機(jī)載Ku、Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述

艾文光，趙大勇，鄧 軍

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所，陜西西安 710065;2.空軍裝備研究院通信導(dǎo)航與指揮自動化研究所，北京 100085)

傳統(tǒng)的機(jī)載超短波或短波通信存在信息速率低、傳輸容量小、通信范圍覆蓋小，通信質(zhì)量不穩(wěn)定等弱點(diǎn);而機(jī)載衛(wèi)星通信具備通信容量大、機(jī)動靈活、覆蓋面積大等優(yōu)勢，因而受到國內(nèi)外業(yè)界的關(guān)注。由于衛(wèi)星資源和載機(jī)條件的限制，以往機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用并不廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，已解決了衛(wèi)星移動點(diǎn)波束、抗干擾、雙向IP寬帶等技術(shù)問題;同時，機(jī)載天線的自動跟蹤、小型化等技術(shù)也已成熟，因此機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)越來越受到軍事通信領(lǐng)域的關(guān)注，同時機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)也有著巨大的民用價值。

1 機(jī)載Ku頻段衛(wèi)星通信

美國空軍現(xiàn)役機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般分為戰(zhàn)術(shù)級和戰(zhàn)役級［1］，戰(zhàn)術(shù)級機(jī)載站工作于UHF頻段，一般用于戰(zhàn)略轟炸機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程通信指揮;戰(zhàn)役級機(jī)載站工作于Ka和Ku頻段，主要用于預(yù)警機(jī)和空中指揮所飛機(jī)的遠(yuǎn)程預(yù)警信息和指揮控制信息。

美國全球鷹無人飛機(jī)上裝備的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是機(jī)載Ku頻段衛(wèi)星通信典型的軍事應(yīng)用。全球鷹無人飛機(jī)上裝備了多種通信系統(tǒng)［2］，如表1所示。其中機(jī)械座架的衛(wèi)星通信天線為拋物面天線，發(fā)送速率最高可達(dá)50 Mbit·s－1，通過衛(wèi)星中繼，可以在全球范圍內(nèi)任何位置與總部交互數(shù)據(jù)［3］，衛(wèi)星通信天線的安裝位置如圖1所示。

表1 全球鷹無人飛機(jī)上的通信鏈路

民用應(yīng)用如ORBIT公司AL－1614機(jī)載通信系統(tǒng)［4］，在空客 A340－600飛機(jī)上進(jìn)行了測試，符合RTCA－160D適航要求，天線直徑為0.37 m，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，組成框圖及外觀如圖2所示。

續(xù)表1

圖1 “全球鷹”無人機(jī)衛(wèi)星通信天線安裝位置

表2 AL－1614機(jī)載通信系統(tǒng)性能指標(biāo)

圖2 AL－1614機(jī)載通信系統(tǒng)框圖及外觀

國內(nèi)機(jī)載Ku頻段衛(wèi)星通信在特殊領(lǐng)域上有所應(yīng)用，主要在2000年以后，目前在公開資料上介紹較少。

某測控機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻段為Ku頻段，傳輸速率為雙向64 kbit·s－1，可擴(kuò)展到512 kbit·s－1。改裝機(jī)型為運(yùn)輸機(jī)［5］。

無人機(jī)測控與信息傳輸衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈以Ku頻段為主用鏈路，UHF頻段為備用鏈路，信息速率為上行 6.4 kbit·s－1，下行(25.6/2048)kbit·s－1，類似美國全球鷹無人飛機(jī)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)［5］。

某型機(jī)載Ku頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，改裝機(jī)型為大型運(yùn)輸機(jī)，該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)與國外產(chǎn)品大體相當(dāng)。

2 Ka頻段衛(wèi)星通信

隨著衛(wèi)星制造技術(shù)和毫米波技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載衛(wèi)星通信向Ka頻段發(fā)展已成為可能，可用頻率擴(kuò)展，星上采用星間鏈路、抗干擾技術(shù)，采用擴(kuò)頻、跳頻技術(shù)，具有強(qiáng)的抗干擾能力。另外，Ka頻段衛(wèi)星波束可以形成移動的點(diǎn)波束，靈活機(jī)動;Ka頻段頻率抗電離層閃爍能力，電波在核爆炸后能較快恢復(fù)到正常狀態(tài)，因而在軍事通信領(lǐng)域受到高度重視［6］。

