基于链路自适应的遥感数据传输技术研究
王朋云+廖育荣+倪淑燕+丁丹+楼鑫
摘 要： 为提升遥感卫星数据传输的效率，针对传统遥感卫星数据传输中固定速率存在链路资源未充分利用的问题，研究基于链路自适应的遥感卫星数据传输技术，提升链路资源利用率。仿真计算结果表明，在星上发射功率和传输带宽不变的情况下，与传统方式相比，遥感卫星过境期间的数据传输量提高了2.62倍。
关键词： 遥感卫星； 数据传输； 链路自适应； 自适应编码
中图分类号： TN915.04?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0023?04
Research on remote sensing data transmission technology based on link adaption
WANG Pengyun， LIAO Yurong， NI Shuyan， DING Dan， LOU Xin
（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）
Abstract： In order to improve the data transmission efficiency of remote sensing satellite， and make full use of link resource in remote sensing satellite data transmission with fixed rate， the remote sensing satellite data transmission technology based on link adaption is researched to improve the utilization rate of link resource. The simulation and calculation results show that， in comparison with the traditional technologies， the data transmission quantity during the remote sensing satellite transit is increased by 2.62 times while the transmitting power and transmission bandwidth maintain the same.
Keywords： remote sensing satellite； data transmission； link adaption； adaptive coding
0 引 言
当前，高分辨率遥感卫星影像在军事测绘、情报搜集、防灾减灾和环境监测等领域发挥着重要作用[1?4]。随着遥感影像空间、时间、光谱分辨率的提高，遥感卫星采集的数据量迅猛增长，与此同时，频带资源越来越紧张，因此对遥感卫星数据传输的时效性和智能性提出了更高的要求，在提高星上处理能力之外，还需要发展新型的传输机制和高效的传输技术。目前提高数据传输效率主要通过增加传输带宽、在发送端采用高阶的调制编码方式以及极化复用技术等方式来提高遥感数传效率。
根据香农定理，增加传输带宽会提升信道容量，即可以满足更高速率的数据传输，已有研究结果表明，Ka频段（当前遥感卫星数传基本在X频段）的最高数据传输速率可以达到X频段的3倍，因此基于Ka频段的遥感数据传输技术是目前研究的热点[5]，但同时，带宽资源的拓宽带来了新的问题，如Ka频段大气损耗和雨衰的增加，易受天气变化的影响等[6]。
在发射端采用高阶的调制方式和高码率的纠错编码方式，主要通过减少冗余，提高符号的信息量这种方式实现以最少的符号传输最多的信息，然而采用高阶的调制和高码率的纠错编码方式在提升传输效率的同时，对于接收信号的信噪比要求较高，且数据传输速率的提高对于星上发射功率以及地面接收天线的口径要求比较苛刻，这与地面接收设备小型化和军事领域高机动性的发展趋势背道而驰。
极化复用技术的出现在一定程度上解决了频带资源匮乏的问题，它利用不同极化技术的正交特性实现频率复用，将频带利用率提高一倍，数据传输速率随之翻倍[7]，该技术率先在国外遥感数传中得到应用，如美国的WordView?1；当前国内也开展了极化复用技术的系统研究，目前已成功应用于我国多颗对地观测卫星，如资源三号卫星等[8]。
受到极化复用技术的启发，采用相关的技术手段，在现有资源条件不变的情况下提升数据传输效率。本文采用链路自适应技术，通过提高链路资源的利用率，尽可能使更多的链路资源服务于数据传输，以此提高数据传输效率。
1 链路自适应技术在遥感数传中的应用分析
传统的遥感卫星在过境期间采用固定速率传输，为满足数据传输质量的要求，基本是以最差的传输条件作为参考，因此，在高仰角时由于空间距离的变化导致存在一定程度的链路资源余量，如图1所示。
以轨道高度400 km为例，图2为卫星过境期间星地空间距离的变化引起的自由空间损耗。
同时，不同仰角下大气损耗以及雨衰等都会有所变化，某站不同仰角大气的损耗及雨衰变化情况如表1所示[9]。
综上所述，随着仰角的变化，链路损耗变化近20 dB，其中空间距离的变化是链路损耗变化的主要原因，而固定速率方式在高仰角产生的多余链路余量并没有得到充分利用，因此如何充分利用这部分链路余量，将这部分闲置的链路资源更多地用于数据传输业务是本文研究的重点。
链路自适应是一种根据链路质量自适应调整数据传输模式的一种技术，主要包括自适应功率控制、自适应调制以及自適应编码调制等技术。其中自适应编码调制能够克服自适应功率控制以及自适应调制本身的一些缺点，并且具有良好的信道适应性，因此被广泛应用于无线通信领域[10?11]。
