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CN105978664B - 一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统 - Google Patents

一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于遥感卫星的高效超高速有效载荷数据传输系统，其包括：可变码率编码模块，数据调制复用模块，微波信号发射模块和系统控制模块；该系统控制模块，根据卫星与地面站相对位置计算出低密度奇偶校验码的编码码率、振幅相移键控的调制阶数和承载天线的转台角度；该可变码率编码模块，完成有效载荷数据的信道编码，组成数据传输帧；该数据调制复用模块，实现数据传输帧的振幅相移键控调制，将传输码元信号在多个子信道上完成正交频分复用后成为数据已调载波信号；所述微波信号发射模块，通过频谱搬移将数据已调载波信号转换为数据已调射频信号，输出一定功率的空间电磁波，并保持天线波束自动跟踪地面站；实现Gbps量级的传输码率。

Description

一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统
技术领域
本发明涉及近地遥感卫星的技术领域，特别涉及一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统。
背景技术
随着遥感卫星有效载荷高分辨率图像及综合探测技术的发展，从卫星到地面的有效载荷数据传输系统面临着越来越高码速率的需求。国际电联(ITU)分配了S波段2200～2290MHz、X波段8025～8400MHz和Ka波段25.5～27GHz频谱资源给遥感卫星，用于有效载荷数据传输，现有的有效载荷数据传输系统使用单载波四相相移键控(QPSK)进行信号调制，但是QPSK调制阶数为2，即一个传输码元仅包含2个数据比特，频谱利用率较低；目前已经应用到遥感卫星上的有效载荷数据传输系统，在X波段8025～8400MHz中的375MHz带宽上最多只能承载450Mbps码率、数据比特率不大于400Mbps。现有卫星有效载荷数据传输系统在提高数据传输能力方面，对通信资源(带宽、功率)需求很大，已有信道带宽及星载发射功率已经成为进一步提高数据传输码率的瓶颈。因此，现有的用于遥感卫星的微波数据传输技术难以满足未来有效载荷Gbps量级的传输码率的数据传输需求。
同时，现有的有效载荷数据传输系统采用固定编码调制体制(CCM)，通过固定码率的信道编码结合单一QPSK调制方式，并且根据卫星与地面站的最远通信距离确定发射功率，以满足误码率需求；但是，遥感卫星在通过地面站的数据传输过程中，通信距离有一个逐渐减小又不断增大的过程，由于距离减小带来了链路余量不断增大，这样CCM体制导致链路资源存在着较大的浪费，降低了有效载荷数据传输系统的资源利用率。
发明内容
本发明的目的在于，为解决对现有的有效载荷数据传输系统无法在ITU分配的X波段375MHz带宽上实现Gbps量级的传输码率的缺陷，进而提供一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，高效实现Gbps量级的超高速传输码率。所述系统综合采用振幅相移键控(APSK)高阶调制技术、可变码率低密度奇偶校验码(LDPC)信道编码技术、正交频分复用(OFDM)技术和自动跟踪目标波束技术，着重实现各单项技术之间的高效融合，以微波信号传输方式实现Gbps量级的超高速传输码率。该有效载荷数据传输系统包括：可变码率编码模块，数据调制复用模块，微波信号发射模块和系统控制模块。
所述可变码率编码模块，采用可变码率LDPC信道编码技术，对输入的有效载荷数据进行信道编码，组成数据传输帧，将该数据传输帧送往数据调制复用模块。在对输入的有效载荷数据进行信道编码的过程中，所述可变码率编码模块采用BCH/LDPC级联编码方式，其中，BCH(Bose-Chaudhuri-Hocguenghem)编码作为外码，低密度奇偶校验码(LDPC)作为内码，对需要传输的有效载荷数据进行可变码率LDPC信道编码，LDPC编码具备11种编码率：1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10，以编码增益的变化来适应星地链路增益的变化。
