便攜式衛(wèi)星通信地球站發(fā)展綜述

劉麗宏，劉豐凱

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所基礎(chǔ)能力部，北京 100028)

便攜式衛(wèi)星通信地球站發(fā)展綜述

劉麗宏1，劉豐凱2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所基礎(chǔ)能力部，北京 100028)

便攜式衛(wèi)星通信地球站是衛(wèi)星通信主要站型之一，不受地理環(huán)境和使用空間的影響，能夠快速開通投入使用，便攜站的研究對災(zāi)害救援、突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)等具有重要意義。簡單回顧了便攜站的誕生和發(fā)展，在對國外典型設(shè)備和國內(nèi)幾家公司代表產(chǎn)品簡單介紹的基礎(chǔ)上，指出了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的差距。明確了便攜式衛(wèi)星通信地球站設(shè)備更輕、速率更高、更廉價(jià)和更便于使用等發(fā)展趨勢，在分析衛(wèi)星通信便攜站使用需求基礎(chǔ)上，給出了國產(chǎn)便攜站下一步研究重點(diǎn)及建議思路，為后續(xù)的研究工作提供了參考。

衛(wèi)星通信；便攜地球站；背負(fù)式；箱式

Abstract The portable satellite communication earth station is one of the main satellite communication station types，not affected by geographical environment and application space.It can be rapidly set up and put into operation,having important significance for disaster assistance and emergency response.The paper briefly reviews the generation and development of the portable earth station,and indicates the differences between domestic and foreign similar products on the basis of the simple introduction of representative foreign equipment and representative products of several domestic companies,and identifies that the portable satellite communication earth station has the development trend of light device,high rate,cheap cost and easy operation.Based on the analysis of operation requirements of the portable satellite communication earth station,the next step of research focus and advisable idea for domestic requirement is proposed to provide the reference to the following research work.

Key words satellite communication；portable earth station；man-pack；box-type

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的站型按安裝方式分為：固定、車載、船載、機(jī)載和便攜[1]，由于便攜式衛(wèi)星通信地球站具有攜帶方便、安裝開通迅速、使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和重量輕等特點(diǎn)，以及明顯強(qiáng)于手持式衛(wèi)星通信終端的通信能力，便攜站在救災(zāi)[2]、探險(xiǎn)、勘探或突發(fā)事件等方面得到了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)便攜式衛(wèi)星通信地球站經(jīng)過多年發(fā)展具有了一定的基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)和使用角度來看，基礎(chǔ)和不足并存。如何在摸清基礎(chǔ)、找準(zhǔn)不足的情況下進(jìn)行便攜站創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題。摸清基礎(chǔ)方面，重點(diǎn)對現(xiàn)有國內(nèi)外便攜式衛(wèi)星通信地球站歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用需求進(jìn)行分析，包括對便攜站歷史及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析理解；找準(zhǔn)國產(chǎn)便攜站不足，重點(diǎn)是準(zhǔn)確地識別便攜站發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

1 便攜站應(yīng)用需求分析

便攜站使用場景包括：

① 救災(zāi)、減災(zāi)：在災(zāi)難突然降臨，地面常規(guī)通信手段基本損毀[3]，救援人員需攜帶通信設(shè)備趕往現(xiàn)場，及時(shí)把現(xiàn)場情況反饋到后方救援指揮部，并接收后方的指揮和情報(bào)信息；

② 探險(xiǎn)和勘探：小分隊(duì)使用地點(diǎn)不固定，需要時(shí)時(shí)與后方保持聯(lián)絡(luò)，獲取地質(zhì)、天氣等各種相關(guān)的情報(bào)信息并發(fā)送本地的信息；

③ 突發(fā)事件：需要臨時(shí)搭建衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行超視距通信。

便攜站適合于臨時(shí)性或安裝地點(diǎn)經(jīng)常變更，地面沒有常規(guī)通信手段使用環(huán)境，能夠快速、低成本提供數(shù)據(jù)和話音等多種業(yè)務(wù)傳輸。用戶的使用需求決定了便攜站設(shè)計(jì)，需求分析包括用戶傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)傳輸?shù)乃俾?、工作地點(diǎn)和攜帶方式等多方面。

