ka频段双圆极化频率复用的影响分析

ka频段双圆极化频率复用的影响分析

1双圆极化频率复用技术目前，我国低轨遥感卫星主要采用四相相位移压力控制（qpsk）或四相位移压力控制（sqpsk），信号模式为x段星地数据传输。频率范围基于国际电信联盟（itu）规定的8025.8400hz，带宽仅为375mhz。然而,随着低轨遥感卫星空间分辨率的不断提高,有效载荷数据率大幅提升,有限的传输通道带宽制约着卫星效能的发挥,无法满足用户对海量遥感数据的需求,成为制约遥感卫星总体性能提升的瓶颈。提高星地数据传输通道下传速率是解决上述难题的唯一方法,可从3个方面考虑:(1)采用带宽有效的高阶调制技术,如八相相移键控(8PSK)、十六进制正交幅度调制(16QAM)等;(2)采用可获取更大传输带宽的频段,如ITU规定的Ka频段(25.5~27.0GHz)和Q频段(37.5~40.5GHz),其传输带宽分别为X频段带宽的4倍和8倍;(3)采用极化频率复用技术,利用2路独立的正交极化信号,可将频谱利用效率翻倍。目前,国内外民用卫星,如“世界观测”(WorldView)系列卫星、资源三号卫星等,均采用X频段双圆极化频率复用技术提高通道下传速率。综合考虑数据传输系统的工程实现可行性和海量数据下传需求,高分辨率低轨遥感卫星采用Ka频段进行对地数据传输是未来发展更好的选择。文献对采用Ka频段、8PSK调制方式对星地数据传输的可行性进行了研究,但侧重于特定参数配置下、单圆极化系统不同地面站的链路可用率分配问题,本文在此基础上,利用双圆极化频率复用技术,进一步研究了提高通道传输速率的可行性。本文首先分析了Ka频段单圆极化系统星地数传链路,确认给定参数条件下的链路可用性;然后,介绍了双圆极化频率复用对信号传输质量的影响,并分析了同极化衰减和去极化效应导致的交叉极化鉴别率对信噪比降低因子的影响,以及卫星天线、地面站天线、大气去极化效应对总交叉极化鉴别率的影响;最后,重点研究了Ka频段同频极化复用的可行性,可为未来Ka频段星地数据传输的工程实现提供参考。2单圆极化系统的星地数传输线分析2.1编码性能分析对低轨遥感卫星而言,地面站接收系统的信噪比决定了解调信号的误码率,而误码率直接影响遥感图像质量。在进行星地数传链路总体设计时,必须综合考虑多种因素的影响,确保遥感数据的稳定、可靠接收。对单圆极化系统,根据文献中的相关定义,可推导出使用纠错编码时链路计算公式如下。式中:Eb/N0为实际接收的比特能量与噪声功率谱密度之比(简称比特信噪比);PEIRP为卫星天线发射的等效全向辐射功率(EIRP);Qr为地面站品质因数(通常也称为G/T值);r为编码效率;Rc为编码后速率;L为全部传输损耗(系统损耗),包括自由空间传播损耗、天线指向误差损耗和雨衰等。链路分析结果是一个链路能否进行可靠数据传输的依据。对数字传输系统,当接收的比特信噪比Eb/N0不低于给定的门限比特信噪比(Eb/N0)th时,链路误码率Pe不高于给定的门限误码率(Pe)th(对光学遥感卫星,门限通常为1×10-7),此时系统余量不小于0,链路可用,否则认为链路不可用。其中,门限比特信噪比(Eb/N0)th与采用的信道编码方式密切相关。2.2链路特性分析拟采用的Ka频段(25.5~27.0GHz)带宽为1.5GHz,设置2个频点(25.85GHz和26.65GHz),单通道码速率为1.5Gbit/s,采用8PSK调制和基带成型方式(成型系数为0.3),则2个通道之间信号存在100MHz的保护带宽。假定在一颗卫星与一个地面站之间建立传输链路,卫星运行在高970km、回归周期14天的太阳同步圆轨道,射频信号采用右旋圆极化(RHCP)方式,链路分析参数如表1所示。根据式(1),在良好大气条件下,单圆极化系统的比特信噪比实际接收值和理论要求门限值如图1所示。由图1可见,接收仰角由5°增加至60°,实际接收比特信噪比由30.6dB增加至39.8dB,均大于门限值14.0dB。因此,在良好大气条件下,该链路可以进行可靠的数据传输。