美國軍事星(Milstar)系統(tǒng)是最早使用Ka頻段的軍用衛(wèi)星系統(tǒng)，是美軍C4ISR的核心，可提供高碼率的語音、數(shù)據(jù)和圖像信息［7］。軍事星有50個Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，上行頻率為43.5～45.5 GHz;下行頻率20.2～21.2 GHz。軍事星衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為低數(shù)據(jù)率(LDR)和中數(shù)據(jù)率(MDR)，LDR可以提供0.5 Mbit·s－1的192個信道的數(shù)據(jù)通信，MDR可以提供1.544 Mbit·s－1的32個信道的數(shù)據(jù)通信。由于Ka頻段的頻率高、波束很窄，具備較強(qiáng)的抗截獲能力;同時，機(jī)載站天線尺寸小、終端小型化，更適宜在飛機(jī)上安裝。民用Ka頻段的應(yīng)用目前大多在試驗階段，如日本在基于該國的通信于廣播試驗衛(wèi)星(COMETS)上進(jìn)行Ka頻段航空衛(wèi)星通信的試驗系統(tǒng)［8］。該試驗系統(tǒng)在飛機(jī)的客艙后部安裝了一幅具有開環(huán)衛(wèi)星跟蹤能力的Ka頻段有源相控陣天線。系統(tǒng)的傳輸試驗表明:當(dāng)飛機(jī)以600 km/h的巡航速度飛行時，接收信號的功率峰峰值穩(wěn)定在1 dB內(nèi);在天線的波束指向方向，來自機(jī)翼的反射波比直射波的功率要低18.5 dB;為驗證鏈路設(shè)計的準(zhǔn)確性，在飛機(jī)飛越兩個衛(wèi)星天線波束時，測量COMETS的星載多波速天線的方向圖，表明星載天線的方向圖與衛(wèi)星發(fā)射前的地面測試結(jié)果一致。

對于Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線，大型飛機(jī)上安裝可以采用機(jī)械座架結(jié)構(gòu)的天線;對于作戰(zhàn)飛機(jī)或無人機(jī)而言，機(jī)載共形相控陣天線具有良好的空氣動力學(xué)特性。由于機(jī)載衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其天線波束必須覆蓋上半球面，單個相控陣天線很難滿足要求，必須通過多個共形天線陣組合實現(xiàn)，因而天線單元數(shù)很多，對波束控制極其復(fù)雜［9］，振子數(shù)量要求和天線的增益關(guān)系見圖3所示［10］。由于天線成本與單元數(shù)成正比，現(xiàn)在單個20 GHz單元的成本大約50～150美元，44 GHz單元的成本大約80～250美元［11］，因此相控陣天線總成本會很高。

圖3 振子數(shù)量和天線的增益關(guān)系(20 GHz)

3 發(fā)展展望

目前我國尚未規(guī)劃專門用于移動載體通信用的衛(wèi)星通信的頻段［12］，也沒有專用于移動衛(wèi)星通信的衛(wèi)星，因此目前移動衛(wèi)星通信利用于固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的現(xiàn)有衛(wèi)星是唯一選擇。由于Ku頻段或Ka頻段頻率相對頻率較高、相同速率情況下具有天線口徑小、信息速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，機(jī)載衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)宜使用Ku頻段或Ka頻段頻率。

由于相控陣天線總成本高，采用機(jī)械座架結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)。在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，高增益的機(jī)載天線波束寬度很窄，為能克服飛機(jī)載體擾動、偏航及橫滾，即使飛機(jī)在高速飛行、非常顛簸的條件下，天線也能始終準(zhǔn)確指向衛(wèi)星，需要高精度的伺服系統(tǒng)，這樣機(jī)載天線的伺服系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。伺服系統(tǒng)是機(jī)載天線確保通信信道暢通的重要環(huán)節(jié)，需要研制高跟蹤精度和高可靠性的伺服系統(tǒng)。

注意消除多普勒效應(yīng)的影響:由于飛機(jī)高速移動，特別在Ka頻段下，多普勒頻移在信道速率低的情況下，對信號的解調(diào)和恢復(fù)都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這需要設(shè)置合理的捕獲帶寬并對頻率變化快速跟隨，同時采用高增益糾錯方式，降低解調(diào)門限載噪比。對于消除多普勒頻移，常用的方法有兩種［13］:一種是導(dǎo)頻法，即由地面站發(fā)射已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由機(jī)載站自動頻率控制環(huán)進(jìn)行校正;另一種方式是利用機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備的數(shù)據(jù)，計算出飛機(jī)的速度，并由此對機(jī)載站的收發(fā)頻率進(jìn)行多普勒校正。

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計中，還需要考慮具體的工程問題:(1)采用低拋面天線并優(yōu)選衛(wèi)星通信天線在飛機(jī)上的安裝位置。合理的安裝位置可以減少飛機(jī)機(jī)體對天線的遮擋，優(yōu)化天線罩氣動外形可以提高飛機(jī)操穩(wěn)特性，并降低飛行油耗、提高續(xù)航時間。(2)電子設(shè)備小型化，并提高設(shè)備可靠性。采用符合GJB441標(biāo)準(zhǔn)的ATR機(jī)箱，可以有效利用空間，完成設(shè)備的小型化;標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)還可以降低維修維護(hù)成本;同時減少飛機(jī)設(shè)計師與設(shè)備設(shè)計師之間的協(xié)調(diào)工作，縮短研制周期。(3)重視電磁兼容設(shè)計，避開與其他機(jī)載設(shè)備的電磁干擾，保證系統(tǒng)電磁兼容，必要時采用任務(wù)規(guī)劃和頻譜管理措施。

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