周楊

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江 大慶 163411）

當(dāng)前空間技術(shù)高速發(fā)展，各個(gè)國(guó)家對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展都給予了高度的重視，如遙感衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等。它們?cè)趪?guó)家經(jīng)濟(jì)、國(guó)家防御以及軍事應(yīng)用等方面都有著大量的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)能夠采用多種探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地面物體和環(huán)境信息的獲取，然后利用星載高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將信息傳回地面。當(dāng)前遙感衛(wèi)星所能收集的信息遠(yuǎn)多于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所能達(dá)到的傳輸能力，遙感信息跟數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸能力之間的矛盾嚴(yán)重影響了科技的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)和超大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展，為新型傳輸技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。因此，需要研發(fā)新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，不斷提升各個(gè)子系統(tǒng)的能力，促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸能力的提升。

1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

遙感衛(wèi)星從整體上可以分為數(shù)據(jù)發(fā)送裝置、傳輸信道和數(shù)據(jù)接收設(shè)備三個(gè)部分，系統(tǒng)的主要功能是將傳感器獲取的有效信息依據(jù)用戶需求進(jìn)行高精度和速度的傳送，利用數(shù)據(jù)通信的通道傳輸?shù)降孛娼邮茉O(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換城管委二進(jìn)制的比特流序列。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的指標(biāo)體系能夠?qū)⒓夹g(shù)指標(biāo)分為三個(gè)部分，分別是綜合指標(biāo)、發(fā)送端指標(biāo)和接收端指標(biāo)。其中，綜合指標(biāo)主要涉及傳輸速度、誤碼率和數(shù)據(jù)壓縮比例。發(fā)送端指標(biāo)主要有信道編碼、調(diào)制方法、加密方法等，接收端指標(biāo)主要包括解密方法、解調(diào)方法、信道譯碼以及去壓縮等。在該指標(biāo)體系中，最重要的指標(biāo)是傳輸速率，其代表了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的技術(shù)能力，也與其他指標(biāo)存在緊密的關(guān)聯(lián)。

2 發(fā)展需求分析

2.1 碼速率

當(dāng)前，世界各個(gè)國(guó)家使用的遙感衛(wèi)星有十幾種，具有不同的功能和用途，空間分辨率多種多樣，遙感衛(wèi)星的平臺(tái)和傳感器類型更加多樣化，軍用光學(xué)遙感影像的空間分辨率已經(jīng)跟衍射極限較為接近，像元的分辨率已經(jīng)達(dá)到了0.1～0.15m,民用遙感影像的分辨率也達(dá)到了0.6m，光譜分辨率都達(dá)到了納米級(jí)別，波段不斷增加至數(shù)百個(gè)。高光譜遙感技術(shù)充分利用其優(yōu)勢(shì)經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，分辨率已經(jīng)從原來(lái)的公里級(jí)提升到米級(jí)。同時(shí)，商業(yè)化的市場(chǎng)需求也對(duì)遙感衛(wèi)星分辨率的提升產(chǎn)生了刺激，要求其觀測(cè)寬帶不斷擴(kuò)大。

這些因素都對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)粗函數(shù)的碼率提出了新的要求，從原來(lái)的幾MBPS發(fā)展到目前的上百M(fèi)BPS，許多國(guó)家已經(jīng)達(dá)到了320mbps，并且還在還在不斷提升。

2.2 誤碼率

誤碼率指的是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中接收的錯(cuò)誤碼元在總碼元數(shù)中的比重，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星遙感信息解碼編譯的質(zhì)量需求來(lái)說(shuō)，以后對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率要求不會(huì)產(chǎn)生新的變化，通常電子信號(hào)探測(cè)類的誤碼率要求都是1×10-6，光學(xué)成像類衛(wèi)星的誤碼率要求在1×10-7上下。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮

通常遙感衛(wèi)星都具備高的光譜分辨率和高空間分辨率，會(huì)獲取大量的初始數(shù)據(jù)，為了緩解數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?，在充分保證遙感器輸出效率的同時(shí)，降低數(shù)據(jù)傳輸速率的唯一手段是在保證數(shù)據(jù)真實(shí)性的前提下對(duì)傳感器獲取到的信息進(jìn)行壓縮，不僅可以降低下傳數(shù)據(jù)率，還可以保證解壓縮后圖像的質(zhì)量。

3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展

數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)是將衛(wèi)星獲取的原始或者壓縮處理后的數(shù)據(jù)在依據(jù)給定誤碼率的基礎(chǔ)上傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備。碼率較高的數(shù)據(jù)傳輸需要的帶寬也較大，而且需要大的發(fā)射功率和損耗。在高速數(shù)據(jù)傳輸條件下，盡量減少傳輸帶寬，降低衛(wèi)星上的EIRP值，減少損耗是數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

3.1 傳輸頻段

衛(wèi)星到地的傳輸速率跟傳輸頻段的選取存在直接關(guān)系，頻段的選擇不但要滿足數(shù)據(jù)碼率的傳輸需求，還要嚴(yán)格遵循國(guó)際電聯(lián)就頻段選擇劃分提出的相關(guān)該規(guī)定。高碼速率的數(shù)據(jù)傳輸肯定需要更大的傳輸帶寬，隨著速率的不斷提升，當(dāng)前普遍使用的X頻段依然無(wú)法滿足未來(lái)發(fā)展的需求。從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)和未來(lái)的需求來(lái)看，將來(lái)選擇Ka頻段是必然的趨勢(shì)，首先，Ka頻段是國(guó)際電聯(lián)提出的天對(duì)地的傳輸頻段。其次，該頻段的帶寬較大，范圍是37.5～40.5GHz，通常所用的3GHz，是X頻段的8倍，能夠滿足未來(lái)大的傳輸帶寬的需求。此外，未來(lái)也會(huì)利用激光作為載波開展空間數(shù)據(jù)的傳輸。然而，兩種傳輸方式在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的損耗，并且容易受到天氣的影響，需要相關(guān)研究人員增加研發(fā)力度，使各類器件元件不斷成熟，同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)KA頻段接受設(shè)備的研發(fā)。