根据遥感卫星相对地面站的轨道位置，由所述系统控制模块指定所述可变码率编码模块的当前编码率，在不同的链路条件下，对所述有效载荷数据进行冗余度不同的信道编码，传输不同的有效数据比特率；即在保证数据传输的误比特率低于指标要求的前提下，在链路余量较小时，使用较低码率的编码，提高链路增益；在链路余量较大时，使用较高码率的编码，提高有效数据在信道传输中的占比；这样，在固定传输码元速率(也即信道带宽)的条件下，从整个数据传输过程来看增大了卫星通过地面站期间的有效数据吞吐量。
所述数据调制复用模块，采用APSK高阶调制技术与OFDM信道复用技术，对所述可变码率编码模块输出的数据传输帧进行APSK高阶数字信号调制，将传输码元信号调制在多路并行正交的子信道上，实现多个子信道APSK信号的频分复用。所述数据调制复用模块包括：APSK信号调制器和OFDM信道复用器。所述APSK信号调制器用于实现16/32APSK调制体制，根据遥感卫星相对地面站的轨道位置，由所述系统控制模块指定当前调制阶数，即16APSK信号采用“4+12”星座分布或者32APSK信号采用“4+12+16”星座分布，将所述数据传输帧进行4/5进制码元映射，获得16/32APSK传输码元信号。所述OFDM信道复用器，采用OFDM技术，将传输码元信号分配到多路并行正交的子信道上，把所有子信道传输码元信号通过逆傅里叶(IFFT)算法进行信号转换，成为数据已调载波信号。
由可变码率编码模块产生的数据传输帧经过上述两个模块的处理，在所述正交子信道上完成APSK高阶调制的多路传输码元信号的频谱相互重叠，因而获得具有高频谱利用率的数据已调载波信号，用η表示有效载荷数据传输链路的频谱利用率，即单位带宽传输的数据比特率，则：
其中，Rd表示有效载荷数据的比特速率，Bc表示传输信道的带宽，εC表示编码码率，M表示调制阶数，εM＝log2M表示一个传输码元信号包含的比特数；N表示正交频分复用的子信道数，一般地N＞100，此时
其中，上述公式没有将系统开销(如帧头、导频、前缀)计算在内。
所述微波信号发射模块，采用自动跟踪目标波束技术，将所述数据调制复用模块输出的所述数据已调载波信号频谱搬移到发射频率上，成为数据已调射频信号，完成射频信号功率放大，实现射频信号到空间电磁波的高效转换。所述微波信号发射模块包括：射频上变频器、小型微波固态功放、小型二维转台和点波束天线。所述射频上变频器完成将所述数据已调载波信号的频率向发射频率的搬移，形成数据已调射频信号；所述小型微波固态功放对所述射频信号完成功率放大；所述点波束天线将所述射频信号转换成空间电磁波发射到地面站，与常规卫星数据传输发射天线相比，点波束天线带来的高增益能够支撑高码率数据传输而无需消耗过多的电能；为了使卫星在地面站过境期间内保持发射天线波束指向地面站，由所述系统控制模块控制所述小型二维转台实现天线波束自动跟踪目标。
所述系统控制模块，根据遥感卫星轨道位置和地面站位置进行实时数据处理，用于指定所述可变码率编码模块中的LDPC编码码率，为所述数据调制复用模块指定APSK信号调制的阶数，并为所述微波信号发射模块指定承载天线的二维转台的角度。所述系统控制模块在卫星进入地面站可视弧段之前，通过数据注入获得地面站位置坐标数据；在卫星进入地面站可视弧段之后，通过接收星务计算机提供的GPS实时轨道数据获得卫星轨道位置，根据卫星轨道位置与地面站位置，通过处理器来计算出通信距离及其变化值，从而通过计算链路增益确定当前使用的合适编码码率及调制阶数，并在合适的时间控制所述可变码率编码模块及所述数据调制复用模块切换参数；同时，通过计算卫星位置与地面站位置的实时相对关系并结合卫星姿态，控制承载天线的二维转台的当前角度，保证发射天线波束在卫星数据传输期间持续跟踪指向地面站。
