機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計

+ 高文生中國電子科技集團公司第54研究所

機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計

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簡述機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成和工作原理，提出機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計原則和思路，并給出鏈路計算方法和鏈路性能分析。

機載 低剖面天線 電子波束掃描 衛(wèi)星G/T值

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

1.概述

隨著衛(wèi)星通信技術的成熟和發(fā)展，其應用領域越來越廣。近年來，以飛機為載體的機載移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，得到了國內外軍民各方高度重視和廣泛應用。

2 機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)由機載衛(wèi)通站（又稱機載用戶終端）和地面衛(wèi)通站組成。圖1是系統(tǒng)組成框圖。

圖2是一個Ku/Ka雙頻段機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作示意圖。

2.2 工作原理

數(shù)據(jù)鏈前返向信息流程如下：

地面指揮中心（或機動指揮車）將模擬話經(jīng)語音編碼處理后，與前向數(shù)據(jù)（地面送往飛機的數(shù)據(jù)）復接成復合數(shù)據(jù)流，通過光纜送地面衛(wèi)通站進行加擾、編碼、調制、變頻、放大，由天線發(fā)向衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)，發(fā)向機載用戶終端；機載用戶終端天線接收到信號后，經(jīng)過放大、變頻，送信息處理單元進行解調、譯碼、去擾等處理，恢復出復合數(shù)據(jù)流，送業(yè)務接入單元分接，前向數(shù)據(jù)送機載指控臺，話音數(shù)據(jù)經(jīng)語音解碼處理后變?yōu)槟M話音接機上通話器。

返向（飛機到地面）鏈路將包括話音和下傳數(shù)據(jù)信息的復合數(shù)據(jù)流送信息處理單元進行信道編碼、加擾、調制等處理,經(jīng)上變頻器變?yōu)樯漕l載波，由固態(tài)功率放大器放大后，送天線發(fā)向衛(wèi)星。衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)后，地面衛(wèi)通站將接收到的信號放大、變頻、解調，恢復出基帶復合數(shù)據(jù)，通過地面光纜送到地面指揮中心（或機動指揮車）的用戶終端，對返向數(shù)據(jù)和語音信號進行分接，數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)處理終端，語音信息進行解碼處理后接話機。

表1 我國機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源

3 機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計

3.1 設計原則

1）機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計應遵照“簡單、實用、可靠、易操作”的原則；

2）盡可能采用先進、成熟的技術，選用定型或經(jīng)工程實際應用考驗過的裝機產(chǎn)品；

3）要具有全系統(tǒng)自檢測功能，故障檢測到現(xiàn)場可更換單元；

4）機載設備研制要實現(xiàn)“模塊化、小型化、標準化、通用化”；

5）要高度重視機載環(huán)境條件的適應性和電磁兼容性設計。

3.2 衛(wèi)星資源及工作頻段選擇

除國際民航飛機外，目前我國大部分飛機的飛行區(qū)域均在我國大陸及近海，因此，我國機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源應以國內波束衛(wèi)星為主。

表1給出了我國機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源、工作頻段及衛(wèi)星天線覆蓋范圍。

衛(wèi)星資源選擇建議如下：

1）國際國內航空公司所使用的干線和支線飛機，大部分都安裝了海事衛(wèi)星機載站。通過國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)和地面網(wǎng)，實現(xiàn)機載用戶與全球各用戶的話音和數(shù)據(jù)通信；

2）國際商用通信衛(wèi)星針對中國的區(qū)域波束很少且衛(wèi)星參數(shù)差，再加上保密等要求，不易被國內機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用；

3）目前，我國無論是有人駕駛飛機還是無人駕駛飛機，凡是加裝了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的，均使用國內波束衛(wèi)星，而且以Ku頻段全國波束為主。如果載機遠離本土作業(yè)，可使用可移動點波束交鏈轉發(fā)器；

4）如果傳輸高速數(shù)據(jù)，可采用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星Ka頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達300Mbps。

