月基平台对地观测数据传输链路方案设计及分析<sup>*</sup>
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月基平台对地观测数据传输链路方案设计及分析
陈国强1,2, 阮智星1, 郭华东1, 刘广1, 丁翼星1, 张严心2     
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094;
2. 北京交通大学电子信息工程学院, 北京 100044
摘要: 数据传输及处理能力是月基平台构建中的一个重要问题,如何高效准确地传输海量对地观测数据至地球供后续研究是开展月基对地观测的关键环节。通过STK和MATLAB软件联合仿真,模拟月基平台对地观测数据传输链路,首次提出适用于月基平台的下行链路通信方案:通过构建中纬度地球站、最小间隔经度值为40°的2颗中继卫星组的设计方案,可以最大程度地实现全天候、无时断的信号传输,满足下行链路接收端获取足够强度和低误码率的信息,从而保障月基平台的运行。
关键词: 月基平台     对地观测     深空通信     数据传输     链路    
Moon-based platform data transmission link scheme design and analysis
CHEN Guoqiang1,2, RUAN Zhixing1, GUO Huadong1, LIU Guang1, DING Yixing1, ZHANG Yanxin2     
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;
2. School of Electronic & Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Received: 2017-05-08; Accepted: 2017-08-02; Published online: 2017-09-26 14:45
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (41590852, 41590853, 41501403); Key Program of the Chinese Academy of Sciences (QYZDY-SSW-DQC026)
Corresponding author. RUAN Zhixing, E-mail: ruanzx@radi.ac.cn
Abstract: The ability of data transmission and processing is an important factor in the construction of the moon-based platform. How to transmit the observation data to the earth station efficiently and accurately is a critical step to carry out the further researches. Through the joint simulation of STK and MATLAB, we simulate data transmission link from Moon-based platform to Earth and put forward a downlink communication scheme for the platform. It has been proved that the scheme of two relay satellites with 40 degrees apart and of utilizing the middle latitude earth station can receive reliable information all the time. It could make the downlink receiver get information with enough power and low bit error rate, so as to ensure the operation of the moon-based earth observation platform.
Key words: moon-based platform     earth observation     deep space communication     data transmission     link    

随着中国航天技术和探月工程的不断发展,利用月球作为观测平台开展对地观测的理念,已成为国内外月球开发研究中的前沿思路之一[1-2]。建立良好的对地观测平台有助于更加全面地了解和认识地球,相较于传统的星载平台,月基平台具有更远的观测距离(3.8×105 km),能够覆盖更宽的地球表面;具有更大的平台搭建空间(直径3 460 km),可在月球表面区域集中搭建多个平台,不必如星载平台考虑星间最小角度限制。月球绕地公转周期与其自转周期之间的相等关系,使月球在绕地公转时,总有固定的半个球面始终朝向地球,故相较于多数的星载平台,可以实现全天候、周期性、可变观测视角的对地观测和通信[3]。不同于星载平台存在的光压摄动、地球扁率摄动和大气阻力摄动等问题,月基平台不需要定期校正平台的位置;相较于以人造轨道卫星为基础的星载平台,月基平台的寿命也长于前者,且可以省去与前者之间相互通信的星历校准环节。如上所述,搭建以月球为基础的对地观测平台对高效开展地球宏观现象的科学研究具有重要意义[4],并且在可预见的未来,待技术和理论成熟后,可以将其观测对象转变成除地球以外的其他宇宙深空对象。

月地之间的远距离和月基平台对地观测的海量数据给月基平台的数据传输带来了巨大的挑战[5]。月基平台对地球进行观测和通信时,由于电磁波的传输距离遥远,不可避免会因为太空辐射、太阳风和日冕[6]等因素而产生较大的深空自由空间损耗;且由于传输距离遥远,难以避免发散问题,电磁波的波长越大,发散问题越严重,目标接收到的信号越弱。同时,月基平台为了满足地球宏观现象的观测能力,需要尽可能搭设多源传感器,实现长时间周期的大尺度观测。观测过程将记录较大数据量的遥感影像,这将对月基平台的数据传输能力提出更高的要求。因此,在设计月基平台对地传输链路方案时,需要尽量满足月地充足的数据通信时间和较高的数据传输质量的设计要求,从而保障月基平台的进一步发展。月基平台对地观测的相关研究具有开创性。本文旨在为月基平台对地观测系统建设提供支持出发,重点满足下行链路接收端能够得到强度更大和误码率更低的有用信号,通过STK和MATLAB软件联合仿真,构建并讨论可能的月基平台对地观测数据传输方案,结合月基平台需求分析链路性能[7-8],从而提出适应于月基平台对地的传输方案。

