VSAT衛(wèi)星通信便攜終端設(shè)計(jì)方法研究

王大印 劉大勇 陳拓

摘要：探究可用于VSAT衛(wèi)星通信便攜終端類的工業(yè)設(shè)計(jì)流程及方法。以工業(yè)設(shè)計(jì)視角對(duì)VSAT衛(wèi)星通信便攜終端進(jìn)行綜合分析，明確終端功能要求、人機(jī)工程學(xué)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，并以航天恒星科技有限公司的SATTOUR系列衛(wèi)星通信便攜終端為例，通過對(duì)其設(shè)計(jì)過程的歸納總結(jié)，得到一種針對(duì)衛(wèi)星通信中典型終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程及方法。歸納總結(jié)出一種VSAT衛(wèi)星通信類便攜終端的設(shè)計(jì)方法。該方法可為同類型衛(wèi)星通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：焦作市 工業(yè)設(shè)計(jì) 服務(wù)平臺(tái) 產(chǎn)業(yè)鏈

中圖分類號(hào)：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）08-0115-03

引言

通信，即通過某種媒介或行為，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與交流。通信手段伴隨著科技的發(fā)展而不斷進(jìn)步，短短的30年間，人類的通信技術(shù)就從數(shù)字語音傳輸技術(shù)的2G發(fā)展到蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的5G，在通信速率方面完全可以滿足現(xiàn)在人們的需求，在滿足人們對(duì)通信速率的追求后，多通信手段相互補(bǔ)充也許就是后SG時(shí)代通信技術(shù)發(fā)展的方向。衛(wèi)星通信在諸多方面的優(yōu)勢(shì)，可以有效彌補(bǔ)地面通信的不足，很有可能成為后5G時(shí)代的寵兒。1945年英國科幻大師Clark在《地球外的中繼》中，針對(duì)衛(wèi)星通信的可行性進(jìn)行了詳細(xì)的論述，而我國1984年研制并發(fā)射成功的“東方紅”二號(hào)（同步通信衛(wèi)星），則揭開了我國研發(fā)衛(wèi)星通信技術(shù)的歷史。在通信距離、地理環(huán)境限制、自然災(zāi)害以及人為事件、通信質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性等方面，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)明顯。目前，衛(wèi)星通信廣泛應(yīng)用于電視廣播、教育、財(cái)政、金融、水利、軍事、應(yīng)急等領(lǐng)域。

隨著技術(shù)的不斷提升，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。近年來，以美國Space x為代表的商業(yè)航天公司，提出明確的低軌通信衛(wèi)星Starlink星座計(jì)劃，我國的鴻雁、虹云低軌通信星座也實(shí)現(xiàn)了首星的成功發(fā)射。未來在物聯(lián)網(wǎng)、全球通信等領(lǐng)域，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)將逐步突顯。相關(guān)調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來國內(nèi)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)?？赏黄魄|，而衛(wèi)星通信設(shè)備的市場(chǎng)將突破百億元。如此規(guī)模的設(shè)備、產(chǎn)品研發(fā)離不開工業(yè)設(shè)計(jì)的支撐，這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有別于文創(chuàng)、電子消費(fèi)品、家電等產(chǎn)品。衛(wèi)星通信終端的設(shè)計(jì)受到產(chǎn)品功能復(fù)雜、產(chǎn)品單價(jià)高、技術(shù)更新迭代快、衛(wèi)星資源管控嚴(yán)格等因素的制約，導(dǎo)致以工業(yè)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的大眾消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程方法，無法有效地指導(dǎo)現(xiàn)有產(chǎn)品的研發(fā)。文章將以衛(wèi)星通信中較為典型的VSAT系統(tǒng)便攜終端為例，通過對(duì)產(chǎn)品的功能需求分析、典型終端設(shè)計(jì)流程及方法的研究，歸納總結(jié)出一種適用于衛(wèi)星通信終端的工業(yè)設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)開展此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)提供一定的參考。

一、衛(wèi)星通信及應(yīng)用

衛(wèi)星通信是一種利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波而進(jìn)行的兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信方式。它是微波通信和航天技術(shù)相結(jié)合而形成的新興通信技術(shù)，形象地解釋，就相當(dāng)于把手機(jī)基站利用航天技術(shù)發(fā)射到太空中，從而形成一個(gè)不受地球環(huán)境及自然災(zāi)害限制的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。

