劉成章 宋汝平 李 猛
(海軍青島通信修理廠(chǎng) 青島 266109)
衛(wèi)星通信是海軍走向深藍(lán)的通信基礎(chǔ),因其具有抗干擾能力強(qiáng),不易被敵方截獲,覆蓋范圍廣,通信帶寬寬,全時(shí)雙工音視頻通訊等功能,已然成為艦船遠(yuǎn)海通信的主要手段。目前艦船使用的主要衛(wèi)星通信設(shè)備有衛(wèi)星通信艦載站、動(dòng)中通、海事衛(wèi)星F/BGAN/C站、銥星電話(huà)。衛(wèi)星通信相關(guān)設(shè)備組成復(fù)雜,設(shè)計(jì)理念先進(jìn),涉及技術(shù)、知識(shí)面廣,結(jié)構(gòu)原理難于全面掌握,艦員作為艦船遠(yuǎn)航過(guò)程中通信保障的中堅(jiān)力量,其針對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備的自修能力有待于進(jìn)一步提高,從而導(dǎo)致艦船遠(yuǎn)航衛(wèi)星通信設(shè)備保障形勢(shì)嚴(yán)峻,亟需專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員隨艦保障。論文針對(duì)目前艦船的幾類(lèi)主要衛(wèi)星通信設(shè)備做簡(jiǎn)要分析,進(jìn)一步完善艦員衛(wèi)星通信的理論體系,為提高維修水平打下良好的基礎(chǔ)。
衛(wèi)星通信艦載站是目前海軍艦船遠(yuǎn)海任務(wù)的主要通信設(shè)備,在業(yè)務(wù)上主要實(shí)現(xiàn)電話(huà)、傳真、音視頻、數(shù)據(jù)全時(shí)雙工傳輸,也是目前艦船遠(yuǎn)海任務(wù)急需保障的設(shè)備之一。整個(gè)衛(wèi)星通信鏈路由地面收發(fā)站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、艦載站組成,該鏈路相關(guān)設(shè)備組成復(fù)雜,集成度較高,理論先進(jìn),艦員理論與維修水平需要進(jìn)一步提高。衛(wèi)星通信艦載站主要由伺服系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、終端設(shè)備組成。
伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)全時(shí)段跟蹤對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星波束中心,該系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械電傳感技術(shù)比較先進(jìn)[1],采用的元器件敏感度較高,對(duì)于艦員來(lái)說(shuō)往往故障定位非常困難。伺服天線(xiàn)各種型號(hào)口徑0.9m~1.5m,屬于精密機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng),其利用方位、俯仰、交叉三軸組成穩(wěn)定的系統(tǒng)[2],跟蹤衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào),使天線(xiàn)基本對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,再由俯仰和交叉兩軸的陀鏍漂移、電路漂移引起波束指向變化,跟蹤接收機(jī)將指向變化誤差轉(zhuǎn)換為誤差電壓,經(jīng)跟蹤回路修整天線(xiàn)指向,形成兩軸跟蹤方式[3]。伺服系統(tǒng)三軸組成閉環(huán),實(shí)時(shí)檢測(cè)角度偏差,不停地驅(qū)動(dòng)相應(yīng)軸電機(jī)進(jìn)行減小偏差的運(yùn)動(dòng),使天線(xiàn)始終指向衛(wèi)星。由于伺服天線(xiàn)在艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)處于不停的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),所以各軸對(duì)電機(jī)以及角度檢測(cè)、傳感等器件的質(zhì)量要求很高,不僅能承受高強(qiáng)度的工作負(fù)荷,還要在高溫、高濕、高鹽的環(huán)境中有很長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)壽命[4]。
