張令軍，李辰飛

天津訊聯(lián)科技有限公司

我國高通量通信衛(wèi)星已成功發(fā)射。為滿足無人機整機重量輕的需求，本文設(shè)計一種輕小型高通量機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴格按照國家軍用標準進行正向設(shè)計和研制，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、伺服性能良好，可實時傳輸已打包的無人機多源傳感器數(shù)據(jù)。無人機安裝該系統(tǒng)后，在高動態(tài)飛行中能與衛(wèi)星保持連續(xù)的高通量通信。

隨著無人機技術(shù)不斷取得突破，無人機性能有了顯著提升，機載任務(wù)載荷類型及數(shù)量不斷增加，無人機機載端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增大。Ku波段機載衛(wèi)通設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率為2 ～4Mb/s，已經(jīng)不能滿足高清攝像機、合成孔徑雷達（SAR）等任務(wù)載荷數(shù)據(jù)的實時傳輸需求。隨著“亞太”6D高通量衛(wèi)星的發(fā)射成功，基于高通量衛(wèi)星的機載衛(wèi)通系統(tǒng)應(yīng)運而生，這種系統(tǒng)是未來衛(wèi)星通信移動終端發(fā)展的技術(shù)方向。

系統(tǒng)功能與組成

本文設(shè)計一種高通量輕小型機載衛(wèi)通系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)自身安裝的慣導系統(tǒng)及全球定位系統(tǒng)（GPS）提供的初始數(shù)據(jù)，控制天線指向衛(wèi)星，陀螺增穩(wěn)平臺能確保天線始終指向目標衛(wèi)星，同時在無人機飛行過程中，隔離無人機的擾動。該型機載衛(wèi)通系統(tǒng)主要功能如下所述。

一是接收地面衛(wèi)通終端傳輸?shù)臒o人機控制信息，實現(xiàn)上行信息（遙控信息）傳輸。

二是將打包的任務(wù)載荷數(shù)據(jù)和無人機飛行狀態(tài)信息回傳地面衛(wèi)通終端，實現(xiàn)下行信息（遙測信息）傳輸。

三是具有上電自檢及掉電保護功能，掉電后能夠保存衛(wèi)通伺服系統(tǒng)的參數(shù)，重新上電后按照原參數(shù)工作。

四是具備初始自動對準和失鎖后再對準功能。

五是具備極化自動跟蹤功能。

本系統(tǒng)由天饋單元、伺服單元和穩(wěn)定跟蹤單元三部分組成。天饋單元包括天線與饋源、功率放大器（BUC）、低噪聲放大器（LNB）；伺服單元包括方位電機與傳動機構(gòu)、俯仰電機與傳動機構(gòu)、極化電機與傳動機構(gòu)；穩(wěn)定跟蹤單元包括主控模塊、信標接收機、滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、基于GPS/北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位模塊以及微型慣性導航模塊等設(shè)備。

系統(tǒng)特點

1.尺寸小、重量輕、功耗低

該產(chǎn)品適用于無人機，選用最優(yōu)性能的小尺寸天饋系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)件由鋁合金制造而成。軸承選用低慣量、低摩擦因子的輕型軸承。齒輪采用輪輻式鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕了系統(tǒng)重量。特殊零件由碳纖維復合材料制成。電機是直流無刷力矩電機，具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。驅(qū)動器尺寸小、功耗低，集成在主控板上。電源模塊內(nèi)部的功率變換器全部實現(xiàn)模塊化，具有尺寸小、重量輕、效率高、可靠性高等特點。

2.集成多源傳感器數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)

多源傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)是指一種可將多種傳感器獲取的信息進行融合和優(yōu)化處理，最終實現(xiàn)信息優(yōu)化并提高數(shù)據(jù)精度的技術(shù)。本系統(tǒng)集成了高精度增量式編碼器、信標接收機、微型慣性導航模塊、基于GPS/北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位模塊等設(shè)備，系統(tǒng)的獨立工作和閉環(huán)跟蹤不依賴無人機機載全球定位系統(tǒng)和機載慣導系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.擁有多種跟蹤方式

