論KU波段衛(wèi)星通信在民航中的應(yīng)用

杜 巍

中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局

遠(yuǎn)距離通過(guò)信號(hào)的傳輸和接收來(lái)交換信息，這就是電信通訊。衛(wèi)星技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)交換的最常見(jiàn)和最有效的方法之一。衛(wèi)星通信能夠使用不同的頻帶波段，這取決于所需的通信類型。頻帶的定義是電磁波譜的范圍，其中包括傳送到或從衛(wèi)星天線發(fā)出的波，分配給無(wú)線電通信的不同用途，例如廣播、移動(dòng)電話或無(wú)線電導(dǎo)航。最常用的頻帶波段是C、Ku、Ka，也有一些頻帶如X、L。

1 KU 波段通信

衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速，衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用也在不斷增加。衛(wèi)星不僅可以用于無(wú)線電通信，還可以用于天文學(xué)、天氣預(yù)報(bào)、廣播、制圖和許多其他應(yīng)用。由于可以使用的衛(wèi)星頻帶多種多樣，因此已制定了各種名稱，便于查閱。

較高的頻段通常提供更寬的帶寬，但也更容易受到“雨衰減”(大氣雨、雪或冰對(duì)無(wú)線電信號(hào)的吸收)造成的信號(hào)退化。由于衛(wèi)星的使用、數(shù)量和尺寸的增加，在較低的頻段，擁塞已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。我國(guó)正在研究新的技術(shù)，以便使用更高的波段。

KU波段最著名的用途是進(jìn)行衛(wèi)星廣播通信。KU波段在頻率上位于中間，利用的是大約12～18 GHz的射頻范圍。這導(dǎo)致帶寬處于中間范圍[1]。

KU波段衛(wèi)星通訊計(jì)算已經(jīng)使用多年，并隨著VSAT（甚小口徑衛(wèi)星終端站）的出現(xiàn)而廣泛應(yīng)用。KU波段的頻率范圍使高效率成為可能，其可用性水平可以保持在99.5%以上。此外，它允許使用小型設(shè)備，例如，74厘米的衛(wèi)星天線的使用降低了其復(fù)雜性、物流成本以及服務(wù)安裝。

在信號(hào)的傳輸和接收中，頻段是通信的重要組成部分。隨著時(shí)間的推移，需要使用KU頻帶頻率，以前常使用的是C頻帶，盡管提供了非常高的服務(wù)可用性，但它的總體效率不是很好。正因?yàn)槿绱?，KU頻段的到來(lái)提高了效率，以更低的成本實(shí)現(xiàn)了更高的帶寬。

盡管KU頻段適用于任何需要高帶寬的部門(mén)，但建議將其應(yīng)用于石油、金融、礦業(yè)、航空和能源部門(mén)。目前，被授權(quán)制造衛(wèi)星天線的公司的主要工作是更新地球接收信號(hào)所用的設(shè)備技術(shù)。如果KU頻段與高溫超導(dǎo)衛(wèi)星的使用變得更加廣泛，就可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。

2 民航VSAT應(yīng)用

KU波段衛(wèi)星在航空上有許多商業(yè)應(yīng)用，其中最引人注目的可能是VSAT（甚小口徑衛(wèi)星終端站）。使用甚小孔徑終端跟蹤民航客機(jī)航線是航空業(yè)開(kāi)創(chuàng)的眾多創(chuàng)新之一，其能有效地實(shí)時(shí)管理其龐大的航線運(yùn)行，并降低事故發(fā)生幾率。

與地面基站相結(jié)合，甚小孔徑終端使中樞系統(tǒng)能夠更精確地了解航線飛機(jī)位置，并調(diào)度飛機(jī)的飛行狀態(tài)。其他行業(yè)甚至使用甚小孔徑終端來(lái)傳遞訂單，實(shí)時(shí)檢查生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及其他通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)處理的功能[2-3]。

甚小孔徑終端為民航科技提供了一種在有線選擇有限的地區(qū)提供接入的方法。除了偶爾由于太陽(yáng)輻射導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)失真而中斷外，甚小孔徑終端網(wǎng)絡(luò)一直運(yùn)行良好。

