王万玉++毛伟++何元春

摘 要：随着对地观测技术及遥感应用的发展，星地链路需要传输的信息速率越来越高，宽带高速传输已成为星地数据传输发展的必然趋势。文中针对高分辨率遥感卫星对数据传输的技术发展需求，分析了提升遥感卫星数据传输能力的技术途径及相关的关键技术。

关键词：遥感卫星；星地链路；数据传输；频谱利用率；可视时间

中图分类号：TP39；V474 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

随着对地观测技术及遥感应用需求的迅速发展，其在相同时间获取的原始数据量倍增，导致星地链路需要传输的信息速率越来越高，遥感信息与数据传输能力之间的矛盾也越来越严重。

解决遥感信息与星地数据传输能力之间的矛盾一般有两种途径：

（1）提高星地数据传输链路能力，如采用双圆极化频率复用、提高数据传输载波频段（采用Ka频段下传数据）、提高调制解调体制效率（采用高阶调制解调、高效编译码方式、VCM（可变编码调制））、数据压缩等技术来提升星地数据传输链路的带宽和频谱利用率；

（2）增加星地间的可视时间，如在全球合理布局地面接收站点、采用高轨卫星中继遥感卫星数据，提高星地间高速数据长时间的传输能力。

本文针对高分辨率遥感卫星对数据传输的技术发展需求，分析了提升遥感卫星数据传输能力的关键技术及实现途径，并给出了发展建议。

1 技术途径及关键技术分析

1.1 双圆极化频率复用

利用双圆极化频率复用技术可以使传输容量加倍，提高频谱利用率，在频谱资源如此紧张的今天，频率复用（极化复用）技术是提高频谱利用率的一种实用、经济的方法，在国内外遥感卫星高码速数据传输中也得到越来越多的应用，如WorldView1&2、Geoeye-1、ZY-3、高分系列卫星等。

受星、地天线极化鉴别率的影响，加之空间传播链路对电磁波去极化的影响，使得星、空间传输链路、地合成的极化鉴别率下降，不可避免地会带来一定程度的交叉极化干扰，导致系统性能恶化，接收的数据质量下降。

一般情况下，X波段星载天线的极化鉴别率约为27 dB，接收站天线的极化鉴别率约为30.5 dB，在各种恶劣的空间环境因素影响下，星、空间链路及地的合成极化鉴别率可降低到13 dB；而Ka波段星载天线的极化鉴别率约为23 dB，接收站天线的极化鉴别率为24.5 dB，在各种恶劣的空间环境因素影响下，星、空间链路及地的合成极化鉴别率可能会降低到8 dB。受交叉极化干扰的影响，系统性能会急剧下降。引起交叉极化干扰的原因主要有以下几个方面：

（1）星载天线的极化鉴别率；

（2）传输路径去极化效应（降雨、降雪、冰晶、沙暴、尘暴等的影响）；

（3）接收站天线的极化鉴别率。

由此可见，星地数据传输链路的极化鉴别率是影响双圆极化频率复用的关键因素。实现双圆极化频率复用的关键技术之一是提高卫星数传和地面接收天馈系统的极化鉴别率。因此，在卫星数传和地面接收天馈系统的设计时，需对影响双圆极化频率复用的各种主要因数如辐射方向图不对称（包括反射面曲率对交叉极化的影响），天线主反射面、副反射面不对称，喇叭辐射方向图不对称等产生的交叉极化；馈源结构对交叉极化的影响；馈源中移相量偏差、幅度传输系数的偏差、圆波导椭圆度等产生的交叉极化；馈源中各正交模耦合器的隔离度对交叉极化的影响；天馈系统驻波对正交辐射场的去极化影响等进行分析、优化设计，提高卫星数传和地面接收天馈系统的极化鉴别率。

提高天馈系统的隔离度会大大增加制造成本，而且由于受技术能力的限制提高幅度有限。此外，传输路径去极化效应不可避免，且其对Ka频段的影响更严重。因此极化干扰消除技术是实现双圆极化频率复用的另一关键技术。