攜帶方式：背負(fù)式或箱式。背負(fù)式設(shè)備單兵背負(fù)的重量要求控制在20 kg以內(nèi)[4]，箱式設(shè)備單箱的重量要求控制在40 kg以內(nèi)。

業(yè)務(wù)種類決定了便攜站的預(yù)留業(yè)務(wù)接口有幾種，每種有幾個(gè)，例如用戶使用IP業(yè)務(wù)，便攜站需留網(wǎng)口，便攜站應(yīng)具有相關(guān)模塊進(jìn)行IP業(yè)務(wù)的接入處理。

業(yè)務(wù)傳輸?shù)乃俾蕬?yīng)在站型的傳輸能力范圍內(nèi)，即天線、功放和終端組合形成的傳輸能力。

工作地點(diǎn)要在用戶使用衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。

2 便攜站發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷史

由于早期衛(wèi)星資源的限制，衛(wèi)星地球站天線口徑非常大，發(fā)射功率也要求很高，難以廣泛應(yīng)用。進(jìn)入80年代，隨著衛(wèi)星功率的提高，微處理器、集成電路技術(shù)、射頻器件技術(shù)以及編碼和調(diào)制等數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟，VSAT(Very Small Data Terminal)得以興起。衛(wèi)星通信的應(yīng)用開始面向小型用戶并得到了迅速的普及[5]。VSAT系統(tǒng)一般由1～2個(gè)大型中心站和幾十到上百個(gè)VSAT站組成[6]，中心站的天線口徑Ku頻段2.4 m以上、發(fā)射功率在80 W以上，用戶終端的天線口徑不超過1.5 m[7]、發(fā)射功率1～2 W左右。VSAT終端具有天線口徑小[8]、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊密、功耗小、成本低、安裝方便和環(huán)境條件無特殊要求的特點(diǎn)[9]。

VSAT技術(shù)自20世紀(jì)80年代興起，早期的系統(tǒng)主要支持低速數(shù)據(jù)、傳真和話音等業(yè)務(wù)，不支持互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，例如1988年中國廣播衛(wèi)星公司引進(jìn)VSI設(shè)備建立的VAST系統(tǒng)，該系統(tǒng)制式TDM/SCPC，系統(tǒng)沒有按需分配功能，傳輸聲碼話時(shí)延比較大。90年代中期，以美國Hughes公司為代表，推出了TES(Telephony Earth Station)系統(tǒng)和PES(Personal Earth Station)系統(tǒng)，制式為ADPCM/SCPC(DAMA)，系統(tǒng)支持按需分配，開始支持低速互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。2003年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI發(fā)布了交互信道標(biāo)準(zhǔn)，即DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)[10]，由于DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)的出臺，結(jié)束了各個(gè)VSAT廠商各自為陣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的局面，采用DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)的便攜站逐漸代替普通的VAST站。便攜站從數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主向以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為特征的多媒體綜合業(yè)務(wù)發(fā)展[11]，速率從低速發(fā)展到中高速，體制從SCPC(PAMA)發(fā)展到TDM/MF-TDMA[12]。隨著VSAT技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了最早的便攜式衛(wèi)星通信地球站，便攜式衛(wèi)星通信地球站近20年得到了迅速的發(fā)展，下面介紹國內(nèi)外的幾款便攜式衛(wèi)星通信設(shè)備。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 IPT手提箱式衛(wèi)星終端系統(tǒng)

