一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其包括：可變碼率編碼模塊，數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，微波信號(hào)發(fā)射模塊和系統(tǒng)控制模塊；該系統(tǒng)控制模塊，根據(jù)衛(wèi)星與地面站相對(duì)位置計(jì)算出低密度奇偶校驗(yàn)碼的編碼碼率、振幅相移鍵控的調(diào)制階數(shù)和承載天線的轉(zhuǎn)臺(tái)角度；該可變碼率編碼模塊，完成有效載荷數(shù)據(jù)的信道編碼，組成數(shù)據(jù)傳輸幀；該數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸幀的振幅相移鍵控調(diào)制，將傳輸碼元信號(hào)在多個(gè)子信道上完成正交頻分復(fù)用后成為數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)；所述微波信號(hào)發(fā)射模塊，通過(guò)頻譜搬移將數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào)，輸出一定功率的空間電磁波，并保持天線波束自動(dòng)跟蹤地面站；實(shí)現(xiàn)Gbps量級(jí)的傳輸碼率。
【專利說(shuō)明】
-種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及近地遙感衛(wèi)星的技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速 有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著遙感衛(wèi)星有效載荷高分辨率圖像及綜合探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，從衛(wèi)星到地面的有 效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨著越來(lái)越高碼速率的需求。國(guó)際電聯(lián)（ITU)分配了 S波段2200~ 2290MHz、X波段8025~8400MHz和Ka波段25.5~27G化頻譜資源給遙感衛(wèi)星，用于有效載荷 數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)有的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用單載波四相相移鍵控(QPSK)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制， 但是QPSK調(diào)制階數(shù)為2,即一個(gè)傳輸碼元僅包含2個(gè)數(shù)據(jù)比特，頻譜利用率較低；目前已經(jīng)應(yīng) 用到遙感衛(wèi)星上的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在X波段8025~8400MHz中的375MHz帶寬上最多 只能承載450Mbps碼率、數(shù)據(jù)比特率不大于400Mbps?，F(xiàn)有衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在提 高數(shù)據(jù)傳輸能力方面，對(duì)通信資源(帶寬、功率)需求很大，已有信道帶寬及星載發(fā)射功率已 經(jīng)成為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸碼率的瓶頸。因此，現(xiàn)有的用于遙感衛(wèi)星的微波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 難W滿足未來(lái)有效載荷化PS量級(jí)的傳輸碼率的數(shù)據(jù)傳輸需求。
[0003] 同時(shí)，現(xiàn)有的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用固定編碼調(diào)制體制(CCM)，通過(guò)固定碼率 的信道編碼結(jié)合單一 QPSK調(diào)制方式，并且根據(jù)衛(wèi)星與地面站的最遠(yuǎn)通信距離確定發(fā)射功 率，W滿足誤碼率需求;但是，遙感衛(wèi)星在通過(guò)地面站的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通信距離有一個(gè) 逐漸減小又不斷增大的過(guò)程，由于距離減小帶來(lái)了鏈路余量不斷增大，運(yùn)樣CCM體制導(dǎo)致鏈 路資源存在著較大的浪費(fèi)，降低了有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的資源利用率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于，為解決對(duì)現(xiàn)有的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無(wú)法在ITU分配的X波 段375MHz帶寬上實(shí)現(xiàn)化PS量級(jí)的傳輸碼率的缺陷，進(jìn)而提供一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高 速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，高效實(shí)現(xiàn)Gbps量級(jí)的超高速傳輸碼率。所述系統(tǒng)綜合采用振幅 相移鍵控(APSK)高階調(diào)制技術(shù)、可變碼率低密度奇偶校驗(yàn)碼化DPC)信道編碼技術(shù)、正交頻 分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和自動(dòng)跟蹤目標(biāo)波束技術(shù)，著重實(shí)現(xiàn)各單項(xiàng)技術(shù)之間的高效融合，W微 波信號(hào)傳輸方式實(shí)現(xiàn)化PS量級(jí)的超高速傳輸碼率。該高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包 括:可變碼率編碼模塊，數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，微波信號(hào)發(fā)射模塊和系統(tǒng)控制模塊。
