+ 高文生中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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簡(jiǎn)述機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成和工作原理，提出機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和思路，并給出鏈路計(jì)算方法和鏈路性能分析。

機(jī)載 低剖面天線 電子波束掃描 衛(wèi)星G/T值

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

1.概述

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的成熟和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。近年來(lái)，以飛機(jī)為載體的機(jī)載移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，得到了國(guó)內(nèi)外軍民各方高度重視和廣泛應(yīng)用。

2 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)由機(jī)載衛(wèi)通站（又稱(chēng)機(jī)載用戶(hù)終端）和地面衛(wèi)通站組成。圖1是系統(tǒng)組成框圖。

圖2是一個(gè)Ku/Ka雙頻段機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作示意圖。

2.2 工作原理

數(shù)據(jù)鏈前返向信息流程如下：

地面指揮中心（或機(jī)動(dòng)指揮車(chē)）將模擬話經(jīng)語(yǔ)音編碼處理后，與前向數(shù)據(jù)（地面送往飛機(jī)的數(shù)據(jù)）復(fù)接成復(fù)合數(shù)據(jù)流，通過(guò)光纜送地面衛(wèi)通站進(jìn)行加擾、編碼、調(diào)制、變頻、放大，由天線發(fā)向衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)向機(jī)載用戶(hù)終端；機(jī)載用戶(hù)終端天線接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大、變頻，送信息處理單元進(jìn)行解調(diào)、譯碼、去擾等處理，恢復(fù)出復(fù)合數(shù)據(jù)流，送業(yè)務(wù)接入單元分接，前向數(shù)據(jù)送機(jī)載指控臺(tái)，話音數(shù)據(jù)經(jīng)語(yǔ)音解碼處理后變?yōu)槟M話音接機(jī)上通話器。

返向（飛機(jī)到地面）鏈路將包括話音和下傳數(shù)據(jù)信息的復(fù)合數(shù)據(jù)流送信息處理單元進(jìn)行信道編碼、加擾、調(diào)制等處理,經(jīng)上變頻器變?yōu)樯漕l載波，由固態(tài)功率放大器放大后，送天線發(fā)向衛(wèi)星。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，地面衛(wèi)通站將接收到的信號(hào)放大、變頻、解調(diào)，恢復(fù)出基帶復(fù)合數(shù)據(jù)，通過(guò)地面光纜送到地面指揮中心（或機(jī)動(dòng)指揮車(chē)）的用戶(hù)終端，對(duì)返向數(shù)據(jù)和語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分接，數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)處理終端，語(yǔ)音信息進(jìn)行解碼處理后接話機(jī)。

表1 我國(guó)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源

3 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

1）機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵照“簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠、易操作”的原則；

2）盡可能采用先進(jìn)、成熟的技術(shù)，選用定型或經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)過(guò)的裝機(jī)產(chǎn)品；

3）要具有全系統(tǒng)自檢測(cè)功能，故障檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)可更換單元；

4）機(jī)載設(shè)備研制要實(shí)現(xiàn)“模塊化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化”；

5）要高度重視機(jī)載環(huán)境條件的適應(yīng)性和電磁兼容性設(shè)計(jì)。

3.2 衛(wèi)星資源及工作頻段選擇

除國(guó)際民航飛機(jī)外，目前我國(guó)大部分飛機(jī)的飛行區(qū)域均在我國(guó)大陸及近海，因此，我國(guó)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源應(yīng)以國(guó)內(nèi)波束衛(wèi)星為主。

表1給出了我國(guó)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源、工作頻段及衛(wèi)星天線覆蓋范圍。

衛(wèi)星資源選擇建議如下：

1）國(guó)際國(guó)內(nèi)航空公司所使用的干線和支線飛機(jī)，大部分都安裝了海事衛(wèi)星機(jī)載站。通過(guò)國(guó)際海事衛(wèi)星系統(tǒng)和地面網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載用戶(hù)與全球各用戶(hù)的話音和數(shù)據(jù)通信；

2）國(guó)際商用通信衛(wèi)星針對(duì)中國(guó)的區(qū)域波束很少且衛(wèi)星參數(shù)差，再加上保密等要求，不易被國(guó)內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用；

3）目前，我國(guó)無(wú)論是有人駕駛飛機(jī)還是無(wú)人駕駛飛機(jī)，凡是加裝了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的，均使用國(guó)內(nèi)波束衛(wèi)星，而且以Ku頻段全國(guó)波束為主。如果載機(jī)遠(yuǎn)離本土作業(yè)，可使用可移動(dòng)點(diǎn)波束交鏈轉(zhuǎn)發(fā)器；