3双圆极化频率恢复了系统的星地数传播链分析3.1去极化传输系统与地球静止轨道的广播通信卫星不同,低轨遥感卫星相对地面站快速移动,如果采用线极化方式,则卫星发射天线和地面接收天线之间的极化夹角不断变化,无法实现信号的稳定接收。圆极化方式的优点是不用调整发射天线和接收天线的极化面,适用于低轨遥感卫星相对地面站快速移动的特点,因此,在低轨遥感卫星对地数据传输中得到了广泛应用。与单圆极化系统相比,采用正交的左旋圆极化(LHCP)和RHCP进行数据传输时,可将通道传输速率翻倍。然而,传输链路的非球形雨滴和冰晶产生交叉极化或交叉干扰,使得2个通道不再完全正交,称为去极化效应。交叉极化的严重程度与极化状态相关,圆极化所受影响比垂直线极化或水平线极化更大。去极化效应是传输信号极化状态的变化,一种极化状态传输通道的发射功率转移到与之正交的极化传输通道中去,成为正交极化传输通道中的噪声,增加了正交极化传输通道的干扰,降低了双极化传输的信号质量。3.2单极化链路的及其与cs、xpd的关系决定双圆极化数据传输性能的传播路径因素是同极化衰减(CPA)和交叉极化鉴别率(XPD)。其中:CPA代表传输信号的功率损耗;XPD定义为接收的同极化信号与交叉极化信号功率之比,代表由于去极化效应引起的交叉极化干扰。事实上,XPD相当于信号与干扰噪声的功率比,该干扰噪声可以看作加性高斯白噪声,这与现实中误码性能退化情况相吻合。CPA和XPD将导致链路接收比特信噪比降低,有如下关系。式中:(Eb/N0)nom为不考虑传播路径损耗时接收的比特信噪比,dB;F为功率损耗和去极化效应引起的信噪比降低因子,dB;(Eb/N0)rec为考虑信噪比降低因子F后实际接收的比特信噪比,dB。经推导,在相同频点同时传输LHCP和RHCP信号(简称“同频极化复用”)时,F可表示为式(3)。其中:等号右边第1项表示功率损耗的影响,第2项则表示去极化效应对数传链路性能的影响。式中:Γ为频带利用率,bit/(s·Hz),对8PSK调制方式,取值为3。对于第2.2节分析的数传链路,在良好大气条件下,5°仰角跟踪时,(Eb/N0)nom为30.6dB,单圆极化链路余量Msingle为16.6dB;60°仰角跟踪时,(Eb/N0)nom为39.8dB,Msingle为25.8dB。F与Msingle的关系决定了链路可用性:F≤Msingle时,链路可用,F>Msingle时,链路不可用,因此,Msingle实际上是F的最大允许值。F与CPA和XPD的关系如图2所示。为了更直观地反映链路可用时CPA和XPD的范围,在图2中找出曲面(F的实际值)与平面(Msingle)相交位置所对应的CPA和XPD值,并在图3中给出CPA与XPD的关系曲线。当CPA与XPD处于曲线左侧区域时,F<Msingle,链路可用。从图3可以看出:链路可用时,CPA越小,所要求的XPD越小;当CPA为0dB时,要求的XPD最小值为19dB。图2和图3仅从数据大小关系的角度出发,分析了数传链路的可用性。但CPA与XPD均与地面站的地理位置及降雨量概率分布因素息息相关,还要针对特定地面站,并结合与之相关的降雨量概率分布进行分析,以确认特定链路的可用性。3.3标准4:交叉极化鉴别率xpdatm受加工误差、装配误差、阻抗匹配等因素影响,卫星发射天线和地面接收天线均无法做到与理想状态完全一致,因此无法实现理论上无穷大的极化隔离度。在星地数据传输过程中,无线射频信号受大气中雨滴、冰晶等各向异性物质的影响,产生去极化效应,因此大气也存在等效的极化鉴别率。星地数传输链路合成的总交叉极化鉴别率(XPDtot)由上述3个因素决定:卫星发射天线的交叉极化鉴别率XPDsat、地面站接收天线的交叉极化鉴别率XPDe-s和大气的交叉极化鉴别率XPDatm。有以下两种方法来计算XPDtot。(1)获取最优的总交叉极化鉴别率XbestPDtot的方法。假设XPDsat,XPDe-s,XPDatm之间彼此独立,没有联系,则采用并联网络形式进行功率求和。(2)获取最差的总交叉极化鉴别率XPDtotworst的方法,即所有极化场采用相位求和的方式。在式(4)和式(5)中,所有交叉极化鉴别率均以dB形式表示。式(4)对应最优情况,式(5)对应最差情况,而实际情况应介于两者之间。