[0005] 所述可變碼率編碼模塊，采用可變碼率LDPC信道編碼技術(shù)，對(duì)輸入的有效載荷數(shù) 據(jù)進(jìn)行信道編碼，組成數(shù)據(jù)傳輸帖，將該數(shù)據(jù)傳輸帖送往數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊。在對(duì)輸入的有 效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼的過(guò)程中，所述可變碼率編碼模塊采用BCH/LDPC級(jí)聯(lián)編碼方式， 其中，BCH(Bose-Chaiulhuri-Hocguen曲em)編碼作為外碼，低密度奇偶校驗(yàn)碼化DPC)作為內(nèi) 碼，對(duì)需要傳輸?shù)挠行лd荷數(shù)據(jù)進(jìn)行可變碼率LDPC信道編碼，LDPC編碼具備11種編碼率:1/ 4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10, W編碼增益的變化來(lái)適應(yīng)星地鏈路增益 的變化。
[0006] 根據(jù)遙感衛(wèi)星相對(duì)地面站的軌道位置，由所述系統(tǒng)控制模塊指定所述可變碼率編 碼模塊的當(dāng)前編碼率，在不同的鏈路條件下，對(duì)所述有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余度不同的信道 編碼，傳輸不同的有效數(shù)據(jù)比特率;即在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率低于指標(biāo)要求的前提下， 在鏈路余量較小時(shí)，使用較低碼率的編碼，提高鏈路增益;在鏈路余量較大時(shí)，使用較高碼 率的編碼，提高有效數(shù)據(jù)在信道傳輸中的占比;運(yùn)樣，在固定傳輸碼元速率(也即信道帶寬） 的條件下，從整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程來(lái)看增大了衛(wèi)星通過(guò)地面站期間的有效數(shù)據(jù)吞吐量。
[0007] 所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，采用APSK高階調(diào)制技術(shù)與(FDM信道復(fù)用技術(shù)，對(duì)所述可 變碼率編碼模塊輸出的數(shù)據(jù)傳輸帖進(jìn)行APSK高階數(shù)字信號(hào)調(diào)制，將傳輸碼元信號(hào)調(diào)制在多 路并行正交的子信道上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)子信道APSK信號(hào)的頻分復(fù)用。所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊包 括:APSK信號(hào)調(diào)制器和OFDM信道復(fù)用器。所述APSK信號(hào)調(diào)制器用于實(shí)現(xiàn)16/3 2APSK調(diào)制體 審IJ，根據(jù)遙感衛(wèi)星相對(duì)地面站的軌道位置，由所述系統(tǒng)控制模塊指定當(dāng)前調(diào)制階數(shù)，即 16APSK信號(hào)采用"4+12"星座分布或者32APSK信號(hào)采用"4+1化16"星座分布，將所述數(shù)據(jù)傳 輸帖進(jìn)行4/5進(jìn)制碼元映射，獲得16/32APSK傳輸碼元信號(hào)。所述(FDM信道復(fù)用器，采用(FDM 技術(shù)，將傳輸碼元信號(hào)分配到多路并行正交的子信道上，把所有子信道傳輸碼元信號(hào)通過(guò) 逆傅里葉（IFFT)算法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)。
[0008] 由可變碼率編碼模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸帖經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)模塊的處理，在所述正交子 信道上完成APSK高階調(diào)制的多路傳輸碼元信號(hào)的頻譜相互重疊，因而獲得具有高頻譜利用 率的數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)，用n表示有效載荷數(shù)據(jù)傳輸鏈路的頻譜利用率，即單位帶寬傳輸?shù)?數(shù)據(jù)比特率，則：
[0009]
[0010] 其甲，Kd巧不巧效載初數(shù)據(jù)的化特速準(zhǔn)，B。巧不傳漸信道的帶寬，EG表示編碼碼率， M表示調(diào)制階數(shù)，EM=IogsM表示一個(gè)傳輸碼元信號(hào)包含的比特?cái)?shù);N表示正交頻分復(fù)用的子 信道數(shù)，一般地N>100,此時(shí)^> 99%。
[0011] 其中，上述公式?jīng)]有將系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)(如帖頭、導(dǎo)頻、前綴)計(jì)算在內(nèi)。