甚小孔徑終端網(wǎng)絡(luò)在部署方面有很大優(yōu)勢(shì)。由于地面站與衛(wèi)星通信為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供服務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施較少，因此民航選擇甚小孔徑終端進(jìn)行部署。

這使得甚小孔徑終端網(wǎng)絡(luò)成為民航通信一個(gè)理想的選擇，為遠(yuǎn)程工作站點(diǎn)提供連接，需要將每天的客機(jī)航線發(fā)回總部。甚小孔徑終端也獨(dú)立于當(dāng)?shù)仉娦啪W(wǎng)絡(luò)，使其成為備份有線系統(tǒng)和降低業(yè)務(wù)恢復(fù)風(fēng)險(xiǎn)的理想系統(tǒng)。如果有線網(wǎng)絡(luò)癱瘓了，地面基站仍然可以繼續(xù)使用甚小孔徑終端網(wǎng)絡(luò)。

然而，甚小孔徑終端也有局限性。最明顯的是延遲，因?yàn)橛捎谙到y(tǒng)的一部分位于地球同步軌道上，信息到達(dá)天線和空間站需要時(shí)間。換句話說(shuō)，需要大量來(lái)回通信而不是單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議會(huì)出現(xiàn)延遲。信號(hào)質(zhì)量也會(huì)受到天氣和其他建筑物的影響。

當(dāng)甚小孔徑終端打開(kāi)電源時(shí)，它的操作狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)控中心和終端上的命令處理器評(píng)估。當(dāng)滿足以下條件時(shí)，才能啟用VSAT傳輸：

1）VSAT確定正確接收和解釋網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心產(chǎn)生的指定命令信號(hào)；

2）甚小孔徑終端確認(rèn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致有害干擾的故障；

3）初始傳輸參數(shù)如頻率、功率、調(diào)制、定時(shí)、編碼方案等均符合預(yù)期性能。當(dāng)甚小孔徑終端以獨(dú)立模式運(yùn)行時(shí)，條件1）和3）不適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洹?/p>

在確定甚小孔徑終端的初始傳輸參數(shù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心可能會(huì)考慮以下幾種情況：

-甚小孔徑終端的地理位置（以確定傳輸時(shí)間、傳播損耗以及終端是否獲準(zhǔn)在該地點(diǎn)操作）；

-甚小孔徑終端方向的衛(wèi)星增益（以確定朝向甚小孔徑終端和從甚小孔徑終端發(fā)射的功率）；

-本地雨量統(tǒng)計(jì)。

在甚小孔徑終端運(yùn)行期間，網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心及其自己的指揮處理器不斷對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，以確保其正確運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心或同等設(shè)施通?？梢员O(jiān)測(cè)甚小孔徑終端的運(yùn)行狀況，并確定甚小孔徑終端是否出現(xiàn)故障。

當(dāng)發(fā)生下列事件之一時(shí)，甚小孔徑終端應(yīng)停止傳輸：

1）VSAT從網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心失去控制載波；

2）甚小孔徑終端探測(cè)到可能產(chǎn)生有害干擾的故障；

3）從網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心收到命令，指示VSAT改變發(fā)射頻率；

4）目標(biāo)衛(wèi)星軌道位置與甚小衛(wèi)星天線主瓣軸線的夾角超過(guò)允許范圍；

5）甚小孔徑終端被轉(zhuǎn)移到?jīng)]有行政許可的地理區(qū)域。

一旦導(dǎo)致上述關(guān)閉的問(wèn)題得到解決，甚小孔徑終端可能會(huì)恢復(fù)傳輸。然而，具有“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洹焙酮?dú)立運(yùn)行的甚小孔徑終端網(wǎng)絡(luò)在其本地故障消除后仍可繼續(xù)傳輸，而不會(huì)收到來(lái)自另一甚小孔徑終端運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)，否則，如果故障消除后雙方停止傳輸，網(wǎng)絡(luò)將永遠(yuǎn)無(wú)法恢復(fù)。