本发明的优点在于：在理论上获得了比现有的卫星有效载荷数据传输系统高出两倍以上的频谱利用率，考虑到星载设备资源受限及信号处理能力有限，结合遥感卫星运行轨道的规律，将现有多种高效频谱、高效功率、可星载实现的单项技术有机融合，在保持卫星数据传输信道频带不变、地面站接收能力不变、星上电源功耗不变的条件下，相对现有的有效载荷数据传输系统，提高了数据传输链路效率及数据传输能力，为遥感卫星有效载荷提供超高速的数据传输服务，满足后续有效载荷技术发展对数据传输能力提出的需求。
附图说明
图1是本发明的用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统的结构示意图
图2是本发明的用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统的16APSK星座映射示意图
图3是本发明的用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统的32APSK星座映射示意图
图4是本发明的用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统的OFDM信号频谱示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明从原理上讲可用于任何频段的卫星有效载荷数据传输系统，由于现有的卫星有效载荷数据传输系统常用ITU分配的X波段，所以具体数值针对X波段情形给出。
本发明提供一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，高效实现Gbps量级的超高速传输码率。所述系统综合采用振幅相移键控(APSK)高阶调制技术、可变码率低密度奇偶校验码(LDPC)信道编码技术、正交频分复用(OFDM)技术和自动跟踪目标波束技术，着重实现各单项技术之间的高效融合，以微波信号传输方式实现Gbps量级的超高速传输码率。如图1所示，该高速超高效有效载荷数据传输系统包括：可变码率编码模块，数据调制复用模块，微波信号发射模块和系统控制模块。
所述可变码率编码模块，采用可变码率LDPC信道编码技术，对输入的有效载荷数据进行信道编码，组成数据传输帧，将该数据传输帧送往数据调制复用模块。在对输入的有效载荷数据进行信道编码的过程中，所述可变码率编码模块采用BCH/LDPC级联编码方式，其中，BCH编码作为外码，LDPC作为内码，对需要传输的有效载荷数据进行可变码率LDPC信道编码，LDPC编码具备11种编码率：1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10，以编码增益的变化来适应星地链路增益的变化。
根据遥感卫星相对地面站的轨道位置，由所述系统控制模块指定当前编码率，在不同的链路条件下，对所述有效载荷数据进行冗余度不同的信道编码，实现不同的有效数据传输率。在保证数据传输误比特率低于指标要求、即链路增益余量达到限定值的前提下，当传输距离增大、链路增益余量变小到不足限定值时，使用低一级编码码率，如从3/4切换到2/3，降低有效数据比特率、增加链路增益余量；当传输距离减小、链路增益余量变大到超过限定值时，使用高一级编码码率，如从3/4切换到4/5，提高有效数据比特率、减小链路增益余量；这样能够将卫星在通过地面站过程的链路增益余量用足，在相同信道带宽的条件下，相对现有的卫星有效载荷数据传输系统的固定码率信道编码，可变码率信道编码增大了卫星通过地面站期间的有效数据吞吐量。
在卫星通过地面站的飞行过程中，卫星有效载荷数据传输链路的增益变化范围可达10dB以上，而11种码率的LDPC编码增益覆盖范围只有8dB左右，还必需通过与APSK信号调制阶数的配合来加大链路适应范围，实际上均通过编码调制组合模式来实施。
所述数据调制复用模块，采用APSK高阶调制技术与OFDM技术，对所述可变码率编码模块输出的数据传输帧进行16/32APSK高阶数字信号调制，将传输码元信号调制在多路并行正交的子信道上，实现多个子信道APSK信号的频分复用。所述数据调制复用模块包括：APSK信号调制器和OFDM信道复用器。所述APSK信号调制器用于实现16/32APSK调制体制，根据遥感卫星相对地面站的轨道位置，由所述系统控制模块指定当前调制阶数，即16APSK信号采用“4+12”星座分布或者32APSK信号采用“4+12+16”星座分布，如图2和3所示，将所述数据传输帧进行4/5进制码元映射，获得16/32APSK传输码元信号。所述OFDM信道复用器，采用OFDM技术，将传输码元信号分配到多路并行正交的子信道上，把所有子信道信号通过IFFT算法进行信号转换，如图4所示，成为数据已调载波信号。采用16APSK信号时，调制阶数M＝16，即εM＝log2M＝log2 16＝4；采用32APSK信号时，调制阶数M＝32，即εM＝log2M＝log2 32＝5。