极化干扰消除可以在射频、中频或基带进行。就目前而言，由于遥感卫星数传链路所需的频带宽，在射频段实现极化干扰消除难度较大，大多数极化干扰消除是在中频或者基带进行。

中频的极化干扰消除是中频模拟信号经AD采样变成中频数字信号，然后经交叉极化干扰消除器，消除极化干扰得到较干净的两路信号，并分别送给两个解调模块进行解调等后续操作。

基带的极化干扰消除是在信号经过载波同步和码元同步后進行的，通过对垂直和正交的两路基带信号进行处理得到。随着计算机及高码速调制解调技术的发展，基于全数字高码速解调器具备了中频直接采样的全数字化处理技术，满足高速数据传输、交互的超高速器件和接口技术，强大的DSP信号处理、并行处理技术等将交叉极化干扰消除功能与解调器进行一体化设计，在基带实现交叉极化干扰消除功能已成为极化干扰消除的发展趋势。

1.2 数据传输载波频段

为满足下行数传速率的要求，可通过提高工作频段以增加传输带宽。目前对地观测卫星下行链路均为X频段，在未来几年内，X频段将会变得非常拥挤。而Ka频段在传输带宽上相对X频段具有显著优势，可达2.5 GHz以上。

目前Ka频段主要用于天基测控及中继卫星，还未用于极轨卫星星地间的数据传输（国内外遥感卫星数据接收主要采用S/X频段）。但随着更高的对地观测分辨率和幅宽需求，其星载传感器载荷获得的数据量会越来越大，星地下传速率的增长，采用Ka频段进行星地数据传输是其发展方向。未来的航天任务将由目前的S、X、Ku频段向Ka频段转变。

提高数据传输载波频段（X→Ka）可极大地扩展星地数传链路的传输带宽，但Ka频段传输损耗大，尤其是雨衰大、雨致去极化严重，将它们用于星间传输非常理想，但用于星地间的数据传输也有其不利的一面 （大/暴雨时可导致链路截止）。同时，由于Ka频段波束宽度很窄，对地面接收的捕获跟踪、动态性能等提出了很高的技术要求。

Ka频段抗雨衰可采用如下策略：根据接收的下行信号电平，自动检测下行信号的衰落强度、衰落变化率等自适应调整控制星上发射功率；通过降低信息传输速率，增大Eb/N0值，以提高链路余量；采用信道编码方式，在保证链路误码率的条件下，通过降低门限信噪比，提高链路的抗雨衰能力；采用两地面站异地互相备份的方式，通过任务规划，当A站有强降雨时，利用B站接收。

Ka频段卫星波束窄、动态高，采用Ka波段对卫星进行捕获并转入自跟踪存在极大的技术难度，且采用Ka频段下传卫星数据的卫星上一般无X下传信号。因此，对Ka频段的捕获跟踪可采用S频段进行跟踪后引导Ka捕获、自动跟踪；或采用螺旋扫描+Ka自动跟踪的方式，实现窄波束高动态目标的捕获、跟踪。

Ka频段跟踪需较高的动态性能，地面接收系统设计时需尽可能地减小负载惯量、增大传动链的刚度（尤其是输出轴的刚度），以提高结构谐振频率；提高伺服系统的采样率，缩短采样周期，可扩展带宽，同时可降低输入指令误差，提高系统的稳定性和快速响应能力；采用复合控制技术，即引入前馈补偿，提高加速度误差常数，从而提高系统的动态性能。

1.3 数据传输体制

在数据传输体制方面可以采取高阶调制解调、高效编译码方式，或采用VCM（可变编码调制）等措施。频带利用率如下所示：

n=Rb/B=log2M/（1+ρ）

式中，n为频带利用率；Rb为传输比特率；B为带宽；M为调制的阶数；ρ为成形滤波的滚降系数。可见，阶数越高，频带利用率越高，在相同带宽内可传输更高的数据速率。

采取高阶调制解调体制可提高有效数据速率，即在相同的带宽内可实现更高的数据速率。但高阶调制信号的接收对信噪比、数据传输链路幅频性能的要求更高。

宽带高码速率数据接收要求在更宽的频带内具有一致的特性，包括幅频特性、相频特性（含群时延特性）等。但实际上，分布在卫星和地面接收站的信道设备如变频器、高功率放大器HPA、发射/接收天线、电缆、低噪声放大器、滤波器等都具有不同程度的幅频特性、相频特性不平坦以及非线性，导致出现传输码间干扰ISI。对宽带高码速接收链路的相频特性（含群时延特性）的不平坦以及非线性问题，需采用高速的自适应盲均衡技术进行补偿。盲信道均衡不仅可实现多径传输、信道衰落等的均衡，也可均衡接收信道中的电路不理想特性（如幅频特性不平坦和群时延特性不平坦）。