[0012] 所述微波信號(hào)發(fā)射模塊，采用自動(dòng)跟蹤目標(biāo)波束技術(shù)，將所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊 輸出的所述數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)頻譜搬移到發(fā)射頻率上，成為數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào)，完成射頻 信號(hào)功率放大，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)到空間電磁波的高效轉(zhuǎn)換。所述微波信號(hào)發(fā)射模塊包括:射頻 上變頻器、小型微波固態(tài)功放、小型二維轉(zhuǎn)臺(tái)和點(diǎn)波束天線。所述射頻上變頻器完成將所述 數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)的頻率向發(fā)射頻率的搬移，形成數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào);所述小型微波固態(tài) 功放對(duì)所述射頻信號(hào)完成功率放大;所述點(diǎn)波束天線將所述射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間電磁波發(fā) 射到地面站，與常規(guī)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射天線相比，點(diǎn)波束天線帶來(lái)的高增益能夠支撐高碼 率數(shù)據(jù)傳輸而無(wú)需消耗過(guò)多的電能;為了使衛(wèi)星在地面站過(guò)境期間內(nèi)保持發(fā)射天線波束指 向地面站，由所述系統(tǒng)控制模塊控制所述小型二維轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)天線波束自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。
[0013] 所述系統(tǒng)控制模塊，根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道位置和地面站位置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，用 于指定所述可變碼率編碼模塊中的LDPC編碼碼率，為所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊指定APSK信號(hào) 調(diào)制的階數(shù)，并為所述微波信號(hào)發(fā)射模塊指定承載天線的二維轉(zhuǎn)臺(tái)的角度。所述系統(tǒng)控制 模塊在衛(wèi)星進(jìn)入地面站可視弧段之前，通過(guò)數(shù)據(jù)注入獲得地面站位置坐標(biāo)數(shù)據(jù);在衛(wèi)星進(jìn) 入地面站可視弧段之后，通過(guò)接收星務(wù)計(jì)算機(jī)提供的GPS實(shí)時(shí)軌道數(shù)據(jù)獲得衛(wèi)星軌道位置， 根據(jù)衛(wèi)星軌道位置與地面站位置，通過(guò)處理器來(lái)計(jì)算出通信距離及其變化值，從而通過(guò)計(jì) 算鏈路增益確定當(dāng)前使用的合適編碼碼率及調(diào)制階數(shù)，并在合適的時(shí)間控制所述可變碼率 編碼模塊及所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊切換參數(shù)；同時(shí)，通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星位置與地面站位置的實(shí) 時(shí)相對(duì)關(guān)系并結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)，控制承載天線的二維轉(zhuǎn)臺(tái)的當(dāng)前角度，保證發(fā)射天線波束在 衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸期間持續(xù)跟蹤指向地面站。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:在理論上獲得了比現(xiàn)有的衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高出兩 倍W上的頻譜利用率，考慮到星載設(shè)備資源受限及信號(hào)處理能力有限，結(jié)合遙感衛(wèi)星運(yùn)行 軌道的規(guī)律，將現(xiàn)有多種高效頻譜、高效功率、可星載實(shí)現(xiàn)的單項(xiàng)技術(shù)有機(jī)融合，在保持衛(wèi) 星數(shù)據(jù)傳輸信道頻帶不變、地面站接收能力不變、星上電源功耗不變的條件下，相對(duì)現(xiàn)有的 有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)傳輸鏈路效率及數(shù)據(jù)傳輸能力，為遙感衛(wèi)星有效載荷 提供超高速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，滿足后續(xù)有效載荷技術(shù)發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力提出的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0016] 圖2是本發(fā)明的用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的16APSK星座映射示意圖
[0017] 圖3是本發(fā)明的用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的32APSK星座映射示意圖