SWE-DISH公司生產(chǎn)的該系統(tǒng)主要應(yīng)用于突發(fā)事件、遠(yuǎn)程新聞采訪/賽事轉(zhuǎn)播等場合。該系統(tǒng)工作在Ku頻段，集成了數(shù)據(jù)路由器、調(diào)制器、上變頻、高功放、GPS、電子羅盤、高頻頭和天線等組件，天線口徑0.90 m×0.66 m(等效0.8 m拋物面天線)，基于IP的傳輸方式，傳輸速率64 kbps ～2 Mbps，包裝箱尺寸為70 cm×47 cm×31 cm，重量為39 kg(配20 W功放)，采用自動(dòng)對星方式，開通時(shí)間小于5 min，供電采用AC220 V或DC24 V，功耗750 W，工作溫度范圍-20～ +40 ℃，如圖1所示。其特點(diǎn)是集成度高、操作簡單和工藝水平高。

圖1 IPT手提箱式衛(wèi)星終端系統(tǒng)

2.2.2 SkyWAN? IP FLYAWAY

ND SatCom公司生產(chǎn)的該款衛(wèi)星通信設(shè)備工作在Ku頻段，集成了調(diào)制器、上變頻、功放、高頻頭和天線等組件，等效天線口徑為1.0 m，基于IP的傳輸方式，最高傳輸速率2 Mbps，2只包裝箱，尺寸均為70 cm×65 cm×40 cm，重量為47 kg(配15 W功放，不含包裝箱)，采用手動(dòng)對星方式，對星時(shí)間小于5 min，供電采用AC110 V/240 V，功耗430 W(配15 W功放)，工作溫度范圍-30～+50 ℃。其特點(diǎn)是可根據(jù)需要靈活選配8～25 W功放。

2.2.3 MPT1000

該產(chǎn)品為ND SatCom公司生產(chǎn)另一款衛(wèi)星通信設(shè)備，工作在Ku頻段，集成了調(diào)制器、上變頻、功放、高頻頭和天線等組件，等效天線口徑為1.0 m，基于IP的傳輸方式，傳輸速率64 kbps～8.75 Mbps，2只包裝箱尺寸分別為80 cm×52 cm×31 cm和47 cm×42 cm×21 cm，重量為60 kg(配4 W功放)，采用手動(dòng)對星方式，開通時(shí)間小于15 min，供電采用DC24 V，功耗230 W(配4 W功放)，工作溫度范圍-31～+49 ℃，如圖2所示。其特點(diǎn)是具有較高的傳輸速率，MF-TDMA通信體制，具備組網(wǎng)能力。

圖2 MPT1000

2.2.4 哈里斯公司的1.3m Seeker 終端

哈里斯公司采用一種方法將一個(gè)1.3 m 的3 波段(X、Ku、Ka)終端裝到一個(gè)可航運(yùn)、可驗(yàn)箱體中。這種被稱為“Seeker”的終端帶有RF 電子和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器以及手動(dòng)天線，重量小于90 磅，可全部裝到一個(gè)67 英寸的可航運(yùn)流線型箱體中。該終端的設(shè)計(jì)簡單，整體簡潔大方，終端拆卸重裝也很容易。

2.2.5 Tampa Microwave X850MP 便攜式衛(wèi)星終端

Tampa Microwave公司的VSAT 終端在市場上無疑是最簡單、強(qiáng)大和便捷的，而且外形美觀。該公司發(fā)明了一種技術(shù)，可將“薄片”(slice)連到一起。“薄片”其實(shí)就是調(diào)制解調(diào)器或射頻包，意味著可以方便地更換任何射頻模塊(改變頻帶或射頻功率輸出)或任何調(diào)制解調(diào)器模塊(例如，將Radyne 的換成iDirect 的)。這種模塊化和簡單化確是微衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)。

2.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.3.1 ADK3000便攜式天線

北京愛科迪公司的ADK3000天線口徑為0.9 m×0.6 m，包裝箱尺寸為69 cm ×46 cm ×29 cm，重量為35 kg(配16 W功放)，對星時(shí)間小于5 min，供電采用AC220 V，總功耗小于500 W，如圖3所示。其特點(diǎn)是安裝簡單、收藏尺寸小[13]。不足之處是工藝水平有待提高。