由可变码率编码模块产生的数据传输帧经过上述两个模块的处理，在所述正交子信道上完成APSK高阶调制的多路传输码元信号的频谱相互重叠，因而获得具有高频谱利用率的数据已调载波信号，用η表示有效载荷数据传输链路的频谱利用率，即为单位带宽传输的数据比特率，则：
其中，Rd表示有效载荷数据的比特速率，Bc表示传输信道的带宽，εC表示编码码率，M表示调制阶数，εM＝log2M表示一个信号码元包含的比特数；N表示正交频分复用的子信道数，一般地N＞100，此时
所述遥感卫星有效载荷数据传输系统在16/32APSK调制方式结合不同码率LDPC编码的情况下，根据公式(1)可以得到如表1所示本实施例具体使用的编码调制组合模式的有效载荷数据传输链路的频谱利用率η结果。
表1 不同编码调制方式下有效载荷数据传输链路的频谱利用率
根据卫星飞行轨道与地面站的距离变化关系，将上述编码调制组合模式与传输距离相匹配，以卫星相对地面站飞行的某种轨道为例，可以得到一种如表2所示的可变编码调制组合模式实施流程。
表2 可变编码调制组合模式实施流程样例
注：表中列出卫星由远及近的一半数据传输时间的数据，由于卫星相对于地面站飞行轨道对称，卫星由近及远的另一半数据传输时间内每种编码调制组合模式所持续的时间与表中所示流程镜像对称。
这样，可以得到在一轨时间、375MHz带宽内的平均有效数据比特率如下：
其中，Ti表示第i次的编码调制组合模式的持续时间，Rd表示在一轨时间、375MHz带宽内的平均有效数据比特率，Rs表示信道传输码元速率；ηi表示第i次的有效载荷数据传输链路的频谱利用率；
根据表1和2中的结果，在375MHz带宽约束下，所述用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统能够获得1.24Gbps的数据比特率，相对于现有有效载荷数据传输系统可以实现的400Mbps数据比特率，在相同资源开销条件下，所述用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统具有显著的高速和高效的特点。
所述微波信号发射模块，采用自动跟踪目标波束技术，将所述数据调制复用模块输出的所述数据已调载波信号频谱搬移到发射频率上，成为数据已调射频信号，完成射频信号功率放大，实现射频信号到空间电磁波的高效转换。所述微波信号发射模块包括：射频上变频器、小型微波固态功放、小型二维转台和点波束天线。所述射频上变频器完成将已调信号向射频频率的搬移，形成数据已调射频信号；所述小型微波固态功放对所述数据已调射频信号完成功率放大；所述点波束天线将所述数据已调射频信号转换成空间电磁波发射到地面站，与常规卫星数据传输天线相比，点波束天线带来的高增益能够支撑高码率数据传输而无需消耗过多的电能；为了使卫星在数据传输过程中保持发射天线波束指向地面站，由所述系统控制模块控制所述小型二维转台实现天线波束自动跟踪地面站。
在375MHz带宽约束下，现有卫星有效载荷数据传输系统要实现400Mbps数据比特率的星地传输链路时，需要卫星发射功率达到50W(LDPC(7/8)信道编码、常规发射天线波束边缘增益4dBi)；使用本专利方案，可获得1.24Gbps数据比特率的星地传输链路，通过常规的卫星通信链路计算得知仅需要卫星发射功率2W(采用增益14dBi点波束天线)。
所述系统控制模块，用于指定所述可变码率编码模块中的LDPC编码码率，为所述数据调制复用模块指定APSK信号调制的阶数，并为所述微波信号发射模块指定承载天线的二维转台的角度。所述系统控制模块在卫星进入地面站可视弧段之前，通过数据注入获得地面站位置坐标数据；在卫星进入地面站可视弧段之后，通过接收星务计算机提供的GPS实时轨道数据获得卫星轨道位置，根据卫星轨道位置与地面站位置，通过处理器来计算出通信距离及其变化值，从而通过计算链路增益确定当前使用的合适编码调制组合模式，并在合适的时间控制所述可变码率编码模块及所述数据调制复用模块切换参数；同时，通过计算卫星位置与地面站位置的实时相对关系并结合卫星姿态，控制二维转台的当前角度，保证发射天线波束在卫星数据传输期间持续跟踪指向地面站。
