徐崇彥，張言鋒，閆東磊

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

極化復(fù)用在遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)中的工程化應(yīng)用

徐崇彥1，張言鋒1，閆東磊2

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

針對(duì)低軌遙感衛(wèi)星雙頻點(diǎn)極化復(fù)用數(shù)傳模式，研究遙感接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程化應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)對(duì)星地聯(lián)合隔離度影響進(jìn)行理論分析、星地?zé)o線極化復(fù)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了極化復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性，采用極化對(duì)消解調(diào)技術(shù)，并通過(guò)衛(wèi)星雙點(diǎn)頻極化復(fù)用模式數(shù)據(jù)的實(shí)際接收試驗(yàn)，驗(yàn)證了衛(wèi)星極化復(fù)用模式數(shù)據(jù)接收可靠性,實(shí)現(xiàn)了雙頻點(diǎn)四通道極化復(fù)用的工程化應(yīng)用。

極化復(fù)用技術(shù)；低軌遙感衛(wèi)星；極化對(duì)消；極化隔離；交叉極化

0 引言

目前，采用功率利用率較高的二相調(diào)制(BPSK)或四相調(diào)制(QPSK)方式的低軌遙感衛(wèi)星，在X頻段進(jìn)行星地?cái)?shù)據(jù)傳輸，頻率范圍一般均符合國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)規(guī)定的8 025～8 400 MHz，帶寬僅為375 MHz[1]。然而，隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感衛(wèi)星空間分辨率的不斷提高，獲取的遙感信息量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)星地鏈路傳輸信息速率提出了更高的要求。

隨著遙感衛(wèi)星接收速率的不斷提高，極化復(fù)用技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，但大多限于理論層面，文獻(xiàn)[2]利用ITU的星地鏈路計(jì)算模型，給出了雨衰和降雨去極化效應(yīng)的影響分析；文獻(xiàn)[3]提出了全數(shù)據(jù)交叉極化干擾消除器的設(shè)計(jì)方案，研制了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的一體化工程樣機(jī)；文獻(xiàn)[4]針對(duì)極化干擾對(duì)星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的影響，推導(dǎo)星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)極化干擾的理論值，仿真數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在不同的調(diào)制體制和信道編碼方式下的誤碼率惡化情況，比較在相同程度的極化干擾下各體制傳輸?shù)男阅?，分析星地遙感數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所受極化干擾影響的規(guī)律。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)遙感衛(wèi)星極化復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸鏈路的分析，研究了交叉極化的產(chǎn)生及其對(duì)鏈路極化損耗的定量影響。

上述的理論分析多基于靜態(tài)接收系統(tǒng)開(kāi)展研究，但低軌遙感衛(wèi)星接收過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)變過(guò)程，本文基于低軌遙感衛(wèi)星接收的動(dòng)態(tài)時(shí)變過(guò)程開(kāi)展分析，發(fā)現(xiàn)星地聯(lián)合隔離度將隨著衛(wèi)星軌道實(shí)時(shí)變化，同時(shí)地面站跟蹤衛(wèi)星也存在動(dòng)態(tài)滯后，通過(guò)搭建試驗(yàn)系統(tǒng)量化指向角度偏差對(duì)隔離度產(chǎn)生的影響，得出采用極化復(fù)用技術(shù)在低軌遙感衛(wèi)星接收過(guò)程中產(chǎn)生的極化干擾，并定量分析在不同情況下對(duì)接收誤碼率產(chǎn)生的影響，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證極化干擾對(duì)解調(diào)的影響及極化對(duì)消解調(diào)的有效性。

1 星地聯(lián)合隔離度指標(biāo)分析

星地鏈路極化隔離度指標(biāo)取決于衛(wèi)星天線隔離度、地面天線隔離度、衛(wèi)星天線軸比和地面站天線軸比矢量間夾角以及衛(wèi)星天線和地面天線的指向偏差。在衛(wèi)星天線和地面天線完全對(duì)準(zhǔn)及矢量夾角為0°的情況下，星地鏈路極化隔離度最大。

設(shè)衛(wèi)星天線的軸比為VAR星，地面站天線的軸比為VAR地，星地合成軸比為VAR合成，則

(1)

式中，軸比單位為dB值。2α為衛(wèi)星天線軸比與地面站天線軸比矢量間夾角，即當(dāng)2α=0°時(shí)合成軸比最大，當(dāng)2α=180°時(shí)合成軸比最小。

星地交叉極化隔離度計(jì)算公式為：

(2)

式中，XPI和VAR均為dB值。若VAR為衛(wèi)星天線軸比，則計(jì)算的XPI為衛(wèi)星交叉極化隔離度；若VAR為地面站天線軸比，則計(jì)算的XPI為地面站交叉極化隔離度。同樣地，若VAR為星地合成軸比，則計(jì)算的XPI就是星地合成交叉極化隔離度。

同樣利用交叉極化隔離度也可以計(jì)算軸比，計(jì)算公式為：

(3)

