机载Ku、Ka频段卫星通信系统综述

艾文光，赵大勇，邓 军

(1.中国电子科技集团公司第39研究所，陕西西安 710065;2.空军装备研究院通信导航与指挥自动化研究所，北京 100085)

传统的机载超短波或短波通信存在信息速率低、传输容量小、通信范围覆盖小，通信质量不稳定等弱点;而机载卫星通信具备通信容量大、机动灵活、覆盖面积大等优势，因而受到国内外业界的关注。由于卫星资源和载机条件的限制，以往机载卫星通信应用并不广泛。随着技术的发展，已解决了卫星移动点波束、抗干扰、双向IP宽带等技术问题;同时，机载天线的自动跟踪、小型化等技术也已成熟，因此机载卫星通信系统越来越受到军事通信领域的关注，同时机载卫星通信系统也有着巨大的民用价值。

1 机载Ku频段卫星通信

美国空军现役机载卫星通信系统一般分为战术级和战役级［1］，战术级机载站工作于UHF频段，一般用于战略轰炸机和大型运输机的远程通信指挥;战役级机载站工作于Ka和Ku频段，主要用于预警机和空中指挥所飞机的远程预警信息和指挥控制信息。

美国全球鹰无人飞机上装备的卫星通信系统是机载Ku频段卫星通信典型的军事应用。全球鹰无人飞机上装备了多种通信系统［2］，如表1所示。其中机械座架的卫星通信天线为抛物面天线，发送速率最高可达50 Mbit·s－1，通过卫星中继，可以在全球范围内任何位置与总部交互数据［3］，卫星通信天线的安装位置如图1所示。

表1 全球鹰无人飞机上的通信链路

民用应用如ORBIT公司AL－1614机载通信系统［4］，在空客 A340－600飞机上进行了测试，符合RTCA－160D适航要求，天线直径为0.37 m，主要技术指标如表2所示，组成框图及外观如图2所示。

续表1

图1 “全球鹰”无人机卫星通信天线安装位置

表2 AL－1614机载通信系统性能指标

图2 AL－1614机载通信系统框图及外观

国内机载Ku频段卫星通信在特殊领域上有所应用，主要在2000年以后，目前在公开资料上介绍较少。

某测控机载卫星通信系统工作频段为Ku频段，传输速率为双向64 kbit·s－1，可扩展到512 kbit·s－1。改装机型为运输机［5］。

无人机测控与信息传输卫星中继数据链以Ku频段为主用链路，UHF频段为备用链路，信息速率为上行 6.4 kbit·s－1，下行(25.6/2048)kbit·s－1，类似美国全球鹰无人飞机的卫星通信系统［5］。

某型机载Ku频段的卫星通信系统，改装机型为大型运输机，该系统主要技术指标与国外产品大体相当。

2 Ka频段卫星通信

随着卫星制造技术和毫米波技术的发展，机载卫星通信向Ka频段发展已成为可能，可用频率扩展，星上采用星间链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术，具有强的抗干扰能力。另外，Ka频段卫星波束可以形成移动的点波束，灵活机动;Ka频段频率抗电离层闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复到正常状态，因而在军事通信领域受到高度重视［6］。

美国军事星(Milstar)系统是最早使用Ka频段的军用卫星系统，是美军C4ISR的核心，可提供高码率的语音、数据和图像信息［7］。军事星有50个Ka频段转发器，上行频率为43.5～45.5 GHz;下行频率20.2～21.2 GHz。军事星卫星通信系统分为低数据率(LDR)和中数据率(MDR)，LDR可以提供0.5 Mbit·s－1的192个信道的数据通信，MDR可以提供1.544 Mbit·s－1的32个信道的数据通信。由于Ka频段的频率高、波束很窄，具备较强的抗截获能力;同时，机载站天线尺寸小、终端小型化，更适宜在飞机上安装。民用Ka频段的应用目前大多在试验阶段，如日本在基于该国的通信于广播试验卫星(COMETS)上进行Ka频段航空卫星通信的试验系统［8］。该试验系统在飞机的客舱后部安装了一幅具有开环卫星跟踪能力的Ka频段有源相控阵天线。系统的传输试验表明:当飞机以600 km/h的巡航速度飞行时，接收信号的功率峰峰值稳定在1 dB内;在天线的波束指向方向，来自机翼的反射波比直射波的功率要低18.5 dB;为验证链路设计的准确性，在飞机飞越两个卫星天线波束时，测量COMETS的星载多波速天线的方向图，表明星载天线的方向图与卫星发射前的地面测试结果一致。

