证，尚未见到使用Ka频段VCM的公开报道。

国际已有文献针对低轨卫星Ka频段VCM系统展开了分析。文献[17]中对比了三亚站晴天和暴雨条件下CCM和VCM的单轨数据吞吐量，仅体现了Ka链路部分衰减效果，且未考虑星上工程实现方案。文献[18-19]分析了欧洲Matera和Svalbard地面站的链路可用情况，前者将所有传输弧段按照时间平分为6段，并以99.5%的最小链路可用度为设计依据开展Ka频段CCM和VCM的传输效能分析，而后者对比分析了X频段与Ka频段VCM的链路可用情况，并将X、Ka频段链路可用度分别设置为99.5%、90%，但均未考虑气候条件差异对不同地面站传输效能的影响。文献[20]分析了50～300 kg小型演示卫星平台的Ka频段VCM效能，但质量、功率的限制约束导致其传输效能提升有限。

中国幅员辽阔，不同地面站气候条件差异较大，对Ka频段数传信号影响差别较大。面向后续工程实现，急需开展Ka频段VCM系统方案设计和应用效能研究工作。为此，本文根据提出的传输效能因子指标，在传输效能与工程实现代价之间进行折中设计分析，为不同站点的星地数传方案选择提供参考。

2 仿真场景设计

2.1 模式码字选择

DVB-S2采用“BCH+LDPC”级联的前向纠错编码方案，支持11种信道编码码率(1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10)，4种调制方式(QPSK，8PSK，16APSK，32APSK)，通过组合共形成模式码字(MCS)为1～28的28种调制编码模式[10]。结合工程经验，考虑解调损耗时，该组合的符号信噪比(Es/N0)的解调门限变化跨度可达21.4 dB，其中Es为每个传输符号的平均能量、N0为噪声功率谱密度。对帧长64 800 bit普通前向纠错帧(普通FEC帧)，其调制编码模式组合及误码率10-7时的解调特性如表1所示。

从表1可以看出：与MCS 11相比，MCS 12解调门限更高，但频谱效率却更低；与MCS 18相比，MCS 16和17虽频谱效率略高，但解调门限增加的代价却更大。这3种模式码字(12,16,17)性能较差，在选择时首先删除，仅保留剩余25种(后文称“组合1”)。

对VCM系统，使用的模式码字组合中调制编码模式数量越多，在随信道环境变化进行调节时，各调制编码模式之间的过渡就越平滑，链路传输效率就越高[7]。然而，组合数量越多，系统复杂性越高，工程实现难度越大。高分七号卫星X频段VCM系统选用模式码字组合的MCS为13、18和20[7]，但该组合对Ka频段却不一定合适。为寻找更适合Ka频段的MCS组合，再考虑以下5种进行分析：

1)组合2：相邻Es/N0解调门限差别≥1 dB。

2)组合3：相邻Es/N0解调门限差别≥2 dB。

3)组合4：相邻Es/N0解调门限差别≥3 dB。

4)组合5：相邻Es/N0解调门限差别≥4 dB。

5)组合6：相邻Es/N0解调门限差别≥5 dB。

最终选择分析的6种组合如图1所示。组合1～6中包含的模式码字个数分别为25、15、9、7、6、4。

图1 模式码字组合选择Fig.1 Selection of MCS combination

2.2 其他仿真参数选择

DVB-S2采用快速傅里叶变换(FFT)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。全部利用Ka频段1.5 GHz带宽，滚降系数选择最小值0.20时，理论上可获取1.25 Gbaud的最大传输符号速率，32APSK调制阶数最大，对应射频通道传输的编码后速率最大值高达6.25 Gbit/s。

但是，目前国际上高速解调器的最高解调速率仅可达3 Gbit/s[6,21]，暂时难以满足上述需求。可考虑采用双频点传输方式将通道速率减半，并预留一定保护间隔，将传输符号速率设置为600 Mbaud，具备工程可行性。

结合工程经验及现有技术基础，取某低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路参数设置如表2所示。其中，地面站分别位于中国喀什、北京、三亚[22]，平均年降雨概率分别为0.38%、1.94%、2.46%，平均每年0.01%时间内降雨强度分别达到9.42 mm/h、42.56 mm/h、81.09 mm/h，可代表中国干旱少雨、雨量中等、降雨丰富这三种典型状态。

表2 某低轨遥感卫星Ka频段数传链路设计参数

3 星上VCM系统设计及实现流程

与高分七号X频段VCM将大气衰减选为固定值不同，Ka频段受大气环境的影响远大于X频段，且大气衰减与地面站位置、接收仰角、链路可用度等因素密切相关。因此，Ka频段星上VCM系统需要在高分七号基础上进行适应性更改设计。

所有计算和控制均在星上进行，具体方法为：

1)导航接收机实时定位、定轨解算，将当前位置/速度/时间(PVT)信息周期性转发给数传控制器。

2)根据待传输地面站位置和卫星当前位置信息，数传控制器以采样间隔ΔT周期性计算卫星与地面站间距、地面站接收仰角，由此确定自由空间损耗、大气衰减，并按如下链路计算公式，估算地面站符号信噪比的实际接收值[ES/N0]rec。

