雙模衛(wèi)星便攜終端系統(tǒng)

廖 川， 葉 家 帥

(1.四川華能涪江水電有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 622550；2.四川領(lǐng)航未來(lái)通信技術(shù)有限公司，四川 成都 611135)

0 引 言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施納入新基建范疇，對(duì)終端設(shè)備提出通信速率高、價(jià)格低、終端輕便、組網(wǎng)快捷等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)功能要求，同時(shí)具備專網(wǎng)通信具有的行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。我國(guó)在2020年7月9日發(fā)射了亞太6D衛(wèi)星，通信總?cè)萘扛哌_(dá)50 Gbps，這是我國(guó)目前第一顆Ku頻段的高通量商用通信衛(wèi)星，目前已經(jīng)正式投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)高通量時(shí)代邁進(jìn)了一步。與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星相比，高通量衛(wèi)星帶給市場(chǎng)用戶更優(yōu)惠的流量資費(fèi)(價(jià)格僅相當(dāng)于前者的1/10～1/5)，更加優(yōu)化的服務(wù)模式，更加可靠、靈活的使用終端等利好條件?？梢灶A(yù)計(jì)，衛(wèi)星通信將更為廣泛地服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)、教育、科研及管理等方面，衛(wèi)星通信專網(wǎng)建設(shè)也將迎來(lái)一個(gè)快速增長(zhǎng)時(shí)期。

該項(xiàng)目攻克了技術(shù)和工程化問題，具有載波智能切換、伺服跟蹤設(shè)計(jì)和核心網(wǎng)絡(luò)自組等關(guān)鍵技術(shù)，公網(wǎng)與專網(wǎng)共用一套天線,可為用戶提供無(wú)處不在的高速互聯(lián)網(wǎng)、視頻、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、監(jiān)控、調(diào)度指揮等多種應(yīng)用服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了真正意義的一機(jī)多用功能，具有隨遇接入、自主可控、應(yīng)用豐富的優(yōu)勢(shì)，雙模衛(wèi)星便攜終端系統(tǒng)為國(guó)家寬帶網(wǎng)絡(luò)體系“一帶一路”，“互聯(lián)網(wǎng)+”和“寬帶中國(guó)”的實(shí)施戰(zhàn)略提供有力支撐。

四川是一個(gè)災(zāi)害頻發(fā)、災(zāi)害面廣的地區(qū)，就地震災(zāi)害而言，四川省的地震大多分布在東經(jīng)104°以西地區(qū)。主要集中在鮮水河、安寧河-則木河、龍門山等七個(gè)地震帶(區(qū))上。東經(jīng)104°以西地區(qū)是四川水電資源最豐富的地區(qū)，也是地理?xiàng)l件最惡劣的地區(qū)。一旦發(fā)生地震可能會(huì)造成通信完全中斷。此外，四川地區(qū)山多水多，也經(jīng)常發(fā)生洪水和泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。在通信系統(tǒng)遭到自然災(zāi)害巨大破壞的同時(shí)，也伴隨著地面交通的中斷，搶險(xiǎn)救災(zāi)、恢復(fù)通信的工作難度將大幅度增加。

華能四川公司衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)，使公司電站形成了各電站通過衛(wèi)星系統(tǒng)與成都直接通信的能力，極大緩解了自然災(zāi)害對(duì)于公司水電站的通信中斷影響。在“8·28洪災(zāi)”以及“8·17災(zāi)害”中衛(wèi)星通信系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的通信保障作用，為成都集控中心，各電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和白馬管理中心提供了應(yīng)急通信的保障。但是已有衛(wèi)星便攜站存在體積大，搬運(yùn)組裝困難的問題，且已有便攜站只能接入四川公司衛(wèi)星通信網(wǎng)，無(wú)法為現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救災(zāi)提供更方便的通信方式。

1 雙模系統(tǒng)的組成

該雙模衛(wèi)星便攜終端系統(tǒng)主要由射頻系統(tǒng)、基帶系統(tǒng)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、路由系統(tǒng)等組成。射頻系統(tǒng)由反射面、饋源、LNB和BUC及射頻鏈路組成，完成射頻信號(hào)的收發(fā)功能；基帶系統(tǒng)主要由SKYWAN7 000和IQ200組成，分別完成專網(wǎng)和公網(wǎng)的建鏈和通信；伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及和線控制器等部件組成。結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)臺(tái)由俯仰和方位兩個(gè)相互正交并組合成一體的精密回轉(zhuǎn)軸系組成，具備手動(dòng)/電動(dòng)調(diào)節(jié)接收角度的優(yōu)點(diǎn)，解決用戶在使用產(chǎn)品時(shí)調(diào)節(jié)角度費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，可提高用戶對(duì)產(chǎn)品的安裝精度從而縮短產(chǎn)品對(duì)星時(shí)間，提升用戶使用效率和體驗(yàn)，增強(qiáng)產(chǎn)品可用性和實(shí)用性。雙模衛(wèi)星便攜終端整體外觀見圖1。