1 数据传输链路中的重要参数

月基平台传输通信链路的设计和卫星通信链路相似,影响传输的因素包括接收端和发射端之间的角度关系和传输过程的相关损耗等。在评价链路性能时, 常用链路的信噪比和误码率等参数进行分析。

1.1 发射站相对地球站的仰角和方位角

随着中国航天和通信事业的发展,点波束天线以其灵活性好、增益高和安全保密性强等特点,在各类通信卫星上得到了越来越广泛的应用。由于空间通信的主体相距较远,点波束天线的指向对角度更加敏感,天线指向的微小偏差,可能使点波束完全偏离原覆盖区,从而直接导致通信中断[9-10]。研究地球站与发射站(如卫星等)的几何关系,主要是求算地球站观测发射站的仰角和方位角等参数,以此为星地链路计算提供依据。因此,对于空间数据传输,发射端与接收端的仰角和方位角对信号最终能否被传输至关重要。在月基平台对地观测中,若存在转发中继卫星,则卫星相对地球站的仰角和方位角将影响卫星发射机对地球站的覆盖增益[10],继而影响所获取信号的强度等参数。如图 1图 2所示,可以算出仰角和方位角。

图 1 地球站至卫星的仰角 Fig. 1 Elevation of earth station to satellite
图 2 地球站至卫星的方位角 Fig. 2 Azimuth of earth station to satellite

若已知地球站的经度λP和纬度ϕP,卫星星下点经度λS和纬度ϕS,卫星的高度h,地球站的位置P,星下点的位置G,北极方向N.P,依次可求出地球站到卫星的仰角E和方位角A

地球站到卫星之间的仰角为

(1)

式中:RE为地球站点处与地心的距离;α为卫星星下覆盖区对应地球半中心角,其满足如下关系式:

(2)

地球站到发射端之间的方位角为

(3)

ϕS=0,则卫星可视为地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星[11]

1.2 传输损耗

信号在自由空间传播时,衰减主要来自自由空间的传播损耗LS

(4)
(5)

式中:d为传输距离,km;f为载波频率,MHz;λ为信号波长;c为信号传播速度,一般取为光速。式(4)LS的单位为W,式(5)LS的单位为dB。

在卫星通信中,除了空间传输损耗之外,还有其他的损耗项,如雨衰、大气吸收损耗和极化损耗等。图 3为卫星链路中信号传输过程中引发的损耗类型,其中EIRP为等效全向辐射功率。

图 2 卫星链路组成环节 Fig. 2 Segments of satellite link
1.3 链路评价参数

1.3.1 信噪比

信号的信噪比通常是输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比,常用分贝数(dB)表示,设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。一般来说,信噪比越大,混在信号里的噪声越小,信号的质量越高,否则相反[12]

1.3.2 误码率

信号误码率指的是在传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例(平均值),也指信号的差错概率。影响信号误码率的因子很多,通常以通信链路的信噪比大小作为判断误码率高低的指标[12]。对于军事通信下行链路,按照业务类型可分为:电话、传真、数据、图像和综合业务,其对应的误码率分别不应高于10-4、10-4、10-6、10-6和10-6;对于美国静止轨道卫星DIRECTV-14,其下行遥测链路误码率不应高于10-6[12]。当信号误码率为10-6时,表明在信息传输过程中每十万位信息中仅存在一两位错误,对于实际的卫星传输链路,该数量级可体现其良好稳定的通信性能。因此在后文的中继卫星下行链路信噪比阈值中,可以将其设置成误码率为10-6时对应的信噪比(Eb/No),此时信噪比一般取为10 dB。