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

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

式中：PEIRP为卫星天线发射的等效全向辐射功率(EIRP)；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为系统损耗，包括自由空间损耗Lf、大气衰减La、天线指向损耗Lrp、极化损耗Lp、解调损耗Lmd；M为系统余量。

3)数传控制器选择模式码字组合中的MCS最大值，使其Es/N0解调门限“≤[Es/N0]rec”。如果选择的MCS有变化，则将该指令信息发送给可变编码调制器；如无变化，则不向可变编码调制器发送指令信息。

4)可变编码调制器根据指令要求，进行对应的信道编码、星座映射、组帧、基带成型滤波、射频调制等处理后输出[6]，最后通过射频通道和天线发射至地面站。

综上，将Ka频段卫星的VCM系统星上设计及实现流程描述如图2所示。

图2 Ka频段星上VCM系统设计及实现流程Fig.2 Design and implementation flow of on-board VCM data transmission system at Ka-band

4 应用效能仿真及评估

4.1 传输效能因子定义

在一个回归周期全接收弧段内可接收的总数据量越大，低轨遥感卫星地面站的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，因此用原始信息传输的平均码速率能更客观地表示星地传输效能[14]。

但CCM、VCM应用特点不同：

1)CCM在所有弧段内的调制编码模式和原始信息码速率固定不变。

2)VCM可随着地面站接收仰角变化，在某些固定仰角门限完成调制编码模式切换，随仰角增大来增大模式码字，并以此改变原始信息码速率。

定义低轨遥感卫星对单个地面站的CCM传输效能因子为：

ECCM=AL×Rb

式中：AL为链路可用度，Rb为原始信息码速率 (Mbit/s)，这两个参数均与MCS相关。Rb可由表2中的传输符号速率与表1中的频谱效率相乘直接得到。

考虑离散化处理，定义低轨遥感卫星对单个地面站的VCM传输效能因子为：

式中：tij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；Rb(tij)为第i个数传弧段的第j个采样时刻的原始信息码速率(Mbit/s)；tstart(i)和tend(i)分别为第i个数传弧段起始时刻和结束时刻；N为一个回归周期内的数传弧段个数。

4.2 VCM效能提升仿真模型

VCM数传系统效能定义为“在相同调制符号率和数传链路条件下，系统所能传输的信息量与传统CCM数传系统相比所能提升的百分比”[1]。具体而言，CCM选择某一MCS时，VCM可将该MCS作为其待选模式码字组合中的最小值，并在接收仰角增大时根据链路条件的改善切换至其他频谱效率更高的模式码字。为此，VCM数传系统效能Improve可定义为：

式中：ECCM(MCS)表示模式码字MCS的CCM传输效能因子；EVCM(MCS)表示以MCS为最小模式码字的VCM传输效能因子。

4.3 仿真结果

为体现Ka频段与X频段的差异，采用两种策略：

1)策略1：仅考虑自由空间损耗变化(与高分七号X频段VCM相同)。

2)策略2：综合考虑自由空间损耗、大气衰减变化(Ka频段的特殊性)。

同时，考虑工程实现复杂程度对效能的影响情况，按照图1的6组MCS组合，针对上述两种策略均开展效能仿真。

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了仿真[14]。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。

4.3.1 链路可用情况

大气衰减由4部分组成：大气吸收损耗、雨衰、大气闪烁、云衰[23]。本文根据国际电信联盟(ITU)发布的最新版本P系列建议书[23-25]，对上述参数进行仿真计算。

对低轨遥感卫星地面站，最小仰角5°时链路情况最恶劣，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[14]。喀什站、北京站、三亚站的链路不可用度如表3所示。可以看出：

1)对某地面站，MCS增加，链路不可用度增大。

2)对某MCS，喀什站、北京站、三亚站降雨量逐渐增加，链路不可用度增大。整体来看，链路可用情况喀什站最好，北京站次之，三亚站最差。

表3 数传链路不可用度(仰角5°)及CCM传输效能因子

续表3

4.3.2 传输效能因子

CCM传输效能因子如表3所示。6种MCS组合、两种策略下的VCM传输效能因子如表4～表9所示。可以看出：

1)对某地面站，CCM选择某MCS、而VCM以该MCS为最小值时，传输效能因子均有所增大，且VCM(策略2)>VCM(策略1)>CCM。

2)对某地面站，随着MCS增加，CCM传输效能因子增加。

3)对喀什站，随着最小MCS增加，策略1/策略2的VCM传输效能因子均增加。

4)对北京站，随着最小MCS增加，除“策略2+组合1”先增后减、且在最小MCS 25达最大值外，其他情况的VCM传输效能因子均增加。

5)对三亚站，随着最小MCS增加，除“策略1+组合1”先增后减、且在最小MCS 25达最大值，以及“策略2+组合1～5”先增后减、且分别在最小MCS 15/15/18/19/15达最大值外，其他情况的VCM传输效能因子均增加。

