許松松 高睿劼 陸斌

摘 要：基于機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用，可減弱外界因素給衛(wèi)星通信所帶來(lái)影響，使通信可靠性得到有力保障。文章首先分析了通信系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀;其次對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)特征進(jìn)行論述，明確系統(tǒng)構(gòu)成和通信系統(tǒng)信號(hào)損耗問(wèn)題;最后研究了與機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探究，以期全面提升機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務(wù)能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)載寬帶;衛(wèi)星;通信系統(tǒng);技術(shù)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)的升級(jí)變得至關(guān)重要。通過(guò)相關(guān)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用，可滿足用戶便利化需求，實(shí)現(xiàn)在高空中對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的有效連接。相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用也逐步解決了飛機(jī)客艙的信息孤島問(wèn)題，使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高空覆蓋，乘客可體驗(yàn)云端服務(wù)。為更好地達(dá)到這一目標(biāo)，本文分析了有關(guān)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，明確了系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)成與特征。

1 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用的Ku衛(wèi)星均為大波束衛(wèi)星系統(tǒng)、全面支持高吞吐量的衛(wèi)星。同時(shí)，系統(tǒng)也搭載了衛(wèi)星通信終端設(shè)備。為確保相關(guān)技術(shù)在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，相關(guān)人員還使用高通量衛(wèi)星（High Thoughput Satellite，HTS）技術(shù)，引入了更多波束切換性能。HTS衛(wèi)星的價(jià)值主要體現(xiàn)為：基于頻率復(fù)用和點(diǎn)波束技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星容量擴(kuò)容，初期相關(guān)系統(tǒng)主要搭載Ka衛(wèi)星，其容量往往能夠達(dá)到傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星的數(shù)十倍。此舉不僅提升了頻率資源的應(yīng)用效率，而且確保了技術(shù)應(yīng)用穩(wěn)定。其中，Ku波段是指頻率在10～20 GHz的電磁波信號(hào)，Ka波段則是指頻率在20～30 GHz的電磁波信號(hào)。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)探究

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成，分別是空間段、地面段和機(jī)載段。

（1）空間段，主要是通信衛(wèi)星，主體結(jié)構(gòu)為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器?，F(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋的Ku衛(wèi)星主要是中星10、中星11、中星12、亞洲5、6、7等衛(wèi)星。鑒于轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用效率較高，可實(shí)現(xiàn)70%以上的全覆蓋，衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能獲得提升。

（2）地面段，主要用于接收和發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)的系統(tǒng)，通常包括：地面站、天線、射頻、主站和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心（Network Operations Center，NOC）。

（3）機(jī)載段，具體指飛機(jī)上的通信設(shè)備，包括機(jī)外天線、控制單元、調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線接入設(shè)備。通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.2 信號(hào)損耗原因

在機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，自由空間占比較大，應(yīng)考慮信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。對(duì)發(fā)射天線和接收天線在單位增益情況下發(fā)生的傳輸損耗進(jìn)行有效控制，是提升通信系統(tǒng)服務(wù)能力的關(guān)鍵。同時(shí)，也需要考慮降雨、霧霾或多云等大氣因素對(duì)電磁波帶來(lái)的損耗。這些不利條件對(duì)通信設(shè)備的影響較大，嚴(yán)重時(shí)可能造成通信設(shè)備中斷運(yùn)行，影響信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性。在影響信號(hào)損耗的各種因素中，降雨的影響最大，并且具有明顯的不確定性，因此，在寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，應(yīng)考慮季節(jié)降雨因素帶來(lái)的影響，并對(duì)通信技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，提升整體服務(wù)能力。

3 機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究

3.1 衛(wèi)星天線的選擇

現(xiàn)階段，應(yīng)用在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線主要有機(jī)械式、分段陣列式和相控陣天線形態(tài)。其中，機(jī)械式天線技術(shù)較為成熟，但是信號(hào)捕捉范圍比分段陣列式天線和相控陣天線更弱。而機(jī)載寬帶衛(wèi)星中多使用相控陣天線，為機(jī)載寬度微信通信系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)提供技術(shù)支持。

眾所周知，衛(wèi)星天線選擇直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)大型飛機(jī)，如民航客機(jī)和軍用預(yù)警機(jī)，其對(duì)飛行速度的要求不高，飛行姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，因此，可以將衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)在飛機(jī)頂部?？紤]到通信要求，可使用大型天線裝置，提升信號(hào)信息傳輸質(zhì)量，促使通信系統(tǒng)得到優(yōu)化。此類天線一般被設(shè)計(jì)為拋物線環(huán)焦天線，相關(guān)類型衛(wèi)星天線具有天線增益高、方便調(diào)整的特征。

