双圆极化遥感卫星数据接收系统极化鉴别率需求分析

王万玉+王永华+王强

摘 要： 针对双圆极化频率复用中的交叉极化干扰问题，分析了雨衰及雨致去极化对LEO卫星X频段双圆极化频率复用的影响，然后将交叉极化干扰按高斯白噪声处理，并依据数据接收链路误码率门限要求，提出了X频段双圆极化频率复用遥感卫星数据接收系统极化鉴别率的技术需求。研究结果已用于双圆极化遥感卫星数据接收系统的设计，并已成功接收了国内首颗双圆极化频率复用遥感卫星（资源三号卫星，数据速率为450 Mb/s×2）的数据。

关键词： 数据接收系统； 双圆极化； 频率复用； 极化鉴别； 交叉极化干扰

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0045?04

Analysis on XPD requirement of dual?polarized remote satellite data receiving system

WANG Wan?yu1， WANG Rong?hua 2， WANG Qiang1

（1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China；

2. No. 39 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Xian 710065， China）

Abstract： The impact of rain attenuation and depolarization on the performance of LEO satellite X?band data transmission link with dual?circular polarization are analyzed. Base on a bit error rate threshold requirement， the cross?polarization interference caused by depolarization may be regarded as AGWN. The XPD requirements of the X?band remote sensing satellite data receive system are proposed. The results have been used in the design of the data receiving system for the double?circular polarized remote sensing satellite. The data from ZY?3 satellite （dual circular polarization frequency reuse remote sensing satellite， whose data rate is 450Mbps×2） was successfully received.

Keywords： data receiving system； dual?circular polarization； frequency reuse； polarization discrimination； cross?polarization interference

0 引 言

随着对地观测技术及遥感应用需求的发展，在轨卫星的数量不断增加，卫星有效载荷的分辨率（包括高时间分辨率、高空间分辨率、高辐射分辨率、高光谱分辨率等）不断提高，获取的遥感信息容量呈几何级数增长，导致星地链路需要传输的信息速率越来越高。宽带高速传输已经成为星地数据传输发展的必然趋势。

利用频率复用（极化复用）技术可以使传输容量加倍，提高频谱利用效率，在频谱资源如此紧张的今天，频率复用（极化复用）技术是提高频谱利用率的一种既实用又经济的方法，在国内外遥感卫星高码速数据传输中也得到越来越多的应用（如WorldView1&2，Geoeye?1，ZY?3，高分系列卫星等）。然而，由于星、地天线极化鉴别率的影响，加之空间传播链路对电磁波去极化的影响，使得星、空间传输链路、地合成轴比下降[1?2]，不可避免地会带来一定程度的交叉极化干扰，导致系统性能恶化，接收的数据质量下降。由此可见，卫星、空间传输链路、地面接收系统合成的极化鉴别率是影响遥感卫星采用双圆极化频率复用技术成败的关键因数之一。

本文对引起交叉极化干扰的因素进行了分析，采用国际电联2008年出版的适用性最为广泛的ITU?R模型，定量分析了雨衰及雨致去极化对X频段信号的影响，然后将交叉极化干扰按高斯白噪声处理（因此可以认为交叉极化干扰增加了数据传输链路的高斯白噪声功率密度[3]），并依据数据接收链路误码性能优于1e-11的要求，提出了X频段双圆极化频率复用遥感卫星数据接收系统极化鉴别率的技术需求。所得结果一方面可为现有地面接收系统（接收X频段单极化遥感卫星数据）是否可用于接收双圆极化频率复用遥感卫星数据提供决策依据，也可为新建的X频段双圆极化频率复用遥感卫星数据地面接收系统设计提供参考。

1 交叉极化干扰分析

双圆极化频率复用技术指在相同的频率范围内，利用相互正交的两个极化波同时传输两路独立的信号，如使用水平线极化、垂直线极化或者左旋圆极化、右旋圆极化。利用双圆极化频率复用技术可以使传输容量加倍，大大提高了频谱利用效率。

然而，极化复用技术有一个问题，就是它不可避免地会带来一定程度的交叉极化干扰，即传输的两路正交极化信号会有部分功率泄露到另外一个极化方向上，造成交叉极化干扰，导致系统性能恶化，如图1所示。

