摘要：地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信受地形和環(huán)境限制，無法全面應(yīng)用于航空、航海領(lǐng)域，我國已經(jīng)建設(shè)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和天通衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，且已得到廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮兩個(gè)系統(tǒng)優(yōu)勢，采用自主研發(fā)的北斗和天通芯片，突破了融合終端的軟硬件設(shè)計(jì)、協(xié)議設(shè)計(jì)、射頻通道處理等技術(shù)，采用硬件可重構(gòu)、軟件可編程方式結(jié)合聯(lián)動(dòng)切換運(yùn)行策略等設(shè)計(jì)了一款北斗和天通雙模終端。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通導(dǎo)一體化、多業(yè)務(wù)融合等功能，并具備動(dòng)中通能力，可應(yīng)用于機(jī)載、船載設(shè)備等。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；自主可控；多模融合；動(dòng)中通

一、前言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，為用戶提供報(bào)文通信、位置報(bào)告和定時(shí)授時(shí)功能[1-2]。北斗三號(hào)衛(wèi)星集成多種載荷，兼容實(shí)現(xiàn)天基增強(qiáng)、可動(dòng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)、短報(bào)文通信與位置報(bào)告等功能[3]；其雙向數(shù)字報(bào)文通信和精密授時(shí)，特別適用于需要導(dǎo)航與移動(dòng)數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶[4-5]。

天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由中國電信運(yùn)營的我國第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)了3顆地球同步（GEO）通信衛(wèi)星，2016年發(fā)射的第一顆衛(wèi)星具有109個(gè)陸地波束和2個(gè)海域波束，覆蓋我國領(lǐng)土和領(lǐng)海及外延200km。2020年發(fā)射第二、三顆衛(wèi)星，完善可通信網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展覆蓋范圍，可覆蓋二島鏈以內(nèi)的所有區(qū)域，為國家的“一帶一路”戰(zhàn)略部署提供有力支撐?！疤焱ㄒ惶?hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設(shè)施，可以為個(gè)人終端、車載終端、機(jī)船載終端等提供1.2k、2.4k、4.0k的話音，短消息，分組域數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，系統(tǒng)可以與地面移動(dòng)電話網(wǎng)、公共交換電話網(wǎng)交互，在應(yīng)急、政府、行業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域作為應(yīng)急通信“第一反應(yīng)器”發(fā)揮著重要的通信保障作用[6-7]。

在此多系統(tǒng)多星的情況下，研制支持北斗短報(bào)文和衛(wèi)星移動(dòng)的多模終端，既有一定的系統(tǒng)支撐，也是形勢使然，可在無地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的空域、海域環(huán)境中拓展通信手段，通過衛(wèi)星鏈路為用戶提供實(shí)時(shí)、高速、安全的信息傳輸手段，從而提高通信保障能力和應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信能力，滿足行業(yè)管理、空中救援、災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測等方面的通信需求。

二、多模終端設(shè)計(jì)

多模終端針對(duì)應(yīng)用需求及衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用天通衛(wèi)星基帶芯片、天通射頻芯片以及北斗RDSS芯片組，突破了多模式融合終端的軟硬件設(shè)計(jì)、協(xié)議處理設(shè)計(jì)、射頻通道處理等技術(shù)，其具有通用性、靈活性和可重構(gòu)性等優(yōu)點(diǎn)；采用硬件可重構(gòu)、軟件可編程方式結(jié)合聯(lián)動(dòng)切換運(yùn)行策略進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，兼具靈活性、開發(fā)性、可重構(gòu)性等特點(diǎn)，并能支持后續(xù)演進(jìn)。天線由北斗天線和天通天線組成的動(dòng)中通天線組成，主機(jī)由天通、北斗雙模主機(jī)構(gòu)成，通過千兆以太網(wǎng)及二線話接口與業(yè)務(wù)設(shè)備連接，如圖1所示。

其中，天線中北斗天線負(fù)責(zé)短報(bào)文無線信號(hào)的接收和發(fā)射；天通天線負(fù)責(zé)話音、數(shù)據(jù)等無線信號(hào)的收發(fā)。雙模終端主機(jī)完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)、編譯碼處理，以及協(xié)議交互；二線話接口采用標(biāo)準(zhǔn)RJ11接口，可與通用固定電話連接；用戶數(shù)據(jù)、管理類指令接口采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口；供電接口采用航插器件，以滿足振動(dòng)需求，采用24V直流供電。

（一）終端主機(jī)設(shè)計(jì)

