基于VCM的對地探測衛星數據傳輸體制分析*

張 旭

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引言

各類載荷新技術的快速發展和應用提升了空間科學任務的能力，為高分辨率對地探測任務的實現奠定了基礎。在執行高分辨率對地探測任務中，衛星所攜帶的任務載荷將產生大量的待處理數據[1]。而大部分執行對地探測任務的都是低軌衛星，其單次過境時間非常短，通常只有10 min左右。為保證數據傳輸的時效性，衛星下行鏈路需要更高的數傳速率。

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

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

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

2 常規數據傳輸體制特點

在現有系統中，編碼方式和調制方式在任務過程中通常是恒定的。在系統設計時，鏈路預算需要針對最差的情況進行，包括天氣狀況、作用距離等，通常情況下對應的是最遠傳輸距離和最低仰角下的傳輸路徑的地球大氣環境。以某地面站接收高度為674 km衛星遙感數據為例(設定仰角5°以上為可見)，采用QPSK+LDPC(5/6)的編碼調制方式，鏈路預算見表1。大氣及雨衰損耗與地面站位置等相關[3，8]，此處取9 dB。星上采用定向天線，始終對準地面站，對應各仰角的 EIRP為恒定值。符號速率600 Msymbol/s對應可傳輸的有效數據率為996 Mb/s，在這種情況下系統鏈路余量為3.73 dB。

表1 某衛星下行鏈路預算Table1 Downlink budget for a certain satellite

在衛星單次過境過程中，仰角先增大再減小，對應的斜距先減小后增大。仰角最高時，對應的斜距最近。以上述衛星和地面站為例，單次過境衛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，傳輸路徑遠近差異約3.4倍，對應自由空間損耗的差值在10 dB以上。

圖1 衛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，鏈路損耗的波動高達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，相應的鏈路余量將增大。這些余量在以往的系統設計中并沒有被利用起來以增大鏈路總的吞吐量。常規的數據傳輸體制中，恒定編碼調制的鏈路預算方式造成在大多數情況下，鏈路余量都比實際需求高很多。因此，導致了鏈路余量的浪費，也就造成了系統能量的浪費。

3 VCM傳輸體制性能分析

考慮到常規傳輸體制在任務過程中造成的鏈路余量浪費，采用可變編碼調制(Variable Coding＆Modulation，VCM)的傳輸體制，根據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制體制來提高下行數傳速率，最大化衛星過境的回傳數據量。例如，在衛星進站和出站整個時間段內根據仰角動態改變調制方式(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)，避免了常規傳輸體制(恒定編碼和調制方式、最大鏈路傳輸損耗預算)在高仰角及晴好天氣情況下帶來的極大的鏈路余量浪費。

高階調制方式和高碼率編碼方式需要更高的Eb/N0來達到系統傳輸性能(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的數據速率更高。不同調制方式和編碼方式傳輸的數據速率(符號率600 symbol/s)以及系統傳輸性能要求(誤碼率低于10－8)情況下所需Eb/N0如表3所示[7]。

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

以地面站接收衛星數據為例，一天時間內仰角5°以上可見時間共4段，衛星過境情況如圖2所示。

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

針對不同仰角下鏈路情況，保證可見時間內鏈路余量被充分利用且保持在3 dB以上，設計了具體的可變編碼調制方案: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段可見時間段內分別采用常規傳輸體制和可變編碼調制傳輸體制，對不同時間段內鏈路余量進行統計，如圖3所示。當采用常規傳輸體制時，系統最大鏈路余量大約為18 dB;而采用可變編碼調制傳輸體制時，系統鏈路余量維持在4～6 dB之間，得到了有效利用。

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

進一步統計一天24 h內地面站采用兩種傳輸體制分別接收的數據量。常規傳輸體制在24 h內共傳輸數據約2 091.6 Gb，VCM體制在24 h內共傳輸數據約2 833.2 Gb，較常規傳輸體制提升了35.5%。

4 VCM傳輸體制實現原理

VCM傳輸體制的實現是在每次衛星過境前幾小時，檢查天氣情況，根據鏈路預算預先配置好本次過境時間內采取的編碼調制變化方案，實現原理如圖4所示。首先建立軌道傳輸模型，統計本次過境時間內的仰角數據及可見時間段;再結合大氣傳播工具，輸入當前天氣情況，估算出不同仰角下的鏈路損耗;由數據設置工具完成不同編碼調制方式、星上EIRP值、地面接收G/T值、損耗數據、可見時間段等設置，輸入到鏈路預算工具完成鏈路預算;根據鏈路預算結果，確定各可見時間段的最優編碼調制方案。在衛星過境的過程中，根據預先設置好的傳輸方案執行任務。

圖4 VCM實現原理Fig.4 Principle of VCM

VCM傳輸體制的一種變形是自適應編碼調制(Adaptable Coding ＆ Modulation，ACM)方案，即在衛星過境時間內，根據鏈路狀況(接收信號信噪比)實時自適應調整編碼調制方式，其實現原理如圖5所示。接收機檢測到當前下行信號的信噪比后，結合鏈路預算模塊和自適應編碼調制選擇模塊，確定一種保證鏈路余量門限的最優編碼調制方式，將該信息插入遙控幀，由上行遙控指令通知衛星對編碼和調制方式進行調整。

圖5 ACM實現原理Fig.5 Principle of ACM

ACM與VCM相比，變化方式更靈活，能根據鏈路實時狀況最大化利用鏈路余量，達到鏈路傳輸的最優化。但ACM的處理更復雜，且需要實時發上行遙控信號對星上編碼和調制方式的變化進行引導以實現閉環傳輸[9]。而在對地探測任務中，衛星過境時，往往不需要發送上行遙控指令，直接通過下行鏈路接收數據。因此，對于對地探測衛星接收站來說，采用VCM是一種較為合理的方案。

無論是VCM方案還是ACM方案，都要求星上編碼調制方式的變化與地面接收站保持同步。星上數據在物理層編幀時，如圖6所示，將當前采用的編碼和調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制方式[10]，地面站接收機解調幀頭后根據信息引導切換為本次傳輸所用的編碼和調制方式，解調數據段內容，完成星上遙感數據的接收。

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

5 結論

高分辨率對地探測衛星任務對高速數據傳輸提出了更高的要求，VCM傳輸體制的應用極大地增加了衛星下行數據的傳輸量，使星上發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據傳輸的實時性。此外，在具體實現中，還需對星上信號處理進行優化，以保證各種編碼調制體制的切換時間非常短，從而滿足數據傳輸連續的要求。建議針對VCM的應用方式，開展多種編碼調制方式集合及在線切換的接收機技術研究和樣機實現。

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