圖1 雙模衛(wèi)星便攜終端整體外觀圖

1.1 系統(tǒng)參數(shù)分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，不僅需要克服長(zhǎng)距離空間傳輸帶來(lái)的損耗，同時(shí)還需要綜合終端尺寸，重量和功率要求，有效地為地球站提供可靠的高質(zhì)量通信鏈路，必須進(jìn)行精確的鏈路預(yù)算，確保各項(xiàng)傳輸參數(shù)及噪聲和干擾均能滿足業(yè)務(wù)要求。在專網(wǎng)方面，選擇了亞洲衛(wèi)星公司的亞洲7號(hào)衛(wèi)星，其定點(diǎn)于105.5°E，與四川華能現(xiàn)有業(yè)務(wù)使用同一個(gè)衛(wèi)星，可以較好地覆蓋亞太大部分地區(qū)；在公網(wǎng)方面，選擇了亞太星通公司的高通量衛(wèi)星-亞太6D，其定點(diǎn)于134°E，其采用點(diǎn)波束，G/T值最高可超20dB//K，提供下行20Mbps和上行8Mbps的傳輸速率，亞太6D商業(yè)模式也區(qū)別于傳統(tǒng)頻段衛(wèi)星，以流量計(jì)費(fèi)顯得更靈活。

綜合便攜站承載業(yè)務(wù)，該次設(shè)計(jì)專網(wǎng)屬于網(wǎng)狀網(wǎng)，其占用的功率最多，以其為基準(zhǔn)計(jì)算鏈路參數(shù)；己知亞洲7號(hào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的參數(shù)和用戶使用要求：根據(jù)亞洲7號(hào)衛(wèi)星的覆蓋圖，在用戶方落地場(chǎng)強(qiáng)為50 dBW，便攜終端需要能夠全天候保持在線保障2 MHz帶寬，計(jì)算出便攜終端的等效輻射功率≥82 dbm，根據(jù)包裝尺寸、便攜性和鏈路可用度綜合考慮，采用0.6 m口徑天線+40 W功放;低噪放根據(jù)采用專網(wǎng)衛(wèi)星亞洲7號(hào)和公網(wǎng)衛(wèi)星亞太6D參數(shù)情況，采用雙本振寬頻低噪聲放大器。亞洲7號(hào)衛(wèi)星覆蓋見圖2，亞太6D衛(wèi)星覆蓋見圖3。

圖2 亞洲7號(hào)衛(wèi)星覆蓋圖

圖3 亞太6D衛(wèi)星覆蓋圖

1.2 公網(wǎng)和專網(wǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

雙模衛(wèi)星便攜終端可以為用戶提供多星、多主站、多系統(tǒng)互為備份的公專結(jié)合的業(yè)務(wù)應(yīng)用模式和場(chǎng)景，遠(yuǎn)端站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活選擇公網(wǎng)通信保障或者專網(wǎng)保障，應(yīng)用場(chǎng)景靈活，需要實(shí)現(xiàn)公專一鍵切換、物理隔離，設(shè)計(jì)采用以下四點(diǎn)。

(1)采用繼電器和射頻開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器的供電控制及射頻傳輸。其中選用低損耗高品質(zhì)的合路器，以減小射頻網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗；繼電器和射頻開關(guān)的狀態(tài)通過上位機(jī)設(shè)置，斷電可以保存該狀態(tài)。

(2)若需將公網(wǎng)與專網(wǎng)的切換時(shí)間減少，此方式通電后兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器都處在運(yùn)行狀態(tài)，通過射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)射頻鏈路的無(wú)縫切換(100 ms)，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)與專網(wǎng)的切換，此方式增加能耗。

(3)針對(duì)自動(dòng)便攜站在戶外使用的用電消耗問題，可以采用上位機(jī)關(guān)閉未工作的modem的電源，能夠減少耗能，延長(zhǎng)室外電源的工作時(shí)間。