本文主要讨论自适应编码调制技术在遥感卫星数传中的应用，首先通过链路预算，在给定参数的情况下建立一个不同的信道状态阈值区间；其次在不同的阈值区间内采用不同的编码调制方案，即低仰角时选择设计方案中低阶的编码调制方式，保证数据传输的可靠性。在高仰角时，空间距离减小，链路损耗降低，选择方案中高阶的编码调制方式，提高符号利用率，即在符号传输速率保持不变的情况下，通过这种方式提升信息的传输量，将传统遥感数据传输方式在高仰角时的链路余量充分利用起来，最大化下行链路的数据传输量。
2 方案设计及性能仿真
本文仿真中采用的调制方式有BPSK，QPSK，8PSK和16QAM，编码方式选择Turbo码，码率设定为和因此调制编码组合方式有16种，即有16种传输方案可以选择。通常卫星通信中的噪声以加性高斯白噪声为主，SNR是影响误码率（BER）的惟一因素，因此表2给出了各编码调制方案的信噪比（Signal?Noise Ratio，SNR）解调门限。
将表2中的方案用Matlab仿真，得到图3，纵轴表示频谱效率。由表2和图3可以将SNR轴划分为11个区间，每个区间的最优传输方式及其效率如表3所示，表3即为理论上的编码调制方案。
遥感卫星链路基本参数设定如表4所示，假设地面终端天线始终跟踪卫星定位（终端接收增益为固定值），7°～-7°仰角为有效数据接收区间，终端位于卫星正下方，即最大仰角为90°。
用户接收信噪比（单位：dB）由链路预算公式得到：
（1）
式中表示空间传输损耗，可由下式计算：
（2）
式中表示用户到卫星的距离。
在仰角区间7°～-7°内，以1°为间隔，根据式（1）计算信噪比，结果如图4所示。
由表3和图4可以得出不同仰角区间的传输方案，如表5所示。
表5即为卫星过境期间的传输方案，根据已有参数条件进一步计算求得自适应编码调制传输的信息量为24.47 Mb；而传统的固定编码调制方案，为保证整个过程数据传输的有效性，是以最差的条件作为设计依据，即接收信噪比在[-0.56～1.8]之间，因此一次过境传输的信息总量为9.335 Mb，根据仿真和计算结果得出，单次过境可变编码调制是固定编码调制传输信息量的2.62倍。
3 结 语
高分辨遥感卫星的快速发展对遥感数据传输提出了更高的要求，本文针对传统方法在高仰角时存在的链路资源浪费问题，采用链路自适应技术中较为成熟的自适应编码调制技术，在符号速率保持不变的同时，在高仰角区间段通过改变调制编码的方式提升符号效率，进而提升数据传输量。从仿真计算结果可以看出，自适应编码调制技术在遥感数据传输中的应用让卫星过境期间由空间距离变化产生的链路余量更多的服务于数据传输，在不增加带宽和发射功率的前提下，将数据吞吐量提高了2.62倍，有效提高了数据传输效率。
参考文献
[1] TRALLI D M， BLOM R G， ZLOTNICKI V， et al. Satellite remote sensing of earthquake， volcano， flood， landslide and coastal inundation hazards [J]. ISPRS journal of photogrammetry & remote sensing， 2005， 59（4）： 185?198.
[2] ZHANG Liang， ZHANG Bin. The application of hyperspectral remote sensing to coast environment investigation [J]. Acta Oceanologica Sinica， 2009， 28（2）： 1?13.
[3] BREKKE C， SOLBERG A H S. Oil spill detection by satellite remote sensing [J]. Remote sensing of environment， 2005， 95（1）： 1?13.
[4] CROUT R L， KENT C. Current navy applications of satellite remotely sensed data [C]// Proceedings of 2003 IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing. Toulouse： IEEE， 2003： 1026?1028.
[5] 高卫斌，冉承其.遥感卫星数据传输技术发展分析[J].中国空间科学技术，2005（6）：30?36.
[6] 王中果，洪大宝.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72?77.
[7] 赵宁.极化复用技术在遥感卫星数据传输中的应用[J].航天器工程，2010，19（4）：55?62.
[8] 王万玉，李娟妮，张保全，等.宽频带低轴比双极化频率复用天馈系统设计[J].电讯技术，2012，52（6）：423?428.
[9] COSS M， L′ABBATE M. Ka?band architecture and performance for EO satellites [C]// Proceedings of 2010 5th ESA workshop on Tracking， Telemetry and Command Systems for Space Applications. Noordwijk： IEEE， 2010： 216?223.
[10] 汤敏，蔡润，周蓓磊，等.第三代移动通信中的自适应调制和编码方法[J].复旦大学学报（自然科学版），2004，43（1）：83?85.