在其他具体实施例中，将点波束天线进一步采用双极化信号技术，将所述两路数据已调射频调制信号在两个正交的极化方向(左旋、右旋)上并行发射，实现信号的极化复用，从而把信道频带利用率再提高一倍，可以获得2.48Gbps数据比特率的有效载荷数据传输系统。
最后需要说明的是，具体实施方式中所述的实验用图仅用来说明本发明的技术方案的可行性而非局限于此例，算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，其特征在于，该有效载荷数据传输系统包括：可变码率编码模块，数据调制复用模块，微波信号发射模块和系统控制模块；所述系统控制模块，根据遥感卫星相对地面站的轨道位置进行实时数据计算，为所述可变码率编码模块指定低密度奇偶校验码编码码率，为所述数据调制复用模块指定APSK信号调制的阶数，并为所述微波信号发射模块指定承载天线的二维转台的角度；所述可变码率编码模块，对输入的有效载荷数据进行信道编码，组成数据传输帧；所述数据调制复用模块，对该数据传输帧进行振幅相移键控调制，将传输码元信号在多个子信道上完成正交频分复用后成为数据已调载波信号；所述微波信号发射模块，将所述数据已调载波信号频谱搬移到发射频率上，转换为数据已调射频信号，完成射频信号功率放大，实现射频信号到空间电磁波的转换，并保持天线波束自动跟踪地面站；进而实现Gbps量级的传输码率。
2.根据权利要求1所述的一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，其特征在于，所述可变码率编码模块进一步包括：一体化的可变码率信道编码器，对需要传输的有效载荷数据进行可变码率低密度奇偶校验码信道编码，及时调整编码增益来适应星地链路增益的变化，低密度奇偶校验码编码器具备11种编码率：1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10。
3.根据权利要求1所述的一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，其特征在于，所述数据调制复用模块进一步包括：将所述数据传输帧进行4/5进制码元映射，获得16/32振幅相移键控传输码元信号，将传输码元信号分配到多路并行正交的子信道上；把所有子信道传输码元信号通过逆傅里叶算法进行信号转换，成为数据已调载波信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，其特征在于，所述微波信号发射模块包括：射频上变频器、小型微波固态功放、小型二维转台和点波束天线；所述射频上变频器，用于完成将所述数据已调载波信号的频谱向发射频率的搬移，形成数据已调射频信号；所述小型微波固态功放，用于对所述射频信号完成功率放大；所述小型二维转台承载点波束天线，在卫星与地面站进行数据传输过程中保持发射天线波束指向地面站。
5.根据权利要求1所述的一种用于遥感卫星的有效载荷数据传输系统，其特征在于，所述系统控制模块进一步包括：根据遥感卫星轨道位置和地面站位置进行实时数据处理，所述系统控制模块在卫星进入地面站可视弧段之前，通过数据注入获得地面站位置坐标数据；在卫星进入地面站可视弧段之后，通过接收星务计算机提供的GPS实时轨道数据，获得卫星轨道位置，根据卫星轨道位置与地面站位置，通过处理器来计算出通信距离及其变化值，从而通过计算链路增益确定当前使用的编码码率及调制阶数，并在设定的时间控制所述可变码率编码模块及所述数据调制复用模块切换参数；同时通过计算卫星位置与地面站位置的实时相对关系并结合卫星姿态，用于控制二维转台的当前角度，保证发射天线波束在卫星数据传输期间持续跟踪指向地面站。
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