2 数据传输链路方案设计

目前的月地通信主要面向探月工程相关的需求,包括月球探测数据、地球大尺度影像和月地控制命令等信息的传送,所涉及的数据量较小。月基平台在满足地球宏观现象的观测需求的基础上,数据传输链路设计更加重视月地链接时效性和链路质量。月地之间的数据传输包含2种方式:①月地之间直接进行数据通信;②在月基平台与地球站之间的下行链路通信中,加入若干中继卫星,以期达到对电磁波信号的降噪和功率增强的处理。月基对地观测通信业务包含月基平台至中继卫星的深空通信操作业务和中继卫星至地球站的近地空间通信业务。在实际运用中,中继卫星通常选为地球静止轨道GEO卫星。本文将针对月地链接方式开展链路方案模拟和对比分析,提出适应于月基平台的最优设计思路。

2.1 月基平台数据传输链路基本参数

2.1.1 通信收发端站点位置和相关参数

在月球与地球的相互作用中,地球在月面的投影位置始终以近似椭圆的形状绕月面0°N,0°W运动。若以上述点近似为地球在月球的固定投影点,则月基平台发射天线的指向近似垂直于月面并指向地球。

本文选取了同经度范围,不同纬度的3个地球站,其位置等参数如表 1所示。

表 1 位置参数 Table 1 Position parameter
类型 名称 位置
地球站 Llat 16°52′N,112°20′E
Mlat 39°54′N,116°23′E
Hlat 73°15′N,115°05′E
月球站 MBPoint 0°S,0°E

链路方案中月球站天线直径设置为4 m, 地球站为大口径直径30 m的天线;星载接收机发射机天线直径分别设置为3.7 m和2 m。整个下行链路的传输频率设置为14.5 GHz,即系统所选用的频段为Ku频段。

2.1.2 传输损耗参数

雨衰是指降雨引起的电波传播损耗,是由雨滴和雾对微波能量的吸收和散射产生的,其大小与雨量和电波穿过雨区的有效传输距离有关,并且随着频率的增大而增大[12-13],本文选取的雨衰参数文件为通用的ITU-R P618-9。

大气损耗包括大气吸收损耗和大气折射(散焦)损耗。其中,无线电波往返大气时,在大气层传播中会受到包括电离层中自由电子、离子、对流层中氧分子和水蒸气分子等的吸收,由此产生大气吸收损耗[14]。本文选取的大气吸收损耗参数文件为Simple Satcom。而大气折射损耗是由于大气层中的大气密度因高度的变化而不同,使电磁波在传输路径上出现弯曲的现象,引起天线波束扩散,继而产生折射损耗。无线电波往返大气层时,在大气层传播中会产生吸收损耗。

2.1.3 数据传输编码方式

本文在仿真过程中,选择较默认编码方式BPSK更为有效的QPSK编码方式。BPSK编码方式在一个符号的持续时间T内能够传送1个比特的信息(+1或者-1),当需要传送比特+1时,就发送正余弦波;当需要传送比特-1时,就发送负余弦波。而QPSK调制技术能够在一个符号周期内传送2个比特的信息。QPSK编码方式不仅利用了同相(in-phase)分量,还利用了正交(quadrature)分量。同相分量和正交分量彼此正交,因此两者可以被结合在一起而不会相互干扰。所以,QPSK编码方式可以在第1个BPSK信号上叠加与之正交的第2个BPSK信号,而不产生任何干扰。故QPSK调制技术能够成倍地提高BPSK的频带利用效率,因为在T时间内还能够传送另一个比特。