高阶调制信号的接收对信噪比的要求更高，相应地对星上发射功率的要求更高；此外，数传速率的提高也将为星上发射功率带来更大的压力。解决该问题可采用如下技术：

（1）采用高性能、全数字调制解调设备，降低调制解调损耗；

（2）采用高效编译码技术如RS、LDPC、卷积-RS或卷积-LDPC级联等，提高纠错能力确保数据质量。高效的编译码方式具有强大的编码增益，与QPSK，8PSK，16APSK，32APSK联合应用，可提高有效数据速率。

另一方面，在低轨卫星星地链路设计时，是按照确保5°仰角数据接收设计的，而且目前高码速率卫星多采用点波束下传卫星数据，而在卫星过境的过程中，由于天气、传输距离变化等原因，星上的发射功率未得到充分利用。为有效利用星上发射功率，最大化卫星过境时下传的载荷数据量，可以采用VCM（可变编码调制）方式的数据传输体制。采用合适的编码率和调制方案来提高下行链路利用率，同常规传输方式相比，数据量将增加2倍以上。ESA（欧空局）已经开展相关研究，我国也将在高分专项遥感卫星中采用VCM方式的数据传输体制。

1.4 增加星地间的可视时间

增加星地间的可视时间，如在全球合理布局地面接收站点、采用高轨卫星中继遥感卫星数据，提高星地间高速数据长时间的传输能力。

20世纪中叶以来，遥感技术出现了新的发展态势，许多科学领域，尤其是地球科学诸多研究领域的发展越来越依赖于遥感技术的进步和遥感数据的获取能力。覆盖全球的卫星系统遍布全世界的地面站，是优先获得全球性地球资源信息进行研究的重要手段。

目前，世界卫星遥感技术领先的国家或组织，如美国地质调查局USGS（United States Geological Survey）、欧空局ESA（European Space Agency）、法国的Airbus Defence &Space等，都已建立了遍布全球的卫星地面接收站网体系。

对于极轨卫星而言，北极和南极地区拥有得天独厚的数据接收优势：过站机会多，获取的数据量大。美国、挪威、瑞典、加拿大、日本、德国等均已在南北极地区建立了遥感卫星地面接收站，数量现已接近30套，负责接收LANDSAT、SPOT、ERS等低轨遥感卫星数据。

中继卫星可起到极轨卫星与地面接收站的长时间高速数据传输通道的桥梁作用。极轨卫星与中继卫星间可视弧段长、中继卫星与地面可全天通信，同时极轨卫星与中继卫星、中继卫星与地面间采用Ka频段传输数据，极大地扩展了数传链路的传输带宽，可见采用中继星可实现长时间高速数据的传输能力，极大地提升了卫星数据获取能力和时效性。

1.5 数据压缩

数据压缩技术是将原始码速率压缩到数据传输能力允许的范围内，同时确保解压缩数据重构图像的质量满足任务需求，其主要目的是力求用最少的数据表示信源所发出的信号，使信号占用的存储空间尽可能小，以达到提高信息传输速度的目的。

在遥感卫星上应用数据压缩技术是由法国在SPOT-1卫星上首先使用的，该卫星的星载数据压缩系统采用了固定长度的DPCM编码，压缩比为8∶6。目前国内外大多数遥感卫星普遍采用DPCM、DCT、ADPCM、JPEG2000、BAQ压缩算法进行数据压缩，实现了2?8∶1的数据压缩，可有效降低衛星数据下传的码速率并取得良好效果。