如第3.2节所述,要保证链路可用,总交叉极化鉴别率(XPDtot)要求不小于19dB,根据式(4)和式(5),只有在XPDsat,XPDe-s,XPDatm均不小于19dB的条件下,链路才可用。为提高Ka频段数传链路的可靠性,应尽量增大星地天线的交叉极化鉴别率。3.4接收仰角与所对应的链路可用率仿真分析ITU发布的“设计地球-空间电信系统所需的传播数据和预测方法”(ITU-RP.618-10),根据地球上不同地点多年的降雨统计数据,建立了可预测任意地点、不同频段星地传输射频信号的CPA和XPDatm的方法。本节根据该标准中的模型,计算国内不同地面站、不同链路可用率下的信噪比降低因子。频点选择为27GHz,地面站选择喀什站和北京站,平均每年在超过0.01%的时间内,其降雨量分别达到12mm/h和50mm/h。对低轨遥感卫星而言,ITU雨衰(即CPA)模型适用的链路可用率范围为95%~99.999%,XPDatm计算模型适用的接收仰角范围为5°~60°。对星上发射EIRP固定的低轨遥感卫星,不同接收仰角所对应的(Eb/N0)nom均不同(如图1所示);不同链路可用率对应不同的CPA,而XPDatm又与CPA相关。这些相互关联的因素在仿真分析中均予以考虑。在典型链路可用率(99.9%、99%、95%)下,图4和图5分别给出了CPA和XPDatm随接收仰角的变化曲线,图6给出了2个地面站的信噪比降低因子F。信噪比降低因子F不大于单圆极化链路余量Msingle允许值时,链路可用。在既定卫星轨道前提下,由图4~6可以看出:(1)在同一链路可用率下,随着接收仰角的增大,CPA逐渐减小,而XPD则逐渐增大;在同一接收仰角下,随着链路可用率的降低,CPA逐渐减小,而XPD则逐渐增大。雨量稀少的喀什站受降雨的影响,远小于雨量中等的北京站。(2)采用同一公式计算XPDtot,降低链路可用率,可减小F。(3)对于同一链路可用率,采用式(4)合成得到最优的XPDtot,而采用式(5)合成得到最差的XPDtot,因此,式(4)对应的F均小于式(5)的对应值。(4)对雨量稀少的喀什站,通过提高XPDsat和XPDe-s的方式,可以减小F。当XPDsat=27dB,XPDe-s=30dB时,即使按式(5)合成得到最差的XPDtot,链路可用率95%所对应的F均小于Msingle,因此链路可用,可实现仰角5°起全弧段跟踪,而链路可用率99%和99.9%无法实现仰角5°起全弧段跟踪。(5)对雨量中等的北京站,通过提高XPDsat和XPDe-s的方式,可以减小F。当XPDsat=27dB,XPDe-s=30dB时,即使要求最低的链路可用率95%,采用式(4)合成得到最优的XPDtot,才可实现仰角5°起全弧段跟踪;但采用式(5)合成得到最差的XPDtot,对应的起始跟踪仰角高达14°,此时接收弧段减少高达45%以上,已不具备实用价值。因此,对北京站而言,不能追求高的链路可用率,只能视天气情况合理安排接收计划,确保数据的稳定、可靠接收。3.5轨道高度对mdula的影响选取高度分别为970km(与前文分析相同)、500km和250km的太阳同步圆轨道,XPDsat/XPDe-s分别选取25dB/27dB和27dB/30dB,地面站选择喀什站,根据式(6)的定义进行分析。分析数据表明,轨道高度变化对Mdual影响很小,如图7所示,根据该图可直接判断双圆极化链路的可用性。在参数XPDsat,XPDe-s,XPD合成方法相同的条件下,不同轨道高度的Mdual差别很小,因此在图7中曲线基本重合,无法区分开。为此,图8给出了以高度970km为参考,高500km和250km的轨道在参数XPDsat,XPDe-s,XPD合成方法不同时对应的Mdual差值。可以看出,差值的最大值不到0.5dB。4地面站配置方案优化本文通过对Ka频段双圆极化频率复用和去极化效应的分析,得出如下结论。(1)低轨遥感卫星采用Ka频段双圆极化频率复用技术进行对地数据传输具备可行性。采用8PSK调制方式时,通道传输速率可达6Gbit/s,能够有效解决海量遥感数据下传的难题。(2)去极化效应对