一種適應(yīng)多衛(wèi)星的多模動(dòng)中通終端設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：常斗興（1979— ），男，高級(jí)工程師，本科；研究方向：應(yīng)急管理。

摘要：衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且處于不同軌道高度及工作頻段的衛(wèi)星具有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。為保障用戶即用即通需求，文章設(shè)計(jì)了一種適用于多種衛(wèi)星的終端，能夠滿足不同頻段、不同軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需求。終端由雙模動(dòng)中通天線和主機(jī)構(gòu)成，能夠根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)切換或手動(dòng)切換衛(wèi)星，以保障衛(wèi)星通信連續(xù)性。文章采用模塊化思想，獨(dú)立設(shè)計(jì)了主機(jī)2個(gè)頻段的通信單元。該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的可靠性和可擴(kuò)展性。跑車試驗(yàn)驗(yàn)證了終端的易用性和可靠性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動(dòng)通信；多模終端；模塊化設(shè)計(jì)；即時(shí)通信

中圖分類號(hào)：TP29" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)按照衛(wèi)星高度分為高軌、中軌和低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，不同高度軌道衛(wèi)星具有不同優(yōu)劣，包括業(yè)務(wù)能力、對(duì)星時(shí)間、傳輸時(shí)延等，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇［1-4］。

在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，衛(wèi)星通信設(shè)備必須保證隨時(shí)隨地進(jìn)行可靠通信。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種多模衛(wèi)星通信終端，包括天線和主機(jī)，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求和衛(wèi)星信號(hào)情況自動(dòng)選擇和接入不同的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，支持用戶業(yè)務(wù)。通過分析不同頻段衛(wèi)星能力，考慮天線和設(shè)備的技術(shù)要求、研發(fā)難度和周期成本等，本文選擇了已經(jīng)運(yùn)營的S頻段天通衛(wèi)星系統(tǒng)和L頻段的其他衛(wèi)星系統(tǒng)。兩者結(jié)合能夠做到衛(wèi)星系統(tǒng)互補(bǔ)、優(yōu)劣結(jié)合，支持話音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)，可在應(yīng)急情況下作為通信保障手段之一。

1" 多模終端整體設(shè)計(jì)

多模終端主要由衛(wèi)星天線和主機(jī)構(gòu)成［5］。其中，衛(wèi)星天線為相控陣天線，支持L、S頻段2種模式；主機(jī)包括S頻段通信單元和L頻段通信單元，分別完成2種模式的衛(wèi)星業(yè)務(wù)。多模終端為單待單通模式，在某一時(shí)刻只能有一種衛(wèi)星模式進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。具體如圖1所示。

主機(jī)中S和L頻段單元通過以太網(wǎng)方式與匯聚交換機(jī)相連，然后接入用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)。2種模式的控制和狀態(tài)信息通過串口連接到監(jiān)管設(shè)備，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示，并可下發(fā)控制指令，進(jìn)行參數(shù)配置等，任何一種模式上電運(yùn)行后，均能在監(jiān)管設(shè)備中進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，用戶可根據(jù)不同衛(wèi)星模式的狀態(tài)和業(yè)務(wù)類型手動(dòng)選擇使用模式，也可由監(jiān)管設(shè)備自動(dòng)控制切換。S和L單元通過射頻TNC口與天線連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的業(yè)務(wù)和控制交互。

2" 天線設(shè)計(jì)

2.1" 天線架構(gòu)設(shè)計(jì)

相控陣采用二維有源相掃體制，工作頻段覆蓋收發(fā)頻段，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用。相控陣天線系統(tǒng)主要由天線陣列分系統(tǒng)、射頻組件分系統(tǒng)、天線陣面及結(jié)構(gòu)件分系統(tǒng)、供電及波控設(shè)備等組成。從簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減小網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性以及適應(yīng)安裝的角度出發(fā)，天線陣面采用低剖面技術(shù)，劃分為多個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的層，功能獨(dú)立又相互連接［6］。

