便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

封彬

【摘要】便攜式衛(wèi)星通信地球站是一種復(fù)雜的機電一體化的產(chǎn)品，它集中體現(xiàn)了衛(wèi)星通信的各類優(yōu)點。隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展和國家對應(yīng)急通信的高度重視，功能齊全、性能可靠、方便用戶攜帶的便攜式衛(wèi)星通信地球站的設(shè)計己成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一大研究熱點。本文以小口徑、便攜式天線衛(wèi)星通信地球站的研制為背景，進行了通信控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計，實現(xiàn)了天線對目標(biāo)衛(wèi)星的自動搜索與跟蹤，保證天線高精度指向衛(wèi)星以實現(xiàn)衛(wèi)星通信。

【關(guān)鍵詞】便攜式衛(wèi)星通信；系統(tǒng)；設(shè)計

1.背景與研究意義

衛(wèi)星通信，指的是設(shè)置在地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在2個或多個地球站之間進行的通信。與其他通信手段相比，靜止衛(wèi)星通信具有以下優(yōu)點：衛(wèi)星通信系統(tǒng)能以較低的成本提供較寬范圍的無縫覆蓋，服務(wù)范圍寬且不受地理條件的限制；可利用頻帶寬；衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信基礎(chǔ)設(shè)施相對獨立，網(wǎng)絡(luò)路由簡捷；網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快，成本低：通信質(zhì)量高，且通信電路靈活性與普遍性好。正是由于衛(wèi)星通信具有上述優(yōu)點，自它誕生之日起便得到了迅猛發(fā)展，不僅應(yīng)用于傳輸話音、電報、數(shù)據(jù)等，還特別適用于廣播電視節(jié)目的傳送，成為當(dāng)今通信領(lǐng)域中最為重要的一種通信方式。

2.便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 天線座架設(shè)計

天線座是支撐天線探測目標(biāo)的裝置，由天線控制器控制，使天線按照某種規(guī)律運或者跟隨目標(biāo)衛(wèi)星運動，從而使天線對準(zhǔn)指向目標(biāo)。為了保證天線的活動范圍、有足夠的轉(zhuǎn)動速度、滿足跟蹤測量的精度要求，座架結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度和強度，并在規(guī)定的環(huán)境條件下能安全、精確地工作，所以正確的選擇天線座架結(jié)構(gòu)對整個系統(tǒng)的性能起著重要的作用。

現(xiàn)有的天線座架結(jié)構(gòu)是多種多樣的，按轉(zhuǎn)軸的數(shù)目，可以分為一軸、二軸、三軸、四軸和固定不動一軸天線座主要用于搜索、引導(dǎo)雷達，這種雷達因為通常都是扇形波束，只需一根方位軸轉(zhuǎn)動天線即可覆蓋所有空域，所以多采用一軸天線座；為了補償船舶縱橫搖擺、飛機升降等的影響，船載和機載的雷達多采用三軸或者四軸的天線座結(jié)構(gòu)形式；而衛(wèi)星通信地球站因采用天線波束窄的圓拋物面天線，為覆蓋整個空域轉(zhuǎn)軸，所以需采用兩軸天線座。目前的地面雷達天線座基本上都為一軸或兩軸的。兩軸天線座有俯仰一方位型、X-Y型、極軸型等多種型式，其中最為常見的就是俯仰一方位型。俯仰一方位型天線座是以地平面為基準(zhǔn)的，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸，這種天線座結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺寸緊湊、承載能力大、調(diào)整測量方便，設(shè)計、制造和維修也比較方便，也可稱為地平式或經(jīng)緯儀式天線座。

2.2 系統(tǒng)跟蹤方案設(shè)計

在整個系統(tǒng)中衛(wèi)星伺服控制部分有著至關(guān)重要的作用，不管衛(wèi)星如何運動，天線控制系統(tǒng)都必須保證天線波束主軸始終指向衛(wèi)星，使得通信系統(tǒng)能夠正常工作。為達到這一目標(biāo)，在進行系統(tǒng)設(shè)計時除了在機械結(jié)構(gòu)、傳感器選擇、硬件設(shè)計方面多加注意以減少誤差、提高系統(tǒng)的指向精度與跟蹤精度外，必須設(shè)計合適的跟蹤方式。

