基于卫星链路的海上运载火箭发射通信保障系统设计初探

刘飞飞 肖巍 栗欣（中国卫通集团股份有限公司）

为探索更加安全灵活和经济高效的新型发射模式，以适应国内外市场低倾角低轨道中小型卫星发射服务项目需求，同时填补我国运载火箭海上发射的空白，中国运载火箭技术研究院提出将其发射工位从陆基改为海基。

经过几年的研制工作，2019年5月末，长征十一号火箭“登”上海域移动平台。为确保此次发射任务万无一失，海域保障船需要安全可靠的信息传输信道来传输本地实时信息，实现与陆地信息中心及时沟通和交流，海上通信保障显得尤为重要。

1 系统实现方案

不同于陆地通信保障，海上通信保障需要面对海上基础通信设施缺乏、工况环境恶劣等不利条件，保障要求相对较高。如何有效解决通信保障之“通”成为首要问题。

网络架构

从远海保障船到数据中心之间，采用地面光缆和短波/超短波接续通信，距离近则无法保证人员安全，距离远则通信不稳定；采用地面和海底光缆接续通信，难以满足移动通信需求，且人力物力投入较大。卫星通信便成为此次保障任务的主要通信手段。甚小口径终端（VSAT）卫星通信作为一种高效、稳定、快速、成熟的通信方式，能使用户摆脱建设地面线路速度缓慢、覆盖地区有限等问题的困扰。VSAT 除了具备卫星通信的一般特点外，还有其他特点：

1）VSAT 系统可支持多种业务类型，如数据、话音、图像等；

2）组网灵活、独立性强，其网络结构、技术性能、设备特性和网络管理都可以根据用户的要求进行设计和调整；

3）终端天线口径小，设计结构紧凑，功耗小，成本低，安装方便。

VSAT 卫星通信系统是由包括网管服务器在内的主站、卫星转发器和若干远端站组成。

VSAT 卫星链路示意图

站型选择

卫星站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其他站经卫星转发来的信号。卫星主站站型的选择，主要关注其上行能力和设备可靠性；远端站站型的选择应在可靠性的基础上兼顾系统灵活性和简易性。

1）卫星固定站。是指在固定地点安装有能够自动寻星的天线系统。其中，大型标准固定站采用较先进的设备和技术措施，能实现数据共享与接收系统的整合，同时满足超高码速、超大容量、超宽带宽的通信系统的要求，抗干扰能力强。该站型只能在静止状态下与卫星进行通信，而且建设周期长，成本高。

2）移动站。利用这种系统进行通信，具有灵活性强、架构小、成本低、使用方便，以及小站可直接装在用户端等特点。移动站摆脱了本地区的地面中继线问题，这在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高速数据的地区，是一种很好的选择。但是受天线口径影响，其通信速率通常不会很高。

3）可拆卸站。指短时间能拆卸转移地点的卫星站，采用体积小、质量轻和便于架设拆运的结构，以改善机动能力和抗毁能力。其通信能力介于移动站和固定站之间。

根据船在海域复杂航行过程中的运动特点，以及通信带宽要求，只能选择船载移动站。主站是整个卫星网络的核心环节，在通信能力、可靠性等各方面均需较高的标准。主站天线一旦建成，在通信过程中无需移动。加之主站系统能力越强，可以相应地降低对端站通信能力的要求，故主站采用大型固定站。

业务落地站

根据通信保障任务需求，可以在数据中心新建卫星固定站，实现保障船与数据中心间信息直接连通。也可以将固定站落地到异地，再通过互联网专线连接数据中心。

综合考量各种因素，以租代建，租赁大型卫星固定站系统落地，借助互联网专线传至数据中心，远海保障船即可实现与用户中心站之间的话音、视频、数据传输和上网服务。

业务落地站落地方案对比

卫星通信系统体系结构图

船载“动中通”设备选择

“动中通”天线系统是实现通信保障的工具，高可靠性和高可用度无疑是“动中通”天线选择的前提，确保在突发事件状态下能够真正应急，而其他指标（如体积和质量）应该是在此前提下再考虑的次要指标。

从技术层面看，目前“动中通”天线主要有三种基本类型，分别是：

1）传统抛物面天线。天线的姿态调整采用机械式，其优点是增益高、带宽高；缺点是体积和质量大，安装不太方便。

2）阵列、赋形反射面天线。天线的姿态调整也采用机械式，其优点是安装相对简单，搜索锁星时间短；缺点是天线口径效率低，增益不高，比同天线口径抛物面天线带宽要低得多。

3）全相控阵天线。天线的姿态调整采用电调式，其优点是体积小、质量轻，安装简单；缺点是天线有效口径小，增益低，带宽窄。

三种天线各有自己的特点，都有自己的应用范围，不存在“谁取代谁”的问题。用户应该根据卫星天线的使用环境、承载方式、地理位置、主要业务和预算等情况，综合来进行选择。

考核通信的“高可靠性和高可用度”的指标，首先是工作的全天候性，即在任何天气环境状态下，都应该正常的工作；其次是能够提供足够的带宽，保证图像、话音、数据等多种业务的需要。综合以上条件，此次通信保障只能采用传统抛物面天线。