（一）衛(wèi)星通信的應(yīng)用

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信應(yīng)用在電視、電話、傳真、電報(bào)和數(shù)據(jù)等場(chǎng)合。近年通信衛(wèi)星的能力大幅度提升，例如我國最新研制的東方紅5號(hào)通信衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射重量10噸，承載有效載荷2000公斤，可以實(shí)現(xiàn)300G至1T的通信容量。衛(wèi)星通信的創(chuàng)新應(yīng)用也不斷層出不窮，包括自然環(huán)保、應(yīng)急救災(zāi)、衛(wèi)星專網(wǎng)以及信息安全等領(lǐng)域。

而衛(wèi)星通信系統(tǒng)也在不斷豐富，多種模式交叉融合，硬件設(shè)備集成度不斷提升，終端芯片化趨勢(shì)明顯。隨著未來衛(wèi)星通信用戶群體的擴(kuò)大，市場(chǎng)需求將不斷促進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為全球信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，VSAT系統(tǒng)、低軌通信系統(tǒng)等典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)都受到了人們廣泛的關(guān)注，并逐漸進(jìn)入我們的生活。衛(wèi)星通信將與其他通信手段不斷融合補(bǔ)充，在萬物互聯(lián)的時(shí)代，更好滿足人們對(duì)美好生活的追求，對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)產(chǎn)業(yè)信息化產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。

（二）衛(wèi)星通信的分類

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由空間段（通信衛(wèi)星）、地面段（通信地球站）、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)四大部分組成的。

按照衛(wèi)星通信的軌道不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般分為：

1.即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2.低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

3.延遲轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

4.地球靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)

二、VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

VSAT是20世紀(jì)八十年代由美國首先設(shè)計(jì)開發(fā)的一套衛(wèi)星通信設(shè)備，為Very Small Aperture Terminal的首字母縮字，直譯為甚小口徑衛(wèi)星終端站。這里的“小”指的是VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中小站設(shè)備的天線口徑小，通常為0.3-2.4m。VSAT系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點(diǎn)。VSAT系統(tǒng)由一個(gè)主站及眾多分散設(shè)置在各個(gè)用戶所在地的遠(yuǎn)端VSAT組成，可不借助任何地面線路，不受地形、距離和地面通信條件限制，可實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。特別適用于有較大信息量和所轄邊遠(yuǎn)分支機(jī)構(gòu)較多的部門使用。

（一）VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1.通信資費(fèi)與距離遠(yuǎn)近無關(guān)，信號(hào)覆蓋范圍大;

2.具有一對(duì)多的通信能力;

3.信息可以進(jìn)行非對(duì)稱傳輸：

4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活，可提供多種傳輸業(yè)務(wù);

5.終端用戶可以直接入網(wǎng)，無需其他網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接;

6.系統(tǒng)容量大。

（二）VSAT衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域

1.遠(yuǎn)程應(yīng)用：培訓(xùn)、醫(yī)療、教育、信息采集和傳輸?shù)取?/p>

2.信息廣播服務(wù)：利用傳輸距離遠(yuǎn)、一對(duì)多等特點(diǎn)，為用戶提供廣播電視等信息傳輸服務(wù)。

3.互聯(lián)網(wǎng)接入：在地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施涉及不到的地區(qū)，利用衛(wèi)星雙向通信系統(tǒng)，為用戶遠(yuǎn)程接入互聯(lián)網(wǎng)提供支撐。

4.自然災(zāi)害應(yīng)急通信：地面通信基礎(chǔ)設(shè)施，在受到自然災(zāi)害和認(rèn)為破壞時(shí)，通過VSAT系統(tǒng)，提供保障通信、救援指揮等。

5.環(huán)保監(jiān)測(cè)：由于自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)缺乏，利用VSAT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及傳輸。

6.通信專用網(wǎng)：為行業(yè)或政府部門提供專網(wǎng)服務(wù)，用于內(nèi)部通信或視頻會(huì)議。

（三）VSAT衛(wèi)星通信終端設(shè)計(jì)需求分析

VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)一經(jīng)推出，就產(chǎn)生了飛速發(fā)展。在地面基礎(chǔ)設(shè)施方面，我國已經(jīng)建成數(shù)量眾多的主站，衛(wèi)星專用通信網(wǎng)，VSAT地球站等，已經(jīng)形成了覆蓋全國的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓展，在國內(nèi)自然保護(hù)區(qū)、地震泥石流等自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等都可以見到它的身影。在信息安全領(lǐng)域，VSAT衛(wèi)星通信可為國家政府機(jī)關(guān)提供衛(wèi)星專用網(wǎng)服務(wù)。如此龐大的新興市場(chǎng)，其設(shè)計(jì)需求不斷擴(kuò)大，越來越多的用戶對(duì)終端的設(shè)計(jì)要求也持續(xù)提高，在此過程中工業(yè)設(shè)計(jì)的重要性逐漸顯現(xiàn)。