2.2 月地直传通信方案

月基平台与地球通信,其中一种方式为直接通信,不通过任何中继卫星进行转发,图 4为直接传输示意图。

图 4 直接传输示意图 Fig. 4 Schematic of direct transmission

在同一个自然月内,月球在地球上投影落点分为北半球、南半球和赤道位置附近,而赤道位置附近又可以分为由北向南通过赤道及由南向北通过赤道。本文按照月球在地球上投影落点位置,模拟了月地关系这4种不同时间段的链路场景。图 5表征了各个不同时期不同地球站接收信号的信噪比的变化,通过信噪比的变化可以得出信号误码率的变化情况。在场景的每一个阶段中,时长为2 d,每次间隔的步长为60 s。通过场景模拟可知,若不考虑对最高误码率限制的最低信噪比值,对地观测系统的收发端一般均有不可见的时期,且在不同的可见时间段内,信噪比值会出现较大的振荡。

图 5 直传模式月球投影 Fig. 5 Lunar shadow in direct transmission mode

当月球的投影点位于地球北半球时候,高纬度地球站的可见性相较于中低纬度的地球站高。因为从空间位置上,地球站与地心的连线与月地轴心连线的夹角为锐角;并且此时中、低纬度地区可见情况高度重合,包括可见时间及接收端信噪比值大小。其他不同时期的地球站有时会有非锐角出现。当月球的投影点位于地球南半球时候,高纬度的地球站已经变得不可见,也就不能完成月地通信任务。通过叠加图 5(c)图 5(d),可以得出月球投影落于赤道时,此时高、中、低纬度的地球站的可见性差别最小,同一性最高。表 2为各个阶段不同纬度的地球站对月基平台的可见时长占对应阶段总时长的百分比。

表 2 直传模式地球站可见性概率 Table 2 Visibility probability of earth station in direct transmission mode
%
地球站 月球投影位置
南半球 北半球 由北向南过赤道 由南向北过赤道
Llat 42.94 56.12 46.76 48.11
Mlat 34.03 64.66 46.76 45.58
Hlat 0 100 47.73 34.55

但实际情况下对于月基平台通信,地球站可见不一定就能够正常有效地进行通信。两端能够进行通信的基本条件是其间链路的信噪比满足最低要求。当月基平台与地球站可见时,地球站可能处于月基平台波束覆盖的边缘,链路的损耗过大,致使接收端接收到的信号强度过小、误码率过高,使得接收到的信号质量大大降低,甚至成为无用的信号,所以通信链路传输的编码应不大于其最大的误码率值,对于月球至地球通信的下行链路而言,如1.3.2节所述,按照最高误码率为10-6,即信噪比值Eb/No不应低于10 dB计,可得到有效通信概率,如表 3所示。

表 3 直传模式地球站有效通信概率 Table 3 Effective communication probability of earth station in direct transmission mode
%
地球站 月球投影位置
南半球 北半球 由北向南过赤道 由南向北过赤道
Llat 29.41 38.96 30.74 39.71
Mlat 29.28 49.11 29.03 41.89
Hlat 0 72.17 5.48 23.81

表 3可以看出,当考虑基本的信噪比约束后,月地系统的可通信时间窗口会被压缩,若将误码率的值进一步降低,时间窗口会进一步缩短,很明显,上述各种情况的信噪比峰值均价不超过40 dB,若最低Eb/No阈值为40 dB,则月地的通信将变得不可能,这种情况不满足于可靠、安全和实时传输数据的要求。因此月基平台与地球站的直接通信不可避免会遇到信号强度衰减、传播码数的错误丢失、信号的延迟和通信两端可见性等问题,并不是最优的链路方案。

2.3 月地中继通信方案

为了有效解决月地直接通信时出现的可见性和链路信噪比最低要求的问题,本文引入中继卫星对由月球传入地球的信号进行中继转发的思路。中继卫星一般是地球静止轨道卫星,是地球同步轨道卫星的特例[15]。该颗卫星定点于同经度范围的3个地球站的上空,也可以定点于其他位置。一般而言,当卫星与地球站的纬度相对位置已经固定时,两者经度相差越小,信号在传输过程经过的大气层路径或越短,大气损耗和多径损耗也会降低。

图 6为一种月地中继传输示意图,通过布置在月基平台上的传感器,可以将发射机的信号向着中继卫星的方向传输。

图 6 中继传输示意图 Fig. 6 Schematic diagram of relay transmission

图 7基于一颗中继卫星的链路方案,模拟了月球绕地球周期内4个时间段的数据传输信噪比变化情况。对于加有一颗中继卫星时,月地系统基本上可以实现全天候的可见度,只是当月球的投影向地球赤道靠近时,系统会出现小时间范围的不可见,此时系统也就不能正常通信。