对于Ka频段的卫星通信系统天线，大型飞机上安装可以采用机械座架结构的天线;对于作战飞机或无人机而言，机载共形相控阵天线具有良好的空气动力学特性。由于机载卫星移动通信系统，其天线波束必须覆盖上半球面，单个相控阵天线很难满足要求，必须通过多个共形天线阵组合实现，因而天线单元数很多，对波束控制极其复杂［9］，振子数量要求和天线的增益关系见图3所示［10］。由于天线成本与单元数成正比，现在单个20 GHz单元的成本大约50～150美元，44 GHz单元的成本大约80～250美元［11］，因此相控阵天线总成本会很高。

图3 振子数量和天线的增益关系(20 GHz)

3 发展展望

目前我国尚未规划专门用于移动载体通信用的卫星通信的频段［12］，也没有专用于移动卫星通信的卫星，因此目前移动卫星通信利用于固定卫星业务的现有卫星是唯一选择。由于Ku频段或Ka频段频率相对频率较高、相同速率情况下具有天线口径小、信息速率高、抗干扰能力强等优点，因此，机载卫星移动通信系统宜使用Ku频段或Ka频段频率。

由于相控阵天线总成本高，采用机械座架结构比较经济。在机载卫星通信系统中，高增益的机载天线波束宽度很窄，为能克服飞机载体扰动、偏航及横滚，即使飞机在高速飞行、非常颠簸的条件下，天线也能始终准确指向卫星，需要高精度的伺服系统，这样机载天线的伺服系统相当复杂。伺服系统是机载天线确保通信信道畅通的重要环节，需要研制高跟踪精度和高可靠性的伺服系统。

注意消除多普勒效应的影响:由于飞机高速移动，特别在Ka频段下，多普勒频移在信道速率低的情况下，对信号的解调和恢复都会产生严重影响，这需要设置合理的捕获带宽并对频率变化快速跟随，同时采用高增益纠错方式，降低解调门限载噪比。对于消除多普勒频移，常用的方法有两种［13］:一种是导频法，即由地面站发射已知的标准频率，经卫星转发后由机载站自动频率控制环进行校正;另一种方式是利用机载惯导设备的数据，计算出飞机的速度，并由此对机载站的收发频率进行多普勒校正。

在机载卫星通信系统设计中，还需要考虑具体的工程问题:(1)采用低抛面天线并优选卫星通信天线在飞机上的安装位置。合理的安装位置可以减少飞机机体对天线的遮挡，优化天线罩气动外形可以提高飞机操稳特性，并降低飞行油耗、提高续航时间。(2)电子设备小型化，并提高设备可靠性。采用符合GJB441标准的ATR机箱，可以有效利用空间，完成设备的小型化;标准化的结构还可以降低维修维护成本;同时减少飞机设计师与设备设计师之间的协调工作，缩短研制周期。(3)重视电磁兼容设计，避开与其他机载设备的电磁干扰，保证系统电磁兼容，必要时采用任务规划和频谱管理措施。

［1］夏牧.未来军用飞机的卫星通信［J］.外军研究，2004(3):49－62.

［2］王永寿.无人机的通信技术［J］.飞航导弹，2005(2):21－22，27.

［3］王德.美国无人机路线图中的无人机通信技术与通用性的标准［J］.飞航导弹，2006(7):20－24.

［4］Orbit Technology Group.AL － 1614TxRx Ku － Band Airborne Satcom Antenna System［EB/OL］.(2007－05－11)［2011 －03 －25］http://www.orbit－marine.com.

［5］杨威.机载卫星通信技术发展及应用分析［J］.卫星应用，2003(2):30－35.

［6］郑同良.“军事星”卫星通信系统综述［J］.航天电子对抗，2005(3):51－53.

［7］康学海，艾文光，程金博.Ka频段卫星通信新技术发展与研究成果［C］.昆明:第七届卫星通信新技术新业务学术年会，2011:149－153.

［8］夏牧.日本在通信与广播工程试验卫星上的Ka频段航空卫星通信试验［J］.通信导航与指挥自动化，2006(5):77－85.

［9］MIURA A，YAMAMOTO S，OBARA，N.Development of a Ka－band active phased array antenna for mobile SATCOM stations［C］.India:Vehicular Technology Conference，1999:814－818.

［10］WILLIAM G C.Global connectivity to aerospace forces Via SATCOM［EB/OL］.(2009－08－11)［2011－05－11］http://www.dodccrp.org/events.

［11］PAUL J O.AFRL/IFGC，GBS/milstar airborne antennas［EB/OL］.(2009－01－12)［2011－03－30］http://www.its.bldrdoc.gov/isart/art99/slides99.

［12］全庆一，胡健栋.卫星移动通信［M］.北京:北京邮电大学出版社，2000.

［13］霍曼.飞速发展的航空电子［M］.北京:航空工业出版社，2007.