基于衛(wèi)星鏈路的海上運載火箭發(fā)射通信保障系統(tǒng)設(shè)計初探

劉飛飛 肖巍 栗欣（中國衛(wèi)通集團股份有限公司）

為探索更加安全靈活和經(jīng)濟高效的新型發(fā)射模式，以適應(yīng)國內(nèi)外市場低傾角低軌道中小型衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)項目需求，同時填補我國運載火箭海上發(fā)射的空白，中國運載火箭技術(shù)研究院提出將其發(fā)射工位從陸基改為?；?。

經(jīng)過幾年的研制工作，2019年5月末，長征十一號火箭“登”上海域移動平臺。為確保此次發(fā)射任務(wù)萬無一失，海域保障船需要安全可靠的信息傳輸信道來傳輸本地實時信息，實現(xiàn)與陸地信息中心及時溝通和交流，海上通信保障顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

不同于陸地通信保障，海上通信保障需要面對海上基礎(chǔ)通信設(shè)施缺乏、工況環(huán)境惡劣等不利條件，保障要求相對較高。如何有效解決通信保障之“通”成為首要問題。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從遠海保障船到數(shù)據(jù)中心之間，采用地面光纜和短波/超短波接續(xù)通信，距離近則無法保證人員安全，距離遠則通信不穩(wěn)定；采用地面和海底光纜接續(xù)通信，難以滿足移動通信需求，且人力物力投入較大。衛(wèi)星通信便成為此次保障任務(wù)的主要通信手段。甚小口徑終端（VSAT）衛(wèi)星通信作為一種高效、穩(wěn)定、快速、成熟的通信方式，能使用戶擺脫建設(shè)地面線路速度緩慢、覆蓋地區(qū)有限等問題的困擾。VSAT 除了具備衛(wèi)星通信的一般特點外，還有其他特點：

1）VSAT 系統(tǒng)可支持多種業(yè)務(wù)類型，如數(shù)據(jù)、話音、圖像等；

2）組網(wǎng)靈活、獨立性強，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能、設(shè)備特性和網(wǎng)絡(luò)管理都可以根據(jù)用戶的要求進行設(shè)計和調(diào)整；

3）終端天線口徑小，設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，功耗小，成本低，安裝方便。

VSAT 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由包括網(wǎng)管服務(wù)器在內(nèi)的主站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和若干遠端站組成。

VSAT 衛(wèi)星鏈路示意圖

站型選擇

衛(wèi)星站的基本作用是向衛(wèi)星發(fā)射信號，同時接收由其他站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號。衛(wèi)星主站站型的選擇，主要關(guān)注其上行能力和設(shè)備可靠性；遠端站站型的選擇應(yīng)在可靠性的基礎(chǔ)上兼顧系統(tǒng)靈活性和簡易性。

1）衛(wèi)星固定站。是指在固定地點安裝有能夠自動尋星的天線系統(tǒng)。其中，大型標(biāo)準(zhǔn)固定站采用較先進的設(shè)備和技術(shù)措施，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與接收系統(tǒng)的整合，同時滿足超高碼速、超大容量、超寬帶寬的通信系統(tǒng)的要求，抗干擾能力強。該站型只能在靜止?fàn)顟B(tài)下與衛(wèi)星進行通信，而且建設(shè)周期長，成本高。

2）移動站。利用這種系統(tǒng)進行通信，具有靈活性強、架構(gòu)小、成本低、使用方便，以及小站可直接裝在用戶端等特點。移動站擺脫了本地區(qū)的地面中繼線問題，這在地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達、通信線路質(zhì)量不好或難于傳輸高速數(shù)據(jù)的地區(qū)，是一種很好的選擇。但是受天線口徑影響，其通信速率通常不會很高。

3）可拆卸站。指短時間能拆卸轉(zhuǎn)移地點的衛(wèi)星站，采用體積小、質(zhì)量輕和便于架設(shè)拆運的結(jié)構(gòu)，以改善機動能力和抗毀能力。其通信能力介于移動站和固定站之間。

根據(jù)船在海域復(fù)雜航行過程中的運動特點，以及通信帶寬要求，只能選擇船載移動站。主站是整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心環(huán)節(jié)，在通信能力、可靠性等各方面均需較高的標(biāo)準(zhǔn)。主站天線一旦建成，在通信過程中無需移動。加之主站系統(tǒng)能力越強，可以相應(yīng)地降低對端站通信能力的要求，故主站采用大型固定站。

業(yè)務(wù)落地站

根據(jù)通信保障任務(wù)需求，可以在數(shù)據(jù)中心新建衛(wèi)星固定站，實現(xiàn)保障船與數(shù)據(jù)中心間信息直接連通。也可以將固定站落地到異地，再通過互聯(lián)網(wǎng)專線連接數(shù)據(jù)中心。