图 7 单颗中继卫星模式月球投影 Fig. 7 Lunar shadow in single relay satellite mode

总体而言,中纬度地区地球站较高低纬度地球站的通信效果好,且此时三者曲线没有较大的起伏,与没有添加中继卫星相比,保证了信号传输的一致性、避免了较大的振荡。

在地球站可见性概率方面,如表 4所示,添加了中继卫星后的地球站可见性概率明显优于地月直接通信。

表 4 单颗中继卫星模式地球站可见性概率 Table 4 Visibility probability of earth station in single relay satellite mode
%
地球站 月球投影位置
南半球 北半球 由北向南过赤道 由南向北过赤道
Llat 100 100 94.76 95.59
Mlat 100 100 94.76 95.59
Hlat 100 100 94.76 95.59

为了使全天候的信号传输通信成为可能,可以在2.2节中继卫星A之外引进另一颗中继卫星B,其位置定点于沿卫星绕地转动方向相反的某处, 模拟的链路方案如图 8所示。

图 8 2颗中继卫星组传输示意图 Fig. 8 Schematic diagram of transmission of two relay satellites

此时在A的通信时间窗口之外的通信盲区有2种可供选择的链路:①月基平台、中继卫星B、中继卫星A、地球站;②月基平台、中继卫星B、地球站。在确定2颗卫星的星间角度的时候,应当留有一定的裕度。该方案2颗中继卫星经度值相差40°,可以充分保证了当卫星A进入信号传输盲区后,设备有充分的时间调整响应;待卫星离开信号传输盲区后,设备不至于立刻切换而改变链路对象。各卫星的参数保持一致,卫星B对卫星A的信号进行二次放大、降噪处理,使下行链路的传输信号比一次处理更能拟合源信号。

对上述2颗中继卫星进行仿真,可以发现地球高、中、低纬度地球站的信噪比随时间的变化曲线高度重合,故此只在此表示出中纬度地球站的Eb/No随时间的变化趋势图。

图 7(c)图 7(d)图 9模拟可知,不同模式下信号有效通信窗口不一样,故此可以在中继卫星通信将要进入通信盲区时,改变链路的路径,从而实现全天候,无时断的信号传输。

图 9 2颗中继卫星模式月球投影 Fig. 9 Lunar shadow in two relay satellites mode
3 结论

月基平台的相关研究是极具开创性的工作,对于全面深刻认识月基平台建设的可行性及关键技术具有重要意义。本文利用STK和MATLAB模拟技术,基于深空通信和卫星数据传输等基本理论,仿真月基数据传输链路,首次提出了适用于月基对地观测平台的下行链路通信方案。分析认为月地直传通信方案存在传输两端可见性低、下行链路通信周期内信噪比较低且不稳定,将无法满足月基平台的观测和后续分析需求。本文提出的月地下行链路中继通信方案,在仿真条件下认为设置中纬度地面接收站、最小间隔经度值为40°的2颗中继卫星,可以很好地实现全天候、无时断的信号传输,保障月基对地观测平台的运行。

月基数据传输方案的构建将进一步开展月地接收、发射端参数和信号链路参数等研究,期待在未来若干年内,能够真正地实现以月球为一个大型集中的基站而对地球、甚至其他宇宙对象进行观测研究。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0290
北京航空航天大学主办。
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陈国强, 阮智星, 郭华东, 刘广, 丁翼星, 张严心
CHEN Guoqiang, RUAN Zhixing, GUO Huadong, LIU Guang, DING Yixing, ZHANG Yanxin
月基平台对地观测数据传输链路方案设计及分析
Moon-based platform data transmission link scheme design and analysis
北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 820-827
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(4): 820-827
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0290

文章历史

收稿日期: 2017-05-08
录用日期: 2017-08-02
网络出版时间: 2017-09-26 14:45

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