本系統(tǒng)的工作特點是，全天候、全區(qū)域、任意環(huán)境下必須準確地對準目標衛(wèi)星，才能保證衛(wèi)星通信鏈路有效地傳輸信息。因此，本系統(tǒng)須要具有多種跟蹤方式。目前常用的跟蹤方式包括程序跟蹤、信標跟蹤、單脈沖跟蹤。程序跟蹤是在沒有衛(wèi)星信號或者信號不穩(wěn)的情況下，系統(tǒng)根據(jù)目標衛(wèi)星的位置信息對衛(wèi)星進行跟蹤。信標跟蹤是在目標衛(wèi)星附近有多顆衛(wèi)星的情況下，系統(tǒng)使用的跟蹤方式，以防止鎖定鄰近衛(wèi)星。單脈沖跟蹤是系統(tǒng)在跟蹤沒有信標信號的衛(wèi)星時所使用的跟蹤方式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)（ARM）為核心，選取STM32F407微處理器作為主控芯片；驅(qū)動機構(gòu)包括基于ARM的直流伺服電機；高精度增量式編碼器作為位置和速度反饋元件，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。同時，本系統(tǒng)利用微型慣性導航模塊構(gòu)建增穩(wěn)平臺，結(jié)合全球定位系統(tǒng)和信標接收機輸出的數(shù)據(jù)，完成機載衛(wèi)通天線的初始尋星和穩(wěn)定跟蹤。

空間姿態(tài)解算

機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作的前提是，天線始終準確地指向目標衛(wèi)星，保證信號在有效波束范圍內(nèi)。軟件的核心算法應(yīng)完成兩部分工作，首先數(shù)字引導將天線引導到目標衛(wèi)星波束范圍內(nèi)；其次，根據(jù)信標機輸出的自動增益控制（AGC）值，系統(tǒng)利用軟件算法，完成機載天線的動態(tài)對星跟蹤。該系統(tǒng)采用基于GPS/北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高精度定位模塊，根據(jù)衛(wèi)星的位置信息和天線的經(jīng)緯度信息，得到衛(wèi)星和天線的經(jīng)度差值Ф，天線的緯度θ。經(jīng)空間姿態(tài)解算，本文得到天線的方位指向角度A、俯仰指向角度E、極化指向角度P，計算公式如下。

（1）（2）（3）式可計算機載高通量衛(wèi)通天線在地理坐標系中的指向角度。此坐標系下的指向角度不能直接給控制器，須要由坐標變換解算出載體坐標系下的指向角度，坐標變換矩陣如下所述。

指向角度通過上述坐標轉(zhuǎn)換，得到載體坐標系下的方位指向角度、俯仰指向角度和極化指向角度。控制單元根據(jù)指向角度值，控制執(zhí)行機構(gòu)進行三個軸向位置的轉(zhuǎn)動，使天線對準目標衛(wèi)星。

伺服控制系統(tǒng)包括初始化、對星、鎖定、待機、停止5種工作狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，伺服控制系統(tǒng)的軟件將自動運行，當初始化成功且慣導模塊進入導航解算后，機載衛(wèi)通天線開始尋星，鎖定衛(wèi)星后進入自動穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，同時從外部接口接受各種指令、數(shù)據(jù)，并對指令和數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。

實測數(shù)據(jù)

為充分驗證工程樣機的性能，本文對工程樣機進行搖擺臺性能測試及環(huán)境適應(yīng)性試驗。6自由度搖擺臺使用模擬機載環(huán)境，設(shè)置參數(shù)為振幅8°、周期3s，目標衛(wèi)星選取“中星”10、“中星”12、“亞洲”9、“亞太”6D衛(wèi)星。搖擺臺試驗測試了初始對星時間以及失鎖后重新捕獲目標衛(wèi)星的時間，表1為實測數(shù)據(jù)。

表1 基于不同目標衛(wèi)星，衛(wèi)通系統(tǒng)的初始對星時間及穩(wěn)定精度。

本文設(shè)計的高通量輕小型機載衛(wèi)通系統(tǒng)特別適用于整機重量要求輕、機艙內(nèi)安裝空間小的無人機。實測結(jié)果表明，該系統(tǒng)跟蹤性能穩(wěn)定可靠，指標優(yōu)越，環(huán)境適應(yīng)性、耐高低溫性能、抗沖擊性能到達國家軍用標準，實際測試的數(shù)據(jù)傳輸速率可達8 ～10Mb/s，語音和視頻實時傳輸效果良好，為后續(xù)產(chǎn)品量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 伺服控制系統(tǒng)軟件的工作流程。