一種基于“偽衛(wèi)星”原理的空中通信中繼系統(tǒng)設(shè)想

柯 倫，斯 揚(yáng)

一種基于“偽衛(wèi)星”原理的空中通信中繼系統(tǒng)設(shè)想

柯 倫1，斯 揚(yáng)2

（1中國(guó)空間技術(shù)研究院研究發(fā)展部 北京 100094 2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 北京 100094）

針對(duì)地面和天基通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域和場(chǎng)景，提出一種基于“偽衛(wèi)星”原理的空中通信中繼系統(tǒng)。系統(tǒng)將天基Ku/Ka頻段通信載荷配置在空基平臺(tái)上，利用現(xiàn)有裝備的衛(wèi)星通信終端，將通信衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)整合為“天空地”一體化通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)具有體系擴(kuò)容、覆蓋提升、網(wǎng)絡(luò)提速和系統(tǒng)健壯的特點(diǎn)，在未來的通信中可發(fā)揮重要作用。

偽衛(wèi)星；空中通信；中繼系統(tǒng)

引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以4G基站為核心的地面通信網(wǎng)絡(luò)和以通信衛(wèi)星為核心的天基通信網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)開展了大規(guī)模的應(yīng)用，天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)也在迅速發(fā)展。但在一些特定區(qū)域和場(chǎng)景下，如在山區(qū)、無人區(qū)開展反恐維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)活動(dòng)中，通信終端和前線指揮所之間需要較大的通信帶寬實(shí)時(shí)傳輸高清圖像、視頻等現(xiàn)場(chǎng)信息，經(jīng)處理后形成的少量重要數(shù)據(jù)還需要遠(yuǎn)距離回傳至后方指揮所。一般情況下，這些特定區(qū)域地面通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，而基于現(xiàn)有通信衛(wèi)星管理模式，難以在短時(shí)間內(nèi)申請(qǐng)到足夠多的衛(wèi)星通信帶寬資源，且在山區(qū)衛(wèi)星通信鏈路容易受遮擋，難以保障數(shù)據(jù)通信需求。因此，空基轉(zhuǎn)信平臺(tái)成為一種可能的解決方案。目前國(guó)內(nèi)外的研究工作主要集中在利用飛艇、長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)等空基平臺(tái)作為空中基站來實(shí)現(xiàn)通信功能[1-3]，該模式存在兩個(gè)問題：一是需要配備專用通信設(shè)備，無法兼容現(xiàn)有配發(fā)的大量衛(wèi)星通信終端設(shè)備；二是系統(tǒng)健壯性不足，一旦無人機(jī)故障，整個(gè)區(qū)域就完全失去通信能力[4,5]。本文嘗試將天基、空基和地基通信作為一個(gè)整體來考慮，系統(tǒng)解決以上問題。

本文提出的“偽衛(wèi)星”原理，是將天基Ku/Ka頻段通信載荷安裝在無人機(jī)等空基平臺(tái)上，在特定區(qū)域內(nèi)替代通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能，支持已經(jīng)廣泛配備的地面Ku/Ka頻段衛(wèi)星通信終端設(shè)備。地面終端實(shí)現(xiàn)對(duì)空、對(duì)天通聯(lián)，形成地面衛(wèi)星通信終端-空基平臺(tái)-通信衛(wèi)星的“天空地”一體化通信網(wǎng)絡(luò)，可大幅提升系統(tǒng)效能和健壯性，有效解決現(xiàn)有天基通信資源和地面通信資源支持能力不足的問題[6,7]。與L、S等衛(wèi)星通信頻段相比，Ku/Ka頻段能提供足夠大的通信帶寬，通信速率從kb/s量級(jí)提高到Mb/s量級(jí)，可以有力支持高清圖像、視頻實(shí)時(shí)傳輸需求。

空基平臺(tái)“偽衛(wèi)星”通信中繼系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

①系統(tǒng)兼容，覆蓋提升。由于空基平臺(tái)采用衛(wèi)星通信載荷，因此現(xiàn)有的地面衛(wèi)星通信裝備可與空基平臺(tái)直接通聯(lián)，提升了系統(tǒng)兼容性。相對(duì)于衛(wèi)星，空基平臺(tái)對(duì)山區(qū)等特定區(qū)域的覆蓋能力更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)隨行信號(hào)覆蓋，大幅減少遮擋盲區(qū)。