通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)群路信號(hào)調(diào)制解調(diào)、收發(fā)載波以及頻段變換,集成度較高,屬于信道處理部分,涉及理論復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)級(jí)故障修理模式還局限于替代法模塊化修理,涉及頻率、信號(hào)變換的還需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)儀表檢測(cè)。通信系統(tǒng)收發(fā)分離,發(fā)射分路將群路數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)次變頻轉(zhuǎn)變成適合發(fā)射的Ku/Ka波段信號(hào),經(jīng)天線(xiàn)輻射面輻射出去,發(fā)射至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器,各種型號(hào)設(shè)備配置發(fā)射功率20W~200W,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收并轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收站;同理,通信系統(tǒng)的接收分路主要處理由天線(xiàn)接收下來(lái)的信號(hào),將接收到的Ku/Ka波段信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列變頻轉(zhuǎn)變成群路信號(hào)分發(fā)給各路輸出。經(jīng)過(guò)數(shù)次變頻,頻段由70MHz變化到14GHz或30GHz,所涉及的信號(hào)處理基本理論要求較高。
終端設(shè)備通過(guò)配備相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的即時(shí)通訊,大部分屬于CPU處理系列PC機(jī),非專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)維修難度更大,替代法排除故障往往受到相關(guān)備件器材不足的限制。系統(tǒng)配有保密設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備,目前艦船收發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要依靠該類(lèi)型設(shè)備。
動(dòng)中通是Ku單頻段衛(wèi)星通信設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)電話(huà)、音視頻、數(shù)據(jù)傳輸[5],目前艦載動(dòng)中通系統(tǒng)在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)上僅作為衛(wèi)星通信艦載站的電話(huà)、音、視頻業(yè)務(wù)備份使用,以網(wǎng)絡(luò)保障為主。整套系統(tǒng)主要由伺服天線(xiàn)以及控制器、調(diào)制解調(diào)器、視頻編解碼器、保密設(shè)備等組成。
伺服天線(xiàn)的跟蹤原理與衛(wèi)星通信艦載站基本一致,動(dòng)中通伺服天線(xiàn)是兩軸穩(wěn)定模式,只有方位和俯仰軸,其跟蹤精度小于衛(wèi)星通信艦載站。天線(xiàn)口徑0.8m,較衛(wèi)星通信艦載站小,配置發(fā)射功率40W功放,支持1M帶寬的傳輸速率。
調(diào)制解調(diào)器輸出中頻為L(zhǎng)波段,直接送到天線(xiàn)進(jìn)行變頻,將L頻段變成Ku頻段,增加功率輻射出去,主要變頻元器件為上變頻功率放大器,兼有上變頻和功率放大作用。天線(xiàn)接收下來(lái)的Ku信號(hào)經(jīng)低噪放大再變頻成L頻段直接送到調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解調(diào),主要變頻元器件為低噪聲下變頻器,兼有下變頻和低噪放大功能。上變頻功率放大器和低噪聲下變頻器都位于伺服天線(xiàn)內(nèi),設(shè)備集成度較高,大部分器件為進(jìn)口件,目前檢測(cè)手段有限,很難進(jìn)行故障定位,加之缺乏備品備件,導(dǎo)致伺服天線(xiàn)的保障難度尤其大。但是該型設(shè)備的性能比較穩(wěn)定,而且作為備用通信手段使用率不高的情況下故障率不高,通信質(zhì)量較好,應(yīng)急情況下完全可以配置相應(yīng)的保密設(shè)備以及無(wú)線(xiàn)安全設(shè)備部分替代衛(wèi)星通信艦載站[6]。