圖3 AKD3000衛(wèi)星天線展開

2.3.2 TS-ARK&A1000

TS-ARK&A1000是北京華勝天成信息技術(shù)發(fā)展有限公司推出的一款便攜自動(dòng)對星的Ku和Ka頻段衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有自動(dòng)工作、Ku和Ka共用主面、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要針對目前國內(nèi)衛(wèi)星資源由Ku向Ka過度階段及對設(shè)備便攜性要求更為嚴(yán)格的用戶而設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)配備等效口徑為1.0 m高性能正饋碳纖維拋物面天線及環(huán)焦饋源系統(tǒng)，介質(zhì)饋源采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可配置40 W BUC，能滿足一般用戶中等容量的通信需求。

圖4 TS-ARK&A1000系統(tǒng)工作狀態(tài)

整個(gè)天線系統(tǒng)由1.0 m反射面系統(tǒng)、饋源系統(tǒng)和座架系統(tǒng)3部分組成[14]，拆裝簡單方便，無需任何工具。TS-ARK&A1000系統(tǒng)可工作在Ku頻段或Ka頻段，通過更換饋源及射頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)，兩頻段共用一套主反射面。Ku頻段工作在線極化方式，Ka頻段即可工作在圓極化也可工作在線極化方式，通過改變饋源安裝位置實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 Ku頻段FDMA衛(wèi)星便攜站

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所的Ku頻段FDMA衛(wèi)星便攜站主要用于車輛不能到達(dá)的偏遠(yuǎn)地域范圍內(nèi)的通信保障，也可為政府應(yīng)急通信部門、新聞媒體和特殊用戶提供輕巧可靠、靈活組網(wǎng)的中低速率衛(wèi)星通信保障。產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

① 體積小、重量輕，便于攜帶[15]，可放入背包或航空箱中；

② 功耗低，采用先進(jìn)的電源管理，滿足野外惡劣條件使用；

③ 作為遠(yuǎn)端站可與中心站及其他遠(yuǎn)端站間星狀或網(wǎng)狀組網(wǎng)；

④ 支持話音、數(shù)據(jù)和IP等綜合業(yè)務(wù)接入[16]；

⑤ 天線：0.9 m、1.2 m拋物面天線，自動(dòng)或手動(dòng)；

⑥ 信息速率： 業(yè)務(wù)信道128 ～ 2 048 kbps。

圖5 Ku頻段FDMA衛(wèi)星便攜站示意

2.4 國內(nèi)外便攜站特性對比分析

多個(gè)廠家生產(chǎn)的便攜站或便攜天線：天線口徑、對星方式和傳輸速率等主要指標(biāo)對比如表1所示。

表1 多種便攜站或便攜式天線特性分析表

國外便攜站的工作頻段以Ku頻段為主，對星方式有自動(dòng)和手動(dòng)2種，自動(dòng)對星功耗較大。功放從2～25 W，根據(jù)需要選配，終端可單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可和天線一體化設(shè)計(jì)。業(yè)務(wù)傳輸以IP數(shù)據(jù)為主。優(yōu)勢：集成度高、操作簡單、工藝水平高、傳輸速率高(最高速率可達(dá)2 Mbps以上)。

國內(nèi)與國外產(chǎn)品的差距主要表現(xiàn)在：集成度低、操作復(fù)雜、傳輸速率低、工藝水平不高。

3 便攜式衛(wèi)星通信地球站發(fā)展趨勢

消費(fèi)者要求便攜式衛(wèi)星通信設(shè)備更輕、速率更高、更廉價(jià)、更便于使用，因此國產(chǎn)便攜式衛(wèi)通設(shè)備的發(fā)展趨勢也應(yīng)朝著小型化、多頻段和模塊化等方向發(fā)展。