隨著研究的深入，應(yīng)用在大型飛機(jī)中的拋物線環(huán)焦天線技術(shù)逐漸成熟，對(duì)機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用[1]。在實(shí)踐中，Tocm、松下航電等天線均為機(jī)械衛(wèi)星天線，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)地對(duì)星，所依托主體為機(jī)械伺服系統(tǒng)。此類天線往往要大量使用機(jī)械部件，其可靠性較電子部件更低，且赤道附近地區(qū)存在星波形畸變，鄰星所帶來(lái)的干擾也因此變得更加明顯。只有降低發(fā)射功率，才能使干擾水平處于可控范圍，其速率必然會(huì)受到影響。

第一代2Ku傳輸技術(shù)使用天線為分段陣列式，以全新機(jī)載天線為核心。這一設(shè)計(jì)使天線內(nèi)部板的共振特性得到增強(qiáng)，真正做到以實(shí)際需求為依據(jù)，在特定方向?qū)ΣㄊM(jìn)行傳播。此類天線的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）天線輻射圖精準(zhǔn)度有所提升;（2）鄰星所帶來(lái)的干擾始終處于可控范圍;（3）將接收天線與發(fā)射天線分開(kāi)處理，捕捉天線中的不同頻段，能夠準(zhǔn)確獲取波段信息，促使傳輸速率更接近理想水平。但要明確，雖然第一代2Ku傳輸技術(shù)較其他技術(shù)有明顯進(jìn)步，信息獲取時(shí)效性與準(zhǔn)確性有所提升，但是其水平面所采用的調(diào)整方式仍為機(jī)械調(diào)整。分析行業(yè)發(fā)展情況可知，以相控陣天線為代表的全新技術(shù)逐漸成熟，技術(shù)研究正從實(shí)驗(yàn)階段向商用階段過(guò)渡。

3.2 單脈沖跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星通信天線在角平面位置存在兩個(gè)相互重合的波束，在實(shí)踐應(yīng)用中，差式單脈沖通過(guò)對(duì)波束的和差分析與處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)角誤差信號(hào)的有效捕捉。機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)處于時(shí)刻運(yùn)行中，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別是技術(shù)難題。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以使用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）或慣導(dǎo)信號(hào)信息引導(dǎo)天線快速捕捉衛(wèi)星，確保機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，目前在衛(wèi)星信號(hào)追蹤中使用了單脈沖跟蹤技術(shù)，單個(gè)接受脈沖即可獲得目標(biāo)信息，信號(hào)捕捉能力得到顯著增強(qiáng)。使用單脈沖跟蹤技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠擴(kuò)大信號(hào)獲取范圍，滿足技術(shù)升級(jí)的要求[2]。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和方向主要是Ka頻段和HTS技術(shù)應(yīng)用，但是目前我國(guó)在此方面的相關(guān)研究還不夠深入，尚不具備商用條件。因此，如何選擇機(jī)載通信衛(wèi)星成為航空公司面臨的主要問(wèn)題。

機(jī)載通信衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)升級(jí)是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，現(xiàn)階段已經(jīng)投入使用的通信衛(wèi)星系統(tǒng)包括L波段海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)和Ku波段的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在寬帶天地互聯(lián)鏈路技術(shù)選擇上，需要在考慮監(jiān)管政策、技術(shù)發(fā)展和機(jī)載硬件等實(shí)際條件的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí)與完善，而對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用只能在試運(yùn)行階段開(kāi)展。為保障機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向進(jìn)行研究，分階段、分步驟地推進(jìn)落實(shí)技術(shù)方案。未來(lái)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，可將徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器應(yīng)用在機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信的升級(jí)提供技術(shù)支持[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，應(yīng)選擇使用合適的衛(wèi)星天線系統(tǒng)、優(yōu)化單脈沖跟蹤技術(shù)，并對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)寬帶通信進(jìn)行研究，確保技術(shù)應(yīng)用更加安全、穩(wěn)定。我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展需要繼續(xù)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，并對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)寬帶通信系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。未來(lái)，相關(guān)人員應(yīng)持續(xù)關(guān)注高吞吐量衛(wèi)星的應(yīng)用，研究語(yǔ)音通信適航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)波束的有效覆蓋，使得衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍更加廣泛。

[參考文獻(xiàn)]

[1]彭向陽(yáng)，王柯，肖祥，等.大型無(wú)人直升機(jī)電力線路智能巡檢寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2019（2）：38-46.

[2]安澤亮，宋高俊，陳慧慧.多波束寬帶衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的自適應(yīng)功率分配[J].電訊技術(shù)，2018（10）：36-41.

[3]湯輝，鄒欽羊，朱立東，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)多優(yōu)先級(jí)信道預(yù)留分配策略[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2019（5）：34-39.

（編輯 何 琳）