采用何種跟蹤方式應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求，綜合考慮對星精度、對星速度、結(jié)構(gòu)難易程度等多方面。由第一章的介紹可知：手動跟蹤要求工作人員有一定的經(jīng)驗，這對大多數(shù)初次使用通信系統(tǒng)的用戶來說是個很大的問題，不便于推廣應(yīng)用；程序跟蹤無論從系統(tǒng)組成還是控制上而言，都易于實現(xiàn)，是個很好的選擇，但是由于地球是個質(zhì)量分布不均勻的橢圓球體、衛(wèi)星在飛行時容易受到太陽光壓和大氣阻力的影響，這些因素會導(dǎo)致衛(wèi)星靜止軌道位置發(fā)生偏移，當(dāng)衛(wèi)星常年使用后會使軌道數(shù)據(jù)發(fā)生不可預(yù)測的變化，影響天線的姿態(tài)控制，同時因為這種跟蹤方式完全依賴于GPS和姿態(tài)測量傳感器來提供對星數(shù)據(jù)，所以一旦它們的精度不夠或者設(shè)備壞掉，將會嚴(yán)重影響對星精度，甚至使整個系統(tǒng)對星工作失效，所以應(yīng)結(jié)合其它的跟蹤方法來同時實現(xiàn)系統(tǒng)對星；自動對星的三種方法本質(zhì)上來說是相同的，都是根據(jù)采集到的衛(wèi)星信號強度來確定電機的轉(zhuǎn)動方向與幅度。

3.網(wǎng)管控制流程

后臺控制中心通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)向下廣播控制指令，便攜衛(wèi)星站對準(zhǔn)口標(biāo)衛(wèi)星后，就能自動接收到遠控信息，通過時分控制的載波突發(fā)，完成端點站的握手、注冊服務(wù)。

控制中心的信令信息通過調(diào)制解調(diào)器能夠?qū)Χ苏緝?nèi)部的加密機、路由器、視頻會議等業(yè)務(wù)設(shè)備進行有限訪問，實現(xiàn)網(wǎng)管的監(jiān)控任務(wù)。

單兵系統(tǒng)與視頻會議系統(tǒng)設(shè)計為基于IP協(xié)議進行傳輸，兩者相互獨立，只要衛(wèi)星鏈路帶寬足夠，可以同時進行高清傳輸。通過路由器和加密機對本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)優(yōu)化和加密，實現(xiàn)通信雙方端對端的可靠傳輸。

4.系統(tǒng)功能

輕便型便攜衛(wèi)星站的設(shè)計，在不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體制的前提下，最大化地將各類通信手段進行高度集成，實現(xiàn)一機多用、需分配的動態(tài)通信管理，主要優(yōu)點及功能包括：

（1）兼容性好。兼容現(xiàn)有公安邊防網(wǎng)管系統(tǒng)，能夠接受網(wǎng)管系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度。

（2）安全可控。配置網(wǎng)絡(luò)加密機，對進出口數(shù)據(jù)進行甄別和加密，防止非法訪問。

（3）攜帶方便，操作簡單。最大化地減輕終端重量，節(jié)省人員體力，支持一鍵啟動。

（4）高速傳輸。在基于H.265等高壓縮率編碼技術(shù)的支持下，可以在窄帶衛(wèi)星資源上實現(xiàn)包括高清視頻會議、單兵回傳等高速率寬帶業(yè)務(wù)的傳輸功能。

（5）擴展性好。支持各類基于IP體制的外接合法設(shè)備的方便接入，支持后期網(wǎng)絡(luò)擴展。

結(jié)束語

本文以便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制為背景，進行了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體設(shè)計，闡述了便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，分析了便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點，希望本文對研究便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的各位能有所幫助。

參考文獻

[1]趙書倫.無線寬帶多媒體數(shù)宇集群指揮調(diào)度系統(tǒng)[[J].導(dǎo)航與控制、2016（3）：33-38.

[2]張雪麗.應(yīng)急通信技術(shù)體系及標(biāo)準(zhǔn)化問題探討[J].現(xiàn)代電信科技，2009（2）：25-28.

[3]宇世俊，潘青亮.通信車通信保障設(shè)備的冗余控制設(shè)計[J]信息通信，2016（9）：67-69.