王中果，汪大寶，趙鵬飛，張莎莎，武小棟，張曉，王振興

1. 中國空間技術(shù)研究院 遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094 2. 西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710071

1 引言

低軌高分辨率遙感衛(wèi)星大多采用太陽同步軌道，其軌道特點導(dǎo)致星地數(shù)據(jù)傳輸時間十分有限，需要不斷提高衛(wèi)星下行數(shù)傳鏈路的傳輸速率，來滿足日益增長的海量遙感載荷數(shù)據(jù)的傳輸需求[1]。這類衛(wèi)星普遍采用X頻段(8.025～8.400 GHz)進行星地數(shù)據(jù)傳輸，如高分七號[2]、高分多模[3]。其中，高分多模衛(wèi)星采用CCM，按最低仰角5°的最差信道條件進行鏈路設(shè)計。衛(wèi)星單次對地面站傳輸過程中，傳輸速率固定，其仰角增大引起的自由空間損耗減小量可達10 dB以上[4]。為充分利用這部分余量，高分七號衛(wèi)星首次采用VCM，根據(jù)接收仰角自適應(yīng)改變編碼方式、調(diào)制方式、信息速率，在保證鏈路可靠性的前提下提升了傳輸效率，單通道最高傳輸速率達1.2 Gbit/s[2,5-6]。

X頻段375 MHz帶寬已難以滿足遙感載荷越來越高的數(shù)傳速率要求，而25.5～27.0 GHz、帶寬1.5 GHz的Ka頻段成為星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢[7-8]。但雨、云等引起的信號衰減，Ka頻段將超過10 dB[9]，而X頻段僅約2 dB[4]，大氣環(huán)境對Ka頻段的影響遠大于X頻段。雖然Ka頻段帶寬增加了3倍，但如果仍按CCM設(shè)計，需要預(yù)留更多的鏈路余量，這可能會導(dǎo)致傳輸能力提升有限，造成鏈路資源的浪費。

VCM較早應(yīng)用于衛(wèi)星數(shù)字電視廣播領(lǐng)域，歐洲電信標準化組織(ETSI)將其寫入DVB-S2[10]和DVB-S2X[11]協(xié)議中，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)還形成了131.2-B-1[12]和131.3-B-1[13]藍皮書標準，但數(shù)字電視廣播衛(wèi)星與低軌遙感衛(wèi)星使用方式差別很大[14-16]。截至目前，中國低軌遙感衛(wèi)星僅高分七號使用了X頻段VCM并得到在軌驗證，尚未見到使用Ka頻段VCM的公開報道。

國際已有文獻針對低軌衛(wèi)星Ka頻段VCM系統(tǒng)展開了分析。文獻[17]中對比了三亞站晴天和暴雨條件下CCM和VCM的單軌數(shù)據(jù)吞吐量，僅體現(xiàn)了Ka鏈路部分衰減效果，且未考慮星上工程實現(xiàn)方案。文獻[18-19]分析了歐洲Matera和Svalbard地面站的鏈路可用情況，前者將所有傳輸弧段按照時間平分為6段，并以99.5%的最小鏈路可用度為設(shè)計依據(jù)開展Ka頻段CCM和VCM的傳輸效能分析，而后者對比分析了X頻段與Ka頻段VCM的鏈路可用情況，并將X、Ka頻段鏈路可用度分別設(shè)置為99.5%、90%，但均未考慮氣候條件差異對不同地面站傳輸效能的影響。文獻[20]分析了50～300 kg小型演示衛(wèi)星平臺的Ka頻段VCM效能，但質(zhì)量、功率的限制約束導(dǎo)致其傳輸效能提升有限。

中國幅員遼闊，不同地面站氣候條件差異較大，對Ka頻段數(shù)傳信號影響差別較大。面向后續(xù)工程實現(xiàn)，急需開展Ka頻段VCM系統(tǒng)方案設(shè)計和應(yīng)用效能研究工作。為此，本文根據(jù)提出的傳輸效能因子指標，在傳輸效能與工程實現(xiàn)代價之間進行折中設(shè)計分析，為不同站點的星地數(shù)傳方案選擇提供參考。