[0018] 圖4是本發(fā)明的用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的(FDM信號(hào)頻譜示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0019] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 本發(fā)明從原理上講可用于任何頻段的衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，由于現(xiàn)有的衛(wèi) 星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)常用ITU分配的X波段，所W具體數(shù)值針對(duì)X波段情形給出。
[0021] 本發(fā)明提供一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，高效實(shí)現(xiàn) 加PS量級(jí)的超高速傳輸碼率。所述系統(tǒng)綜合采用振幅相移鍵控(APSK)高階調(diào)制技術(shù)、可變 碼率低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)信道編碼技術(shù)、正交頻分復(fù)用((FDM)技術(shù)和自動(dòng)跟蹤目標(biāo)波 束技術(shù)，著重實(shí)現(xiàn)各單項(xiàng)技術(shù)之間的高效融合，W微波信號(hào)傳輸方式實(shí)現(xiàn)Gbps量級(jí)的超高 速傳輸碼率。如圖1所示，該高速超高效有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括:可變碼率編碼模塊，數(shù) 據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，微波信號(hào)發(fā)射模塊和系統(tǒng)控制模塊。
[0022] 所述可變碼率編碼模塊，采用可變碼率LDPC信道編碼技術(shù)，對(duì)輸入的有效載荷數(shù) 據(jù)進(jìn)行信道編碼，組成數(shù)據(jù)傳輸帖，將該數(shù)據(jù)傳輸帖送往數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊。在對(duì)輸入的有 效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼的過(guò)程中，所述可變碼率編碼模塊采用BCH/LDPC級(jí)聯(lián)編碼方式， 其中，BCH編碼作為外碼，LDPC作為內(nèi)碼，對(duì)需要傳輸?shù)挠行лd荷數(shù)據(jù)進(jìn)行可變碼率LDPC信 道編碼，LDPC 編碼具備 11 種編碼率：l/4、l/3、2/5、l/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10，W 編碼增益的變化來(lái)適應(yīng)星地鏈路增益的變化。
[0023] 根據(jù)遙感衛(wèi)星相對(duì)地面站的軌道位置，由所述系統(tǒng)控制模塊指定當(dāng)前編碼率，在 不同的鏈路條件下，對(duì)所述有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余度不同的信道編碼，實(shí)現(xiàn)不同的有效數(shù) 據(jù)傳輸率。在保證數(shù)據(jù)傳輸誤比特率低于指標(biāo)要求、即鏈路增益余量達(dá)到限定值的前提下， 當(dāng)傳輸距離增大、鏈路增益余量變小到不足限定值時(shí)，使用低一級(jí)編碼碼率，如從3/4切換 到2/3,降低有效數(shù)據(jù)比特率、增加鏈路增益余量;當(dāng)傳輸距離減小、鏈路增益余量變大到超 過(guò)限定值時(shí)，使用高一級(jí)編碼碼率，如從3/4切換到4/5，提高有效數(shù)據(jù)比特率、減小鏈路增 益余量;運(yùn)樣能夠?qū)⑿l(wèi)星在通過(guò)地面站過(guò)程的鏈路增益余量用足，在相同信道帶寬的條件 下，相對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的固定碼率信道編碼，可變碼率信道編碼增大 了衛(wèi)星通過(guò)地面站期間的有效數(shù)據(jù)吞吐量。
[0024] 在衛(wèi)星通過(guò)地面站的飛行過(guò)程中，衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸鏈路的增益變化范圍可 達(dá)10地W上，而U種碼率的LDPC編碼增益覆蓋范圍只有8地左右，還必需通過(guò)與APSK信號(hào)調(diào) 制階數(shù)的配合來(lái)加大鏈路適應(yīng)范圍，實(shí)際上均通過(guò)編碼調(diào)制組合模式來(lái)實(shí)施。
[0025] 所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，采用APSK高階調(diào)制技術(shù)與OFDM技術(shù)，對(duì)所述可變碼率編 碼模塊輸出的數(shù)據(jù)傳輸帖進(jìn)行16/32APSK高階數(shù)字信號(hào)調(diào)制，將傳輸碼元信號(hào)調(diào)制在多路 并行正交的子信道上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)子信道APSK信號(hào)的頻分復(fù)用。所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊包括： APSK信號(hào)調(diào)制器和(FDM信道復(fù)用器。