車載L頻段和S頻段相控陣天線系統(tǒng)主要由天線陣列、TR組件、北斗導(dǎo)航天線、北斗接收機(jī)、電源模塊、信號(hào)分路器、收發(fā)饋電網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控通信、衛(wèi)星信號(hào)接收、慣導(dǎo)模塊、天線控制單元以及天線結(jié)構(gòu)件組成［7-8］，如圖2所示。

2.2" 天線單元設(shè)計(jì)

2.2.1" 天線單元輻射形式選擇

相控陣天線的輻射單元主要形式有喇叭天線和微帶天線等。喇叭天線的優(yōu)點(diǎn)是輻射性能和極化性能較好，缺點(diǎn)是重量重、體積大。微帶天線重量輕、剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于加工，與射頻模塊連接方便，選用微帶天線可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和減輕重量，而且也有利于降低成本。因此，選用微帶天線作為單元天線是合理可行的方案。

2.2.2" 天線單元輻射單元數(shù)量選擇

根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)，盡可能在有限的空間布局盡量多的陣元，有利于天線G/T、EIRP、波束覆蓋范圍等指標(biāo)的提高，同時(shí)可以降低功耗。根據(jù)設(shè)備現(xiàn)有的尺寸結(jié)合天線單元大小，本文對(duì)比分析了多種陣列數(shù)量及需要的功放大小，最終確定S頻段采用16陣元的陣列形式和L頻段采用12陣元的陣列形式比較適合本項(xiàng)目的指標(biāo)需求。

2.3" 一體化模塊設(shè)計(jì)

一體化功能模塊能夠根據(jù)輸入的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)并跟蹤衛(wèi)星；提供L/S頻段的全雙工射頻收發(fā)和輻射天線。接收通道提供定向天線接收增益以及全帶寬內(nèi)小信號(hào)的低噪放大。發(fā)射通道提供定向天線發(fā)射增益以及全帶寬內(nèi)信號(hào)的功率放大；支持用戶手動(dòng)設(shè)置位置信息，內(nèi)部自帶B1+GPS接收機(jī)進(jìn)行內(nèi)部位置定位；能夠接受外部的控制和狀態(tài)查詢，支持手動(dòng)方位和俯仰的波束指向控制。

一體化模塊包含2個(gè)射頻通道（接收、發(fā)射）、波束控制、電源等。接收射頻通道用于接收射頻信號(hào)的接收、濾波、放大；發(fā)射射頻通道用于發(fā)射信號(hào)的放大、濾波、功率輸出；波束控制主要完成波束的運(yùn)動(dòng)控制，通過MCU和外部模塊接口實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射波束控制，開機(jī)自檢驗(yàn)和射頻通道控制等，具備設(shè)置查詢天線參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的功能；電源部分主要是對(duì)一體化模塊內(nèi)需要的各種電源提供穩(wěn)定的直流供電能力。

3" 主機(jī)設(shè)計(jì)

3.1" 主機(jī)構(gòu)成

主機(jī)內(nèi)部集成了S頻段衛(wèi)星通信功能和L頻段衛(wèi)星通信功能，采用模塊化設(shè)計(jì)路，其內(nèi)部集成關(guān)系如圖3所示，主要由電源管理模組、S頻段饋電合路器、S頻段車載板卡、L頻段饋電合路器、L頻段車載板卡等部分組成［9-10］。

電源管理模組將外部直流供電轉(zhuǎn)換成12 V和24 V 2路，其中12 V作為車載板卡的供電支路，24 V作為饋電合路器的供電支路。對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，其收發(fā)功耗特變大，時(shí)隙特征明顯，故電源管理模組保留了足夠的額定工作余量，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。饋電合路器實(shí)現(xiàn)車載板卡輸出的射頻信號(hào)和天線的直流饋電合路工作，選用的動(dòng)中通天線的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓典型值為36 V，故饋電合路器需要把輸入的直流24 V升壓為36 V后，再進(jìn)一步完成合路工作。S頻段車載板卡和L頻段車載板卡是主機(jī)的核心，主要完成S頻段和L頻段衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，并通過以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的交互。

3.2" S頻段車載板卡硬件設(shè)計(jì)