图1 双极化系统交叉极化干扰图

引起交叉极化干扰的原因主要有以下几个方面：

（1） 星载天线的极化鉴别率；

（2） 传输路径去极化效应（如降雨、降雪、冰晶、沙暴、尘暴的影响）；

（3） 接收站天线的极化鉴别率；

（4） 星、地天线的指向误差。

在X频段，星载天线的极化鉴别率为24.8 dB左右，接收站天线的极化鉴别率为24.8～30.5 dB，但由于各种恶劣环境因素的影响，传输路径去极化效应较为严重，导致卫星、空间链路及地面接收系统的合成极化鉴别率较小，系统的性能会急剧下降、可用度降低。

2 大气环境损耗及去极化

导致电磁波衰减及去极化的大气环境包括电离层，对流层晴空大气、云雾、降雨、降雪、冰晶、沙尘，其中雨衰及雨致去极化（含冰晶）的影响最严重。因此，在分析双圆极化频率复用遥感卫星数据接收系统极化鉴别率需求时，取影响最严重的降雨情况进行分析。

降雨对双圆极化频率复用的影响包括同极化影响（雨衰）和交叉极化影响（去极化）。

2.1 雨衰

雨衰与接收站的地理位置、海拔高度、降雨率、电磁波频率、极化方式、接收天线工作仰角、特征衰减模型等因素有关。本文采用适用性最为广泛的2008年出版的ITU?R模型计算雨衰（适用频段4～35 GHz），具体步骤如下：

第一步，确定雨高度（单位：km）：

[hR=0，Lat≤-715+0.1（Lat+21），-71≤Lat≤-215，-21≤Lat≤235-0.075（Lat-23），Lat>23 ] （1）

式中[Lat]表示纬度。

第二步，计算斜路径长度（单位：km）：

[Ls=（hR-Hs）sinθ，θ≥5°2（hR-Hs）sin2θ+2（hR-Hs）Re12+sinθ，θ<5?] （2）

式中：[Hs]表示站点海拔高度；[θ]为链路仰角。

第三步，获得平均一年超过0.01%的降雨率[R0.01，]由[γ=arRbr]计算特征衰减[γ0.01。]

第四步，计算水平路径校正因子[rh0.01]：

[rh0.01=11+0.78Lγ0.01f-0.38[1-exp（-2Lscosθ）]] （3）

第五步，计算校正的通过雨区路径长度[Lr：]

[Lr=Lcosθrh0.01cosθ，?>θ（HR-Hs）sinθ，?≤θ] （4）

式中[?=arctan[（HR-Hs）Lcosθrh0.01]]。

第六步，计算垂直路径缩减因子[rv0.01：]

[rv0.01=11+sinθ31（1-e-θ[1+χ]）Lrγ0.01f2-0.45] （5）

式中：

[χ=36-Lat，Lat<36°0，Lat≥36°] （6）

第七步，计算通过雨区的等效路径长度（单位：km）：

[Le=Lrrv0.01] （7）

第八步，计算平均一年超过0.01%的降雨衰减（单位：dB）：

[A0.01=γ0.01Le] （8）

第九步，计算平均一年超过0.001%～10.0%的降雨衰减：

[As=A0.01p0.01-[0.655+0.033lnp-0.045lnA0.01-zsinθ（1-p）]] （9）

式中：[p]是百分概率，如果[p≥1%]则[z=0，]如果[p<1]%，则：

[z=0，Lat≥36°-0.005（Lat-36），θ≥25°andLat<36°-0.005（Lat-36）+1.8-4.25sinθ，θ<25°andLat<36°] （10）

2.2 雨致去极化

雨致去极化的交叉极化鉴别率采用2008年的ITU?R给出了关于水汽凝结体引起去极化的交叉极化鉴别率的最新研究结果（适合于[8 GHz≤f≤35 ]GHz）。该模型表示为[4]：

