許松松 陸 斌 高睿劼

南京熊貓漢達(dá)科技有限公司

1 動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 基本組成

動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括天線單元、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、跟蹤接收機(jī)、功放單元、電源單元和信道終端設(shè)備等部分。在實(shí)際應(yīng)用動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的過(guò)程中，使用的跟蹤方式不盡相同，因此，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況省去其中的某些組成部分，例如，某些系統(tǒng)中無(wú)獨(dú)立跟蹤接收機(jī)，即可省去該部分。

1.2 工作原理

衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的情況下，會(huì)形成通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是針對(duì)移動(dòng)中載體的信號(hào)傳輸，因此，在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線與衛(wèi)星之間的方向就會(huì)發(fā)生偏離，此時(shí)，跟蹤接收機(jī)會(huì)與伺服控制系統(tǒng)共同調(diào)控天線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保障天線單元能夠?qū)?zhǔn)衛(wèi)星。在調(diào)控天線的過(guò)程中，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的主要作用在于控制載體運(yùn)動(dòng)時(shí)天線轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)角和位置的變化，進(jìn)一步確保天線與衛(wèi)星之間能夠始終對(duì)準(zhǔn)。

2 天線跟蹤技術(shù)

2.1 精度要求

在動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制過(guò)程中，定點(diǎn)衛(wèi)星與地面之間的距離要大于4萬(wàn)多千米，為了確保衛(wèi)星通信的質(zhì)量，需要使用高增益天線，高增益天線的主要特點(diǎn)在于波束較窄。在使用的過(guò)程中，通常載體會(huì)處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)天線的位置以及姿態(tài)角都會(huì)不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天線指向角度發(fā)生一定變化。若指向角的變化超過(guò)天線波束的寬度，則會(huì)降低天線增益，一定程度上導(dǎo)致通信誤碼率的增高，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)影響通信信息的傳輸。設(shè)天線-3 dB波束的寬度為2θ0.5，天線跟蹤誤差角度為△θ，那么天線增益下降可以表達(dá)為：

其中，G（θ0）為天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)的增益值，即θ=θ0時(shí)的增益值。例如，若天線口徑為0.9 m，工作頻率為12.50 GHz，波束寬度2θ0.5為1.87°，若天線跟蹤精度為0.37°時(shí)，那么經(jīng)計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)增益下降0.48 dB，若提高天線跟蹤精度變?yōu)?.19°，那么增益就會(huì)下降0.12 dB，即精度越高增益越小。因此，在進(jìn)行天線跟蹤設(shè)計(jì)的過(guò)程中，若過(guò)于追求天線精度，不僅增益效果不佳，而且會(huì)增加造價(jià)。故在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合使用需求，合理設(shè)計(jì)天線跟蹤精度。

2.2 天線跟蹤方式

當(dāng)前，常用的天線跟蹤方式有精確指向跟蹤、信標(biāo)跟蹤以及混合跟蹤方式。精確指向跟蹤方式主要是根據(jù)衛(wèi)星與地球的位置是相對(duì)靜止這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際工作過(guò)程中，無(wú)論載體如何運(yùn)動(dòng)，其天線波束都能夠保持指向衛(wèi)星。

影響指向系統(tǒng)跟蹤精度的主要因素有：（1）指令誤差，產(chǎn)生原因主要在于敏感元件，例如，GPS接收機(jī)和陀螺慣導(dǎo)。這些元件自身以及其安裝時(shí)的誤差都會(huì)對(duì)跟蹤精度帶來(lái)影響。（2）天線軸系誤差，主要指的是天線方位、俯仰等的加工誤差，在實(shí)際研制的過(guò)程中，可以利用精加工等方式控制誤差；

（3）伺服噪聲，不同伺服系統(tǒng)的控制噪聲的能力不同，由此產(chǎn)生的誤差也會(huì)影響指向精度；（4）角度傳感誤差，是由天線轉(zhuǎn)臺(tái)角度引起的，在該結(jié)構(gòu)中，主要影響誤差大小的器件為旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器；（5）衛(wèi)星定點(diǎn)位置漂移因素，衛(wèi)星并非靜止不動(dòng)的，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生漂移誤差；（6）載體運(yùn)動(dòng)引起指向精度誤差，在載體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，上述幾種影響誤差的因素會(huì)出現(xiàn)一定變化，綜合導(dǎo)致指向精度的下降。

信標(biāo)跟蹤是利用靜止衛(wèi)星的信標(biāo)研發(fā)的一種自動(dòng)跟蹤方式，常用的有：步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤、經(jīng)典單脈沖跟蹤和多模單脈沖跟蹤等。對(duì)于車載動(dòng)中通衛(wèi)星通信而言，由于車輛行駛的過(guò)程中存在顛簸情況，且車速具有不確定變化的特點(diǎn)，因此，要求天線系統(tǒng)具備極強(qiáng)的響應(yīng)能力和敏感度，通常使用的是單脈沖跟蹤方式。