S頻段車載板卡內(nèi)部同樣采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要由應(yīng)用處理單元（AP）、通信處理單元（CP）和基板3部分組成。AP模塊內(nèi)部由AP處理器和Wi-Fi模塊構(gòu)成，主要由完成系統(tǒng)的UI軟件、Wi-Fi通信、網(wǎng)口通信和USB調(diào)試等功能。CP模塊主要完成S頻段衛(wèi)星移動(dòng)通信的物理層和高層協(xié)議，是整個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的處理核心，其架構(gòu)如圖4所示。

主芯片LC1881是一款A(yù)P芯片，配以EMMC+LPDDR3芯片以及為核心芯片供電的電源管理芯片LC1160，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Wi-Fi、存儲(chǔ)等功能。LC1881具有豐富的接口資源，可以通過HSIC、USB、I2C、UART、SPI、SDIO、GPIO等接口控制外圍各個(gè)電

路子單元。加上一些專用的接口芯片，還可以轉(zhuǎn)換出LAN、RS232等工業(yè)上常用的接口與系統(tǒng)外部進(jìn)行連接。S頻段CP模塊包括衛(wèi)星通信的基帶處理單元和射頻收發(fā)單元?；鶐幚韱卧?fù)責(zé)衛(wèi)星通信協(xié)議棧的處理，包括物理層及協(xié)議高層；射頻收發(fā)單元為射頻收發(fā)處理，負(fù)責(zé)無線信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

L頻段車載板卡采用L頻段的CP模塊設(shè)計(jì)，其他與S頻段車載板卡所采用電路基本相同。

3.3" S頻段車載板卡軟件設(shè)計(jì)

3.3.1" 遠(yuǎn)控服務(wù)軟件設(shè)計(jì)

依托終端硬件組成架構(gòu)，終端通過分布于應(yīng)用處理單元和通信處理單元中相關(guān)核心處理芯片上的軟件，以獨(dú)立軟件或多個(gè)軟件模塊協(xié)同工作的方式，實(shí)現(xiàn)終端的全部功能，主要包括應(yīng)用程序、遠(yuǎn)程控制服務(wù)軟件、通信控制軟件和通信處理軟件等，具體如圖5所示。

通信處理軟件運(yùn)行在CP內(nèi)，主要完成與衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)密切相關(guān)的功能，包括信令和業(yè)務(wù)流程等。通信控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)CP模塊的控制和數(shù)據(jù)傳輸，并配置網(wǎng)絡(luò)路由。遠(yuǎn)程控制服務(wù)軟件向客戶端提供遠(yuǎn)控的支持，并控制系統(tǒng)多個(gè)功能的參數(shù)。

遠(yuǎn)程控制服務(wù)終端側(cè)程序主要用于配合用戶對(duì)車載設(shè)備的控制及狀態(tài)監(jiān)視，能夠?qū)崿F(xiàn)短信、聯(lián)系人、通信記錄、屬性設(shè)置、天線等功能的控制，其流程如圖6所示。遠(yuǎn)程控制服務(wù)程序在車載終端上啟動(dòng)端口接收任務(wù)，時(shí)刻接收來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)，然后根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀頭來判斷協(xié)議類型，并根據(jù)協(xié)議類型和幀頭字段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。若收到控制指令，則把數(shù)據(jù)傳遞給相應(yīng)功能管理器，管理器向車載設(shè)備配置參數(shù)；若收到查詢或讀取指令，則把指令傳遞到功能管理器，由管理器進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)或內(nèi)容讀取，并將數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)或者串口的方式返回到用戶界面。同時(shí)，遠(yuǎn)程控制服務(wù)程序定時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)，并通過以太網(wǎng)或者串口進(jìn)行上報(bào)。

3.3.2" 通信處理軟件設(shè)計(jì)

