【摘要】 本文論述了一種新型便攜式衛(wèi)星通信站，對便攜站的主要功能、基本原理、實(shí)現(xiàn)方法做了詳細(xì)的分析和介紹。通過對衛(wèi)星天線單元、終端單元和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的闡述可知，我司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的便攜式衛(wèi)星通信站具有安裝簡單，對星快速，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)為用戶提供一個(gè)高品質(zhì)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 便攜式衛(wèi)星通信站 衛(wèi)星天線 終端單元 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

一、引言

隨著應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，便攜式衛(wèi)星通信站已成為應(yīng)急通信的一種重要通信組成部分。便攜式衛(wèi)星通信站通過與地球同步軌道衛(wèi)星組網(wǎng)形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、音視頻和廣域網(wǎng)接入功能的多媒體通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)如電話、傳真、電傳、電報(bào)、圖像、可視電話、話帶數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、復(fù)用數(shù)據(jù)、電話會議等功能，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、新聞采訪、科考探險(xiǎn)、公安、軍事等應(yīng)急和特殊通信領(lǐng)域。

二、技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)組成及功能

便攜式衛(wèi)星通信站主要由便攜式衛(wèi)星天線單元（含天線、伺服、BUC、LNB）和終端單元（含衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、視頻會議終端、VOIP、矩陣、顯示器、3G圖傳、單兵圖傳接收機(jī)等）組成。整套系統(tǒng)可由2人完成操作使用，總質(zhì)量不大于60Kg。便攜式衛(wèi)星通信站基于VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，通過便攜天線，可與后方指揮中心建立基于IP的透明鏈路。主要特點(diǎn)是簡單、方便，易于運(yùn)輸，適應(yīng)應(yīng)急性指揮通信的要求，能夠在較短時(shí)間內(nèi)迅速搭建一個(gè)衛(wèi)星通信平臺，并建立起與主站的通信連接。便攜式衛(wèi)星通信站原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)具備衛(wèi)星通信、視頻會議、VOIP語音通話等功能。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通過單兵式微波圖像傳輸系統(tǒng)將野外現(xiàn)場的聲音、圖像等相關(guān)資料實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖銛y站，再通過VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)和專業(yè)視頻會議系統(tǒng)將其傳送到國家、省、市級指揮中心，為領(lǐng)導(dǎo)總攬全局，果斷決策，正確指揮提供直接的現(xiàn)場信息。本文設(shè)計(jì)的便攜式衛(wèi)星站具備“一鍵式”對星功能，同時(shí)采用雙跟蹤尋星模式，尋星時(shí)間小于3分鐘，跟蹤精度小于0.2度。為滿足不同場合不同業(yè)務(wù)量的需求，天線單元可選用等效口徑1m或1.2m天線面，功放選用20W～40W功率功放，組合配置，用于提供傳輸不低于2Mbps的通信業(yè)務(wù)。

2.2 便攜式衛(wèi)星天線單元

便攜式衛(wèi)星天線單元分為天線分系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三部分。便攜式衛(wèi)星天線原理圖如圖2所示。

天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，是便攜站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。便攜式衛(wèi)星天線采用格里高利雙反射偏饋型天線設(shè)計(jì)，天線單元包括主反射面、副反射面、饋源及其支架、高頻頭及雙工器等。天線面的材質(zhì)主要有鋁合金、玻璃鋼以及碳纖維等，考慮到高增益、低噪聲溫度，展開、收藏、攜帶方便，天線設(shè)計(jì)為碳纖維復(fù)合材料的雙反射面天線。該天線面在+130℃中溫壓固化成型，可在-50℃～+80℃環(huán)境中使用，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數(shù)幾乎為零的特性。當(dāng)天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，地面用戶發(fā)出的基帶信號經(jīng)過地面通信網(wǎng)絡(luò)傳送到便攜站，便攜站通信設(shè)備對基帶信號進(jìn)行處理，使其成為射頻載波后發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收地球站上行頻率發(fā)送來的射頻載波，經(jīng)過放大和變頻處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)到地球站，由地球站天線接收。天線分系統(tǒng)的饋源、高頻頭將天線面接收的射頻載波處理為中頻信號，中頻信號經(jīng)過功分器后一路信號解調(diào)處理后給基帶處理器，通過地面網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶，另一路信號經(jīng)信標(biāo)接收機(jī)和DVB-S載波跟蹤接收機(jī)輸出AGC電平給天線控制器，為伺服控制提供信號電平指示。