混合跟蹤是將指向跟蹤與單脈沖跟蹤進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，充分利用二者的優(yōu)勢(shì)形成的一種跟蹤模式。將單脈沖高精度、不受衛(wèi)星漂移的影響以及指向系統(tǒng)使用方便、不存在捕獲問(wèn)題這兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高天線跟蹤水平。

3 系統(tǒng)跟蹤精度檢測(cè)技術(shù)

由于動(dòng)中通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)載體中，因此，如何對(duì)衛(wèi)星跟蹤能力進(jìn)行檢測(cè)始終都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題。

3.1 跟蹤精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法

在對(duì)動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤精度檢測(cè)時(shí)，可使用信號(hào)電平跌落法進(jìn)行測(cè)量。具體步驟：

（1）天線需要精準(zhǔn)對(duì)向衛(wèi)星，并準(zhǔn)確記錄此時(shí)的最大信號(hào)電平值。

（2）在車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，天線會(huì)呈現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，記錄接收到的信號(hào)電平值。

（3）計(jì)算出歸一化電平值和天線跟蹤精度。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，車輛需要在天線呈現(xiàn)自動(dòng)跟蹤狀態(tài)之后運(yùn)行，確保測(cè)量的環(huán)境條件符合相關(guān)要求，同時(shí)，需要每隔50 ms記錄一次信號(hào)電平值。為進(jìn)一步確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可靠性，需要在不同的道路上分別以不同車速進(jìn)行檢測(cè)，并記錄3組數(shù)據(jù)，取平均值。

3.2 實(shí)用檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)結(jié)果

目前，在動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤精度檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，并沒(méi)有明確指定所使用設(shè)備的具體規(guī)格和要求，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通常都會(huì)使用頻譜分析儀或者微波接收器。在進(jìn)行精度檢測(cè)的過(guò)程中，僅依靠計(jì)算平均值法來(lái)表示精度通常是不夠的，對(duì)此，可以采取另外一種精確的方式來(lái)標(biāo)識(shí)跟蹤精度。在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中，由于電平跌落的變化是隨機(jī)的，所以可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算出這一隨機(jī)函數(shù)的均方根值，并以此來(lái)標(biāo)識(shí)跟蹤精度。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的采樣周期50 ms過(guò)長(zhǎng)，所反映出來(lái)的動(dòng)中通天線跟蹤精度缺乏一定準(zhǔn)確性，難以反映出實(shí)際情況。若將采樣的周期設(shè)置為20 ms或者10 ms，可更好地測(cè)得系統(tǒng)的跟蹤精度。在實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，可以使用由高靈敏跟蹤接收機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備和工控機(jī)共同組成的檢測(cè)設(shè)備，其中，工程機(jī)能夠?qū)μ炀€所接受的信號(hào)電平進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電平變化的即時(shí)檢測(cè)，還能直接得到準(zhǔn)確的最大信號(hào)電平值、平均跟蹤精度或者其他形式的跟蹤精度，在實(shí)際測(cè)量使用的過(guò)程中十分快捷、便利。

4 動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的作用及具體應(yīng)用

動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要作用在于將話音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)信息傳輸?shù)叫l(wèi)星，并經(jīng)過(guò)星上轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)降孛娴男l(wèi)星接收設(shè)備。動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)中載體的實(shí)時(shí)跟蹤定位功能，并且實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、圖像等信息的傳輸，能夠極大程度上滿足軍用、民用等各種移動(dòng)條件下的通信需求，有廣泛的發(fā)展前景。

在實(shí)踐中，2018年12月22日，虹云工程首星（虹云·武漢號(hào)）成功發(fā)射后，先后成功完成了多次全系統(tǒng)、全流程互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通信功能試驗(yàn)和多用戶站入網(wǎng)通信試驗(yàn)，完成了虹云工程技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)試驗(yàn)用信關(guān)站和綜合運(yùn)控中心的建設(shè)工作，且已經(jīng)有固定式用戶站、船載動(dòng)中通用戶站、車載動(dòng)中通用戶站等多種形態(tài)用戶站參加試驗(yàn)工作。待業(yè)務(wù)系統(tǒng)建成后，將會(huì)在航空商務(wù)、鉆井平臺(tái)、應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、野外作業(yè)信息交互、移動(dòng)通信基站數(shù)據(jù)回傳等多場(chǎng)景開(kāi)展應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究在當(dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)平臺(tái)（車、船及飛機(jī)等）的衛(wèi)星通信傳輸功能。未來(lái)，需對(duì)涉及的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，特別是天線跟蹤技術(shù)，需要能夠滿足不同類型安裝平臺(tái)的使用需求。相信隨著動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不斷研究，該技術(shù)能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。