通信處理軟件主要完成高層協(xié)議流程和無線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等。對(duì)于信令或者業(yè)務(wù)流程，通信處理軟件中的高層協(xié)議棧把數(shù)據(jù)傳遞到物理層，物理層通過控制射頻通道把調(diào)制后的無線信號(hào)發(fā)射到衛(wèi)星；衛(wèi)星接收信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面信關(guān)站，由信關(guān)站進(jìn)行后續(xù)處理。通信處理軟件總體架構(gòu)如圖7所示，主要分為應(yīng)用適配層、協(xié)議層、物理層和系統(tǒng)適配層等。

對(duì)于衛(wèi)星通信而言，最重要的是初始衛(wèi)星信號(hào)接入過程，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)、波束選擇及駐留過程，其流程如圖8所示。

（1）RRC層收到上層的入網(wǎng)指令后，首先讀取上次駐留的波束信息，然后向物理層發(fā)送搜索信號(hào)指令，并等待搜索結(jié)果。（2）物理層根據(jù)頻率等信息嘗試捕獲無線信號(hào)并解析，并把結(jié)果上報(bào)到RRC層。（3）RRC層根據(jù)物理層上報(bào)的信息判斷該波束是否可駐留，若可以駐留，則向物理層發(fā)送讀取廣播指令；若無法駐留則執(zhí)行掃頻過程，把所有頻率信息依次下發(fā)給物理層使其搜索信號(hào)。（4）物理層讀取廣播消息后上報(bào)到RRC層。（5）RRC層獲取相關(guān)配置參數(shù)，對(duì)物理信道進(jìn)行配置，執(zhí)行后續(xù)入網(wǎng)過程。

4" 結(jié)語

本文根據(jù)S頻段和L頻段衛(wèi)星特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了雙模衛(wèi)星終端，包括天線和主機(jī)。這種實(shí)現(xiàn)方法既能滿足用戶即用即通的應(yīng)急通信保障需求，又具有較好的演進(jìn)能力和可擴(kuò)展性。跑車試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力和可靠性，具備推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］姚涉.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2023（3）：126-128.

［2］孫晨華，龐策.低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系和技術(shù)體制研究發(fā)展路線思考［J］.無線電通信技術(shù)，2021（5）：521-527.

［3］李東東.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2022（3）：51-53.

［4］廉長(zhǎng)亮，王星妍.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成與應(yīng)用分析［J］.集成電路應(yīng)用，2023（4）：309-311.

［5］舒然.基于北斗和衛(wèi)星移動(dòng)通信的多模終端設(shè)計(jì)［J］.信息系統(tǒng)工程，2023（12）：86-89.

［6］肖奎，劉嘯，魏會(huì)超，等.相控陣動(dòng)中通衛(wèi)星天線在應(yīng)急通信中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江信息通信，2023（12）：187-190.

［7］潘良勇，沈桂鵬，陸海帆.車載動(dòng)中通天線跟蹤技術(shù)的研究［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（13）：61-64.

［8］王青江.一種應(yīng)用于低成本動(dòng)中通天線的組合導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2023（5）：707-711.

［9］姜元山，王運(yùn)付，劉霞，等.衛(wèi)星與5G融合多模物聯(lián)網(wǎng)終端的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用探討［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023（3）：101-103，107.

［10］王文哲，安崗，李忻，等.面向空天地一體化場(chǎng)景的5G衛(wèi)星雙模終端需求及應(yīng)用探討［J］.電信科學(xué)，2022（增刊1）：221-230.

（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design of a multi-mode mobile communication terminal adapted to multiple satellites

CHANG" Douxing

（Ministry of Emergency Management Big Data Center， Beijing 100070， China）

Abstract： Satellite mobile communication systems have the advantages of wide coverage and high reliability， and satellites located at different orbital heights and operating frequency bands have their own unique advantages. A terminal suitable for various satellites has been designed to meet the requirements of satellite communication systems in different frequency bands and orbits， in order to meet the needs of users for instant use and communication. The terminal consists of a dual-mode mobile communication antenna and a host， which can automatically or manually switch satellites based on satellite signals to ensure satellite communication continuity. Based on the modular strategy， communication units for two frequency bands of the host were independently designed， which has strong reliability and scalability. The road test verified the usability and reliability of the terminal.

Key words： satellite mobile communication; multimode terminal; modular design; instant messaging