+ 高文生中國電子科技集團(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)域越來越廣。近年來，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（又稱機(jī)載用戶終端）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）將模擬話經(jīng)語音編碼處理后，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)載用戶終端；機(jī)載用戶終端天線接收到信號(hào)后，經(jīng)過放大、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)，通過地面光纜送到地面指揮中心（或機(jī)動(dòng)指揮車）的用戶終端，對(duì)返向數(shù)據(jù)和語音信號(hào)進(jìn)行分接，數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)處理終端，語音信息進(jìn)行解碼處理后接話機(jī)。

表1 我國機(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

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

表1給出了我國機(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）國際國內(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。通過國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)和地面網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載用戶與全球各用戶的話音和數(shù)據(jù)通信；

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

3）目前，我國無論是有人駕駛飛機(jī)還是無人駕駛飛機(jī)，凡是加裝了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的，均使用國內(nèi)波束衛(wèi)星，而且以Ku頻段全國波束為主。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電子掃描來改變其波束相位，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，國內(nèi)外中遠(yuǎn)程無人機(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，以及傳輸過程中的各種損耗和引入的各種噪聲及干擾。

通過系統(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）