三、以SatTour系列衛(wèi)星通信便攜終端為例，簡(jiǎn)述工業(yè)設(shè)計(jì)流程方法

颯途（SatTour）系列便攜終端是基于VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由中國航天科技集團(tuán)公司航天恒星科技有限公司自主研發(fā)的KU頻段衛(wèi)星通信終端系列產(chǎn)品，目標(biāo)用戶為“驢友”等有野外環(huán)境需求的用戶研制的民用化衛(wèi)星通信產(chǎn)品。可以提供寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與各電信運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，在無手機(jī)基站地區(qū)接入國際互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

（一）終端基本組成

颯途（SatTour）系列便攜終端基本組成為：天線組件、功放、低噪放、VSAT小站、電池、機(jī)構(gòu)及線纜等。用戶在使用產(chǎn)品時(shí)，需要對(duì)天線進(jìn)行極化、俯仰、方位進(jìn)行調(diào)整，完成對(duì)星操作，方可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。除SatTour-600Z可實(shí)現(xiàn)一鍵對(duì)星功能外，其他各型終端均需進(jìn)行手動(dòng)對(duì)星操作，其具體操作步驟如圖1所示。

SatTour終端產(chǎn)品的研制和批產(chǎn)分為方案設(shè)計(jì)階段、首批次（小批量）產(chǎn)品研制階段，批量生產(chǎn)階段、產(chǎn)品交付階段。終端批產(chǎn)階段具體劃分如表1所示。

（二）工業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

1.產(chǎn)品集成度不夠

SatTour-A系列產(chǎn)品由拋物面天線、天線支架、BUC、LNB、小站、電池等組成，加上各類線纜、零配件，合計(jì)20件。SatTour-600Z內(nèi)部沒有集成通信業(yè)務(wù)相關(guān)功能，需搭配獨(dú)立的VSAT小站完成衛(wèi)星通信工作，用戶體驗(yàn)差。

2.產(chǎn)品整機(jī)重量過重

研制初期對(duì)產(chǎn)品重量進(jìn)行了估算，SatTour-600B整機(jī)15kg左右，加上背包重量超過20kg，不適合長時(shí)間背負(fù)。300B產(chǎn)品整機(jī)7kg，雖然可以實(shí)現(xiàn)背負(fù)，但性能指標(biāo)無法滿足寬帶通信要求。

3.操作較為繁瑣

產(chǎn)品在使用過程中需要進(jìn)行對(duì)星操作，天線需要實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、極化三個(gè)維度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后需要進(jìn)行固定鎖緊，所以至少進(jìn)行以上六項(xiàng)的操作，對(duì)于非專業(yè)用戶，產(chǎn)品操作難度過大。

4.生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜

為保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、極化三個(gè)維度的調(diào)節(jié)，機(jī)構(gòu)配合復(fù)雜，產(chǎn)品零件多，組裝難度大，裝配效率低。配合間隙過大，風(fēng)中作業(yè)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生一定影響?？刂葡到y(tǒng)集成度低，控制箱部件模塊較多，各模塊之間存在大量連線，給生產(chǎn)帶來較大不便。

5.生產(chǎn)成本高

為保證產(chǎn)品機(jī)構(gòu)性能，阻尼軸等標(biāo)準(zhǔn)件均采用進(jìn)口零件，不僅限制了產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還增加了產(chǎn)品硬成本。由于產(chǎn)量較少，模具費(fèi)用分?jǐn)偟矫刻桩a(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成本過高，產(chǎn)品定價(jià)缺少市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

為了在設(shè)計(jì)過程中較好地解決以上問題，根據(jù)航天系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)中“兩個(gè)流程”的要求，從SatTour系列終端研制的實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)各個(gè)型號(hào)產(chǎn)品制訂詳細(xì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程，圖2為satTour-300B技術(shù)流程圖。