(4)便捷公專網(wǎng)物理隔離切換。首先網(wǎng)絡(luò)不共用路由器等設(shè)備，分別設(shè)置公網(wǎng)管理口、公網(wǎng)業(yè)務(wù)口、專網(wǎng)管理口和專網(wǎng)業(yè)務(wù)口，初次上電時(shí)，如果按鍵是按下去的狀態(tài)就進(jìn)行專網(wǎng)參數(shù)對(duì)星，如果是上電后再按下按鍵就進(jìn)行公網(wǎng)參數(shù)對(duì)星，并通過繼電器相對(duì)應(yīng)控制公網(wǎng)和專網(wǎng)的調(diào)制解調(diào)器供電。

共享經(jīng)濟(jì)時(shí)代，河北銷售公司依托品牌優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新經(jīng)營(yíng)模式，探索跨界合作、異業(yè)聯(lián)盟，通過與河北銀聯(lián)、中國(guó)電信、支付寶等20多家企業(yè)跨界合作，實(shí)現(xiàn)刷手機(jī)、刷信用卡、刷一卡通、用銀聯(lián)錢包加油，優(yōu)惠疊加后客戶既省錢又省力。

1.3 天線設(shè)計(jì)

天線的電性能是便攜終端最主要的性能之一，保證天線的電性能是便攜終端設(shè)計(jì)的基本要求。天線反射面的面型精度和位置精度是保證天線反射面電性能的前提條件。因此，在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)反射面的面型精度和尺寸穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求；為控制整個(gè)便攜終端系統(tǒng)重量以實(shí)現(xiàn)輕量化的要求，天線主面0.6 m采用碳纖維復(fù)合材料的反射面天線。采用碳纖維復(fù)合材料制造反射面具有質(zhì)量輕和高強(qiáng)度的特點(diǎn)[1]，在同等厚度下，復(fù)合材料反射面天線(含背夾)重2.5 kg，較相應(yīng)的鋁天線反射面減重60%，面型精度RMS由于0.06 mm，大大優(yōu)于鋁制天線( 0.12 mm)[2]，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的電性能。而且，隨著制造工藝的進(jìn)一步完善，碳纖維復(fù)合材料天線的制造成本將會(huì)不斷降低；通過工藝設(shè)計(jì)來(lái)滿足各種拋物面天線反射面的性能要求，該設(shè)計(jì)采用碳纖維作為天線面板材料[3]。

2 系統(tǒng)測(cè)試

雙模衛(wèi)星便攜終端實(shí)現(xiàn)后需要系統(tǒng)測(cè)試以保證功能的完備性，測(cè)試的主要內(nèi)容包括天線電性能測(cè)試和上星性能測(cè)試。按照《國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信小型地球站VSAT通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。天線的電性能測(cè)試結(jié)果符合其要求，關(guān)鍵指標(biāo)如下：

天線的發(fā)射增益≥37.2 dBi@14.25 GHz；

接收天線接收增益≥35.5 dBi@11.75 GHz；

駐波比≤1.34；

極化隔離度≥32 dB；

上星性能測(cè)試方面，專網(wǎng)測(cè)試通過亞洲7號(hào)

衛(wèi)星進(jìn)行了4 h的業(yè)務(wù)傳輸試驗(yàn)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成專網(wǎng)業(yè)務(wù)2M帶寬的傳輸要求，實(shí)現(xiàn)華能四川水電有限公司和各子公司的話音視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸[5]，公網(wǎng)方面通過亞太6D完成同時(shí)4路音視頻傳輸測(cè)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過測(cè)試結(jié)果表明，雙模衛(wèi)星便攜終端達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于具有VSAT專用通信網(wǎng)的應(yīng)急通信部門或者企業(yè)，同時(shí)又具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)建成后具備公專網(wǎng)通信功能，兩種網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充提高其應(yīng)急支撐能力有顯著的指導(dǎo)作用。終端性能突出，具有廣覆蓋、速度快、低成本、短時(shí)間、高效率等優(yōu)勢(shì)，該輕量化終端設(shè)備敏捷高效、韌性抗毀、隨遇接入的優(yōu)良特點(diǎn)，破解了無(wú)網(wǎng)斷電等極端條件下的應(yīng)急通信保障問題，一體化設(shè)計(jì)使該系統(tǒng)可以在幾分鐘內(nèi)完全組裝，單設(shè)備具備多星、多主站、多系統(tǒng)、公專結(jié)合的通信保障能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活選公網(wǎng)或者專網(wǎng)有效支撐了線上遠(yuǎn)程調(diào)度與線下應(yīng)急行動(dòng)相結(jié)合的方式，逐步完善了跨領(lǐng)域、跨層級(jí)、跨地域的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制，推動(dòng)了我國(guó)通信模式的創(chuàng)新。