3.3 通信體制選擇

機載用戶終端站的通信體制必須與地面衛(wèi)星終端站的體制保持一致。

使用國內通信衛(wèi)星時，可根據(jù)使用條件、占用衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬和功率利用率、抗干擾要求等均衡考慮。

小型有人駕駛飛機速度快、姿態(tài)變化大，產(chǎn)生的多普勒頻移和多普勒頻移變化率大；體積、重量和功耗受限，機載站有效全向輻射功率EIRPe和接收站品質因數(shù)（G/T）e值低，數(shù)據(jù)傳輸速率低（通常為6.4～64kbps）。易采用抗多普勒頻移和多普勒頻移變化率及抗干擾能力強的bPSK+短碼擴頻方式；調制方式多采用bPSK，糾錯方式為（2.1.7）卷積編碼，維特比譯碼；多址方式可采用TDM/TDMA或FDMA；組網(wǎng)方式為點對多點的星狀網(wǎng)。

對于運輸、預警、海監(jiān)等大型飛機，傳輸業(yè)務多為話音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合業(yè)務，傳輸速率通常為64kbps～2Mbps。調制方式多采用QPSK，糾錯方式為卷積+RS級聯(lián)編碼或LDPC碼；多址方式可采用FDMA或MF-TDMA；組網(wǎng)方式為點對多點的星狀網(wǎng)或點對點的網(wǎng)狀網(wǎng)。

中遠程無人機，前向信息速率較低，采用bPSK+短碼擴頻方式，糾錯方式為（2.1.7）卷積編碼，維特比譯碼；返向信息速率高，建議優(yōu)選QPSK+LDPC編碼方式，或采用QPSK調制+（2.1.7）卷積編碼為內碼、RS碼為外碼的級聯(lián)糾錯+交織方式；多址方式選?。喝绻卸嗉茱w機同時在同一個衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)內工作，前向采用碼分多址（CDMA）方式，返向采用頻分多址（FDMA）方式。

3.4 機載天線形式及跟蹤方式選擇

1）天線形式選擇

機載天線有兩種安裝方式，一是安裝在機艙內（如大中型無人機）；二是安裝在機艙外的機背上方（有人駕駛飛機）。

無人機艙內面積小，但空間高度相對寬松，通常采用技術成熟、效率高、性能好，但剖面較高的拋物面環(huán)焦天線。

有人駕駛飛機加裝衛(wèi)通天線時，為減少機體對機載天線的遮擋，機載天線應安裝在機體背部靠前部位，而且要加裝天線整流罩。為減小天線加裝對飛機飛行性能的影響，降低飛機改裝的成本和技術難度，機載天線應采用低剖面天線。

目前可供選擇的機載低剖面天線方案有：切割拋物面天線、拋物柱面天線、一維相控陣天線、二維相控陣天線、低剖面平板陣列天線等。

二維相控陣天線的方位角和俯仰角是通過電子掃描來改變其波束相位，從而使天線波束指向衛(wèi)星，天線的方位和俯仰沒有機械轉動。天線高度可以做得較低，并可與機體共形設計，不受機體外形的影響，對飛機改裝和飛機飛行性能的影響小。但其外形尺寸和重量大；插入損耗大，并存在最大3db掃描損失；極化面的調整難度極大，相控器件沒有形成商用產(chǎn)品，技術不成熟；研制成本高。

其他幾種天線形式的選擇，應根據(jù)應用環(huán)境、鏈路性能要求、體積重量等多種因素綜合考慮。

表2是幾種天線優(yōu)缺點的比較。

目前，國內外中遠程無人機大都采用拋物面環(huán)焦天線，有人駕駛飛機較多采用的是平板陣列天線和一維平板相控陣天線。

2）天線跟蹤方式的選擇

在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于載機處于運動狀態(tài)，其姿態(tài)始終在變化。因此，機載天線必須能夠快速捕獲衛(wèi)星，并始終跟蹤對準衛(wèi)星，這是系統(tǒng)正常工作的關鍵。

