趙建邦

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,空天技術(shù)的成本不斷下降。空天技術(shù)的低成本主要體現(xiàn)在3 個方面:第一是進入太空的成本降低,比如火箭實現(xiàn)可回收;第二由于智能制造、材料器件、工藝更新等使得衛(wèi)星整星成本降低;第三是地面系統(tǒng)成本的降低,隨著空天技術(shù)研究者們的不懈努力,衛(wèi)星通信迎來了新一輪蓬勃發(fā)展的時期。國際上以Ka 為代表的高通量衛(wèi)星應(yīng)用已進入公眾服務(wù)市場,全球各大通信運營商均已建設(shè)或正在計劃開展Ka 寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)。 為滿足“寬帶中國”“一帶一路”等國家戰(zhàn)略或倡議需求,我國各行各業(yè)針對Ka 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及應(yīng)用的研制工作也在如火如荼地開展。 本文對基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)在高鐵上的應(yīng)用進行探討研究,具有重要意義。

1 基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 高系統(tǒng)容量和承載能力

Ka 波段是電磁頻譜微波波段的一部分,頻率范圍為26.5～40 GHz,可用帶寬可達3.5 GHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ku 頻段的1 GHz。 隨著多點波束復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,點波束的覆蓋范圍可以更窄,點波束數(shù)量可以更多,頻率及極化復(fù)用的程度可以更高,這使得Ka 衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量得以數(shù)量級提升。 例如Viasat-3 系統(tǒng)容量可達到1 Tbps。 Ka 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Ku 通信衛(wèi)星相比,Ka 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有容量大、傳輸速率快、支持業(yè)務(wù)廣泛、成本低等優(yōu)勢[1]。

1.2 “衛(wèi)星無感知”IP 應(yīng)用體驗

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的IP 化雖有利于實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通,但造成系統(tǒng)傳輸性能下降,使用戶有傳輸延遲的明顯感知。 因此,在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信關(guān)站和終端之間采用TCP 加速、HTTP 加速、IP 壓縮等優(yōu)化技術(shù),通過協(xié)議欺騙、速率控制、差錯控制、預(yù)提取、有損圖像壓縮、IP 數(shù)據(jù)包報頭壓縮等措施,提高衛(wèi)星通信帶寬利用率,改善傳輸性能,給用戶提供了“衛(wèi)星無感知”的IP應(yīng)用體驗[2]。

1.3 高保障網(wǎng)絡(luò)可用度

Ka 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量雖然得到數(shù)量級提升,但由于其工作于17.7～31 GHz 范圍,降雨引起的鏈路傳輸損耗比Ku 大得多。 在多雨地區(qū),雨衰可能增加20 dB 以上。 Ka 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜合應(yīng)用自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)載波速率調(diào)整、自適應(yīng)功率控制等自適應(yīng)抗雨衰技術(shù)可使網(wǎng)絡(luò)可用度達到99.5%以上。

1.4 高性能Ka 頻段“動中通”系統(tǒng)

該系統(tǒng)為Ka 超低剖面動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng),主要實現(xiàn)在高速運動中穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星,進行高通量通信這一任務(wù)。 根據(jù)Ka 頻段“動中通”系統(tǒng)的特點及需求,采用天地一體化設(shè)計技術(shù),高通量衛(wèi)星采用四色復(fù)用的點波束覆蓋通信區(qū)域,開展天地一體化優(yōu)化設(shè)計,通過理論分析與仿真建模,模擬優(yōu)化站間協(xié)同通信,提高組網(wǎng)的靈活性、效率性與經(jīng)濟性。

采用自動點波束切換技術(shù),根據(jù)高通量衛(wèi)星的點波束覆蓋區(qū)域坐標(biāo)信息,綜合移動終端的GPS 和慣導(dǎo)信息,控制精確伺服跟蹤系統(tǒng),對點波束進行切換,實現(xiàn)高通量衛(wèi)星點波束覆蓋區(qū)域之間的自動無縫鏈接。

采用新體制的高效率超低輪廓機械相控陣天線衛(wèi)星終端,天線收發(fā)分開,收發(fā)天線通過一維的旋轉(zhuǎn)運動即可實現(xiàn)波束的二維掃描,天線的功能件和結(jié)構(gòu)件一體化設(shè)計,無二維傳動裝置,結(jié)構(gòu)緊湊。 該體制天線的剖面高度可以降低到11 cm 以下。 極低的剖面高度能夠使天線與載體良好共形。 新體制的衛(wèi)星通信終端的平臺適應(yīng)能力更強。