4）如果傳輸高速數(shù)據(jù)，可采用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星Ka頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)300Mbps。

3.3 通信體制選擇

機(jī)載用戶(hù)終端站的通信體制必須與地面衛(wèi)星終端站的體制保持一致。

使用國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星時(shí)，可根據(jù)使用條件、占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率利用率、抗干擾要求等均衡考慮。

小型有人駕駛飛機(jī)速度快、姿態(tài)變化大，產(chǎn)生的多普勒頻移和多普勒頻移變化率大；體積、重量和功耗受限，機(jī)載站有效全向輻射功率EIRPe和接收站品質(zhì)因數(shù)（G/T）e值低，數(shù)據(jù)傳輸速率低（通常為6.4～64kbps）。易采用抗多普勒頻移和多普勒頻移變化率及抗干擾能力強(qiáng)的bPSK+短碼擴(kuò)頻方式；調(diào)制方式多采用bPSK，糾錯(cuò)方式為（2.1.7）卷積編碼，維特比譯碼；多址方式可采用TDM/TDMA或FDMA；組網(wǎng)方式為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星狀網(wǎng)。

對(duì)于運(yùn)輸、預(yù)警、海監(jiān)等大型飛機(jī)，傳輸業(yè)務(wù)多為話音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合業(yè)務(wù)，傳輸速率通常為64kbps～2Mbps。調(diào)制方式多采用QPSK，糾錯(cuò)方式為卷積+RS級(jí)聯(lián)編碼或LDPC碼；多址方式可采用FDMA或MF-TDMA；組網(wǎng)方式為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星狀網(wǎng)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)。

中遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)，前向信息速率較低，采用bPSK+短碼擴(kuò)頻方式，糾錯(cuò)方式為（2.1.7）卷積編碼，維特比譯碼；返向信息速率高，建議優(yōu)選QPSK+LDPC編碼方式，或采用QPSK調(diào)制+（2.1.7）卷積編碼為內(nèi)碼、RS碼為外碼的級(jí)聯(lián)糾錯(cuò)+交織方式；多址方式選取：如果有多架飛機(jī)同時(shí)在同一個(gè)衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)內(nèi)工作，前向采用碼分多址（CDMA）方式，返向采用頻分多址（FDMA）方式。

3.4 機(jī)載天線形式及跟蹤方式選擇

1）天線形式選擇

機(jī)載天線有兩種安裝方式，一是安裝在機(jī)艙內(nèi)（如大中型無(wú)人機(jī)）；二是安裝在機(jī)艙外的機(jī)背上方（有人駕駛飛機(jī)）。

無(wú)人機(jī)艙內(nèi)面積小，但空間高度相對(duì)寬松，通常采用技術(shù)成熟、效率高、性能好，但剖面較高的拋物面環(huán)焦天線。

有人駕駛飛機(jī)加裝衛(wèi)通天線時(shí)，為減少機(jī)體對(duì)機(jī)載天線的遮擋，機(jī)載天線應(yīng)安裝在機(jī)體背部靠前部位，而且要加裝天線整流罩。為減小天線加裝對(duì)飛機(jī)飛行性能的影響，降低飛機(jī)改裝的成本和技術(shù)難度，機(jī)載天線應(yīng)采用低剖面天線。

目前可供選擇的機(jī)載低剖面天線方案有：切割拋物面天線、拋物柱面天線、一維相控陣天線、二維相控陣天線、低剖面平板陣列天線等。

二維相控陣天線的方位角和俯仰角是通過(guò)電子掃描來(lái)改變其波束相位，從而使天線波束指向衛(wèi)星，天線的方位和俯仰沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。天線高度可以做得較低，并可與機(jī)體共形設(shè)計(jì)，不受機(jī)體外形的影響，對(duì)飛機(jī)改裝和飛機(jī)飛行性能的影響小。但其外形尺寸和重量大；插入損耗大，并存在最大3db掃描損失；極化面的調(diào)整難度極大，相控器件沒(méi)有形成商用產(chǎn)品，技術(shù)不成熟；研制成本高。

其他幾種天線形式的選擇，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、鏈路性能要求、體積重量等多種因素綜合考慮。