2 仿真場景設(shè)計

2.1 模式碼字選擇

DVB-S2采用“BCH+LDPC”級聯(lián)的前向糾錯編碼方案，支持11種信道編碼碼率(1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10)，4種調(diào)制方式(QPSK，8PSK，16APSK，32APSK)，通過組合共形成模式碼字(MCS)為1～28的28種調(diào)制編碼模式[10]。結(jié)合工程經(jīng)驗，考慮解調(diào)損耗時，該組合的符號信噪比(Es/N0)的解調(diào)門限變化跨度可達21.4 dB，其中Es為每個傳輸符號的平均能量、N0為噪聲功率譜密度。對幀長64 800 bit普通前向糾錯幀(普通FEC幀)，其調(diào)制編碼模式組合及誤碼率10-7時的解調(diào)特性如表1所示。

從表1可以看出：與MCS 11相比，MCS 12解調(diào)門限更高，但頻譜效率卻更低；與MCS 18相比，MCS 16和17雖頻譜效率略高，但解調(diào)門限增加的代價卻更大。這3種模式碼字(12,16,17)性能較差，在選擇時首先刪除，僅保留剩余25種(后文稱“組合1”)。

對VCM系統(tǒng)，使用的模式碼字組合中調(diào)制編碼模式數(shù)量越多，在隨信道環(huán)境變化進行調(diào)節(jié)時，各調(diào)制編碼模式之間的過渡就越平滑，鏈路傳輸效率就越高[7]。然而，組合數(shù)量越多，系統(tǒng)復(fù)雜性越高，工程實現(xiàn)難度越大。高分七號衛(wèi)星X頻段VCM系統(tǒng)選用模式碼字組合的MCS為13、18和20[7]，但該組合對Ka頻段卻不一定合適。為尋找更適合Ka頻段的MCS組合，再考慮以下5種進行分析：

1)組合2：相鄰Es/N0解調(diào)門限差別≥1 dB。

2)組合3：相鄰Es/N0解調(diào)門限差別≥2 dB。

3)組合4：相鄰Es/N0解調(diào)門限差別≥3 dB。

4)組合5：相鄰Es/N0解調(diào)門限差別≥4 dB。

5)組合6：相鄰Es/N0解調(diào)門限差別≥5 dB。

最終選擇分析的6種組合如圖1所示。組合1～6中包含的模式碼字個數(shù)分別為25、15、9、7、6、4。

圖1 模式碼字組合選擇Fig.1 Selection of MCS combination

2.2 其他仿真參數(shù)選擇

DVB-S2采用快速傅里葉變換(FFT)對映射后的同相/正交(I/Q)兩路基帶脈沖信號進行平方根升余弦滾降濾波。全部利用Ka頻段1.5 GHz帶寬，滾降系數(shù)選擇最小值0.20時，理論上可獲取1.25 Gbaud的最大傳輸符號速率，32APSK調(diào)制階數(shù)最大，對應(yīng)射頻通道傳輸?shù)木幋a后速率最大值高達6.25 Gbit/s。

但是，目前國際上高速解調(diào)器的最高解調(diào)速率僅可達3 Gbit/s[6,21]，暫時難以滿足上述需求?？煽紤]采用雙頻點傳輸方式將通道速率減半，并預(yù)留一定保護間隔，將傳輸符號速率設(shè)置為600 Mbaud，具備工程可行性。

結(jié)合工程經(jīng)驗及現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，取某低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地數(shù)傳鏈路參數(shù)設(shè)置如表2所示。其中，地面站分別位于中國喀什、北京、三亞[22]，平均年降雨概率分別為0.38%、1.94%、2.46%，平均每年0.01%時間內(nèi)降雨強度分別達到9.42 mm/h、42.56 mm/h、81.09 mm/h，可代表中國干旱少雨、雨量中等、降雨豐富這三種典型狀態(tài)。

表2 某低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段數(shù)傳鏈路設(shè)計參數(shù)

3 星上VCM系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)流程

與高分七號X頻段VCM將大氣衰減選為固定值不同，Ka頻段受大氣環(huán)境的影響遠大于X頻段，且大氣衰減與地面站位置、接收仰角、鏈路可用度等因素密切相關(guān)。因此，Ka頻段星上VCM系統(tǒng)需要在高分七號基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性更改設(shè)計。

所有計算和控制均在星上進行，具體方法為：

1)導(dǎo)航接收機實時定位、定軌解算，將當前位置/速度/時間(PVT)信息周期性轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)傳控制器。