②體系擴(kuò)容，區(qū)域提速?？栈脚_(tái)與地面終端的通信距離短、信號(hào)強(qiáng)，可構(gòu)建覆蓋地面終端的“局域網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)大量用戶的寬帶交互，與通信衛(wèi)星的“廣域網(wǎng)”相配合，可以滿足各種通信需求。

③自適應(yīng)切換，系統(tǒng)健壯。地面終端主要依靠空基平臺(tái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)寬帶通信，也可通過空基平臺(tái)進(jìn)行衛(wèi)星中繼通信，或直接聯(lián)通衛(wèi)星，多種通信方式可自適應(yīng)切換，大幅提升了系統(tǒng)健壯性。

1 系統(tǒng)方案構(gòu)想

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

空基平臺(tái)“偽衛(wèi)星”具備Ku/Ka頻段通信能力，通過建立空基平臺(tái)-地面終端、空基平臺(tái)-通信衛(wèi)星的通信鏈路，空基平臺(tái)上的天基通信載荷可替代通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能，構(gòu)建高效靈活的通信網(wǎng)絡(luò)體系。

圖1 “偽衛(wèi)星”通信網(wǎng)絡(luò)體系

如圖1所示，特定區(qū)域內(nèi)存在障礙物，障礙物兩邊的用戶無法直接通信，衛(wèi)星通信鏈路也受到遮擋。依靠區(qū)域內(nèi)高空飛行的空基平臺(tái)“偽衛(wèi)星”，用戶可以就近接入地面終端，地面終端采用衛(wèi)星通信設(shè)備與“偽衛(wèi)星”通聯(lián)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)寬帶通信?？栈脚_(tái)也可提供穩(wěn)定的通信衛(wèi)星中繼鏈路，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

1.2 應(yīng)用模式

1.2.1 區(qū)域通信增強(qiáng)模式

空基平臺(tái)通信系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，地面用戶以衛(wèi)星通信終端（車載、背負(fù)式“動(dòng)中通”設(shè)備）為中心，形成分布式星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以快速構(gòu)建區(qū)域覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)，為用戶實(shí)時(shí)提供隨行通信服務(wù)。區(qū)域通信增強(qiáng)模式下的典型通信鏈路為“地面終端-空基平臺(tái)-地面終端”，如圖2所示。

1.2.2 超視距通信模式

當(dāng)?shù)孛嬗脩粜枰c后方指揮所通信時(shí)，空基平臺(tái)可以提供穩(wěn)定可靠的中繼鏈路，通過通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)超視距通信。超視距通信模式下的典型通信鏈路為“地面終端-空基平臺(tái)-通信衛(wèi)星-地面終端”，如圖3所示。地面終端也可根據(jù)實(shí)際通信需求，通過能量檢測(cè)、鏈路狀況預(yù)估等手段，在空基平臺(tái)、通信衛(wèi)星之間切換，獲得最佳通信效果。

1.3 空基平臺(tái)載荷

空基平臺(tái)載荷是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，通過在高空、長(zhǎng)航時(shí)空基平臺(tái)上搭載通信載荷，提供三個(gè)主要功能：①替代通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信增強(qiáng)覆蓋；②為地面終端提供中繼通道；③搭載IP路由器，構(gòu)建基于IP體制的“天空地”一體化網(wǎng)絡(luò)。