機載衛(wèi)通天線通常采用程序引導（由機載慣導平臺提供飛機姿態(tài)信息INS和定位信息GPS）來捕獲衛(wèi)星，再由信標跟蹤接收機實現(xiàn)對衛(wèi)星的精確跟蹤。

為隔離姿態(tài)的變化，機載天線還裝有陀螺穩(wěn)定裝置，其隔離度可達30db以上。

常用的跟蹤接收機有程序跟蹤、步進跟蹤（也稱極值跟蹤）、機械圓錐掃描、電子波束掃描和單脈沖跟蹤等幾種機載天線跟蹤方式。

機載天線的跟蹤方式如表3所示。

表1 我國機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用的衛(wèi)星資源

表3 跟蹤方式優(yōu)缺點

3.5 可靠性設計

為提高系統(tǒng)可靠性，通常采用設備熱備份方式。但對于機載設備而言，特別是小型戰(zhàn)斗機和無人偵察機，受體積、重量和功耗的限制，不易采用設備熱備份。

提高機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠性的途徑有：

1）在滿足系統(tǒng)功能和達到系統(tǒng)技術指標要求前提下，優(yōu)化系統(tǒng)設計，簡化不必要的功能，以減少設備數(shù)量；

2）采用數(shù)字化、軟件化設計，盡量減少和簡化硬件設備；

3）采用成熟的，有繼承性的先進技術，提高設備的可靠性；

4）嚴格按照“國標”或“行標”要求進行設備及元器件老煉試驗、應力篩選試驗、設備環(huán)境適應性試驗、系統(tǒng)綜合可靠性試驗等；

5）結構設計上應考慮熱設計、安全設計、防震設計、維修性設計等。例如，當設備工作在高空環(huán)境（如臨近空間），由于空氣稀薄，靠熱傳導方式無法達到功放等發(fā)熱設備的散熱效果，此時，熱設計就成為重點解決的關鍵技術；

6）備件均為現(xiàn)場可更換單元，設備可達性好，便于維修。

3.6 電磁兼容性（EMC）設計

機載設備由多個系統(tǒng)組成，為保證載機的飛行安全和全系統(tǒng)兼容工作，即使在復雜的電磁環(huán)境中各個設備也應能正常工作，所有系統(tǒng)和各個設備之間應互不干擾。為此，必須按照相關標準進行系統(tǒng)電磁兼容性設計和設備研制，并按相關標準要求對各分系統(tǒng)設備乃至全系統(tǒng)進行嚴格的電磁兼容性測試。

系統(tǒng)EMC設計主要采取如下措施：

1） 頻率的選取和配置，尤其是各分系統(tǒng)使用的射頻頻率必須互不重疊（包括2次、3次、5次諧波）；

2）機載設備采用電磁兼容性好的ATR機箱；

3）良好的屏蔽、濾波和接地措施；

4 鏈路計算和系統(tǒng)性能分析

4.1 鏈路計算目的

衛(wèi)星通信鏈路傳輸質量的主要指標是系統(tǒng)輸出端信號的誤比特率（也稱誤碼率），誤比特率決定于接收系統(tǒng)的載噪比。進行衛(wèi)星通信鏈路設計和分析，就必須進行系統(tǒng)載噪比計算。這涉及到發(fā)射站的有效全向輻射功率EIRP值和接收站的G/T值，以及傳輸過程中的各種損耗和引入的各種噪聲及干擾。

通過系統(tǒng)鏈路計算，在滿足系統(tǒng)傳輸性能指標前提下，確定衛(wèi)通站設備應具有的技術指標和參數(shù)，如功放輸出功率，衛(wèi)星功率和帶寬占用率等。