因此，為通過(guò)衛(wèi)星和地面各種交叉隔離度情況得出合成的交叉隔離，按以下方式進(jìn)行：利用式(3)計(jì)算某一種組合下的衛(wèi)星及地面站軸比，再利用式(1)計(jì)算出合成最大軸比和合成最小軸比，最后利用式(2)計(jì)算出相應(yīng)的最小和最大星地聯(lián)合交叉極化隔離度。

2 天線隔離度對(duì)信號(hào)信噪比的影響分析

設(shè)接收的左旋極化信號(hào)為S1=SL+NL。式中，SL為有用信號(hào)；NL為噪聲。右旋極化信號(hào)為S2=SR+NR。式中，SR為有用信號(hào)；NR為噪聲。

考慮一路信號(hào)對(duì)另一路信號(hào)的干擾(2路信號(hào)之間的相互干擾影響一致，現(xiàn)以接收的左旋極化信號(hào)干擾右旋極化信號(hào)為例)，則受干擾支路的信噪比變?yōu)椋?/p>

(4)

式中，A為兩通路之間的隔離度，當(dāng)兩通路信噪比和總能量完全一致時(shí)，通過(guò)計(jì)算，仿真結(jié)果與理論計(jì)算的情況基本一致。不同極化隔離下誤碼率曲線如圖1所示。

圖1 不同極化隔離下誤碼率曲線

3 星地隔離度指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證

上述分析了星地隔離度對(duì)信號(hào)信噪比的影響，以及在星地互指準(zhǔn)確的情況下星地極化隔離度的最大和最小計(jì)算方法，但未考慮天線星地指向存在偏差的情況，為了更好地分析天線跟蹤衛(wèi)星過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)滯后的情況下星地極化隔離度情況，進(jìn)行了星地聯(lián)合極化隔離度測(cè)試，并給出了在不同隔離度下的誤碼率曲線。

衛(wèi)星天線發(fā)射單載波右旋或左旋信號(hào)，地面天線分別用右旋和左旋通道接收，得到2個(gè)電平值，將2個(gè)電平值做差，即得到星地聯(lián)合隔離度；拉偏星地天線，重復(fù)測(cè)量，得到天線拉偏時(shí)的聯(lián)合隔離度[6-7]。

星地聯(lián)合隔離度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，與星地互指準(zhǔn)確的情況下相比，存在指向偏差時(shí)，星地聯(lián)合隔離度明顯下降。2條曲線的趨勢(shì)一致，隨著偏置角度增大，聯(lián)合隔離度減小，在對(duì)準(zhǔn)情況下聯(lián)合隔離度基本處于最大值位置。通過(guò)理論計(jì)算得出星地聯(lián)合隔離度范圍；在星地互指準(zhǔn)確的情況下，實(shí)際測(cè)量的星上天線和地面天線對(duì)準(zhǔn)后的聯(lián)合隔離度與理論分析相符。極化隔離下誤碼率曲線如圖3所示。

圖2 星地聯(lián)合隔離度示意

圖3 極化隔離下誤碼率曲線

通過(guò)上述分析可知，在天線跟蹤存在較大動(dòng)態(tài)滯后誤差時(shí)，再加上星地實(shí)際數(shù)傳鏈路中的極化效應(yīng)(如雨、冰、沙暴和塵暴的影響)，會(huì)導(dǎo)致星地聯(lián)合極化隔離度快速下降，數(shù)據(jù)接收誤碼率快速增大，影響數(shù)據(jù)接收，為了減小極化復(fù)用模式下的交叉極化干擾[8-9]，解調(diào)器需要研究極化對(duì)消技術(shù)[10]。

4 極化對(duì)消解調(diào)技術(shù)研究及工程化應(yīng)用

在極化復(fù)用模式下(為了敘述方便，將僅論述右旋通道，左旋通道原理相同)，一個(gè)頻點(diǎn)的右旋通道中包含了左旋信號(hào)的信息，不過(guò)左旋信號(hào)對(duì)右旋信號(hào)而言是作為噪聲出現(xiàn)的，右旋信號(hào)同樣有一部份信號(hào)泄露到左旋通道中。極化對(duì)消技術(shù)的目的就是為了將右旋通道中的左旋信號(hào)影響消除或減弱，達(dá)到提升右旋信號(hào)Eb/N0的目的，提高數(shù)據(jù)接收可靠性[11]。

可在基帶實(shí)現(xiàn)交叉極化干擾消除功能?？紤]到主路和干擾路的信號(hào)同步問(wèn)題，采用在載波同步后進(jìn)行數(shù)據(jù)交互方式實(shí)現(xiàn)。基帶交叉極化干擾消除原理框圖如圖4所示。