所述APSK信號(hào)調(diào)制器用于實(shí)現(xiàn)16/32APSK調(diào)制體制，根 據(jù)遙感衛(wèi)星相對(duì)地面站的軌道位置，由所述系統(tǒng)控制模塊指定當(dāng)前調(diào)制階數(shù)，即16APSK信 號(hào)采用"4+12"星座分布或者32APSK信號(hào)采用"4+1化1護(hù)星座分布，如圖2和3所示，將所述數(shù) 據(jù)傳輸帖進(jìn)行4/5進(jìn)制碼元映射，獲得16/32APSK傳輸碼元信號(hào)。所述OFDM信道復(fù)用器，采用 OFDM技術(shù)，將傳輸碼元信號(hào)分配到多路并行正交的子信道上，把所有子信道信號(hào)通過(guò)IFFT 算法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，如圖4所示，成為數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)。采用16APSK信號(hào)時(shí)，調(diào)制階數(shù)M = 16，即^=1〇邑21=1〇邑216 = 4;采用324口51(信號(hào)時(shí)，調(diào)制階數(shù)1 = 32，即叫=1〇邑21=1〇邑232 = 5。
[0026] 由可變碼率編碼模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸帖經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)模塊的處理，在所述正交子 信道上完成APSK高階調(diào)制的多路傳輸碼元信號(hào)的頻譜相互重疊，因而獲得具有高頻譜利用 率的數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)，用n表示有效載荷數(shù)據(jù)傳輸鏈路的頻譜利用率，即為單位帶寬傳輸 的數(shù)據(jù)比特率，則：
[0027]
[0028] 其中，Rd表示有效載荷數(shù)據(jù)的比特速率，B。表示傳輸信道的帶寬，EC表示編碼碼率， M表示調(diào)制階數(shù)，EM=IogsM表示一個(gè)信號(hào)碼元包含的比特?cái)?shù);N表示正交頻分復(fù)用的子信道 數(shù)，一般地N> 100，此時(shí)^ > 99%。
[0029] 所述遙感衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在16/32APSK調(diào)制方式結(jié)合不同碼率LDPC編 碼的情況下，根據(jù)公式（1)可W得到如表1所示本實(shí)施例具體使用的編碼調(diào)制組合模式的有 效載荷數(shù)據(jù)傳輸鏈路的頻譜利用率n結(jié)果。
[0030] 表1不同編碼調(diào)制方式下有效載荷數(shù)據(jù)傳輸鏈路的頻譜利用率
[0031]
[0032] 根據(jù)衛(wèi)星飛行軌道與地面站的距離變化關(guān)系，將上述編碼調(diào)制組合模式與傳輸距 離相匹配，W衛(wèi)星相對(duì)地面站飛行的某種軌道為例，可W得到一種如表2所示的可變編碼調(diào) 制組合模式實(shí)施流程。
[0033] 表2可變編碼調(diào)制組合模式實(shí)施流程樣例
[0034]
[0035]
[0036] 注:表中列出衛(wèi)星由遠(yuǎn)及近的一半數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星相對(duì)于地面站 飛行軌道對(duì)稱，衛(wèi)星由近及遠(yuǎn)的另一半數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間內(nèi)每種編碼調(diào)制組合模式所持續(xù)的時(shí) 間與表中所示流程鏡像對(duì)稱。
[0037] 運(yùn)樣，可W得到在一軌時(shí)間、375MHz帶寬內(nèi)的平均有效數(shù)據(jù)比特率如下：
[00；3 引
[0039] 其中，Ti表示第i次的編碼調(diào)制組合模式的持續(xù)時(shí)同，Rd表示在一軌時(shí)間、375MHz帶 寬內(nèi)的平均有效數(shù)據(jù)比特率，私表示信道傳輸碼元速率;化表示第i次的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸 鏈路的頻譜利用率；
[0040] 根據(jù)表1和2中的結(jié)果，在375M化帶寬約束下，所述用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù) 傳輸系統(tǒng)能夠獲得1.24化PS的數(shù)據(jù)比特率，相對(duì)于現(xiàn)有有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可W實(shí)現(xiàn)的 400Mbps數(shù)據(jù)比特率，在相同資源開(kāi)銷(xiāo)條件下，所述用于遙感衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 具有顯著的高速和高效的特點(diǎn)。
[0041 ]所述微波信號(hào)發(fā)射模塊，采用自動(dòng)跟蹤目標(biāo)波束技術(shù)，將所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊 輸出的所述數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)頻譜搬移到發(fā)射頻率上，成為數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào)，完成射頻 信號(hào)功率放大，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)到空間電磁波的高效轉(zhuǎn)換。所述微波信號(hào)發(fā)射模塊包括:射頻 上變頻器、小型微波固態(tài)功放、小型二維轉(zhuǎn)臺(tái)和點(diǎn)波束天線。