[XPDp（dB）=30log f-VlogAp+Cτ+Cθ+Cσ] （11）

式中：

[V=12.8f0.19，8 GHz≤f≤20 GHz22.6，20 GHz

[Cτ=-10log[1-0.484（1+cos4τ）]] （13）

式中：[τ]表示极化倾角，[τ=45°]表示圆极化。[Cθ]表示为：

[Cθ=-40log （cosθ）] （14）

式中：[θ]表示链路仰角。[Cσ]表示为：

[Cσ=0.005 2σ2] （15）

式中：[σ]是雨滴的倾角方差，[σ]对应时间概率为1%，0.1%，0.01%，0.001%时，分别取值为0°，5°，10°，15°。

另外，0 ℃以上的冰晶也会产生去极化作用，国际无线电联盟给出了冰晶对XPD影响的计算公式：

[XPDIce，p=XPDrain，p?0.5?（0.3+0.1?log p）] （16）

受到降雨和冰晶去极化影响的极化鉴别率为：

[XPDatmp=XPDrain p-XPDice p] （17）

以北京、喀什、三亚接收站为例，5°仰角时降雨造成的雨衰、降雨造成雨致去极化的交叉极化鉴别率（含冰晶）如图2～图7所示。从图中可看出，三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小。

图2 雨衰（北京站）

3 极化鉴别率需求分析

接收的遥感卫星数据质量可用星地数据传输链路的误码率来表征。对遥感卫星数据一般要求星地数据传输链路的误码率优于1e-11，对应的BER或[EbN0]称为确保接收数据质量所需的门限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的条件为：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

图3 空间链路XPD（北京站）

图4 雨衰（喀什站）

图5 空间链路XPD（喀什站）

图6 雨衰（三亚站）

图7 空间链路XPD（三亚站）

对单极化情况，分析数据接收链路误码性能时需考虑星上EIPR、地面接收系统G/T、载波频率、码速率、调制解调方式、编译码方式、空间传输链路损耗、指向损耗、极化损耗等因素。对双极化频率复用情况，除考虑上述因数外，还需考虑星、空间传输链路、地造成的交叉极化干扰的影响。

交叉极化干扰可以认为是高斯白噪声，因此可以认为交叉极化干扰增加了数据传输链路的高斯白噪声功率密度，导致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]为正常大气环境条件下地面接收系统接收的[EbN0；][F]是大气环境损耗和去极化效应造成的[EbN0]的降低值；CPA为大气环境造成的损耗；XPD为数据传输链路的极化鉴别率；[Γ]为频谱利用效率。

数据传输链路的极化鉴别率XPD是卫星（XPDsat）、空间传输链路（XPDatm）、地面接收系统（XPDers）合成的极化鉴别率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系统的极化鉴别率需求。

以国内在轨运行的X频段极化复用卫星为例，取卫星轨道高度为500 km，EIRP为30 dB、载频为8 200 MHz、OQPSK调制、下传数据码速率为2×450 Mb/s、星上数传天线轴比小于1 dB；地面接收系统G/T大于35 dB/K、[5°]仰角开始接收数据。在确保数据接收链路误码率优于1e-11时，对应不同的降雨率，北京、喀什和三亚站数据接收系统所需轴比如图8所示。

由图8可知，随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，因此为确保接收数据的质量，地面接收系统所需的极化鉴别率增大；相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

图8 接收系统所需轴比

对新建地面接收系统，X频段轴比为0.5 dB（极化鉴别率为30.5 dB）[5?6]。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.8%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为98%。

对已有的地面接收系统，X频段轴比为1.0 dB（极化鉴别率为24.8 dB）。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.64%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为96.4%。

4 结 论

星、空间传输链路、地合成的极化鉴别率是影响遥感卫星采用双圆极化频率复用技术成败的关键因数之一。随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，为确保数据接收链路误码率优于1e-11，地面接收系统所需的极化鉴别率增大。相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

为提高双圆极化频率复用地面数据接收系统的利用率，在卫星和地面接收系统天馈设计时，需尽可能提高天馈系统的轴比。同时，在地面接收系统设计时需采用交叉极化干扰消除技术[7?8]，降低交叉极化干扰的影响。

参考文献

[1] 沈民谊，蔡镇元.卫星通信天线、馈源、跟踪系统[M].北京：人民邮电出版社，1993.

[2] RODDY D. Satellite communications [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2003： 115?118.

[3] VASSEAR H. Degradation of availability performance in dual?polarized satellite communications system [J]. IEEE Transactions on Communications，2000，48（3）： 465?472.

[4] ITU. ITU?R P618?9?2007 Propagation data and prediction methods required for the design of earth?space telecommunication systems [EB/OL]. [2009?11?13]. http：//www.db19.com/DIT...htm.