海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是全球、全天候、全方位工作,其利用美國(guó)、歐洲等在太平洋、大西洋、印度洋的衛(wèi)星建立的一種通信系統(tǒng),主要面向船舶通信,由國(guó)際海事衛(wèi)星組織負(fù)責(zé)管理[7]。目前艦船上一直沿用的站型有海事衛(wèi)星F站、BGAN站、C站,海事衛(wèi)星F站、BGAN站可實(shí)現(xiàn)音視頻、數(shù)據(jù)傳輸[8],C站可實(shí)現(xiàn)郵件、電報(bào)收發(fā),海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)只作為備用通信手段,在業(yè)務(wù)上海事衛(wèi)星電話(huà)基本上用于和地方海事部門(mén)、漁船、遠(yuǎn)洋船舶溝通事宜。
海事衛(wèi)星各站型開(kāi)機(jī)利用GPS自動(dòng)定位,自動(dòng)搜索衛(wèi)星信號(hào),待機(jī)時(shí)處于區(qū)域波束,建立通信時(shí)使用窄點(diǎn)波束[9],相關(guān)站型設(shè)備集成度非常高,可維修的板件幾乎沒(méi)有,備品備件不足導(dǎo)致該型設(shè)備的保障能力嚴(yán)重不足,但是基于該類(lèi)設(shè)備工作比較穩(wěn)定,很少有硬件的技術(shù)性故障發(fā)生,大都是版本更新、參數(shù)設(shè)置等軟件故障,所以艦員針對(duì)該類(lèi)型設(shè)備的詳細(xì)使用方法應(yīng)熟練掌握,各種參數(shù)設(shè)置要知其所以然。
銥星電話(huà)通信系統(tǒng)是由66顆環(huán)繞地球的低軌道衛(wèi)星網(wǎng)組成的全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[10],通過(guò)無(wú)縫隙的全球覆蓋,為用戶(hù)提供隨時(shí)隨地、及時(shí)溝通的便捷通信服務(wù),是迄今為止覆蓋范圍最廣的衛(wèi)星通信系統(tǒng),是真正意義上的全球衛(wèi)星通信,由美國(guó)的摩托羅拉公司負(fù)責(zé)管理。
目前艦船配備的銥星手機(jī)在業(yè)務(wù)上主要是一種備用通信手段,也可以認(rèn)為是海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的備份,可與海事衛(wèi)星系統(tǒng)互通,可撥打軍線(xiàn)、地方電話(huà),主要用來(lái)與漁船、遠(yuǎn)洋船舶溝通相關(guān)事宜。該手持機(jī)的原理與手機(jī)的原理基本一致,基于目前艦員的檢修能力,該類(lèi)設(shè)備基本沒(méi)有可維修性。
1)衛(wèi)星通信受雨雪天氣影響嚴(yán)重
目前軍用衛(wèi)星通信的頻段主要是Ku、Ka頻段,該頻段受雨雪天氣影響較大,主要原因是Ku、Ka頻段雨、雪衰現(xiàn)象比較嚴(yán)重,當(dāng)出現(xiàn)雨、雪天氣時(shí),衛(wèi)星通信效果比較差,甚至?xí)袛嗤ㄐ拧?/p>
2)受太陽(yáng)活動(dòng)影響
太陽(yáng)位于地球赤道上空,會(huì)發(fā)出強(qiáng)大的電磁輻射,當(dāng)太陽(yáng)、通信衛(wèi)星和地面接收天線(xiàn)位于一條直線(xiàn)上時(shí),會(huì)形成星蝕和日凌現(xiàn)象,如圖1所示。
圖1 星蝕、日凌示意圖
春分和秋分前后23天中,每天當(dāng)衛(wèi)星的星下點(diǎn)(衛(wèi)星與地心連線(xiàn)同地球表面的交點(diǎn))進(jìn)入當(dāng)?shù)貢r(shí)間午夜前后,地球擋住陽(yáng)光,衛(wèi)星處于地球陰影中,這種現(xiàn)象稱(chēng)為星蝕。星蝕每次出現(xiàn)45天,兩次共計(jì)90天,春分和秋分兩天時(shí)間最長(zhǎng),為72分鐘,會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信造成一定影響,但影響不大。