链路选择分析

（1）频段选择

卫星通信频段选择将影响到系统的传输容量、天线尺寸、发射功率和设备复杂程度等。

C 频段功率通量密度需求大，造成天线尺寸较大，但受降雨影响较小，更适用于对通信质量有严格要求的业务，比如电视、广播等；Ku 频段频率高、增益也高，天线尺寸较小，便于安装，受地面干扰影响小，适合做“动中通”、“静中通”等移动应急通信业务；Ka 频段的特点类似于Ku 频段，可用频段带宽更大，但雨衰也更大，适用于高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、卫星新闻采集等业务。波束较窄，对终端器件和工艺的要求较高，尤其是“动中通”系统设备。

考虑船上安装条件有限，天线越小越好。另外，在火箭发射期间，海域降雨概率较大。因此，在保证通信高可靠性的前提下选用Ku 频段。

（2）卫星选择

因保障任务的特殊性，卫星通信网对系统的可靠性和安全性要求很高，通信卫星的选择必须考虑国家对卫星资源的控制和协调能力。因此，只要技术条件允许，尽可能选用自主制造、自主发射和自主测控的卫星资源。

1）卫星具备防范措施和抗干扰能力，卫星公司具备良好的管理技术与协调能力。

2）卫星技术参数符合网络运行的技术要求，在火箭发射海域覆盖良好。

3）卫星应满足“动中通”的技术要求。

4）选用性能优良的卫星，具有较大的有效全向辐射功率（EIRP）和天线增益/接收系统噪声温度（G/T）值，可进一步使“动中通”天线系统小型化。

5）天线仰角高，空间段链路损耗小，且受地面干扰小。

综合考虑卫星覆盖性能、售后服务、安全性，以及考虑到系统扩容时，需完全兼容现有卫星网络的入网技术标准与业务技术规格，故用户方选用中星－10 卫星传输，将中星－6A 作为异轨资源备份。

（3）链路计算

卫星、地球站设备和信道性能参数是进行卫星通信线路设计的重要依据。采购设备前，先通过卫星链路计算，合理配置设备，既对系统性能做整体把控，又避免投资浪费。

业务落地站（中国卫通主站）为9m 的Ku 频段天线，船载“动中通”为1.2m 的Ku 频段天线，采用中星－10 卫星Ku 频段传输。

船载站配置1.2m 的Ku 频段天线，按用户需求，回传一路高清视频，传输速率2Mbit/s，则实际最大使用功率约为21W。充分考虑到系统临时增加数据、抵抗雨衰，以及大气、系统可用度等情况，建议配置40W 功放。从数据中心向远端保障船主要是传输话音和数据，且对视频画质要求低，传输速率1Mbit/s即可。中国卫通主站配备750W 功放，足以支持业务需求。

应用结果和待解决问题

2019年6月5日12:06，长征十一号运载火箭在我国黄海海域如期发射，卫星被顺利送入预定轨道，试验取得圆满成功。长征十一号运载火箭这一次的海上首秀，突破海上发射无线通信可靠性等关键技术，为我国后续大规模的海上发射通信保障奠定了基础。此次海上运载火箭发射采用中国卫通集团股份有限公司的“中星易通”卫星通信系统，初步验证了“中星易通”之“通”的性能，但仍有一定的改进空间。

典型海域卫星性能对比

链路计算表

1）主站和船载站部分关键设备采用的是国外产品，虽然技术成熟、性能优越，但对于海上运载火箭发射这类任务，其安全性仍需商榷；

2）卫星转发器的透明传输一旦遇到干扰，就需要人工干涉更换系统参数，自动化程度较低；

3）船载“动中通”系统基带设备需布置在船舱内，机柜安装仍需占用一定的空间，一体化程度较低。

鉴于此，需要打造一款全国产、自动式、一体化的“易通”型海上运载火箭发射通信保障系统。

2 系统升级改造

“中星易通”应急服务平台优势

“中星易通”应急服务平台以优秀的国产自研产品为主导，从卫星频段、地面站设备、船载站设备、资源调度系统到平台应用都完全实现自主可控，不依赖任何国外知识产权，信息安全可靠。平台采用资源动态自动分配技术，一旦遇到干扰，资源调度系统会自动分配至新频率，确保用户卫星通信网络的有效运行。设计一体化的卫星通信终端，如船载卫星通信终端，通信部件全部集成于“动中通”天线罩内，连接网线即可传输业务，安装、使用简单可靠。

关键技术

控制中心是卫星通信系统的核心，由业务终端、控制终端和控制中心软件组成，支持本地/异地1:1热备份，负责对系统内所有卫星通信终端进行管理、控制，处理卫星通信终端的通信申请，为卫星通信终端提供动态资源分配、发送功率等参数。

3 结语

中国卫通集团股份有限公司研制的“中星易通”应急服务平台，以实际应用场景和客户需求为导向，提供全系列固定或移动式应用终端，实现天地一体化高速信息走廊，为国家重大项目、应急救援等提供全天候卫星网络接入，真正实现以“通”为根本、以“易”为关键的发展目标。我国首次海射通信保障的成功，一方面验证了“中星易通”应急服务平台能够充分满足海射的通信保障需求，同时也给我国海上卫星通信系统的发展指出了新的方向。