表2是幾種天線優(yōu)缺點(diǎn)的比較。

目前，國(guó)內(nèi)外中遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)大都采用拋物面環(huán)焦天線，有人駕駛飛機(jī)較多采用的是平板陣列天線和一維平板相控陣天線。

2）天線跟蹤方式的選擇

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于載機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其姿態(tài)始終在變化。因此，機(jī)載天線必須能夠快速捕獲衛(wèi)星，并始終跟蹤對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，這是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。

機(jī)載衛(wèi)通天線通常采用程序引導(dǎo)（由機(jī)載慣導(dǎo)平臺(tái)提供飛機(jī)姿態(tài)信息INS和定位信息GPS）來(lái)捕獲衛(wèi)星，再由信標(biāo)跟蹤接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精確跟蹤。

為隔離姿態(tài)的變化，機(jī)載天線還裝有陀螺穩(wěn)定裝置，其隔離度可達(dá)30db以上。

常用的跟蹤接收機(jī)有程序跟蹤、步進(jìn)跟蹤（也稱(chēng)極值跟蹤）、機(jī)械圓錐掃描、電子波束掃描和單脈沖跟蹤等幾種機(jī)載天線跟蹤方式。

機(jī)載天線的跟蹤方式如表3所示。

表1 我國(guó)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源

表3 跟蹤方式優(yōu)缺點(diǎn)

3.5 可靠性設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)可靠性，通常采用設(shè)備熱備份方式。但對(duì)于機(jī)載設(shè)備而言，特別是小型戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人偵察機(jī)，受體積、重量和功耗的限制，不易采用設(shè)備熱備份。

提高機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠性的途徑有：

1）在滿足系統(tǒng)功能和達(dá)到系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求前提下，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化不必要的功能，以減少設(shè)備數(shù)量；

2）采用數(shù)字化、軟件化設(shè)計(jì)，盡量減少和簡(jiǎn)化硬件設(shè)備；

3）采用成熟的，有繼承性的先進(jìn)技術(shù)，提高設(shè)備的可靠性；

4）嚴(yán)格按照“國(guó)標(biāo)”或“行標(biāo)”要求進(jìn)行設(shè)備及元器件老煉試驗(yàn)、應(yīng)力篩選試驗(yàn)、設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、系統(tǒng)綜合可靠性試驗(yàn)等；

5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮熱設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、防震設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)等。例如，當(dāng)設(shè)備工作在高空環(huán)境（如臨近空間），由于空氣稀薄，靠熱傳導(dǎo)方式無(wú)法達(dá)到功放等發(fā)熱設(shè)備的散熱效果，此時(shí)，熱設(shè)計(jì)就成為重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)；

6）備件均為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元，設(shè)備可達(dá)性好，便于維修。

3.6 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)

機(jī)載設(shè)備由多個(gè)系統(tǒng)組成，為保證載機(jī)的飛行安全和全系統(tǒng)兼容工作，即使在復(fù)雜的電磁環(huán)境中各個(gè)設(shè)備也應(yīng)能正常工作，所有系統(tǒng)和各個(gè)設(shè)備之間應(yīng)互不干擾。為此，必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)和設(shè)備研制，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各分系統(tǒng)設(shè)備乃至全系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的電磁兼容性測(cè)試。

系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)主要采取如下措施：

1） 頻率的選取和配置，尤其是各分系統(tǒng)使用的射頻頻率必須互不重疊（包括2次、3次、5次諧波）；

2）機(jī)載設(shè)備采用電磁兼容性好的ATR機(jī)箱；

3）良好的屏蔽、濾波和接地措施；

4 鏈路計(jì)算和系統(tǒng)性能分析

4.1 鏈路計(jì)算目的

衛(wèi)星通信鏈路傳輸質(zhì)量的主要指標(biāo)是系統(tǒng)輸出端信號(hào)的誤比特率（也稱(chēng)誤碼率），誤比特率決定于接收系統(tǒng)的載噪比。進(jìn)行衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)和分析，就必須進(jìn)行系統(tǒng)載噪比計(jì)算。這涉及到發(fā)射站的有效全向輻射功率EIRP值和接收站的G/T值，以及傳輸過(guò)程中的各種損耗和引入的各種噪聲及干擾。

通過(guò)系統(tǒng)鏈路計(jì)算，在滿足系統(tǒng)傳輸性能指標(biāo)前提下，確定衛(wèi)通站設(shè)備應(yīng)具有的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)，如功放輸出功率，衛(wèi)星功率和帶寬占用率等。