2)根據(jù)待傳輸?shù)孛嬲疚恢煤托l(wèi)星當前位置信息，數(shù)傳控制器以采樣間隔ΔT周期性計算衛(wèi)星與地面站間距、地面站接收仰角，由此確定自由空間損耗、大氣衰減，并按如下鏈路計算公式，估算地面站符號信噪比的實際接收值[ES/N0]rec。

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

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

式中：PEIRP為衛(wèi)星天線發(fā)射的等效全向輻射功率(EIRP)；Qr為地面站品質(zhì)因數(shù)(通常也稱為G/T值)；Rs為射頻通道傳輸?shù)姆査俾剩籐為系統(tǒng)損耗，包括自由空間損耗Lf、大氣衰減La、天線指向損耗Lrp、極化損耗Lp、解調(diào)損耗Lmd；M為系統(tǒng)余量。

3)數(shù)傳控制器選擇模式碼字組合中的MCS最大值，使其Es/N0解調(diào)門限“≤[Es/N0]rec”。如果選擇的MCS有變化，則將該指令信息發(fā)送給可變編碼調(diào)制器；如無變化，則不向可變編碼調(diào)制器發(fā)送指令信息。

4)可變編碼調(diào)制器根據(jù)指令要求，進行對應(yīng)的信道編碼、星座映射、組幀、基帶成型濾波、射頻調(diào)制等處理后輸出[6]，最后通過射頻通道和天線發(fā)射至地面站。

綜上，將Ka頻段衛(wèi)星的VCM系統(tǒng)星上設(shè)計及實現(xiàn)流程描述如圖2所示。

圖2 Ka頻段星上VCM系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)流程Fig.2 Design and implementation flow of on-board VCM data transmission system at Ka-band

4 應(yīng)用效能仿真及評估

4.1 傳輸效能因子定義

在一個回歸周期全接收弧段內(nèi)可接收的總數(shù)據(jù)量越大，低軌遙感衛(wèi)星地面站的星地鏈路傳輸能力越強。但對每個地面站而言，地理位置不同會導(dǎo)致可用接收弧段總長度不同，因此用原始信息傳輸?shù)钠骄a速率能更客觀地表示星地傳輸效能[14]。

但CCM、VCM應(yīng)用特點不同：

1)CCM在所有弧段內(nèi)的調(diào)制編碼模式和原始信息碼速率固定不變。

2)VCM可隨著地面站接收仰角變化，在某些固定仰角門限完成調(diào)制編碼模式切換，隨仰角增大來增大模式碼字，并以此改變原始信息碼速率。

定義低軌遙感衛(wèi)星對單個地面站的CCM傳輸效能因子為：

ECCM=AL×Rb

式中：AL為鏈路可用度，Rb為原始信息碼速率 (Mbit/s)，這兩個參數(shù)均與MCS相關(guān)。Rb可由表2中的傳輸符號速率與表1中的頻譜效率相乘直接得到。

考慮離散化處理，定義低軌遙感衛(wèi)星對單個地面站的VCM傳輸效能因子為：

式中：tij是第i個數(shù)傳弧段的第j個采樣時刻；Mi是第i個數(shù)傳弧段的采樣點個數(shù)；Rb(tij)為第i個數(shù)傳弧段的第j個采樣時刻的原始信息碼速率(Mbit/s)；tstart(i)和tend(i)分別為第i個數(shù)傳弧段起始時刻和結(jié)束時刻；N為一個回歸周期內(nèi)的數(shù)傳弧段個數(shù)。

4.2 VCM效能提升仿真模型

VCM數(shù)傳系統(tǒng)效能定義為“在相同調(diào)制符號率和數(shù)傳鏈路條件下，系統(tǒng)所能傳輸?shù)男畔⒘颗c傳統(tǒng)CCM數(shù)傳系統(tǒng)相比所能提升的百分比”[1]。具體而言，CCM選擇某一MCS時，VCM可將該MCS作為其待選模式碼字組合中的最小值，并在接收仰角增大時根據(jù)鏈路條件的改善切換至其他頻譜效率更高的模式碼字。為此，VCM數(shù)傳系統(tǒng)效能Improve可定義為：