1.主機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

多模終端體系架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循低成本、高可靠性、操作便利、擴(kuò)展性強(qiáng)等思路，采用集中處理，分級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，包括硬件層、適配層、服務(wù)及應(yīng)用層，見圖2。

其中，硬件層主要指設(shè)備本身及周圍的硬件電路及接口，主要包括北斗模塊、天通模塊、以太網(wǎng)模塊、二線話語音模塊、調(diào)試接口模塊等，完成終端與衛(wèi)星鏈路及其他外部設(shè)備交互。

硬件適配層主要完成終端底層硬件與上層軟件之間的匹配，以及對(duì)外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，主要包括板級(jí)支持包和各硬件的驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)服務(wù)層啟動(dòng)承上啟下的作用，主要包括操作系統(tǒng)、軟件適配層以及處理北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)的協(xié)議，完成天通衛(wèi)星入退網(wǎng)、話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的協(xié)議，為上層提供業(yè)務(wù)支撐。

應(yīng)用業(yè)務(wù)層是一系列功能模塊的組合，負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度各模塊及協(xié)議層的各功能；系統(tǒng)服務(wù)層提供軟件運(yùn)行所需的一切環(huán)境；硬件適配層通過硬件驅(qū)動(dòng)程序在硬件電路和軟件之間搭建橋梁，共同實(shí)現(xiàn)終端的完整功能。

2.設(shè)備主要組成

設(shè)備主要通過天通衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星的無線鏈路實(shí)現(xiàn)到信關(guān)站的注冊(cè)，以及完成各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括位置、短信、話音、數(shù)據(jù)等，其主要組成如圖3所示。

此外，考慮到其不同的應(yīng)用場景，還需要進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到防水防塵等。本終端在追求造型設(shè)計(jì)美觀的同時(shí)，深入考慮整機(jī)散熱、殼體密封、結(jié)構(gòu)加固和隔振設(shè)計(jì)的措施，例如面板布局和指示燈設(shè)計(jì)，板卡固定和導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，以及殼體散熱造型等設(shè)計(jì)。

3.終端硬件設(shè)計(jì)

雙模終端硬件包括通信部分、應(yīng)用部分和外圍接口部分。通信部分包括天通通信單元和北斗通信單元，每個(gè)通信單元包括射頻前端、射頻處理部分、基帶處理部分等；應(yīng)用部分包括業(yè)務(wù)層、操作系統(tǒng)層、適配層、管理軟件、應(yīng)用軟件、用戶界面等；外圍接口部分主要包括電源管理、傳感器接口、二線電話接口、以太網(wǎng)接口等，以及與天線交互的射頻接口等。終端主機(jī)硬件組成框圖如圖4所示。

（1）衛(wèi)星通信單元

衛(wèi)星通信單元主要包括基帶處理單元、電源管理單元、存儲(chǔ)控制單元、模塊接口單元、射頻處理單元以及對(duì)應(yīng)的射頻前端構(gòu)成。

①基帶處理單元

天通基帶處理單元由基帶處理芯片和周圍相應(yīng)的配套電路組成，基帶處理芯片采用國內(nèi)自主研發(fā)的專用基帶處理芯片MSC01A，周圍電路主要包括供電電路、存儲(chǔ)管理電路及芯片、外部接口等。

ARM處理器完成操作系統(tǒng)、協(xié)議適配及衛(wèi)星移動(dòng)通信高層協(xié)議棧，包括媒體訪問控制層、無線鏈路層、無線資源管理層、移動(dòng)性管理及會(huì)話管理等；DSP處理器主要完成衛(wèi)星移動(dòng)通信物理層，包括同步跟蹤、調(diào)制解調(diào)、編譯碼等，以及完成與射頻芯片交互。

②射頻處理單元

射頻處理單元主要包括射頻收發(fā)芯片、濾波器、射頻前端，包括功放、低噪放、射頻開關(guān)等組成。

射頻單元通過數(shù)字低中頻、模數(shù)混合工藝的低功耗架構(gòu)體系，消除了閃爍噪聲和鏡像頻率的干擾，在保證低功耗、高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍等性能的前提下，采用了高集成度和高密度設(shè)計(jì)，在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)了天通衛(wèi)星移動(dòng)通信射頻集成。

③用戶處理單元

用戶處理單元是操作系統(tǒng)軟件、通信協(xié)議軟件、業(yè)務(wù)適配軟件和軟件集成框架等運(yùn)行平臺(tái)，主要完成用戶業(yè)務(wù)呈現(xiàn)和人機(jī)界面的交互工作，用戶通過上層軟件界面可以操作使用終端的全部功能。