[11] 周沅宁.卫星通信中的自适应编码调制技术研究[D].北京：北京郵电大学，2014.
[12] 邵彧，师晓利.基于遥感数据挖掘的智能地理信息系统设计[J].现代电子技术，2016，39（10）：54?57.
摘 要： 为提升遥感卫星数据传输的效率，针对传统遥感卫星数据传输中固定速率存在链路资源未充分利用的问题，研究基于链路自适应的遥感卫星数据传输技术，提升链路资源利用率。仿真计算结果表明，在星上发射功率和传输带宽不变的情况下，与传统方式相比，遥感卫星过境期间的数据传输量提高了2.62倍。
关键词： 遥感卫星； 数据传输； 链路自适应； 自适应编码
中图分类号： TN915.04?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0023?04
Research on remote sensing data transmission technology based on link adaption
WANG Pengyun， LIAO Yurong， NI Shuyan， DING Dan， LOU Xin
（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）
Abstract： In order to improve the data transmission efficiency of remote sensing satellite， and make full use of link resource in remote sensing satellite data transmission with fixed rate， the remote sensing satellite data transmission technology based on link adaption is researched to improve the utilization rate of link resource. The simulation and calculation results show that， in comparison with the traditional technologies， the data transmission quantity during the remote sensing satellite transit is increased by 2.62 times while the transmitting power and transmission bandwidth maintain the same.
Keywords： remote sensing satellite； data transmission； link adaption； adaptive coding
0 引 言
当前，高分辨率遥感卫星影像在军事测绘、情报搜集、防灾减灾和环境监测等领域发挥着重要作用[1?4]。随着遥感影像空间、时间、光谱分辨率的提高，遥感卫星采集的数据量迅猛增长，与此同时，频带资源越来越紧张，因此对遥感卫星数据传输的时效性和智能性提出了更高的要求，在提高星上处理能力之外，还需要发展新型的传输机制和高效的传输技术。目前提高数据传输效率主要通过增加传输带宽、在发送端采用高阶的调制编码方式以及极化复用技术等方式来提高遥感数传效率。
根据香农定理，增加传输带宽会提升信道容量，即可以满足更高速率的数据传输，已有研究结果表明，Ka频段（当前遥感卫星数传基本在X频段）的最高数据传输速率可以达到X频段的3倍，因此基于Ka频段的遥感数据传输技术是目前研究的热点[5]，但同时，带宽资源的拓宽带来了新的问题，如Ka频段大气损耗和雨衰的增加，易受天气变化的影响等[6]。
在发射端采用高阶的调制方式和高码率的纠错编码方式，主要通过减少冗余，提高符号的信息量这种方式实现以最少的符号传输最多的信息，然而采用高阶的调制和高码率的纠错编码方式在提升传输效率的同时，对于接收信号的信噪比要求较高，且数据传输速率的提高对于星上发射功率以及地面接收天线的口径要求比较苛刻，这与地面接收设备小型化和军事领域高机动性的发展趋势背道而驰。
极化复用技术的出现在一定程度上解决了频带资源匮乏的问题，它利用不同极化技术的正交特性实现频率复用，将频带利用率提高一倍，数据传输速率随之翻倍[7]，该技术率先在国外遥感数传中得到应用，如美国的WordView?1；当前国内也开展了极化复用技术的系统研究，目前已成功应用于我国多颗对地观测卫星，如资源三号卫星等[8]。
受到极化复用技术的启发，采用相关的技术手段，在现有资源条件不变的情况下提升数据传输效率。本文采用链路自适应技术，通过提高链路资源的利用率，尽可能使更多的链路资源服务于数据传输，以此提高数据传输效率。
1 链路自适应技术在遥感数传中的应用分析
传统的遥感卫星在过境期间采用固定速率传输，为满足数据传输质量的要求，基本是以最差的传输条件作为参考，因此，在高仰角时由于空间距离的变化导致存在一定程度的链路资源余量，如图1所示。
以轨道高度400 km为例，图2为卫星过境期间星地空间距离的变化引起的自由空间损耗。
同时，不同仰角下大气损耗以及雨衰等都会有所变化，某站不同仰角大气的损耗及雨衰变化情况如表1所示[9]。