綜合考量各種因素，以租代建，租賃大型衛(wèi)星固定站系統(tǒng)落地，借助互聯(lián)網(wǎng)專線傳至數(shù)據(jù)中心，遠海保障船即可實現(xiàn)與用戶中心站之間的話音、視頻、數(shù)據(jù)傳輸和上網(wǎng)服務(wù)。

業(yè)務(wù)落地站落地方案對比

衛(wèi)星通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

船載“動中通”設(shè)備選擇

“動中通”天線系統(tǒng)是實現(xiàn)通信保障的工具，高可靠性和高可用度無疑是“動中通”天線選擇的前提，確保在突發(fā)事件狀態(tài)下能夠真正應(yīng)急，而其他指標(biāo)（如體積和質(zhì)量）應(yīng)該是在此前提下再考慮的次要指標(biāo)。

從技術(shù)層面看，目前“動中通”天線主要有三種基本類型，分別是：

1）傳統(tǒng)拋物面天線。天線的姿態(tài)調(diào)整采用機械式，其優(yōu)點是增益高、帶寬高；缺點是體積和質(zhì)量大，安裝不太方便。

2）陣列、賦形反射面天線。天線的姿態(tài)調(diào)整也采用機械式，其優(yōu)點是安裝相對簡單，搜索鎖星時間短；缺點是天線口徑效率低，增益不高，比同天線口徑拋物面天線帶寬要低得多。

3）全相控陣天線。天線的姿態(tài)調(diào)整采用電調(diào)式，其優(yōu)點是體積小、質(zhì)量輕，安裝簡單；缺點是天線有效口徑小，增益低，帶寬窄。

三種天線各有自己的特點，都有自己的應(yīng)用范圍，不存在“誰取代誰”的問題。用戶應(yīng)該根據(jù)衛(wèi)星天線的使用環(huán)境、承載方式、地理位置、主要業(yè)務(wù)和預(yù)算等情況，綜合來進行選擇。

考核通信的“高可靠性和高可用度”的指標(biāo)，首先是工作的全天候性，即在任何天氣環(huán)境狀態(tài)下，都應(yīng)該正常的工作；其次是能夠提供足夠的帶寬，保證圖像、話音、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的需要。綜合以上條件，此次通信保障只能采用傳統(tǒng)拋物面天線。

鏈路選擇分析

（1）頻段選擇

衛(wèi)星通信頻段選擇將影響到系統(tǒng)的傳輸容量、天線尺寸、發(fā)射功率和設(shè)備復(fù)雜程度等。

C 頻段功率通量密度需求大，造成天線尺寸較大，但受降雨影響較小，更適用于對通信質(zhì)量有嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)，比如電視、廣播等；Ku 頻段頻率高、增益也高，天線尺寸較小，便于安裝，受地面干擾影響小，適合做“動中通”、“靜中通”等移動應(yīng)急通信業(yè)務(wù)；Ka 頻段的特點類似于Ku 頻段，可用頻段帶寬更大，但雨衰也更大，適用于高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、衛(wèi)星新聞采集等業(yè)務(wù)。波束較窄，對終端器件和工藝的要求較高，尤其是“動中通”系統(tǒng)設(shè)備。

考慮船上安裝條件有限，天線越小越好。另外，在火箭發(fā)射期間，海域降雨概率較大。因此，在保證通信高可靠性的前提下選用Ku 頻段。

（2）衛(wèi)星選擇

因保障任務(wù)的特殊性，衛(wèi)星通信網(wǎng)對系統(tǒng)的可靠性和安全性要求很高，通信衛(wèi)星的選擇必須考慮國家對衛(wèi)星資源的控制和協(xié)調(diào)能力。因此，只要技術(shù)條件允許，盡可能選用自主制造、自主發(fā)射和自主測控的衛(wèi)星資源。

1）衛(wèi)星具備防范措施和抗干擾能力，衛(wèi)星公司具備良好的管理技術(shù)與協(xié)調(diào)能力。

2）衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)符合網(wǎng)絡(luò)運行的技術(shù)要求，在火箭發(fā)射海域覆蓋良好。

3）衛(wèi)星應(yīng)滿足“動中通”的技術(shù)要求。

4）選用性能優(yōu)良的衛(wèi)星，具有較大的有效全向輻射功率（EIRP）和天線增益/接收系統(tǒng)噪聲溫度（G/T）值，可進一步使“動中通”天線系統(tǒng)小型化。

5）天線仰角高，空間段鏈路損耗小，且受地面干擾小。

綜合考慮衛(wèi)星覆蓋性能、售后服務(wù)、安全性，以及考慮到系統(tǒng)擴容時，需完全兼容現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)格，故用戶方選用中星－10 衛(wèi)星傳輸，將中星－6A 作為異軌資源備份。