[5] 王万玉，张宝全，刘爱平，等.频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统设计[J].电讯技术，2012，52（4）：423?428.

[6] 王万玉，李娟妮，张宝全，等.宽频带低轴比双圆极化频率复用天馈系统设计[J].电讯技术，2012，52（6）：835?839.

[7] 王万玉，陈金树.交叉极化干扰消除技术研究[J].电讯技术，2013，53（6）：707?710.

[8] YANG Jun?yi， CHEN Jin?shu， WANG Wan?yu， et al. Joint XPI and ISI cancellation for dually?polarized radio systems over earth?space links [J]. Procedia Engineering， 2012， 29： 3217?3221.

图2 雨衰（北京站）

3 极化鉴别率需求分析

接收的遥感卫星数据质量可用星地数据传输链路的误码率来表征。对遥感卫星数据一般要求星地数据传输链路的误码率优于1e-11，对应的BER或[EbN0]称为确保接收数据质量所需的门限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的条件为：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

图3 空间链路XPD（北京站）

图4 雨衰（喀什站）

图5 空间链路XPD（喀什站）

图6 雨衰（三亚站）

图7 空间链路XPD（三亚站）

对单极化情况，分析数据接收链路误码性能时需考虑星上EIPR、地面接收系统G/T、载波频率、码速率、调制解调方式、编译码方式、空间传输链路损耗、指向损耗、极化损耗等因素。对双极化频率复用情况，除考虑上述因数外，还需考虑星、空间传输链路、地造成的交叉极化干扰的影响。

交叉极化干扰可以认为是高斯白噪声，因此可以认为交叉极化干扰增加了数据传输链路的高斯白噪声功率密度，导致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]为正常大气环境条件下地面接收系统接收的[EbN0；][F]是大气环境损耗和去极化效应造成的[EbN0]的降低值；CPA为大气环境造成的损耗；XPD为数据传输链路的极化鉴别率；[Γ]为频谱利用效率。

数据传输链路的极化鉴别率XPD是卫星（XPDsat）、空间传输链路（XPDatm）、地面接收系统（XPDers）合成的极化鉴别率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系统的极化鉴别率需求。

以国内在轨运行的X频段极化复用卫星为例，取卫星轨道高度为500 km，EIRP为30 dB、载频为8 200 MHz、OQPSK调制、下传数据码速率为2×450 Mb/s、星上数传天线轴比小于1 dB；地面接收系统G/T大于35 dB/K、[5°]仰角开始接收数据。在确保数据接收链路误码率优于1e-11时，对应不同的降雨率，北京、喀什和三亚站数据接收系统所需轴比如图8所示。

由图8可知，随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，因此为确保接收数据的质量，地面接收系统所需的极化鉴别率增大；相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

图8 接收系统所需轴比

对新建地面接收系统，X频段轴比为0.5 dB（极化鉴别率为30.5 dB）[5?6]。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.8%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为98%。

对已有的地面接收系统，X频段轴比为1.0 dB（极化鉴别率为24.8 dB）。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.64%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为96.4%。

4 结 论

星、空间传输链路、地合成的极化鉴别率是影响遥感卫星采用双圆极化频率复用技术成败的关键因数之一。随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，为确保数据接收链路误码率优于1e-11，地面接收系统所需的极化鉴别率增大。相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

为提高双圆极化频率复用地面数据接收系统的利用率，在卫星和地面接收系统天馈设计时，需尽可能提高天馈系统的轴比。同时，在地面接收系统设计时需采用交叉极化干扰消除技术[7?8]，降低交叉极化干扰的影响。

参考文献

[1] 沈民谊，蔡镇元.卫星通信天线、馈源、跟踪系统[M].北京：人民邮电出版社，1993.

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[7] 王万玉，陈金树.交叉极化干扰消除技术研究[J].电讯技术，2013，53（6）：707?710.

[8] YANG Jun?yi， CHEN Jin?shu， WANG Wan?yu， et al. Joint XPI and ISI cancellation for dually?polarized radio systems over earth?space links [J]. Procedia Engineering， 2012， 29： 3217?3221.