数据压缩技术己得到了广泛应用，但随着遥感信息获取技术的不断发展，数据的种类不断增多，数据规模不断增大，不同种类数据之间的关系错综复杂，数据压缩的内涵和方法不断向前发展。因此，一方面需不断探索一些新的压缩方法，不断突破更大压缩比的数据压缩技术；另一方面需要研究可控压缩比的数据压缩技术，在重要的感兴趣目标区（ROI），采用确保无可觉察视觉损失的低压缩比，在相对不重要的非感兴趣目标区，采用有可觉察视觉损失的大压缩比，使数据压缩的平均压缩比提高。

2 结 语

随着空间技术及信息化建设和遥感应用业务化、产业化的发展，已形成了一个高、中、低轨道综合利用，大、中、小卫星平台及多传感器相辅相成，单个卫星和星座互相促进，立体、多角度、全方位、全天候全天时、长期连续性稳定可靠运行的全球和区域性对地观测体系，实现对全球的陆地、大气、海洋的立体观测和动态监测。高/超高空间分辨率、高光谱分辨率和主动式全天候雷达卫星将成为对地观测的重要组成部分及发展趋势。

随着对地观测技术以及遥感应用需求的发展，在轨卫星的数量不断增加，卫星有效载荷的分辨率（包括高时间分辨率、高空间分辨率、高辐射分辨率、高光谱分辨率等）不断提高，其在相同时间获取的原始数据量倍增，导致星地链路需要传输的信息速率越来越高，遥感信息与数据获取能力之间的矛盾越来越大。这些都对未来发展规划以及技术需求提出了更高、更新的要求。针对新的发展需求，结合上述分析提出以下建议：

（1）强化卫星组网，减少卫星间的冲突

随着在轨卫星数量的不断增加，地面接收资源虽不断扩建但仍难以避免接收时间的冲突。而解决卫星接收时间冲突的有效途径之一便是依据卫星使用需求，合理设计卫星轨道，采用上午星、下午星、晨昏轨道、卫星组网等措施，尽可能避免卫星接收时间的冲突。

（2）合理布局地面接收站，提高卫星数据全球获取能力

卫星地面接收站的建设布局和卫星数据获取能力已成为衡量一个国家有效利用空间信息技术的能力指标之一。随着空间信息技术的快速发展，遥感卫星性能逐步提升，应用领域愈加宽广，为保证全球遥感卫星数据的快速获取能力，各国正逐步加强卫星地面接收站网体系的布局与建设。

我国在全球卫星数据快速获取方面，与先进国家相比还有很大差距。目前我国仅有覆盖全国及周边地区、北极地区的遥感卫星接收站网，未来可根据突破性、全局性的战略原则，并利用已有的国际合作条件设计规划、逐步加强卫星地面接收站网体系的布局与建设，充分发挥我国遥感卫星的效益，满足我国卫星数据自主获取的能力需要。

（3）采用新技术，提高星地数据传输链路能力

高码速率数据传输需要更大的传输带宽，较高的发射功率，同时也会带来相对较为恶化的调制解调损耗。提升卫星星地数据传输能力的技术手段主要有双圆极化频率复用、提高数据传输载波频段（X→Ka）、采取高阶调制解调和高效编译码方式、VCM数传体制、数据压缩等。在未来的设计中，可采用这些新技术来提高星地数据传输链路能力。

（4）加快民用中继卫星的规划，实现长时间高速数据的传输能力

中继卫星可起到极轨卫星与地面接收站的长时间高速数据传输通道的桥梁作用。极轨卫星与中继卫星间可视弧段长、中繼卫星与地面可全天通信，同时极轨卫星与中继卫星、中继卫星与地面间采用Ka频段传输数据，极大地扩展了数传链路的传输带宽，可见采用中继星可实现长时间高速数据的传输能力，极大地提升了卫星数据获取能力和时效性。

（5）统筹规划，统一建设，综合利用，节约投资

未来地面数据接收系统的建设，应坚持高分辨率对地观测地面系统资源共享、统筹共性、兼顾个性、服务各大部委和民众的建设原则及国家对卫星地面设施“统一规划、统一建设、统一管理”的要求，充分利用已有的卫星地面接收系统资源和条件，统筹规划、合理布局、统一建设，形成集中管理、统一调度的地面接收站网，实现资源共享，提高资金使用效益。

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