基于VCM的對地探測衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸體制分析*

張 旭

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引言

各類載荷新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用提升了空間科學(xué)任務(wù)的能力，為高分辨率對地探測任務(wù)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在執(zhí)行高分辨率對地探測任務(wù)中，衛(wèi)星所攜帶的任務(wù)載荷將產(chǎn)生大量的待處理數(shù)據(jù)[1]。而大部分執(zhí)行對地探測任務(wù)的都是低軌衛(wèi)星，其單次過境時間非常短，通常只有10 min左右。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，衛(wèi)星下行鏈路需要更高的數(shù)傳速率。

為滿足下行數(shù)傳速率的要求，首先通過提高工作頻段以增加傳輸帶寬。目前對地探測衛(wèi)星下行鏈路均為X頻段鏈路，在未來幾年內(nèi)，X頻段將會變得非常擁擠。而Ka頻段在傳輸帶寬上相對X頻段具有顯著的優(yōu)勢，可達(dá)到 1.5 GHz 以上的帶寬[2－4]。因此，Ka頻段將是未來對地探測衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路發(fā)展的趨勢。

在數(shù)據(jù)傳輸體制方面可以采取兩個措施。一是采用更高階的調(diào)制方式可在傳輸帶寬不變的情況下傳輸更高的數(shù)據(jù)速率。常用的線性調(diào)制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，階數(shù)越高，符號利用率越高，即在相同的帶寬內(nèi)可傳輸更高的數(shù)據(jù)速率。二是采用更高效的編譯碼方式可提高有效數(shù)據(jù)速率。LDPC、PCCC、SCCC等編譯碼方式被廣泛研究[5－7]，具有強(qiáng)大的編碼增益。PCCC 對短數(shù)據(jù)幀傳輸具有優(yōu)勢，而對地探測衛(wèi)星任務(wù)由于傳輸速率高，重點(diǎn)是對簡單和快速編譯碼機(jī)制方面的需求，從這些方面看將優(yōu)先選擇LDPC和SCCC。LDPC和SCCC具有等效優(yōu)越的靈活性和有效性，且可與QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 聯(lián)合應(yīng)用，使符號利用率最高可達(dá)3.75 b/symbol或以上，非常適合應(yīng)用于對地探測衛(wèi)星任務(wù)。4D－TCM是基于8PSK的一種編譯碼方式，實現(xiàn)簡單，也被廣泛應(yīng)用。

高階調(diào)制和高效編碼信號的接收對信噪比的要求更高，相應(yīng)地對星上發(fā)射功率的要求更高;此外，數(shù)傳速率的提高也將為星上發(fā)射功率帶來更大的壓力。而在衛(wèi)星過境的過程中，由于天氣、傳輸距離變化等原因，星上的發(fā)射功率并未得到充分利用。為有效利用星上發(fā)射功率，最大化衛(wèi)星過境時下傳的載荷數(shù)據(jù)量，有必要開展可變編碼調(diào)制方式的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸體制的研究。ESA(歐空局)有論文正在開展相關(guān)研究，相應(yīng)的地面接收機(jī)集合有多種編碼調(diào)制方式以適應(yīng)將來應(yīng)用的發(fā)展，而國內(nèi)尚較少有相關(guān)技術(shù)的研究。

2 常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸體制特點(diǎn)

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，編碼方式和調(diào)制方式在任務(wù)過程中通常是恒定的。在系統(tǒng)設(shè)計時，鏈路預(yù)算需要針對最差的情況進(jìn)行，包括天氣狀況、作用距離等，通常情況下對應(yīng)的是最遠(yuǎn)傳輸距離和最低仰角下的傳輸路徑的地球大氣環(huán)境。以某地面站接收高度為674 km衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為例(設(shè)定仰角5°以上為可見)，采用QPSK+LDPC(5/6)的編碼調(diào)制方式，鏈路預(yù)算見表1。大氣及雨衰損耗與地面站位置等相關(guān)[3，8]，此處取9 dB。星上采用定向天線，始終對準(zhǔn)地面站，對應(yīng)各仰角的 EIRP為恒定值。符號速率600 Msymbol/s對應(yīng)可傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)率為996 Mb/s，在這種情況下系統(tǒng)鏈路余量為3.73 dB。