伺服控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，用于控制天線準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。包括：伺服控制器、電子羅盤、GPS接收機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)、DVB-S載波跟蹤接收機(jī)、執(zhí)行電機(jī)及驅(qū)動部分。伺服控制系統(tǒng)工作原理為：在系統(tǒng)上電后開始搜索衛(wèi)星信號，通過GPS接收機(jī)獲取接收天線所在地的經(jīng)度、緯度和高度，結(jié)合控制器存儲的被搜索衛(wèi)星的在軌經(jīng)度，將這些角度信息送入控制器進(jìn)行計(jì)算，獲得天線對準(zhǔn)衛(wèi)星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。然后通過姿態(tài)測量傳感器得到天線實(shí)時(shí)的方位角、俯仰角和極化角，與計(jì)算所得的理論角度進(jìn)行比較，若不等，則驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動天線逐步減小差值，完成天線的搜索與初始對準(zhǔn)。隨后進(jìn)入步進(jìn)跟蹤模式，在方位、俯仰方向上按一定步進(jìn)小角度運(yùn)動，同時(shí)與信標(biāo)接收機(jī)或DVB-S載波接收機(jī)配合使用將天線鎖定在最佳跟蹤位置，完成衛(wèi)星信號的跟蹤。伺服控制設(shè)計(jì)基于Microchip公司的dsPIC處理器方案，它是一種具有單片機(jī)和DSP綜合功能的16位CPU，不但具有豐富的外圍模塊，I/O接口，支持多種電機(jī)控制，強(qiáng)大的中斷功能，同時(shí)還兼具DSP高速運(yùn)算能力，是嵌入式系統(tǒng)的一種高性價(jià)比解決方案。為了滿足高精度控制，做到精確對準(zhǔn)，本系統(tǒng)通過將GPS、數(shù)字羅盤、天線控制器、執(zhí)行電機(jī)結(jié)合AGC電平反饋形成系統(tǒng)大閉環(huán)的方式，完成天線對衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。對于DVB載波跟蹤方式，由于數(shù)字高頻頭的解調(diào)過程需要幾秒鐘時(shí)間，所以存在對衛(wèi)星信號反饋較慢的缺點(diǎn)，但是載波有帶寬較寬，比較容易捕獲，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。信標(biāo)是一個(gè)單載波，存在難捕獲，易受干擾的缺點(diǎn)，但是信標(biāo)接收機(jī)能快速反饋衛(wèi)星信號的強(qiáng)弱。本系統(tǒng)采用了DVB載波和信標(biāo)跟蹤并存的方式，當(dāng)一種方式無法對星時(shí)，可自動切換到另一種對星方式，從而確保了天線指向有效對準(zhǔn)衛(wèi)星。伺服轉(zhuǎn)臺采用俯仰、方位型天線架座，同時(shí)極化可調(diào)，執(zhí)行電機(jī)通過驅(qū)動器電流的32細(xì)分，在減小噪聲和震動的同時(shí)，提高了控制精度。通過安裝限位開關(guān)對零點(diǎn)與限位位置進(jìn)行定位。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由手持終端控制設(shè)備或筆記本組成，向伺服控制系統(tǒng)輸入要對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的位置信息、步進(jìn)指令（步數(shù)以及方向）、開始運(yùn)行指令、復(fù)位指令以及停止指令等，同時(shí)也可以在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上顯示天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及角度波動情況，提供良好的人機(jī)對話功能。

2.3 終端單元

終端單元集VOIP語音、傳真、視頻采集及編解碼傳輸、視頻顯示回放、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等多種功能于一體，預(yù)留與各種非衛(wèi)星通訊終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）的接口，具備與衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)雙向通訊功能。終端單元集成于手提箱內(nèi)，防塵、防震、體積小、重量輕、攜帶方便，采用積木式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶需要選擇不同衛(wèi)星通信體制設(shè)備終端單元，并根據(jù)具體需要，對功能模塊進(jìn)行選配。終端單元原理框圖如圖3所示。

終端單元的核心設(shè)備是衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，其主要功能是完成基帶信號的編/解碼、調(diào)制/解調(diào)等信號處理，且自身帶有IP路由功能，通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)，局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠連入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與其他衛(wèi)星站之間的網(wǎng)絡(luò)通信、視頻會議、數(shù)據(jù)通信等。