图2 雨衰（北京站）

3 极化鉴别率需求分析

接收的遥感卫星数据质量可用星地数据传输链路的误码率来表征。对遥感卫星数据一般要求星地数据传输链路的误码率优于1e-11，对应的BER或[EbN0]称为确保接收数据质量所需的门限值（BER）0或[（EbN0）0。]因此，接收成功的条件为：

[P{BER≤（BER）0}=P{EbN0≥（EbN0）0}] （18）

图3 空间链路XPD（北京站）

图4 雨衰（喀什站）

图5 空间链路XPD（喀什站）

图6 雨衰（三亚站）

图7 空间链路XPD（三亚站）

对单极化情况，分析数据接收链路误码性能时需考虑星上EIPR、地面接收系统G/T、载波频率、码速率、调制解调方式、编译码方式、空间传输链路损耗、指向损耗、极化损耗等因素。对双极化频率复用情况，除考虑上述因数外，还需考虑星、空间传输链路、地造成的交叉极化干扰的影响。

交叉极化干扰可以认为是高斯白噪声，因此可以认为交叉极化干扰增加了数据传输链路的高斯白噪声功率密度，导致接收到的[EbN0]下降[3]。即：

[EbN0=（EbN0）nom-F] （19）

[F=CAP+10lg （1+Γ10（（EbN0）nom-CAP-XPD）10）] （20）

式中：[（EbN0）nom]为正常大气环境条件下地面接收系统接收的[EbN0；][F]是大气环境损耗和去极化效应造成的[EbN0]的降低值；CPA为大气环境造成的损耗；XPD为数据传输链路的极化鉴别率；[Γ]为频谱利用效率。

数据传输链路的极化鉴别率XPD是卫星（XPDsat）、空间传输链路（XPDatm）、地面接收系统（XPDers）合成的极化鉴别率。

[XPD=-20lg （10-XPDsat20+10-XPDatm20+10-XPDers20）] （21）

由此即可得地面接收系统的极化鉴别率需求。

以国内在轨运行的X频段极化复用卫星为例，取卫星轨道高度为500 km，EIRP为30 dB、载频为8 200 MHz、OQPSK调制、下传数据码速率为2×450 Mb/s、星上数传天线轴比小于1 dB；地面接收系统G/T大于35 dB/K、[5°]仰角开始接收数据。在确保数据接收链路误码率优于1e-11时，对应不同的降雨率，北京、喀什和三亚站数据接收系统所需轴比如图8所示。

由图8可知，随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，因此为确保接收数据的质量，地面接收系统所需的极化鉴别率增大；相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

图8 接收系统所需轴比

对新建地面接收系统，X频段轴比为0.5 dB（极化鉴别率为30.5 dB）[5?6]。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.8%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为98%。

对已有的地面接收系统，X频段轴比为1.0 dB（极化鉴别率为24.8 dB）。从图中可得出：北京站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.64%；喀什站X频段双圆极化频率复用的可用度为99.94%；三亚站X频段双圆极化频率复用的可用度为96.4%。

4 结 论

星、空间传输链路、地合成的极化鉴别率是影响遥感卫星采用双圆极化频率复用技术成败的关键因数之一。随着降雨率的增大，雨衰及雨致去极化对数据接收链路误码性能的影响越大，为确保数据接收链路误码率优于1e-11，地面接收系统所需的极化鉴别率增大。相同极化鉴别率的数据接收系统，由于三亚站受雨衰及雨致去极化的影响较严重，喀什站受雨衰及雨致去极化的影响较小，因此三亚站的系统可用度低于喀什站。

为提高双圆极化频率复用地面数据接收系统的利用率，在卫星和地面接收系统天馈设计时，需尽可能提高天馈系统的轴比。同时，在地面接收系统设计时需采用交叉极化干扰消除技术[7?8]，降低交叉极化干扰的影响。

参考文献

[1] 沈民谊，蔡镇元.卫星通信天线、馈源、跟踪系统[M].北京：人民邮电出版社，1993.

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[7] 王万玉，陈金树.交叉极化干扰消除技术研究[J].电讯技术，2013，53（6）：707?710.

[8] YANG Jun?yi， CHEN Jin?shu， WANG Wan?yu， et al. Joint XPI and ISI cancellation for dually?polarized radio systems over earth?space links [J]. Procedia Engineering， 2012， 29： 3217?3221.