圖4 基帶交叉極化干擾消除

從研究及工程化實(shí)現(xiàn)角度上講有3個(gè)問(wèn)題需要解決：

① 右旋通道和左旋通道的延時(shí)補(bǔ)償機(jī)制。為了使得泄露干擾信號(hào)得到最好的去除，需要對(duì)右旋信號(hào)和左旋信號(hào)的群時(shí)延進(jìn)行調(diào)整，然而，由于衛(wèi)星和地面站的相對(duì)位置不固定，解調(diào)器碼速率也不固定，右旋信號(hào)和左旋信號(hào)的群時(shí)延不為固定值，無(wú)法手動(dòng)設(shè)置。因此，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)搜索功能，自動(dòng)搜索兩通道信號(hào)的最佳時(shí)延補(bǔ)償，以便通道數(shù)據(jù)對(duì)齊從而完成最佳干擾去除。

② 噪聲濾波消除技術(shù)。在群時(shí)延補(bǔ)償后，泄露干擾信號(hào)消除主要通過(guò)使用橫向?yàn)V波器作為自適應(yīng)濾波器，以使得系統(tǒng)輸出功率最小為準(zhǔn)則來(lái)調(diào)節(jié)橫向?yàn)V波器的系數(shù)，從而使得輸出信噪比達(dá)到最大。

③ 右旋通道和左旋通道間的解調(diào)軟數(shù)據(jù)交換機(jī)制。在高碼速率的解調(diào)條件下，右旋通道和左旋通道的解調(diào)軟數(shù)據(jù)交換速率達(dá)到了吉比特量級(jí)，采用一般的物理接口已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)，因此，可采用RapidIO接口，速率可達(dá)到3 125 Mbps×4，滿足任務(wù)要求。

在通過(guò)上述機(jī)制實(shí)極化干擾消除后，采用如圖5所示的仿真測(cè)試方法進(jìn)行了性能測(cè)試：將2路450 Mbps、OQPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器和不同長(zhǎng)度傳輸線后疊加到另外一路上來(lái)模擬帶極化干擾的信道環(huán)境，其中，用衰減器對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行衰減，傳輸線用來(lái)引入群時(shí)延偏差。

圖5 交叉極化干擾消除性能測(cè)試

在仿真中設(shè)置輸入信號(hào)與白噪聲的信噪比為15 dB，極化隔離度為10 dB，在加入極化對(duì)消解調(diào)技術(shù)前，解調(diào)后的Eb/N0統(tǒng)計(jì)為7 dB(誤碼率為10-3量級(jí))，加入極化對(duì)消技術(shù)后，解調(diào)后的Eb/N0統(tǒng)計(jì)為14 dB(誤碼率已經(jīng)降至10-13量級(jí))，約有6 dB以上的性能改善?？梢?jiàn)，采用極化對(duì)消技術(shù)可以給性能帶來(lái)一個(gè)較大的改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析不同隔離度對(duì)信號(hào)信噪比的影響，確定了由極化復(fù)用引入的解調(diào)損失小于0.5 dB時(shí)星地隔離度的指標(biāo)要求；結(jié)合衛(wèi)星天線隔離度和地面天線隔離度，對(duì)星地隔離度進(jìn)行了分析，得出星地天線互指準(zhǔn)確的條件下星地最大隔離度和最小隔離度；在星地指向有較大偏差，星地隔離度惡化的條件下，由極化復(fù)用模式引入的噪聲將極大地影響數(shù)據(jù)接收質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了解調(diào)器極化對(duì)消解調(diào)技術(shù)，可達(dá)到6 dB以上的性能改善；進(jìn)行了星地天線互指準(zhǔn)確的條件下和指向有偏差的情況下，星地極化隔離度指標(biāo)參數(shù)測(cè)試以及相應(yīng)的解調(diào)損失測(cè)試，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段，驗(yàn)證了雙頻點(diǎn)極化復(fù)用模式接收的可行性，并在衛(wèi)星發(fā)射后，成功實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星雙點(diǎn)頻極化復(fù)用模式數(shù)據(jù)可靠接收。

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徐崇彥 女，(1970—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：空間遙感衛(wèi)星應(yīng)用。

張言鋒 男，(1976—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：空間遙感衛(wèi)星應(yīng)用。

The Engineering Application of Dual-polarized Technology in Remote Sensing Satellite Receiving System

XU Chong-yan1,ZHANG Yan-feng1,YAN Dong-lei2

(1.BeijingInstituteofRemoteSensingInformation,Beijing100192,China;2.SpaceStarTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100086,China)

With the dual-frequency dual-polarized data transmission mode of LEO remote sensing satellites,this paper studies the design of remote sensing data receiving system and its engineering application.Based on the theoretical analysis of influence of satellite-ground joint isolation and the experiments of satellite-ground dual-polarized wireless link,the feasibility of dual-polarized technology is verified.Based on polarization cancellation demodulation technology and real experiments on data receiving under the dual-frequency four-channel dual-polarized mode,the reliability of dual-polarized technology is verified,and the engineering application of dual-frequency four-channel dual-polarized technology is realized.

dual-polarized technology;LEO remote sensing satellite;polarization cancellation;polarization isolation;cross polarization

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.19

徐崇彥,張言鋒,閆東磊.極化復(fù)用在遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)中的工程化應(yīng)用[J].無(wú)線電工程,2017,47(3):75-78.

2016-12-09

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

V19

A

1003-3106(2017)03-0075-04