三、結(jié)構(gòu)方案

便攜式衛(wèi)星通信站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心部件是電/手動二維轉(zhuǎn)臺，它的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到整個(gè)便攜式衛(wèi)星通信站的外形、重量、體積等。該轉(zhuǎn)臺分為上、下腔體兩個(gè)部分，方位和俯仰驅(qū)動機(jī)構(gòu)均布置在上腔體中，下腔體布置支撐結(jié)構(gòu)和接插件。俯仰驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器的方式：俯仰電機(jī)一端與減速器相連，一端與手動手柄相連，減速器一端與電機(jī)相連，一端與天線組件相連，帶動天線組件做俯仰方向的轉(zhuǎn)動；方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加自制減速機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿加圓柱齒輪）的方式：方位電機(jī)一端與手動手柄相連，一端與蝸桿相連，通過自制減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動上腔體和天線組件做方位方向的轉(zhuǎn)動，上、下腔體的結(jié)合處加密封圈，能有效防塵、防雨。方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)中有蝸輪蝸桿，能有效自鎖，可防止大風(fēng)對天線面在方位方向上的吹移，俯仰驅(qū)動機(jī)構(gòu)外加鎖緊裝置，可防止大風(fēng)對天線面在俯仰方向上的吹移；極化裝置所需的驅(qū)動力矩很小，采用單軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器和同步帶驅(qū)動的結(jié)構(gòu)方式。

天線面采用可拆卸的剖分結(jié)構(gòu)形式，共分為六瓣，除主瓣與轉(zhuǎn)臺固定連接外，其余五瓣可拆卸，通過專門的快裝機(jī)構(gòu)拆裝。整個(gè)控制系統(tǒng)模塊裝在一個(gè)腔體內(nèi)，該腔體采用碳纖維開模加鑲嵌散熱金屬塊的方式制造，蓋板采用倒扣結(jié)構(gòu)形式，配合碳纖維腔體邊緣的密封橡膠條，和轉(zhuǎn)臺配合使用，能有效散熱且能密封防雨。

四、軟件設(shè)計(jì)

便攜式衛(wèi)星通信站實(shí)現(xiàn)一鍵對星功能采用程序跟蹤與步進(jìn)跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式，即：先利用程序跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的粗對準(zhǔn)，再采用步進(jìn)跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的精對準(zhǔn)，可以提高系統(tǒng)跟蹤的速度與精度。

程序跟蹤將需要搜索的衛(wèi)星的軌道信息（衛(wèi)星的在軌經(jīng)度、極化方式、下行頻率、符號率）預(yù)存入天線控制器中（在管理員權(quán)限下同時(shí)支持手動輸入衛(wèi)星的在軌信息），讀取GPS、數(shù)字羅盤、傾角儀等傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算出天線俯仰、極化、方位的指向，向俯仰、方位、極化電機(jī)控制驅(qū)動器發(fā)出命令，俯仰、方位、極化電機(jī)轉(zhuǎn)到指定位置實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的搜索與跟蹤。程序跟蹤的關(guān)鍵是通過兩點(diǎn)GPS位置信息計(jì)算天線的指向角度，主要涉及到大地坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的矩陣變換算法。

步進(jìn)跟蹤是在程序跟蹤后，在天線方位角±10°、俯仰角±2°范圍內(nèi)以“Z”字型方式掃描空域，精密調(diào)整天線指向，在信標(biāo)信號或載波信號鎖定后，微調(diào)天線找出信號的最大值指向角度，此時(shí)鎖定衛(wèi)星。

五、結(jié)論

我公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的便攜式衛(wèi)星通信站具備全自動“一鍵對星”能力，設(shè)備從展開、跟蹤、對星、調(diào)整、收藏均可全自動完成，安裝簡單，無須較準(zhǔn)，快速對星，通過VSAT通信網(wǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)迅速搭建一個(gè)高品質(zhì)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。目前該系統(tǒng)已在四川省人防辦、綿陽市人防辦、雅安市人防辦、南充市人防辦投入使用，客戶反映良好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 胡正飛，訪繼東. 便攜式衛(wèi)星通信地球站結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（3）：4～6

[2] 曹志剛. 移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法[D]. 碩士論文. 重慶大學(xué). 2005

[3] 彭樹生，王洋. 車載快速搜索/跟蹤衛(wèi)星的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13（9）：932-934