① 設(shè)備小型化：隨著元器件集成度越來越高、處理器能力越來越強(qiáng)，射頻和終端等設(shè)備體積和重量將越來越?。?/p>

② 一體化設(shè)計(jì)：天線、射頻、終端一體化設(shè)計(jì)，小型終端可安裝在天線的底座，小功率射頻模塊可集成安裝在天線上；

③ 多頻段：隨著衛(wèi)星通信應(yīng)用的越來越廣泛，原有的頻率資源越來越緊張，向更高的頻段發(fā)展就成為趨勢，便攜站具有多頻段能力才能更好適應(yīng)用戶需求，比如哈里斯公司的1.3 m Seeker 終端具有X、Ku、Ka三頻段通信能力。

④ 模塊化：隨著集成度的提高，設(shè)備可做成模塊，比如各種功率/頻率的射頻模塊、各種速率/體制的調(diào)制解調(diào)器等，Tampa Microwave X850MP 便攜式衛(wèi)星終端應(yīng)用了這一技術(shù)，可以方便地進(jìn)行靈活組合，提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性。

⑤ 拆裝方便：便攜站的安裝越來越簡化，由于設(shè)備集成度提高，拆卸復(fù)雜的部分已可以集成在一起整體安裝，例如天線的饋源網(wǎng)絡(luò)和射頻部分可作為一個(gè)整體裝配，節(jié)省時(shí)間，降低安裝難度。

⑥ 操作簡單[17]：由于空間技術(shù)、器件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等取得了巨大的進(jìn)步，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用越來越復(fù)雜，系統(tǒng)能力越來越強(qiáng)，便攜站只需配置幾個(gè)簡單參數(shù)，加入衛(wèi)星通信網(wǎng)，其他的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可通過主站下發(fā)由系統(tǒng)配置復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以系統(tǒng)復(fù)雜化換來了應(yīng)用的簡單化。

⑦ 業(yè)務(wù)接入采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶需求終端配置業(yè)務(wù)接入模塊減小終端體積。便攜站的業(yè)務(wù)以IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主[18]，兼顧話音和視頻業(yè)務(wù)[19]。

便攜站設(shè)備朝著模塊化、小型化發(fā)展，使得整站攜帶方便、安裝開通迅速，便攜站使用頻段的擴(kuò)展，增加用戶可選的衛(wèi)星資源范圍，人們使用衛(wèi)星通信越來越方便。隨著社會進(jìn)步人們通信需求越來越強(qiáng)烈，在突發(fā)性、臨時(shí)性這種細(xì)分的通信市場，便攜站具有速率高、成本低、傳輸業(yè)務(wù)種類多的優(yōu)勢。因此具有廣闊的發(fā)展前景[20-21]。

4 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)步，便攜站功能越來越強(qiáng)，由于其適用范圍廣、安裝使用方便成為衛(wèi)星通信發(fā)展應(yīng)用方向之一[22]。與國外相比，我國的便攜式衛(wèi)星通信設(shè)備，無論從設(shè)計(jì)理念還是從技術(shù)工藝上都還存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備集成度低、操作使用繁瑣、傳輸速率不高和工藝水平差等方面，找出差距，吸收國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，在硬件方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)突破，提高設(shè)備集成度，優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)簡化操作使用，提高傳輸速率，采用先進(jìn)工藝提高工藝水平，使得國產(chǎn)便攜站符合國際發(fā)展趨勢是提高我國便攜式衛(wèi)星通信設(shè)備水平的有效途徑。

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Review on Development of Portable Satellite Communication Earth Station

LIU Li-hong1，LIU Feng-kai2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China； 2.AVICChinaAero-polytechnologyEstablishment,Beijing100028,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.15

劉麗宏，劉豐凱.便攜式衛(wèi)星通信地球站發(fā)展綜述[J].無線電工程,2017,47(8):62-66.[LIU Lihong，LIU Fengkai.Review on Development of Portable Satellite Communication Earth Station[J].Radio Engineering,2017,47(8):62-66.]

2017-04-01

科學(xué)技術(shù)部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2016YFB0800301)。

TP927

A

1003-3106(2017)08-0062-05

劉麗宏 女，(1967—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信總體技術(shù)。