超低剖面Ka 動中通系統(tǒng)原理框如圖1 所示,各部分主要功能如下。

圖1 超低剖面Ka 動中通系統(tǒng)原理

(1)天線單元:實現(xiàn)衛(wèi)星上行通信信號的發(fā)射和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器下行信號的接收,同時,天線單元具有自動旋轉(zhuǎn)的能力,可以通過自身旋轉(zhuǎn)改變波束的指向。

(2)伺服控制單元:處理天線極化和姿態(tài)信息,執(zhí)行衛(wèi)星捕獲與跟蹤算法。

(3)電機組:提供一維的旋轉(zhuǎn)動力,驅(qū)動天線單元。

(4)LNB:將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器Ka 波段的下行信號降至L波段的中頻信號。

(5)BUC:將Modem 輸出的中頻信號頻譜增至Ka波段上行信號并放大。

(6)ACU:監(jiān)控天線運行狀態(tài)及與連接外部功能模塊。

(7)Modem:接收端將中頻信號解調(diào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,發(fā)射端將數(shù)字信號調(diào)制轉(zhuǎn)換成中頻信號。

Ka 超低剖面動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)可滿足高鐵列車在靜止或高速(400 km/h)運動過程中實時通信能力。 該系統(tǒng)能夠自動采集高鐵列車所在位置的經(jīng)度、緯度和行進方向,顯示列車頂部天線的方位角、俯仰角。 該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置衛(wèi)星參數(shù),進行一鍵式自動尋星、對星。 該系統(tǒng)的伺服控制分系統(tǒng)在高鐵列車的行進過程,采用慣導(dǎo)測量/信標(biāo)跟蹤的方式,精準(zhǔn)測量車頂天線的位置和姿態(tài)信息,為系統(tǒng)的尋星、鎖定及精準(zhǔn)跟蹤提供可靠的數(shù)據(jù)支撐,保證天線能夠?qū)崟r跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星以及當(dāng)天線駛出遮擋區(qū)域后,天線能夠快速捕捉并鎖定目標(biāo)衛(wèi)星。 該系統(tǒng)可以滿足高鐵列車在運動過程中實時跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星,結(jié)合車內(nèi)5G 微基站為列車內(nèi)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng),通過寬帶衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)不間斷的話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等多媒體業(yè)務(wù)傳輸,滿足高鐵列車在靜止和移動條件下的通信需求。

Ka 超低剖面動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的輕薄型衛(wèi)星“動中通”天線。 該天線采用國際最先進的可變傾角連續(xù)橫向節(jié)(VICTS)技術(shù),具有整體剖面低、氣動性好、便于與高鐵列車共形等特點,可在高速移動的高鐵列車上實時、穩(wěn)定地建立可靠的衛(wèi)星通信鏈路,保證高速率信息不間斷傳輸。

對于該天線的接收鏈路,天線伺服系統(tǒng)通過當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度解算中星16 號衛(wèi)星波束指向角和對應(yīng)的極化旋向,對接收旋轉(zhuǎn)相控陣天線進行相應(yīng)的調(diào)整以接收中星16 號下行信號。 接收信號傳輸?shù)絃NB 后,經(jīng)過放大和下變頻到中頻信號,調(diào)制解調(diào)器將中頻信號解調(diào)成有用的數(shù)字信號。

對于該天線發(fā)射鏈路,由天線伺服系統(tǒng)得到的衛(wèi)星信號信息,并調(diào)整發(fā)射旋轉(zhuǎn)相控陣天線,使得發(fā)射天線波束指向和極化旋向滿足衛(wèi)星通信需求。 調(diào)制解調(diào)器將有用的數(shù)字信號調(diào)制到中頻上,通過BUC 實現(xiàn)信號的上變頻和放大,成為Ka 頻段的發(fā)射信號,該信號通過發(fā)射旋轉(zhuǎn)相控陣天線向衛(wèi)星輻射傳輸。

2 基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的ka 頻段動中通系統(tǒng)在高鐵上的應(yīng)用服務(wù)

2.1 寬帶通信服務(wù)