综上所述，随着仰角的变化，链路损耗变化近20 dB，其中空间距离的变化是链路损耗变化的主要原因，而固定速率方式在高仰角产生的多余链路余量并没有得到充分利用，因此如何充分利用这部分链路余量，将这部分闲置的链路资源更多地用于数据传输业务是本文研究的重点。
链路自适应是一种根据链路质量自适应调整数据传输模式的一种技术，主要包括自适应功率控制、自适应调制以及自適应编码调制等技术。其中自适应编码调制能够克服自适应功率控制以及自适应调制本身的一些缺点，并且具有良好的信道适应性，因此被广泛应用于无线通信领域[10?11]。
本文主要讨论自适应编码调制技术在遥感卫星数传中的应用，首先通过链路预算，在给定参数的情况下建立一个不同的信道状态阈值区间；其次在不同的阈值区间内采用不同的编码调制方案，即低仰角时选择设计方案中低阶的编码调制方式，保证数据传输的可靠性。在高仰角时，空间距离减小，链路损耗降低，选择方案中高阶的编码调制方式，提高符号利用率，即在符号传输速率保持不变的情况下，通过这种方式提升信息的传输量，将传统遥感数据传输方式在高仰角时的链路余量充分利用起来，最大化下行链路的数据传输量。
2 方案设计及性能仿真
本文仿真中采用的调制方式有BPSK，QPSK，8PSK和16QAM，编码方式选择Turbo码，码率设定为和因此调制编码组合方式有16种，即有16种传输方案可以选择。通常卫星通信中的噪声以加性高斯白噪声为主，SNR是影响误码率（BER）的惟一因素，因此表2给出了各编码调制方案的信噪比（Signal?Noise Ratio，SNR）解调门限。
将表2中的方案用Matlab仿真，得到图3，纵轴表示频谱效率。由表2和图3可以将SNR轴划分为11个区间，每个区间的最优传输方式及其效率如表3所示，表3即为理论上的编码调制方案。
遥感卫星链路基本参数设定如表4所示，假设地面终端天线始终跟踪卫星定位（终端接收增益为固定值），7°～-7°仰角为有效数据接收区间，终端位于卫星正下方，即最大仰角为90°。
用户接收信噪比（单位：dB）由链路预算公式得到：
（1）
式中表示空间传输损耗，可由下式计算：
（2）
式中表示用户到卫星的距离。
在仰角区间7°～-7°内，以1°为间隔，根据式（1）计算信噪比，结果如图4所示。
由表3和图4可以得出不同仰角区间的传输方案，如表5所示。
表5即为卫星过境期间的传输方案，根据已有参数条件进一步计算求得自适应编码调制传输的信息量为24.47 Mb；而传统的固定编码调制方案，为保证整个过程数据传输的有效性，是以最差的条件作为设计依据，即接收信噪比在[-0.56～1.8]之间，因此一次过境传输的信息总量为9.335 Mb，根据仿真和计算结果得出，单次过境可变编码调制是固定编码调制传输信息量的2.62倍。
3 结 语
高分辨遥感卫星的快速发展对遥感数据传输提出了更高的要求，本文针对传统方法在高仰角时存在的链路资源浪费问题，采用链路自适应技术中较为成熟的自适应编码调制技术，在符号速率保持不变的同时，在高仰角区间段通过改变调制编码的方式提升符号效率，进而提升数据传输量。从仿真计算结果可以看出，自适应编码调制技术在遥感数据传输中的应用让卫星过境期间由空间距离变化产生的链路余量更多的服务于数据传输，在不增加带宽和发射功率的前提下，将数据吞吐量提高了2.62倍，有效提高了数据传输效率。
参考文献
[1] TRALLI D M， BLOM R G， ZLOTNICKI V， et al. Satellite remote sensing of earthquake， volcano， flood， landslide and coastal inundation hazards [J]. ISPRS journal of photogrammetry & remote sensing， 2005， 59（4）： 185?198.
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[5] 高卫斌，冉承其.遥感卫星数据传输技术发展分析[J].中国空间科学技术，2005（6）：30?36.
[6] 王中果，洪大宝.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72?77.
[7] 赵宁.极化复用技术在遥感卫星数据传输中的应用[J].航天器工程，2010，19（4）：55?62.
[8] 王万玉，李娟妮，张保全，等.宽频带低轴比双极化频率复用天馈系统设计[J].电讯技术，2012，52（6）：423?428.
[9] COSS M， L′ABBATE M. Ka?band architecture and performance for EO satellites [C]// Proceedings of 2010 5th ESA workshop on Tracking， Telemetry and Command Systems for Space Applications. Noordwijk： IEEE， 2010： 216?223.
[10] 汤敏，蔡润，周蓓磊，等.第三代移动通信中的自适应调制和编码方法[J].复旦大学学报（自然科学版），2004，43（1）：83?85.
[11] 周沅宁.卫星通信中的自适应编码调制技术研究[D].北京：北京郵电大学，2014.
[12] 邵彧，师晓利.基于遥感数据挖掘的智能地理信息系统设计[J].现代电子技术，2016，39（10）：54?57.