表4 VCM传输效能因子(组合1)

续表4

表5 VCM传输效能因子(组合2)

表6 VCM传输效能因子(组合3)

表7 VCM传输效能因子(组合4)

表8 VCM传输效能因子(组合5)

表9 VCM传输效能因子(组合6)

为更直观地反映出传输效能因子的变化规律，以VCM组合1为例，将其与CCM的传输效能因子绘制在一张图上，如图3所示。

图3 传输效能因子(CCM/VCM组合1)Fig.3 Transmission efficiency factors(CCM/VCM combination 1)

为定量反映VCM传输效能因子的变化情况，对每个地面站，均以CCM传输效能因子最大值(MCS 28)为基准进行对比，得到其相对百分比，如图4所示。可以看出：

1)对某地面站、某VCM策略，随着组合序号的增大(选用MCS种类减小)，传输效能因子均有一定程度的减小。

2)对喀什站，该百分比最大值为99.99%(对应于“策略2+组合1”，最小MCS 27)。

3)对北京站，该百分比最大值为100.41%(对应于“策略2+组合1”，最小MCS 25)。

4)对三亚站，该百分比最大值为109.76%(对应于“策略2+组合1”，最小MCS 15)。

图4 传输效能因子对比Fig.4 Comparison of transmission efficiency factors

4.3.3 VCM效能提升评估

按照4.2节定义，对VCM相比CCM的效能提升情况开展分析，以组合1为例，VCM系统效能如表10所示。可以看出，CCM选择某MCS、而VCM以该MCS为最小值时，对某地面站：

1)策略1能够获得最大超过92%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系。随着MCS增大，效能提升比例逐渐减小。

2)策略2能够获得最大超过566%的效能提升，雨量中等的北京站、降雨丰富的三亚站，其效能提升比例接近，且均略大于干旱少雨的喀什站，说明此策略对高云雨环境适应性更强。与策略1相似，随MCS增大，策略2的效能提升比例也逐渐减小。

表10 VCM系统效能提升仿真结果(组合1)

5 星地传输方案选择

对喀什站，其VCM传输效能因子均小于MCS 28的CCM传输效能因子，因此更适合采用MCS 28的CCM方式，且其链路可用度可达99.820%，链路可用情况良好。

对北京站，其传输效能因子在“策略2+组合1”、最小MCS 25的VCM达到最大值，似乎更适合采用MCS组合{25,26,27,28}的VCM方式，且此时仅4种MCS，星上工程实现复杂程度也可接受，对应的链路可用度96.452%。但与MCS 28的CCM相比，传输效能因子仅提升0.41%，提升效果非常有限。因此，可根据用户使用需求，灵活选择MCS 28的CCM或MCS组合{25,26,27,28}的VCM方式，但需要注意此CCM链路可用度95.527%(相比VCM降低0.925%)。

对三亚站，其传输效能因子在“策略2+组合1”、最小MCS 15的VCM达到最大值，且与MCS 28的CCM相比提升了9.76%，提升效果较为明显，因此似乎更适合采用MCS组合{15,18,19,…,28}的VCM方式，但此时共12种MCS，星上工程实现的复杂程度较大。而组合2中的{15,19,21,24,26,28}(共6种MCS)、组合3中的{18,21,25,28}(共4种MCS)、组合4中的{19,24,28}(共3种MCS)、组合5中的{15,22,28}(共3种MCS)、组合6中的{15,28}(共2种MCS)，是各自组合中传输效能因子最大的，与上述组合1中的12种MCS相比，其传输效能因子分别下降0.48%、0.98%、1.47%、2.32%、5.00%。与北京站的4种MCS数量匹配，可考虑喀什站选用组合3中{18,21,25,28}的MCS组合，此时传输效能因子相比MCS 28的CCM提升8.37%。但需要注意，此VCM链路可用度仍只有85.432%，链路可用情况不容乐观。

6 结论

为提升数据传输效能，本文将基于DVB-S2标准的VCM数据传输体制应用于Ka频段低轨遥感卫星。分析了Ka频段与X频段信号特性的差别，提出了适合Ka频段的星上VCM系统设计方案及实现流程，并根据低轨遥感卫星的轨道运行特点定义了传输效能因子。通过对2种VCM策略、6种调制编码模式组合的仿真分析，证明提出的综合考虑大气衰减和自由空间损耗VCM的新策略对高云雨环境具有更好的提升效果，推荐北京站和三亚站可使用该VCM策略，而喀什站仍选用传统的CCM。

本文提出的分析方法和调制编码模式选择方式，可为未来中国Ka频段星地数传系统的工程设计和实现提供参考。后续低轨遥感卫星在Ka频段使用VCM数传体制时，可结合型号星地数传系统具体指标参数开展分析，并选择合适的调制编码模式组合。此外，星载调制器、地面解调器等配套设备也应同步开展优化升级设计和研制工作，以满足未来更高传输速率需求。