圖2 區(qū)域通信增強(qiáng)應(yīng)用模式

圖3 超視距通信應(yīng)用模式

Fig. 3 Beyond visual range communication application schema

空基平臺(tái)載荷由轉(zhuǎn)發(fā)器子系統(tǒng)、天線子系統(tǒng)和運(yùn)控子系統(tǒng)等組成[8,9]，如圖4所示，主要包括：①對(duì)地區(qū)域增強(qiáng)Ku/Ka頻段載荷，采用與通信衛(wèi)星兼容的天基通信載荷設(shè)計(jì)方案，兼容現(xiàn)有的衛(wèi)星通信終端，實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信增強(qiáng)，用戶可在空基平臺(tái)和通信衛(wèi)星之間無縫切換；②對(duì)天衛(wèi)星通信Ku/Ka頻段載荷，采用0.6m口徑天線，與通信衛(wèi)星建立穩(wěn)定可靠的通信鏈路，轉(zhuǎn)發(fā)地面終端信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超視距通信；③綜合路由器，在IP包路由轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地面終端、空基平臺(tái)、通信衛(wèi)星的數(shù)據(jù)快速交換功能，實(shí)現(xiàn)“天空地”網(wǎng)絡(luò)融合；④頻譜檢測(cè)處理器，檢測(cè)覆蓋區(qū)的在用頻率，實(shí)現(xiàn)頻譜資源自適應(yīng)管理，消除空基平臺(tái)和衛(wèi)星系統(tǒng)的相互干擾；⑤信標(biāo)機(jī)，提供信標(biāo)信號(hào)，地面終端通過信標(biāo)檢測(cè)接入空基平臺(tái)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

圖4 空基平臺(tái)載荷構(gòu)成

2 系統(tǒng)可行性分析

本系統(tǒng)的空基平臺(tái)采用中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，可以支持突發(fā)性、短時(shí)段行動(dòng)需求。經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)有中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)起飛載荷重量一般為60kg～300kg，極限飛行高度約8km，實(shí)用飛行高度約6km，續(xù)航時(shí)間25小時(shí)～48小時(shí)[2]。采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，可提供10kW以上的電源功率。

無人機(jī)上安裝的對(duì)地區(qū)域增強(qiáng)Ku/Ka頻段載荷采用衛(wèi)星通信載荷方案，地面終端采用現(xiàn)有的Ka頻段0.6m天線“動(dòng)中通”設(shè)備，充分利用了現(xiàn)有裝備的衛(wèi)星通信終端和現(xiàn)有成熟技術(shù)，具有良好的工程可行性。

2.1 無人機(jī)飛行高度

無人機(jī)最大覆蓋范圍為

表1 空基平臺(tái)最大覆蓋范圍

2.2 區(qū)域通信容量

與通信衛(wèi)星相比，空基平臺(tái)可以在特定區(qū)域內(nèi)提供更大的通信容量。

一般通信衛(wèi)星點(diǎn)波束的覆蓋區(qū)直徑達(dá)600km～1000km，通信帶寬在整個(gè)覆蓋區(qū)內(nèi)由數(shù)十個(gè)用戶共享，僅能為單個(gè)用戶提供約2Mb/s~10Mb/s的通信速率。

無人機(jī)覆蓋區(qū)直徑50km，通信距離短、信號(hào)強(qiáng)。若地面終端天線口徑0.6m、發(fā)射功率40W，無人機(jī)配置±80°覆蓋的全向天線、發(fā)射功率25W，可實(shí)現(xiàn)100Mb/s通信容量，支持大于50個(gè)地面終端開展流媒體、視頻等高速通信業(yè)務(wù)。

2.3 地面終端天線指向

設(shè)定無人機(jī)盤旋直徑5km、巡航速度100km/h、飛行高度7000m，采用MATLAB軟件編程分析覆蓋區(qū)內(nèi)不同位置地面終端天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度需求，結(jié)果示于圖5、圖6。

由圖中可見，地面終端天線的方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0～360°，最大角速度0.64°/s；俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍14°～71°，最大角速度0.17°/s。現(xiàn)有“動(dòng)中通”設(shè)備可以滿足上述需求[9]。

圖5 地面終端天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍分析結(jié)果

圖6 地面終端天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度分析結(jié)果

2.4 重量功耗

與衛(wèi)星載荷相比，無人機(jī)上的載荷可以通過取消備份、降低功率、提高集成度降低重量功耗。按照?qǐng)D4所示的載荷構(gòu)成情況，分析無人機(jī)載荷的重量功耗，結(jié)果見表2。對(duì)無人機(jī)的載重要求為40kg，功率要求為390W?，F(xiàn)有中型無人機(jī)可以提供足夠的載荷能力[10]。