3.2 調(diào)制解調(diào)

調(diào)制解調(diào)是遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，調(diào)制的目的是為了使得信號(hào)的特性與信號(hào)的要求向匹配，調(diào)制方法的選取通常取決于信道的特性。調(diào)制方法明確后，解調(diào)方法也就明確，所以調(diào)制是關(guān)鍵內(nèi)容。

因?yàn)檫b感衛(wèi)星所采用的空間對(duì)地傳輸信道屬于恒定參數(shù)信道，其主要的干擾因素是加性白噪聲，為了獲取更好的接受性能，選取PSK調(diào)制方式最為恰當(dāng)，其不但能夠充分利用載波帶寬，還具備很好的抗干擾性能，帶外具備很大的能量。并且衛(wèi)星上的調(diào)制和地面接收裝置的解調(diào)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟，所以PSK技術(shù)在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中獲得了大量的使用。

從未來(lái)的發(fā)展需求來(lái)看，需要對(duì)調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行調(diào)整，比如，利用X頻段、QPSK調(diào)制解調(diào)方式開展傳輸，可以滿足速度小于300mbps的數(shù)據(jù)傳輸需求，假如需要超過(guò)600mbps，上述兩種手段受限于帶寬和功率，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸目的，需要利用KA或者更高頻段，然而，需要克服大氣損耗以及雨衰等方面的問(wèn)題，需要采取新的調(diào)制解調(diào)方式。

3.3 差錯(cuò)控制

以后的遙感衛(wèi)星將會(huì)大量使用差錯(cuò)控股之技術(shù)，以提升數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，在傳輸功率受到限制的條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸容量的提升。差錯(cuò)控制技術(shù)因?yàn)樵谛盘?hào)中增加了冗余度而傳輸信號(hào)的碼速率提升，使得傳輸帶寬增加，為了避免頻率資源的浪費(fèi)，當(dāng)前在傳輸碼率有限的條件下，遙感衛(wèi)星較少使用信道編碼開展差錯(cuò)控制，然而，隨著傳輸碼速率提升，為了降低誤碼率，需要增加信道編碼。我國(guó)立項(xiàng)的遙感衛(wèi)星通常采用RS碼，該種編碼方式較為成熟，譯碼和硬件實(shí)現(xiàn)難度較低。卷積編碼技術(shù)雖然編碼簡(jiǎn)單然而譯碼難度和電路復(fù)雜程度較高，然而，可以獲取較高的編碼增益，VITERBI譯碼方式在國(guó)外遙感衛(wèi)星獲得大量使用，然而，在我國(guó)還沒(méi)有工程應(yīng)用。未來(lái)信源、信道聯(lián)合編碼技術(shù)、TCM技術(shù)等在未來(lái)高分辨率的傳輸型遙感衛(wèi)星的發(fā)展中都有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 高增益天線

當(dāng)前，我國(guó)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通常是加大發(fā)射功率，提高星上數(shù)據(jù)傳輸EIRP值來(lái)保證傳輸質(zhì)量，然而，受限于能源和期間，再增加發(fā)射功率難度較高。未來(lái)需要研發(fā)高增益相控陣天線技術(shù)，改變天線的工作狀態(tài)，利用高增益天線使能量集中的有點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)EIRP值的增加，提高數(shù)據(jù)傳送的質(zhì)量。利用點(diǎn)波束天線不但可以節(jié)省功率，而且控制起來(lái)較為容易，還能提升遙感衛(wèi)星的安全性，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3.5 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

我國(guó)當(dāng)前的遙感衛(wèi)星多采用2:1的數(shù)據(jù)壓縮，具有較好的效果，然而，從未來(lái)的需求來(lái)看，高光譜成像儀、SAR遙感器以及高分辨率光學(xué)設(shè)備的應(yīng)用以及遙感衛(wèi)星功能的增加，這一數(shù)據(jù)壓縮的比例肯定無(wú)法滿足未來(lái)發(fā)展的需求。未來(lái)遙感衛(wèi)星圖像壓縮的比例應(yīng)當(dāng)在16:1，SAR圖像數(shù)據(jù)的壓縮應(yīng)當(dāng)達(dá)到2:1或者4:1。為了適應(yīng)各類衛(wèi)星提出的要求，數(shù)據(jù)壓縮比應(yīng)當(dāng)可以進(jìn)行控制，對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域可以選取較小的壓縮比，對(duì)于背景區(qū)域可以采用較大的壓縮比。未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向主要有三點(diǎn)，分別是可將光大于8:1的高保真遙感圖像數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)、SAR遙感圖像壓縮技術(shù)以及可以控制壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)在理論和技術(shù)方面都獲得了飛速的發(fā)展，新型的衛(wèi)星遙感設(shè)備不斷出現(xiàn)，微波遙感和高光譜遙感技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用型遙感衛(wèi)星也在向著多分辨率和多遙感平臺(tái)共存的方向發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提出了新的要求，未來(lái)需要在傳輸頻段、傳輸體系和壓縮技術(shù)等方面進(jìn)行研究，促進(jìn)信號(hào)傳輸質(zhì)量和速度的提升。