我國幅員遼闊、地貌特征復(fù)雜,高鐵網(wǎng)遍布全國,要實現(xiàn)遍布全國的地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè),存在建設(shè)成本投入高、維護資源投入多以及獲取綜合效益較低等現(xiàn)實問題。然而,高鐵列車中人員較密集,且乘坐高鐵列車的商旅人士居多,若在乘坐期間不能獲得穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)接入保障,將使得乘客出行體驗變差,從而造成客源流失。 同時,隨著滿足智能鐵路全面感知、泛在互聯(lián)的需求的不斷提高,傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2017 年4 月12 日,我國首顆高通量通信衛(wèi)星——中星16 號衛(wèi)星的成功發(fā)射標(biāo)志著我國進入Ka 頻段高通量衛(wèi)星通信時代。 中星16 號的下載和回傳速率最高可達150 Mbps 和12 Mbps。

中星16 號衛(wèi)星有26 個用戶點波束,能夠覆蓋我國中部、中西部、東部、南部、拉薩地區(qū)及中國近海百千米以上的地區(qū)。

中星16 號衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)運營系統(tǒng)建有3 個信關(guān)站(包含基帶和射頻系統(tǒng))和1 個運營中心(包含數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)管和BOSS 系統(tǒng)),運營中心部署在北京,3 個信關(guān)站分別部署在懷來、成都、喀什[3]。 它們之間通過光纖鏈路實現(xiàn)互聯(lián)互通,運營中心與運營商的地面網(wǎng)互聯(lián)。 這3 個信關(guān)站和運營中心分別支持30 萬終端接入,并可擴展至百萬量級。

基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)如圖2所示。 該系統(tǒng)以其高系統(tǒng)容量和承載能力的優(yōu)勢,確保為加裝該系統(tǒng)的高鐵上的設(shè)備、乘客等提供移動寬帶接入及數(shù)據(jù)、圖像、視頻直播傳輸服務(wù),從而滿足更多的社會發(fā)展需求,具備非常積極的現(xiàn)實意義和發(fā)展意義。

圖2 基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)

2.2 國際市場互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

隨著中國“一帶一路”倡議的深入推進與高端裝備全面走向世界,中國高鐵作為海外交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“排頭兵”,已經(jīng)成為獨具特色的國家新名片,其“走出去”步伐持續(xù)加快[4]。 隨著高鐵項目國際合作的不斷深入,中國高鐵出口高端化、全球化、快速化趨勢日益明顯。 隨著國際上以Ka 為代表的高通量衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展,加裝寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)的高鐵列車將能為地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尚不完善的國家和地區(qū)的國際乘客提供更好的互聯(lián)網(wǎng)接入體驗。

2.3 運營及維護應(yīng)用業(yè)務(wù)

我國是自然災(zāi)害頻發(fā)的國家,鐵路沿線環(huán)境比較復(fù)雜,自然災(zāi)害極大威脅到高鐵的運輸安全。 隨著中國高鐵建設(shè)的不斷發(fā)展,運行車速的一再提升,這些因素的危害愈加明顯。 數(shù)據(jù)表明,我國高鐵平均每年因風(fēng)、雨、雪、異物造成運輸中斷高達100 余次[5]。 在遇到突發(fā)性、嚴(yán)重的自然災(zāi)害,其他所有通信手段都失效時,寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)能在車地間傳送、提供數(shù)據(jù)通信承載業(yè)務(wù)。 工作人員可通過寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)實時建立的衛(wèi)星通信鏈路,將突發(fā)事件現(xiàn)場情況第一時間傳送給指揮中心的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo),便于領(lǐng)導(dǎo)指揮決策,最終實現(xiàn)有效調(diào)度、協(xié)同指揮。

3 結(jié)語

基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)既能在人員、設(shè)備密集的高鐵車廂內(nèi)提供穩(wěn)定的寬帶接入服務(wù),也能在地面通信網(wǎng)絡(luò)未覆蓋或遭到不可抗力破壞短時間內(nèi)難以修復(fù)的應(yīng)急場景下實時傳輸通信數(shù)據(jù),助力列車運營及維護應(yīng)用業(yè)務(wù),保障應(yīng)急條件下的行車安全。 基于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的Ka 頻段動中通系統(tǒng)是我國智能高鐵發(fā)展的助推劑,也有效支撐了我國出口高鐵高端化的目標(biāo)。