式中：ECCM(MCS)表示模式碼字MCS的CCM傳輸效能因子；EVCM(MCS)表示以MCS為最小模式碼字的VCM傳輸效能因子。

4.3 仿真結(jié)果

為體現(xiàn)Ka頻段與X頻段的差異，采用兩種策略：

1)策略1：僅考慮自由空間損耗變化(與高分七號X頻段VCM相同)。

2)策略2：綜合考慮自由空間損耗、大氣衰減變化(Ka頻段的特殊性)。

同時，考慮工程實現(xiàn)復(fù)雜程度對效能的影響情況，按照圖1的6組MCS組合，針對上述兩種策略均開展效能仿真。

考慮太陽同步回歸軌道的星下點軌跡重復(fù)特性，采用STK軟件對1個回歸周期(31天)內(nèi)喀什站、北京站、三亞站的數(shù)傳弧段分別進行了仿真[14]。綜合考慮動態(tài)信道模型衰減特性和仿真計算量，傳輸過程中采樣間隔設(shè)置為1 s。

4.3.1 鏈路可用情況

大氣衰減由4部分組成：大氣吸收損耗、雨衰、大氣閃爍、云衰[23]。本文根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的最新版本P系列建議書[23-25]，對上述參數(shù)進行仿真計算。

對低軌遙感衛(wèi)星地面站，最小仰角5°時鏈路情況最惡劣，此時的鏈路可用度直接決定了全接收弧段的數(shù)據(jù)可靠傳輸能力[14]?？κ舱?、北京站、三亞站的鏈路不可用度如表3所示?？梢钥闯觯?/p>

1)對某地面站，MCS增加，鏈路不可用度增大。

2)對某MCS，喀什站、北京站、三亞站降雨量逐漸增加，鏈路不可用度增大。整體來看，鏈路可用情況喀什站最好，北京站次之，三亞站最差。

表3 數(shù)傳鏈路不可用度(仰角5°)及CCM傳輸效能因子

續(xù)表3

4.3.2 傳輸效能因子

CCM傳輸效能因子如表3所示。6種MCS組合、兩種策略下的VCM傳輸效能因子如表4～表9所示?？梢钥闯觯?/p>

1)對某地面站，CCM選擇某MCS、而VCM以該MCS為最小值時，傳輸效能因子均有所增大，且VCM(策略2)>VCM(策略1)>CCM。

2)對某地面站，隨著MCS增加，CCM傳輸效能因子增加。

3)對喀什站，隨著最小MCS增加，策略1/策略2的VCM傳輸效能因子均增加。

4)對北京站，隨著最小MCS增加，除“策略2+組合1”先增后減、且在最小MCS 25達最大值外，其他情況的VCM傳輸效能因子均增加。

5)對三亞站，隨著最小MCS增加，除“策略1+組合1”先增后減、且在最小MCS 25達最大值，以及“策略2+組合1～5”先增后減、且分別在最小MCS 15/15/18/19/15達最大值外，其他情況的VCM傳輸效能因子均增加。

表4 VCM傳輸效能因子(組合1)

續(xù)表4

表5 VCM傳輸效能因子(組合2)

表6 VCM傳輸效能因子(組合3)

表7 VCM傳輸效能因子(組合4)

表8 VCM傳輸效能因子(組合5)

表9 VCM傳輸效能因子(組合6)

為更直觀地反映出傳輸效能因子的變化規(guī)律，以VCM組合1為例，將其與CCM的傳輸效能因子繪制在一張圖上，如圖3所示。

圖3 傳輸效能因子(CCM/VCM組合1)Fig.3 Transmission efficiency factors(CCM/VCM combination 1)

為定量反映VCM傳輸效能因子的變化情況，對每個地面站，均以CCM傳輸效能因子最大值(MCS 28)為基準進行對比，得到其相對百分比，如圖4所示?？梢钥闯觯?/p>

1)對某地面站、某VCM策略，隨著組合序號的增大(選用MCS種類減小)，傳輸效能因子均有一定程度的減小。

2)對喀什站，該百分比最大值為99.99%(對應(yīng)于“策略2+組合1”，最小MCS 27)。

3)對北京站，該百分比最大值為100.41%(對應(yīng)于“策略2+組合1”，最小MCS 25)。

4)對三亞站，該百分比最大值為109.76%(對應(yīng)于“策略2+組合1”，最小MCS 15)。

圖4 傳輸效能因子對比Fig.4 Comparison of transmission efficiency factors

4.3.3 VCM效能提升評估

按照4.2節(jié)定義，對VCM相比CCM的效能提升情況開展分析，以組合1為例，VCM系統(tǒng)效能如表10所示?？梢钥闯?，CCM選擇某MCS、而VCM以該MCS為最小值時，對某地面站：