表1 某衛(wèi)星下行鏈路預(yù)算Table1 Downlink budget for a certain satellite

在衛(wèi)星單次過境過程中，仰角先增大再減小，對應(yīng)的斜距先減小后增大。仰角最高時，對應(yīng)的斜距最近。以上述衛(wèi)星和地面站為例，單次過境衛(wèi)星仰角與自由空間傳播距離變化情況如圖1所示。最低仰角與最高仰角位置處，傳輸路徑遠(yuǎn)近差異約3.4倍，對應(yīng)自由空間損耗的差值在10 dB以上。

圖1 衛(wèi)星單次過境仰角與斜距變化情況Fig.1 Changes of elevation and range at a contact time

此外，不同仰角下大氣損耗、雨衰等都不同，仰角越高，損耗越低。不同仰角下，某站大氣及雨衰損耗參考值見表2所示[3]。不同仰角也會造成地面站接收G/T值的差異，相對路徑傳輸帶來的損耗來說影響較小，在此可暫不考慮。此外，雨衰將會引起地面站接收G/T值的變化。綜合考慮，在單次過境時間內(nèi)，鏈路損耗的波動高達(dá)14 dB。

表2 某站不同仰角大氣及雨衰損耗值Table2 Atmosphere and rain loss for a certain station

鏈路損耗的波動帶來系統(tǒng)鏈路余量的變化。隨著地面站天線仰角增大，鏈路損耗降低，相應(yīng)的鏈路余量將增大。這些余量在以往的系統(tǒng)設(shè)計中并沒有被利用起來以增大鏈路總的吞吐量。常規(guī)的數(shù)據(jù)傳輸體制中，恒定編碼調(diào)制的鏈路預(yù)算方式造成在大多數(shù)情況下，鏈路余量都比實際需求高很多。因此，導(dǎo)致了鏈路余量的浪費(fèi)，也就造成了系統(tǒng)能量的浪費(fèi)。

3 VCM傳輸體制性能分析

考慮到常規(guī)傳輸體制在任務(wù)過程中造成的鏈路余量浪費(fèi)，采用可變編碼調(diào)制(Variable Coding＆Modulation，VCM)的傳輸體制，根據(jù)不同仰角下鏈路余量情況，在保證3 dB以上鏈路余量的前提下，選用符號利用率最高的編碼調(diào)制體制來提高下行數(shù)傳速率，最大化衛(wèi)星過境的回傳數(shù)據(jù)量。例如，在衛(wèi)星進(jìn)站和出站整個時間段內(nèi)根據(jù)仰角動態(tài)改變調(diào)制方式(8PSK LDPC R2/3→16APSK LDPC R3/4→16APSK LDPC R5/6→132APSK LDPC R3/4→32APSK LDPC R4/5→32APSK LDPC R3/4→16APSK LDPC R5/6→16APSK LDPC R3/4→8PSK LDPC R2/3)，避免了常規(guī)傳輸體制(恒定編碼和調(diào)制方式、最大鏈路傳輸損耗預(yù)算)在高仰角及晴好天氣情況下帶來的極大的鏈路余量浪費(fèi)。

高階調(diào)制方式和高碼率編碼方式需要更高的Eb/N0來達(dá)到系統(tǒng)傳輸性能(誤碼率)要求，但符號利用率更高，即相同的符號速率下可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率更高。不同調(diào)制方式和編碼方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率(符號率600 symbol/s)以及系統(tǒng)傳輸性能要求(誤碼率低于10－8)情況下所需Eb/N0如表3所示[7]。

表3 不同編碼調(diào)制方式傳輸性能Table3 Performance of different coding and modulation methods

以地面站接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)為例，一天時間內(nèi)仰角5°以上可見時間共4段，衛(wèi)星過境情況如圖2所示。

圖2 某站衛(wèi)星過境時間及仰角Fig.2 Elevation and contact time for a certain station

針對不同仰角下鏈路情況，保證可見時間內(nèi)鏈路余量被充分利用且保持在3 dB以上，設(shè)計了具體的可變編碼調(diào)制方案:QPSK LDPC 5/6(5°～15°)→8PSK LDPC 2/3(15°～25°)→8PSK LDPC 5/6(25°～40°)→16APSK LDPC 5/6(40°～ 60°)→QPSK LDPC 5/6(60°以上)。

在4段可見時間段內(nèi)分別采用常規(guī)傳輸體制和可變編碼調(diào)制傳輸體制，對不同時間段內(nèi)鏈路余量進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示。當(dāng)采用常規(guī)傳輸體制時，系統(tǒng)最大鏈路余量大約為18 dB;而采用可變編碼調(diào)制傳輸體制時，系統(tǒng)鏈路余量維持在4～6 dB之間，得到了有效利用。