應(yīng)用處理器芯片基于軟件無線電架構(gòu)，采用國產(chǎn)LC1880平臺(tái)，集成4+1個(gè)Cortex-A7 CPU核心，主要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧、平臺(tái)應(yīng)用軟件的運(yùn)行和通道控制的相關(guān)功能，以及與通信處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、USIM卡的信息讀取和管理，通過相關(guān)功能的運(yùn)行處理實(shí)現(xiàn)多模數(shù)據(jù)通信。

4.終端軟件設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)平臺(tái)軟件

終端軟件采用分層式體系架構(gòu)，各層軟件基于模塊化實(shí)現(xiàn)，這種架構(gòu)將界面、應(yīng)用業(yè)務(wù)處理、操作系統(tǒng)和底層通信進(jìn)行分離，保證了系統(tǒng)中各軟件之間的獨(dú)立性，也使得系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，同時(shí)使得界面軟件設(shè)計(jì)開發(fā)人員無需考慮底層協(xié)議細(xì)節(jié)，只需要關(guān)心界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，注重用戶體驗(yàn)?；A(chǔ)平臺(tái)軟件包括系統(tǒng)服務(wù)層和硬件適配層，在該層面開發(fā)操作系統(tǒng)軟硬件資源的管理及底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，完成自主操作系統(tǒng)與底層通信的適配問題，實(shí)現(xiàn)終端的多模式管控。

（2）應(yīng)用業(yè)務(wù)軟件

應(yīng)用業(yè)務(wù)軟件采用分層化、模塊化軟件架構(gòu)，基于軟件集成框架與終端應(yīng)用插件，采用即時(shí)通信技術(shù)和多媒體通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。應(yīng)用業(yè)務(wù)軟件主要包括系統(tǒng)支撐層、協(xié)議層、業(yè)務(wù)層和人機(jī)層等軟件模塊組成，如圖5。

其中，系統(tǒng)支撐層是一個(gè)面向應(yīng)用服務(wù)的、構(gòu)建于硬件之上完整平臺(tái)體系。采用層次化的操作系統(tǒng)架構(gòu)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)核、整合中間件。協(xié)議組件和媒體處理承上啟下為上層提供服務(wù)。通信與業(yè)務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)初始化和釋放各個(gè)業(yè)務(wù)組件，管理終端系統(tǒng)的所有會(huì)話和窗口，實(shí)現(xiàn)通信模式的管理、調(diào)度和切換。人機(jī)交互界面用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、完善用戶體驗(yàn)，包括主界面、登錄界面、配置管理界面、個(gè)人信息更新界面、即時(shí)通信界面和語音電話界面。

（二）天線設(shè)計(jì)

天線包括北斗部分和天通衛(wèi)星部分，其中天通衛(wèi)星屬于同步軌道衛(wèi)星，終端運(yùn)動(dòng)中為保持跟蹤衛(wèi)星，需要設(shè)計(jì)慣導(dǎo)單元和伺服單元，使天線面時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。天線與終端主機(jī)通過一根同軸線纜進(jìn)行對(duì)接，該同軸線纜傳輸天線直流供電，以及S頻段收發(fā)信號(hào)與北斗短消息收發(fā)合路信號(hào)。天線主要由天線面、收發(fā)通道、跟蹤通道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伺服主控、慣導(dǎo)組件、分合路單元、北斗收發(fā)信機(jī)、導(dǎo)航定位接收機(jī)等構(gòu)成，如圖6所示。

動(dòng)中通天線除天線本身外伺服系統(tǒng)也是其重要組成部分，本設(shè)計(jì)采用ARM最小系統(tǒng)，有效降低功耗。天線伺服主控根據(jù)慣導(dǎo)和衛(wèi)星信號(hào)的反饋，以及跟蹤通道的信號(hào)，判斷當(dāng)前天線面姿態(tài)是否滿足跟蹤衛(wèi)星要求，否則驅(qū)動(dòng)三個(gè)方向電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其原理如圖7。

三、結(jié)語

終端可在無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的空間環(huán)境中拓展通信手段，為用戶提供“天通一號(hào)”衛(wèi)星移動(dòng)和“北斗”短報(bào)文雙備份的通信手段，滿足我國航空、海洋等領(lǐng)域安全可靠的話音、短信、數(shù)據(jù)、視頻等通信需求，提升我國航空、航海領(lǐng)域的安全性。

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作者單位：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司

責(zé)任編輯：周航