（3）鏈路計算

衛(wèi)星、地球站設(shè)備和信道性能參數(shù)是進行衛(wèi)星通信線路設(shè)計的重要依據(jù)。采購設(shè)備前，先通過衛(wèi)星鏈路計算，合理配置設(shè)備，既對系統(tǒng)性能做整體把控，又避免投資浪費。

業(yè)務(wù)落地站（中國衛(wèi)通主站）為9m 的Ku 頻段天線，船載“動中通”為1.2m 的Ku 頻段天線，采用中星－10 衛(wèi)星Ku 頻段傳輸。

船載站配置1.2m 的Ku 頻段天線，按用戶需求，回傳一路高清視頻，傳輸速率2Mbit/s，則實際最大使用功率約為21W。充分考慮到系統(tǒng)臨時增加數(shù)據(jù)、抵抗雨衰，以及大氣、系統(tǒng)可用度等情況，建議配置40W 功放。從數(shù)據(jù)中心向遠端保障船主要是傳輸話音和數(shù)據(jù)，且對視頻畫質(zhì)要求低，傳輸速率1Mbit/s即可。中國衛(wèi)通主站配備750W 功放，足以支持業(yè)務(wù)需求。

應(yīng)用結(jié)果和待解決問題

2019年6月5日12:06，長征十一號運載火箭在我國黃海海域如期發(fā)射，衛(wèi)星被順利送入預(yù)定軌道，試驗取得圓滿成功。長征十一號運載火箭這一次的海上首秀，突破海上發(fā)射無線通信可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，為我國后續(xù)大規(guī)模的海上發(fā)射通信保障奠定了基礎(chǔ)。此次海上運載火箭發(fā)射采用中國衛(wèi)通集團股份有限公司的“中星易通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，初步驗證了“中星易通”之“通”的性能，但仍有一定的改進空間。

典型海域衛(wèi)星性能對比

鏈路計算表

1）主站和船載站部分關(guān)鍵設(shè)備采用的是國外產(chǎn)品，雖然技術(shù)成熟、性能優(yōu)越，但對于海上運載火箭發(fā)射這類任務(wù)，其安全性仍需商榷；

2）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的透明傳輸一旦遇到干擾，就需要人工干涉更換系統(tǒng)參數(shù)，自動化程度較低；

3）船載“動中通”系統(tǒng)基帶設(shè)備需布置在船艙內(nèi)，機柜安裝仍需占用一定的空間，一體化程度較低。

鑒于此，需要打造一款全國產(chǎn)、自動式、一體化的“易通”型海上運載火箭發(fā)射通信保障系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)升級改造

“中星易通”應(yīng)急服務(wù)平臺優(yōu)勢

“中星易通”應(yīng)急服務(wù)平臺以優(yōu)秀的國產(chǎn)自研產(chǎn)品為主導(dǎo)，從衛(wèi)星頻段、地面站設(shè)備、船載站設(shè)備、資源調(diào)度系統(tǒng)到平臺應(yīng)用都完全實現(xiàn)自主可控，不依賴任何國外知識產(chǎn)權(quán)，信息安全可靠。平臺采用資源動態(tài)自動分配技術(shù)，一旦遇到干擾，資源調(diào)度系統(tǒng)會自動分配至新頻率，確保用戶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的有效運行。設(shè)計一體化的衛(wèi)星通信終端，如船載衛(wèi)星通信終端，通信部件全部集成于“動中通”天線罩內(nèi)，連接網(wǎng)線即可傳輸業(yè)務(wù)，安裝、使用簡單可靠。

關(guān)鍵技術(shù)

控制中心是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心，由業(yè)務(wù)終端、控制終端和控制中心軟件組成，支持本地/異地1:1熱備份，負責(zé)對系統(tǒng)內(nèi)所有衛(wèi)星通信終端進行管理、控制，處理衛(wèi)星通信終端的通信申請，為衛(wèi)星通信終端提供動態(tài)資源分配、發(fā)送功率等參數(shù)。

3 結(jié)語

中國衛(wèi)通集團股份有限公司研制的“中星易通”應(yīng)急服務(wù)平臺，以實際應(yīng)用場景和客戶需求為導(dǎo)向，提供全系列固定或移動式應(yīng)用終端，實現(xiàn)天地一體化高速信息走廊，為國家重大項目、應(yīng)急救援等提供全天候衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入，真正實現(xiàn)以“通”為根本、以“易”為關(guān)鍵的發(fā)展目標(biāo)。我國首次海射通信保障的成功，一方面驗證了“中星易通”應(yīng)急服務(wù)平臺能夠充分滿足海射的通信保障需求，同時也給我國海上衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展指出了新的方向。