此外，小孔徑終端應(yīng)接受國(guó)家通信中心或同等設(shè)施（如在緊急情況下）發(fā)出的“啟用傳輸”/ “禁用傳輸”的命令。

3 VSAT硬件組成

VSAT（Very Small Aperture Terminal）是小口徑天線衛(wèi)星通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，由中心站和眾多遠(yuǎn)端小站形成的網(wǎng)狀衛(wèi)星網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。VSAT，也就是使用小口徑天線的用戶地面站。VSAT系統(tǒng)以通信衛(wèi)星為中繼，實(shí)現(xiàn)VSAT與主站或VSAT之間的通信，能夠提供各種電信業(yè)務(wù)。

VSAT有各種配置和尺寸，取決于預(yù)期的應(yīng)用、操作頻帶和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。然而，?duì)于民航業(yè)VSAT，其硬件分為兩部分：室外機(jī)組件和室內(nèi)機(jī)組件。

室外機(jī)組件包括：

1）工作在Ku波段的1.2 m天線；

2）接收信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)l波段LNB。LNB將衛(wèi)星接收到的Ku波段信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)波段信號(hào)；

3）發(fā)射機(jī)用于發(fā)射信號(hào)。發(fā)射機(jī)將VSAT傳輸?shù)腖波段信號(hào)轉(zhuǎn)換為Ku波段信號(hào)。

4）OMT(正極換能器)利用發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的不同極化和頻率，將發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分離。

室內(nèi)機(jī)組件與室外機(jī)組件之間的兩根IFL線纜。IFL（Inter-Facility Link）電纜承載LNB的入站、出站信號(hào)和24 V DC。

室內(nèi)機(jī)組件包括以下IDU部件：調(diào)制器；解調(diào)器；2個(gè)串口和1個(gè)以太網(wǎng)端口。

通常，對(duì)于在集線器上工作的甚小孔徑終端遠(yuǎn)程設(shè)備，大部分配置將從集線器遠(yuǎn)程執(zhí)行。對(duì)于VSAT，通常通過(guò)IDU和供應(yīng)商提供的電纜上的配置端口進(jìn)行配置。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異可能會(huì)影響VSAT的控制和監(jiān)控功能。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一般有一個(gè)“集線器”地面站，來(lái)自一組VSAT的用戶流量集中在這里，并承擔(dān)對(duì)VSAT的控制。但是，為了冗余目的，網(wǎng)絡(luò)中可以使用多個(gè)樞紐地面站（即主樞紐地面站和備用樞紐地面站）。在VSAT之間通信時(shí)，必須使用“雙跳”路徑（2N階延遲）。

在許多情況下，基于需求驅(qū)動(dòng)協(xié)議的VSAT之間共享頻譜。對(duì)于這類網(wǎng)絡(luò)，出站（即集線器到甚小孔徑終端）流量和入站（即甚小孔徑終端到集線器）流量的傳輸速度通常是不對(duì)稱的，以避免數(shù)據(jù)流量在集線器出現(xiàn)瓶頸。還應(yīng)注意的是，具有不同特性（如天線直徑、傳輸功率等）的VSAT可能在同一網(wǎng)絡(luò)中工作。

在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一組VSAT可以相互通信，而不需要hub地面站（即“單跳”連接，N階延遲）。有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控中心（NCMC）地面站（或多個(gè)冗余的NCMC地面站）來(lái)管理和控制這組VSAT。然而，用戶流量不需要集中到NCMC地面站。在許多情況下，頻譜在VSAT之間按需共享，傳輸速度隨工位的不同而不同。還應(yīng)注意的是，具有不同特性（如天線直徑、傳輸功率等）的VSAT可能在同一網(wǎng)絡(luò)中工作。

4 結(jié)論

近十年來(lái)，空中連接服務(wù)提供商一直承諾提供一種空中連接解決方案，提供真正的寬帶空中體驗(yàn)。雖然服務(wù)產(chǎn)品確實(shí)有所改進(jìn)，但不穩(wěn)定的速度、不完善的覆蓋范圍和高昂的費(fèi)用意味著，很少有運(yùn)營(yíng)商或他們的乘客能夠確信，他們的機(jī)上連接體驗(yàn)與辦公室差不多。

利用高技術(shù)、高性能的KU-Band衛(wèi)星可以幫助建設(shè)一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，最終將提供航空所需的低延遲、高速和全球可訪問(wèn)的連接解決方案。