表2 無人機(jī)載荷重量功耗核算表

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 空中通信平臺(tái)與通信衛(wèi)星兼容技術(shù)

地面終端可與空基平臺(tái)和通信衛(wèi)星同時(shí)通信，必然存在同頻干擾的問題。由于“偽衛(wèi)星”和地面終端都具備Ku/Ka雙模收發(fā)能力，可以根據(jù)需求切換工作頻段。也可基于頻譜檢測(cè)處理器，檢測(cè)覆蓋區(qū)的在用頻率，實(shí)現(xiàn)頻譜資源自適應(yīng)管理。關(guān)于此類技術(shù)已經(jīng)開展了大量研究，具有良好的技術(shù)可行性[11,12]。

3.2 自適應(yīng)鏈路切換技術(shù)

地面終端可以采用能量檢測(cè)、鏈路狀況預(yù)估等手段，通過自適應(yīng)切換設(shè)計(jì)，自動(dòng)選擇空基平臺(tái)或通信衛(wèi)星進(jìn)行通信，優(yōu)先接入空基平臺(tái)，減少衛(wèi)星負(fù)載。

空基平臺(tái)配備有Ku和Ka頻段的信標(biāo)機(jī)，與通信衛(wèi)星的信標(biāo)頻點(diǎn)不同。地面終端可以通過切換信標(biāo)接收頻率，調(diào)整天線指向通信衛(wèi)星或“偽衛(wèi)星”。

3.3 低剖面衛(wèi)通天線技術(shù)

為了保障連續(xù)可靠通信，空基平臺(tái)應(yīng)具備長(zhǎng)航時(shí)能力，需要實(shí)現(xiàn)良好的氣動(dòng)外形。傳統(tǒng)反射面天線體積大、剖面高、風(fēng)阻大，難以應(yīng)用于中小型空基平臺(tái)。需采用平板陣列天線、相控陣天線、VICTS天線等技術(shù)，開發(fā)Ku/Ka頻段低剖面衛(wèi)通天線，

4 結(jié)束語

在空基平臺(tái)上裝載天基Ku/Ka頻段通信載荷，建立“偽衛(wèi)星”空中通信中繼系統(tǒng)，充分整合天基和地基優(yōu)勢(shì)，與通信衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建“天空地”一體化通信網(wǎng)絡(luò)，可以在特定區(qū)域和應(yīng)用場(chǎng)景提升覆蓋能力和通信容量，地面終端可在通信衛(wèi)星和“偽衛(wèi)星”之間自適應(yīng)切換。系統(tǒng)涉及的空基平臺(tái)、載荷等可以依靠現(xiàn)有成熟技術(shù)，充分利用現(xiàn)有裝備的衛(wèi)星通信終端，具有良好的工程可行性。

該系統(tǒng)具備擴(kuò)展性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、通信容量大、系統(tǒng)健壯等優(yōu)勢(shì)，可解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、復(fù)雜地形條件下通信系統(tǒng)構(gòu)建問題，為反恐維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)活動(dòng)提供通信保障，滿足高清圖像、視頻實(shí)時(shí)傳輸需求。

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Conceptual study of airborne relay system based on pseudo-satellite principle

KE Lun1, SI Yang2

（1. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China）

An airborne relay system based on pseudo-satellite principle is proposed for areas and scenarios that are difficult to cover by ground and satellite communication networks. The space-based Ku/Ka-band communication payload is deployed on an airborne platform. By making full use of existing satellite terminal equipments, the airborne communication platform, the communication satellites and the ground communication network are organically integrated into a space-sky-ground communication system, which has the characteristics of system expansion, improved coverage, network acceleration and robustness. The system can play an important role in future communications.

Pseudo-satellite; Airborne communication; Relay system

V19

A

CN11-1780(2019)03-0011-06

柯倫 1976年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程和衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)。

斯揚(yáng) 1979年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱魍ㄐ畔到y(tǒng)技術(shù)。

2018-12-30

2019-05-16

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com