4.2 機(jī)載衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算應(yīng)考慮的因素

1）首先根據(jù)載機(jī)條件選擇天線形式和尺寸，確定天線收、發(fā)增益（要盡可能高）；

2）配置合適的地面衛(wèi)通站〔通常接收站（G/T）值≥30db〕；

3）選擇最佳的調(diào)制解調(diào)方式和糾錯(cuò)編碼方式，降低解調(diào)門(mén)限Eb/N0；

4）當(dāng)采用Ku或Ka頻段時(shí)，必須考慮降雨影響。由于飛機(jī)通常在云層以上飛行，故可不考慮機(jī)載站到衛(wèi)星之間的降雨影響；

5）按飛機(jī)實(shí)際作業(yè)區(qū)的衛(wèi)星EIRPs和(G/T)s等值線覆蓋圖選取衛(wèi)星參數(shù)；

6）必須預(yù)留系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量M=3～5db。

4.3 鏈路計(jì)算所用公式

(C/T)?1=(C/T)?1+(C/T)?1+(C/T)?1(真值相加)

t u d i

5） 門(mén)限載噪比(C/T)th

(C/T)th=Eb/No+R+K+M (dbW/K)

Eb/No—— 每碼元功率與噪聲功率密度比 (db)

R —— 信息速率

K —— 玻爾茲曼常數(shù) K=-228.6 (db)

M —— 系統(tǒng)的備余量 （通常取M=3～5 db）

6）信道容量n

n=(C/T)t-(C/T)th(db)

7） 每信道所需衛(wèi)星EIRPs

EIRPs/ch=EIRPs－n (dbW)

8） 每信道所需發(fā)站功率

EIRPe/ch=(C/T)u+Lu-(G/T)s－n (dbW)

Pe= EIRPe/ch－GTA+L (W)

GTA —— 地球站天線發(fā)射增益 (db)

L —— 地球站發(fā)射支路饋線損耗 (db)

1) 上行載噪比(C/T)u

(C/T)u=Ws－bOi+(G/T)s+10lg (dbW/K)

(G/T)s —— 衛(wèi)星的品質(zhì)因數(shù) (db/K)

Ws —— 衛(wèi)星飽和通量密度 (dbW/m2)

bOi —— 衛(wèi)星的輸入補(bǔ)償 (db)

2)下行載噪比(C/T)d

(C/T)d=EIRPs—bOo－Ld+(G/T)e (dbW/K)

EIRPs —— 衛(wèi)星有效輻射功率 (dbW)

bOo —— 衛(wèi)星的輸出補(bǔ)償 (db) Ld —— 下行鏈路總損耗 (db)

(G/T)e —— 接收地球站的品質(zhì)因數(shù) (db/K)

3）交調(diào)載噪比(C/T)i

(C/T)i=-150+2bOo+0.6 (dbW/K)

4）總載噪比(C/T)t

4.4 系統(tǒng)傳輸能力分析

假設(shè)機(jī)載站安裝0.6m口徑天線，配置50W功放，采用LDPC編碼，地面站天線≥4.5m，在我國(guó)本土及全海域內(nèi)只要（G/T）S≥－3db/K，可實(shí)現(xiàn)2Mbps下行信息傳輸，在作業(yè)區(qū)衛(wèi)星G/T值每增加3db，其傳輸速率就提高1倍。

受飛機(jī)機(jī)體特別是尾翼遮擋，機(jī)載天線最低工作仰角為15o左右；受氣流影響，飛機(jī)的仰角變化為±10o；為使天線不受遮擋，機(jī)載站作業(yè)區(qū)域的工作仰角應(yīng)≥25o。

不同的天線形式和不同的安裝位置，天線最低工作仰角不一樣。在選擇機(jī)載站作業(yè)區(qū)域時(shí)，除考慮衛(wèi)星波束覆蓋能力外，還必須考慮天線不受遮擋時(shí)的最低仰角及作業(yè)區(qū)域的天線工作仰角。

1 聶楓，UHF機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，電訊技術(shù)， 1998（05）

2 李擬，機(jī)載衛(wèi)星通信地球站總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，南京郵電大學(xué)， 2013

3 張振莊，機(jī)載衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，無(wú)線電工程， 1998（02）

4 艾文光 趙大勇 鄧軍， 機(jī)載Ku、Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述，電子科技， 2011（11）