4.2 機載衛(wèi)星通信鏈路計算應考慮的因素

1）首先根據(jù)載機條件選擇天線形式和尺寸，確定天線收、發(fā)增益（要盡可能高）；

2）配置合適的地面衛(wèi)通站〔通常接收站（G/T）值≥30db〕；

3）選擇最佳的調制解調方式和糾錯編碼方式，降低解調門限Eb/N0；

4）當采用Ku或Ka頻段時，必須考慮降雨影響。由于飛機通常在云層以上飛行，故可不考慮機載站到衛(wèi)星之間的降雨影響；

5）按飛機實際作業(yè)區(qū)的衛(wèi)星EIRPs和(G/T)s等值線覆蓋圖選取衛(wèi)星參數(shù)；

6）必須預留系統(tǒng)設計余量M=3～5db。

4.3 鏈路計算所用公式

(C/T)?1=(C/T)?1+(C/T)?1+(C/T)?1(真值相加)

t u d i

5） 門限載噪比(C/T)th

(C/T)th=Eb/No+R+K+M (dbW/K)

Eb/No—— 每碼元功率與噪聲功率密度比 (db)

R —— 信息速率

K —— 玻爾茲曼常數(shù) K=-228.6 (db)

M —— 系統(tǒng)的備余量 （通常取M=3～5 db）

6）信道容量n

n=(C/T)t-(C/T)th(db)

7） 每信道所需衛(wèi)星EIRPs

EIRPs/ch=EIRPs－n (dbW)

8） 每信道所需發(fā)站功率

EIRPe/ch=(C/T)u+Lu-(G/T)s－n (dbW)

Pe= EIRPe/ch－GTA+L (W)

GTA —— 地球站天線發(fā)射增益 (db)

L —— 地球站發(fā)射支路饋線損耗 (db)

1) 上行載噪比(C/T)u

(C/T)u=Ws－bOi+(G/T)s+10lg (dbW/K)

(G/T)s —— 衛(wèi)星的品質因數(shù) (db/K)

Ws —— 衛(wèi)星飽和通量密度 (dbW/m2)

bOi —— 衛(wèi)星的輸入補償 (db)

2)下行載噪比(C/T)d

(C/T)d=EIRPs—bOo－Ld+(G/T)e (dbW/K)

EIRPs —— 衛(wèi)星有效輻射功率 (dbW)

bOo —— 衛(wèi)星的輸出補償 (db) Ld —— 下行鏈路總損耗 (db)

(G/T)e —— 接收地球站的品質因數(shù) (db/K)

3）交調載噪比(C/T)i

(C/T)i=-150+2bOo+0.6 (dbW/K)

4）總載噪比(C/T)t

4.4 系統(tǒng)傳輸能力分析

假設機載站安裝0.6m口徑天線，配置50W功放，采用LDPC編碼，地面站天線≥4.5m，在我國本土及全海域內只要（G/T）S≥－3db/K，可實現(xiàn)2Mbps下行信息傳輸，在作業(yè)區(qū)衛(wèi)星G/T值每增加3db，其傳輸速率就提高1倍。

受飛機機體特別是尾翼遮擋，機載天線最低工作仰角為15o左右；受氣流影響，飛機的仰角變化為±10o；為使天線不受遮擋，機載站作業(yè)區(qū)域的工作仰角應≥25o。

不同的天線形式和不同的安裝位置，天線最低工作仰角不一樣。在選擇機載站作業(yè)區(qū)域時，除考慮衛(wèi)星波束覆蓋能力外，還必須考慮天線不受遮擋時的最低仰角及作業(yè)區(qū)域的天線工作仰角。

1 聶楓，UHF機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計 ，電訊技術， 1998（05）

2 李擬，機載衛(wèi)星通信地球站總體設計與實現(xiàn)，南京郵電大學， 2013

3 張振莊，機載衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定平臺的實現(xiàn)，無線電工程， 1998（02）

4 艾文光 趙大勇 鄧軍， 機載Ku、Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述，電子科技， 2011（11）