（三）SatTour系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法及工作內(nèi)容

確定各個(gè)終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線后，工業(yè)設(shè)計(jì)人員在論證初期介入，與機(jī)構(gòu)、射頻、通信等各個(gè)專業(yè)技術(shù)人員共同探討終端設(shè)計(jì)方案。具體工作內(nèi)容如下：

1.確定終端產(chǎn)品機(jī)構(gòu)原理形式。在明確各個(gè)型號(hào)終端產(chǎn)品的硬件組成后，開展機(jī)構(gòu)原理形式創(chuàng)意設(shè)計(jì)。由于對(duì)星要求，各個(gè)終端天線需要實(shí)現(xiàn)極化、俯仰、方位三個(gè)維度的連續(xù)可調(diào)，精度要求高，并可在任意位置鎖緊固定。所以在設(shè)計(jì)初期機(jī)構(gòu)的原理形式至關(guān)重要，工業(yè)設(shè)計(jì)師與機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師共同提出概念方案，并評(píng)估其可行性。

2.標(biāo)準(zhǔn)零件的選用。機(jī)構(gòu)活動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及加工較復(fù)雜，在相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少的情況下，選用合適的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)零件可以有效保證產(chǎn)品的可靠性、降低研發(fā)投入及相關(guān)成本。

3.終端產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)。在機(jī)構(gòu)方案、標(biāo)準(zhǔn)件選型、天線及硬件輸入確定的情況下，開展外觀設(shè)計(jì)工作，完成方案草圖、效果圖等制作，通過評(píng)審確定最終外觀效果。

4.終端產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)確定好的外觀設(shè)計(jì)方案，開展機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成結(jié)構(gòu)樣機(jī)的投產(chǎn)加工及配裝工作，并完成原理樣機(jī)的性能測(cè)試工作。依據(jù)測(cè)試結(jié)果，完善優(yōu)化機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品定型。

5.模具設(shè)計(jì)及量產(chǎn)。以產(chǎn)品定型方案為依據(jù)，完成相關(guān)模具設(shè)計(jì)，開展小批量試產(chǎn)及驗(yàn)證。根據(jù)小批量試產(chǎn)結(jié)果，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，并開始批量生產(chǎn)加工，完成產(chǎn)品組裝裝配，如圖3。

四、VSAT終端產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)原則及方法探究

以工業(yè)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的民用消費(fèi)產(chǎn)品研發(fā)，大概可分為圖4所示的三個(gè)階段。

目前在技術(shù)相對(duì)成熟與穩(wěn)定的領(lǐng)域，民用消費(fèi)品的設(shè)計(jì)研發(fā)大多以工業(yè)設(shè)計(jì)為先導(dǎo)，可以充分發(fā)揮工業(yè)設(shè)計(jì)在產(chǎn)品創(chuàng)新和定位方面特有的優(yōu)勢(shì)。而VSAT終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)是以功能實(shí)現(xiàn)為首要目標(biāo)，技術(shù)水平處于提升階段，產(chǎn)品集成度相對(duì)較低，對(duì)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)要求較高，并且涉及多專業(yè)交叉融合。在眾多因素綜合影響下，導(dǎo)致其工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則及方法流程，有別于大眾消費(fèi)產(chǎn)品，通過SATTOUR系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)過程，可以基本明確，VSAT衛(wèi)星通信終端在目前階段，其設(shè)計(jì)原則可歸納為：功能第一、專業(yè)協(xié)同、成本評(píng)估、設(shè)計(jì)提升。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷優(yōu)化提升，當(dāng)技術(shù)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，VSAT終端產(chǎn)品將逐漸過渡到以工業(yè)設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，從需求分析、用戶體驗(yàn)、產(chǎn)品創(chuàng)新等方面主導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)，呈現(xiàn)出外觀新穎、使用方便、性能優(yōu)良、售價(jià)合理的各型終端產(chǎn)品，逐步優(yōu)化衛(wèi)星通信產(chǎn)品開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信產(chǎn)品的普適化、可制造化、商品化。

總結(jié)

結(jié)合以工業(yè)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的民用產(chǎn)品研發(fā)流程，以VSAT衛(wèi)星通信便攜終端的特點(diǎn)，通過對(duì)SatTour系列產(chǎn)品研發(fā)過程的梳理，形成了以下適合此類產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。該流程方法可為同類型的衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。