春分和秋分前后連續(xù)數(shù)天,星下點(diǎn)進(jìn)入當(dāng)?shù)貢r(shí)間中午前后,地面上行站對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),強(qiáng)大的太陽(yáng)輻射會(huì)對(duì)衛(wèi)星下行信號(hào)造成強(qiáng)烈干擾,大量的太陽(yáng)噪聲進(jìn)入接收設(shè)備,嚴(yán)重時(shí)信號(hào)中斷,這種現(xiàn)象稱(chēng)為日凌。日凌會(huì)導(dǎo)致接收視頻畫(huà)面不清晰,出現(xiàn)雪花或馬賽克,一般不會(huì)完全中斷通信[11],每年集中發(fā)生2次,每次持續(xù)10天左右,每日持續(xù)約幾分鐘,目前手段無(wú)法完全消除日凌對(duì)衛(wèi)星通信的干擾,但是天線(xiàn)口徑越大影響時(shí)間越短。
在春分和秋分前后利用衛(wèi)星通信時(shí),要根據(jù)接收信號(hào)質(zhì)量,密切結(jié)合以上兩種現(xiàn)象確切判斷是由于日凌還是星蝕現(xiàn)象引起的通信信號(hào)質(zhì)量不佳,防止由于判斷失誤盲目檢修,造成故障擴(kuò)大導(dǎo)致通信中斷。
3)艦船障礙物遮擋[12]
由于Ku、Ka頻段傳輸基本上是直線(xiàn)傳輸,繞開(kāi)障礙物的能力非常弱,當(dāng)艦載衛(wèi)星天線(xiàn)和衛(wèi)星之間有障礙物時(shí),會(huì)造成衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的遮擋,導(dǎo)致衛(wèi)星天線(xiàn)不能實(shí)時(shí)的跟蹤衛(wèi)星,導(dǎo)致通信中斷,障礙物一般是艦船煙筒、桅桿、雷達(dá)天線(xiàn)等。
4)轉(zhuǎn)大航向時(shí)天線(xiàn)無(wú)法快速跟蹤[12]
伺服天線(xiàn)系統(tǒng)用來(lái)克服航向轉(zhuǎn)變主要靠方位環(huán)路變化抵消,但是方位環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)速度一定,當(dāng)航向轉(zhuǎn)變速度過(guò)快時(shí),方位環(huán)路來(lái)不及反應(yīng),便表現(xiàn)為天線(xiàn)伺服系統(tǒng)跟蹤失鎖,導(dǎo)致通信暫時(shí)性中斷。
5)艦員自修能力有待于進(jìn)一步提高,檢測(cè)儀器有待于配備
目前艦船上使用的幾種衛(wèi)星通信設(shè)備,在頻段上都進(jìn)行了很大程度的變頻,所設(shè)計(jì)的元器件檢測(cè)需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)的儀表進(jìn)行檢測(cè),設(shè)備集成度相對(duì)較高,伺服天線(xiàn)系統(tǒng)是精密的機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng),檢測(cè)手段有限,艦員目前主要靠經(jīng)驗(yàn)加備件進(jìn)行故障定位和維修,在沒(méi)有充足的備件的情況下,很大程度上都依靠隨艦保障人員進(jìn)行故障檢修。艦員的自修能力有待于進(jìn)一步加強(qiáng),相關(guān)衛(wèi)通設(shè)備的檢測(cè)儀器也有待于配備。
艦船衛(wèi)星通信系統(tǒng)是遠(yuǎn)海航行的通信基礎(chǔ),隨著遠(yuǎn)海任務(wù)的逐漸增多,衛(wèi)通通信顯得越來(lái)越重要。作為艦船遠(yuǎn)海航行通信設(shè)備保障的中堅(jiān)力量,艦員應(yīng)全面學(xué)習(xí)艦船衛(wèi)星通信系統(tǒng)理論,熟練使用艦船配置的各種衛(wèi)星通信設(shè)備,充分掌握設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)和原理,研究各種故障的定位和檢測(cè)方法,一旦出現(xiàn)故障能迅速定位,利用現(xiàn)有的儀器儀表、備件器材完成故障修復(fù),恢復(fù)通信,才能保證通信業(yè)務(wù)迅速、準(zhǔn)確、不間斷。