圖3 24 h內(nèi)VCM與CCM的鏈路余量比較Fig.3 Comparison of margin between VCM and CCM in 24 hours

進(jìn)一步統(tǒng)計一天24 h內(nèi)地面站采用兩種傳輸體制分別接收的數(shù)據(jù)量。常規(guī)傳輸體制在24 h內(nèi)共傳輸數(shù)據(jù)約2 091.6 Gb，VCM體制在24 h內(nèi)共傳輸數(shù)據(jù)約2 833.2 Gb，較常規(guī)傳輸體制提升了35.5%。

4 VCM傳輸體制實現(xiàn)原理

VCM傳輸體制的實現(xiàn)是在每次衛(wèi)星過境前幾小時，檢查天氣情況，根據(jù)鏈路預(yù)算預(yù)先配置好本次過境時間內(nèi)采取的編碼調(diào)制變化方案，實現(xiàn)原理如圖4所示。首先建立軌道傳輸模型，統(tǒng)計本次過境時間內(nèi)的仰角數(shù)據(jù)及可見時間段;再結(jié)合大氣傳播工具，輸入當(dāng)前天氣情況，估算出不同仰角下的鏈路損耗;由數(shù)據(jù)設(shè)置工具完成不同編碼調(diào)制方式、星上EIRP值、地面接收G/T值、損耗數(shù)據(jù)、可見時間段等設(shè)置，輸入到鏈路預(yù)算工具完成鏈路預(yù)算;根據(jù)鏈路預(yù)算結(jié)果，確定各可見時間段的最優(yōu)編碼調(diào)制方案。在衛(wèi)星過境的過程中，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的傳輸方案執(zhí)行任務(wù)。

圖4 VCM實現(xiàn)原理Fig.4 Principle of VCM

VCM傳輸體制的一種變形是自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptable Coding ＆ Modulation，ACM)方案，即在衛(wèi)星過境時間內(nèi)，根據(jù)鏈路狀況(接收信號信噪比)實時自適應(yīng)調(diào)整編碼調(diào)制方式，其實現(xiàn)原理如圖5所示。接收機(jī)檢測到當(dāng)前下行信號的信噪比后，結(jié)合鏈路預(yù)算模塊和自適應(yīng)編碼調(diào)制選擇模塊，確定一種保證鏈路余量門限的最優(yōu)編碼調(diào)制方式，將該信息插入遙控幀，由上行遙控指令通知衛(wèi)星對編碼和調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)整。

圖5 ACM實現(xiàn)原理Fig.5 Principle of ACM

ACM與VCM相比，變化方式更靈活，能根據(jù)鏈路實時狀況最大化利用鏈路余量，達(dá)到鏈路傳輸?shù)淖顑?yōu)化。但ACM的處理更復(fù)雜，且需要實時發(fā)上行遙控信號對星上編碼和調(diào)制方式的變化進(jìn)行引導(dǎo)以實現(xiàn)閉環(huán)傳輸[9]。而在對地探測任務(wù)中，衛(wèi)星過境時，往往不需要發(fā)送上行遙控指令，直接通過下行鏈路接收數(shù)據(jù)。因此，對于對地探測衛(wèi)星接收站來說，采用VCM是一種較為合理的方案。

無論是VCM方案還是ACM方案，都要求星上編碼調(diào)制方式的變化與地面接收站保持同步。星上數(shù)據(jù)在物理層編幀時，如圖6所示，將當(dāng)前采用的編碼和調(diào)制方式的信息打包放在每幀的幀頭中，幀頭采用固定的編碼和調(diào)制方式[10]，地面站接收機(jī)解調(diào)幀頭后根據(jù)信息引導(dǎo)切換為本次傳輸所用的編碼和調(diào)制方式，解調(diào)數(shù)據(jù)段內(nèi)容，完成星上遙感數(shù)據(jù)的接收。

圖6 物理幀編幀方式Fig.6 Construction of frame in physical layer

5 結(jié)論

高分辨率對地探測衛(wèi)星任務(wù)對高速數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，VCM傳輸體制的應(yīng)用極大地增加了衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的傳輸量，使星上發(fā)射功率得到了最大化利用的同時也保證了星上大量載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。此外，在具體實現(xiàn)中，還需對星上信號處理進(jìn)行優(yōu)化，以保證各種編碼調(diào)制體制的切換時間非常短，從而滿足數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)的要求。建議針對VCM的應(yīng)用方式，開展多種編碼調(diào)制方式集合及在線切換的接收機(jī)技術(shù)研究和樣機(jī)實現(xiàn)。

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