所述射頻上變頻器完成將已調(diào) 信號(hào)向射頻頻率的搬移，形成數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào);所述小型微波固態(tài)功放對(duì)所述數(shù)據(jù)已調(diào) 射頻信號(hào)完成功率放大;所述點(diǎn)波束天線將所述數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間電磁波發(fā)射 到地面站，與常規(guī)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸天線相比，點(diǎn)波束天線帶來(lái)的高增益能夠支撐高碼率數(shù)據(jù) 傳輸而無(wú)需消耗過(guò)多的電能；為了使衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保持發(fā)射天線波束指向地面 站，由所述系統(tǒng)控制模塊控制所述小型二維轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)天線波束自動(dòng)跟蹤地面站。
[0042] 在375M化帶寬約束下，現(xiàn)有衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)400Mbps數(shù)據(jù)比特 率的星地傳輸鏈路時(shí)，需要衛(wèi)星發(fā)射功率達(dá)到50W(LDPC(7/8)信道編碼、常規(guī)發(fā)射天線波束 邊緣增益4地i);使用本專利方案，可獲得1.24加PS數(shù)據(jù)比特率的星地傳輸鏈路，通過(guò)常規(guī) 的衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算得知僅需要衛(wèi)星發(fā)射功率2W(采用增益14地i點(diǎn)波束天線）。
[0043] 所述系統(tǒng)控制模塊，用于指定所述可變碼率編碼模塊中的LDPC編碼碼率，為所述 數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊指定APSK信號(hào)調(diào)制的階數(shù)，并為所述微波信號(hào)發(fā)射模塊指定承載天線的 二維轉(zhuǎn)臺(tái)的角度。所述系統(tǒng)控制模塊在衛(wèi)星進(jìn)入地面站可視弧段之前，通過(guò)數(shù)據(jù)注入獲得 地面站位置坐標(biāo)數(shù)據(jù);在衛(wèi)星進(jìn)入地面站可視弧段之后，通過(guò)接收星務(wù)計(jì)算機(jī)提供的GPS實(shí) 時(shí)軌道數(shù)據(jù)獲得衛(wèi)星軌道位置，根據(jù)衛(wèi)星軌道位置與地面站位置，通過(guò)處理器來(lái)計(jì)算出通 信距離及其變化值，從而通過(guò)計(jì)算鏈路增益確定當(dāng)前使用的合適編碼調(diào)制組合模式，并在 合適的時(shí)間控制所述可變碼率編碼模塊及所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊切換參數(shù)；同時(shí)，通過(guò)計(jì) 算衛(wèi)星位置與地面站位置的實(shí)時(shí)相對(duì)關(guān)系并結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)，控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)的當(dāng)前角度，保 證發(fā)射天線波束在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸期間持續(xù)跟蹤指向地面站。
[0044] 在其他具體實(shí)施例中，將點(diǎn)波束天線進(jìn)一步采用雙極化信號(hào)技術(shù)，將所述兩路數(shù) 據(jù)已調(diào)射頻調(diào)制信號(hào)在兩個(gè)正交的極化方向（左旋、右旋)上并行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的極化復(fù) 用，從而把信道頻帶利用率再提高一倍，可W獲得2.48Gbps數(shù)據(jù)比特率的有效載荷數(shù)據(jù)傳 輸系統(tǒng)。
[0045] 最后需要說(shuō)明的是，【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)驗(yàn)用圖僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方 案的可行性而非局限于此例，算法已經(jīng)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，是真實(shí)可靠的，搭配硬件便 可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，該高效超高 速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括:可變碼率編碼模塊，數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，微波信號(hào)發(fā)射模塊 和系統(tǒng)控制模塊;所述系統(tǒng)控制模塊，根據(jù)遙感衛(wèi)星相對(duì)地面站的軌道位置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 計(jì)算，為所述可變碼率編碼模塊指定低密度奇偶校驗(yàn)碼編碼碼率，為所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模 塊指定APSK信號(hào)調(diào)制的階數(shù)，并為所述微波信號(hào)發(fā)射模塊指定承載天線的二維轉(zhuǎn)臺(tái)的角 