1)策略1能夠獲得最大超過92%的效能提升，效能提升比例與地面站位置及降雨量基本無關(guān)系。隨著MCS增大，效能提升比例逐漸減小。

2)策略2能夠獲得最大超過566%的效能提升，雨量中等的北京站、降雨豐富的三亞站，其效能提升比例接近，且均略大于干旱少雨的喀什站，說明此策略對高云雨環(huán)境適應(yīng)性更強。與策略1相似，隨MCS增大，策略2的效能提升比例也逐漸減小。

表10 VCM系統(tǒng)效能提升仿真結(jié)果(組合1)

5 星地傳輸方案選擇

對喀什站，其VCM傳輸效能因子均小于MCS 28的CCM傳輸效能因子，因此更適合采用MCS 28的CCM方式，且其鏈路可用度可達99.820%，鏈路可用情況良好。

對北京站，其傳輸效能因子在“策略2+組合1”、最小MCS 25的VCM達到最大值，似乎更適合采用MCS組合{25,26,27,28}的VCM方式，且此時僅4種MCS，星上工程實現(xiàn)復(fù)雜程度也可接受，對應(yīng)的鏈路可用度96.452%。但與MCS 28的CCM相比，傳輸效能因子僅提升0.41%，提升效果非常有限。因此，可根據(jù)用戶使用需求，靈活選擇MCS 28的CCM或MCS組合{25,26,27,28}的VCM方式，但需要注意此CCM鏈路可用度95.527%(相比VCM降低0.925%)。

對三亞站，其傳輸效能因子在“策略2+組合1”、最小MCS 15的VCM達到最大值，且與MCS 28的CCM相比提升了9.76%，提升效果較為明顯，因此似乎更適合采用MCS組合{15,18,19,…,28}的VCM方式，但此時共12種MCS，星上工程實現(xiàn)的復(fù)雜程度較大。而組合2中的{15,19,21,24,26,28}(共6種MCS)、組合3中的{18,21,25,28}(共4種MCS)、組合4中的{19,24,28}(共3種MCS)、組合5中的{15,22,28}(共3種MCS)、組合6中的{15,28}(共2種MCS)，是各自組合中傳輸效能因子最大的，與上述組合1中的12種MCS相比，其傳輸效能因子分別下降0.48%、0.98%、1.47%、2.32%、5.00%。與北京站的4種MCS數(shù)量匹配，可考慮喀什站選用組合3中{18,21,25,28}的MCS組合，此時傳輸效能因子相比MCS 28的CCM提升8.37%。但需要注意，此VCM鏈路可用度仍只有85.432%，鏈路可用情況不容樂觀。

6 結(jié)論

為提升數(shù)據(jù)傳輸效能，本文將基于DVB-S2標準的VCM數(shù)據(jù)傳輸體制應(yīng)用于Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星。分析了Ka頻段與X頻段信號特性的差別，提出了適合Ka頻段的星上VCM系統(tǒng)設(shè)計方案及實現(xiàn)流程，并根據(jù)低軌遙感衛(wèi)星的軌道運行特點定義了傳輸效能因子。通過對2種VCM策略、6種調(diào)制編碼模式組合的仿真分析，證明提出的綜合考慮大氣衰減和自由空間損耗VCM的新策略對高云雨環(huán)境具有更好的提升效果，推薦北京站和三亞站可使用該VCM策略，而喀什站仍選用傳統(tǒng)的CCM。

本文提出的分析方法和調(diào)制編碼模式選擇方式，可為未來中國Ka頻段星地數(shù)傳系統(tǒng)的工程設(shè)計和實現(xiàn)提供參考。后續(xù)低軌遙感衛(wèi)星在Ka頻段使用VCM數(shù)傳體制時，可結(jié)合型號星地數(shù)傳系統(tǒng)具體指標參數(shù)開展分析，并選擇合適的調(diào)制編碼模式組合。此外，星載調(diào)制器、地面解調(diào)器等配套設(shè)備也應(yīng)同步開展優(yōu)化升級設(shè)計和研制工作，以滿足未來更高傳輸速率需求。