度;所述可變碼率編碼模塊，對(duì)輸入的有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，組成數(shù)據(jù)傳輸幀;所述 數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊，對(duì)該數(shù)據(jù)傳輸幀進(jìn)行振幅相移鍵控調(diào)制，將傳輸碼元信號(hào)在多個(gè)子信 道上完成正交頻分復(fù)用后成為數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào);所述微波信號(hào)發(fā)射模塊，將所述數(shù)據(jù)已 調(diào)載波信號(hào)頻譜搬移到發(fā)射頻率上，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào)，完成射頻信號(hào)功率放大，實(shí) 現(xiàn)射頻信號(hào)到空間電磁波的高效轉(zhuǎn)換，并保持天線波束自動(dòng)跟蹤地面站;進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Gbps量 級(jí)的傳輸碼率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述可變碼率編碼模塊進(jìn)一步包括:一體化的可變碼率信道編碼器，對(duì)需要傳輸 的有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行可變碼率低密度奇偶校驗(yàn)碼信道編碼，及時(shí)調(diào)整編碼增益來(lái)適應(yīng)星地 鏈路增益的變化，低密度奇偶校驗(yàn)碼編碼器具備11種編碼率：1/4、1/3、2/5、1 /2、3/5、2/3、 3/4、4/5、5/6、8/9、9/10。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊進(jìn)一步包括:將所述數(shù)據(jù)傳輸幀進(jìn)行4/5進(jìn)制碼元映射， 獲得16/32振幅相移鍵控傳輸碼元信號(hào)，將傳輸碼元信號(hào)分配到多路并行正交的子信道上； 把所有子信道傳輸碼元信號(hào)通過(guò)逆傅里葉算法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述微波信號(hào)發(fā)射模塊包括:射頻上變頻器、小型微波固態(tài)功放、小型二維轉(zhuǎn)臺(tái) 和點(diǎn)波束天線;所述射頻上變頻器，用于完成將所述數(shù)據(jù)已調(diào)載波信號(hào)的頻譜向發(fā)射頻率 的搬移，形成數(shù)據(jù)已調(diào)射頻信號(hào);所述小型微波固態(tài)功放，用于對(duì)所述射頻信號(hào)完成功率放 大;所述點(diǎn)波束天線，獲得比常規(guī)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸天線高得多的增益，用于將所述射頻信號(hào)高 效轉(zhuǎn)換成空間電磁波發(fā)射到地面站;所述小型二維轉(zhuǎn)臺(tái)承載點(diǎn)波束天線，在衛(wèi)星與地面站 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保持發(fā)射天線波束指向地面站。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于遙感衛(wèi)星的高效超高速有效載荷數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述系統(tǒng)控制模塊進(jìn)一步包括:根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道位置和地面站位置進(jìn)行實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)處理，所述系統(tǒng)控制模塊在衛(wèi)星進(jìn)入地面站可視弧段之前，通過(guò)數(shù)據(jù)注入獲得地面站 位置坐標(biāo)數(shù)據(jù);在衛(wèi)星進(jìn)入地面站可視弧段之后，通過(guò)接收星務(wù)計(jì)算機(jī)提供的GPS實(shí)時(shí)軌道 數(shù)據(jù)，獲得衛(wèi)星軌道位置，根據(jù)衛(wèi)星軌道位置與地面站位置，通過(guò)處理器來(lái)計(jì)算出通信距離 及其變化值，從而通過(guò)計(jì)算鏈路增益確定當(dāng)前使用的合適編碼碼率及調(diào)制階數(shù)，并在合適 的時(shí)間控制所述可變碼率編碼模塊及所述數(shù)據(jù)調(diào)制復(fù)用模塊切換參數(shù);同時(shí)通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星 位置與地面站位置的實(shí)時(shí)相對(duì)關(guān)系并結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)，用于控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)的當(dāng)前角度，保證 發(fā)射天線波束在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸期間持續(xù)跟蹤指向地面站。
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK105978664SQ201610473620
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】熊蔚明, 李炯卉, 王竹剛, 耿浩, 杜浩, 韓霜雪, 燕威
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心