VSAT卫星通信便携终端设计方法研究

王大印 刘大勇 陈拓

摘要：探究可用于VSAT卫星通信便携终端类的工业设计流程及方法。以工业设计视角对VSAT卫星通信便携终端进行综合分析，明确终端功能要求、人机工程学要求、结构特点等，并以航天恒星科技有限公司的SATTOUR系列卫星通信便携终端为例，通过对其设计过程的归纳总结，得到一种针对卫星通信中典型终端产品的设计流程及方法。归纳总结出一种VSAT卫星通信类便携终端的设计方法。该方法可为同类型卫星通信产品的设计研发提供参考。

关键词：焦作市 工业设计 服务平台 产业链

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）08-0115-03

引言

通信，即通过某种媒介或行为，实现信息的传递与交流。通信手段伴随着科技的发展而不断进步，短短的30年间，人类的通信技术就从数字语音传输技术的2G发展到蜂窝移动通信技术的5G，在通信速率方面完全可以满足现在人们的需求，在满足人们对通信速率的追求后，多通信手段相互补充也许就是后SG时代通信技术发展的方向。卫星通信在诸多方面的优势，可以有效弥补地面通信的不足，很有可能成为后5G时代的宠儿。1945年英国科幻大师Clark在《地球外的中继》中，针对卫星通信的可行性进行了详细的论述，而我国1984年研制并发射成功的“东方红”二号（同步通信卫星），则揭开了我国研发卫星通信技术的历史。在通信距离、地理环境限制、自然灾害以及人为事件、通信质量和系统可靠性等方面，卫星通信的优势明显。目前，卫星通信广泛应用于电视广播、教育、财政、金融、水利、军事、应急等领域。

随着技术的不断提升，卫星通信系统的建设应用得到了广泛关注。近年来，以美国Space x为代表的商业航天公司，提出明确的低轨通信卫星Starlink星座计划，我国的鸿雁、虹云低轨通信星座也实现了首星的成功发射。未来在物联网、全球通信等领域，卫星通信的优势将逐步突显。相关调研机构预测，未来国内卫星通信产业市场规模可突破千亿，而卫星通信设备的市场将突破百亿元。如此规模的设备、产品研发离不开工业设计的支撑，这类产品的设计有别于文创、电子消费品、家电等产品。卫星通信终端的设计受到产品功能复杂、产品单价高、技术更新迭代快、卫星资源管控严格等因素的制约，导致以工业设计为主导的大众消费级产品设计流程方法，无法有效地指导现有产品的研发。文章将以卫星通信中较为典型的VSAT系统便携终端为例，通过对产品的功能需求分析、典型终端设计流程及方法的研究，归纳总结出一种适用于卫星通信终端的工业设计方法，为后续开展此类产品设计研发提供一定的参考。

一、卫星通信及应用

卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信方式。它是微波通信和航天技术相结合而形成的新兴通信技术，形象地解释，就相当于把手机基站利用航天技术发射到太空中，从而形成一个不受地球环境及自然灾害限制的远距离通信网络。

（一）卫星通信的应用

传统卫星通信应用在电视、电话、传真、电报和数据等场合。近年通信卫星的能力大幅度提升，例如我国最新研制的东方红5号通信卫星平台，发射重量10吨，承载有效载荷2000公斤，可以实现300G至1T的通信容量。卫星通信的创新应用也不断层出不穷，包括自然环保、应急救灾、卫星专网以及信息安全等领域。

而卫星通信系统也在不断丰富，多种模式交叉融合，硬件设备集成度不断提升，终端芯片化趋势明显。随着未来卫星通信用户群体的扩大，市场需求将不断促进卫星产业的发展。作为全球信息网络的重要组成部分，VSAT系統、低轨通信系统等典型卫星通信系统都受到了人们广泛的关注，并逐渐进入我们的生活。卫星通信将与其他通信手段不断融合补充，在万物互联的时代，更好满足人们对美好生活的追求，对我国的国民经济发展，对产业信息化产生巨大的促进作用。

（二）卫星通信的分类

卫星通信系统是由空间段（通信卫星）、地面段（通信地球站）、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大部分组成的。

按照卫星通信的轨道不同，卫星通信系统一般分为：

1.即时转发卫星通信系统

2.低轨移动卫星通信系统

3.延迟转发卫星通信系统

4.地球静止卫星通信系统

二、VSAT卫星通信系统概述

VSAT是20世纪八十年代由美国首先设计开发的一套卫星通信设备，为Very Small Aperture Terminal的首字母缩字，直译为甚小口径卫星终端站。这里的“小”指的是VSAT卫星通信系统中小站设备的天线口径小，通常为0.3-2.4m。VSAT系统具有灵活性强，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接装在用户端等特点。VSAT系统由一个主站及众多分散设置在各个用户所在地的远端VSAT组成，可不借助任何地面线路，不受地形、距离和地面通信条件限制，可实现宽带数据传输。特别适用于有较大信息量和所辖边远分支机构较多的部门使用。

（一）VSAT卫星通信系统优势

1.通信资费与距离远近无关，信号覆盖范围大;

2.具有一对多的通信能力;

3.信息可以进行非对称传输：

4.结构简单、组网灵活，可提供多种传输业务;

5.终端用户可以直接入网，无需其他网络转接;

6.系统容量大。

（二）VSAT卫星通信应用领域

1.远程应用：培训、医疗、教育、信息采集和传输等。

2.信息广播服务：利用传输距离远、一对多等特点，为用户提供广播电视等信息传输服务。

3.互联网接入：在地面网络设施涉及不到的地区，利用卫星双向通信系统，为用户远程接入互联网提供支撑。

4.自然灾害应急通信：地面通信基础设施，在受到自然灾害和认为破坏时，通过VSAT系统，提供保障通信、救援指挥等。

5.环保监测：由于自然保护区等区域通信网络缺乏，利用VSAT系统实现保护区监测、数据采集及传输。

6.通信专用网：为行业或政府部门提供专网服务，用于内部通信或视频会议。

（三）VSAT卫星通信终端设计需求分析

VSAT卫星通信系统一经推出，就产生了飞速发展。在地面基础设施方面，我国已经建成数量众多的主站，卫星专用通信网，VSAT地球站等，已经形成了覆盖全国的卫星通信网络。VSAT卫星通信技术的蓬勃发展及应用领域的持续拓展，在国内自然保护区、地震泥石流等自然灾害现场等都可以见到它的身影。在信息安全领域，VSAT卫星通信可为国家政府机关提供卫星专用网服务。如此庞大的新兴市场，其设计需求不断扩大，越来越多的用户对终端的设计要求也持续提高，在此过程中工业设计的重要性逐渐显现。

三、以SatTour系列卫星通信便携终端为例，简述工业设计流程方法

飒途（SatTour）系列便携终端是基于VSAT卫星通信系统，由中国航天科技集团公司航天恒星科技有限公司自主研发的KU频段卫星通信终端系列产品，目标用户为“驴友”等有野外环境需求的用户研制的民用化卫星通信产品。可以提供宽带卫星通信服务，实现与各电信运营网络互联互通，在无手机基站地区接入国际互联网，实现数据的传输。

（一）终端基本组成

飒途（SatTour）系列便携终端基本组成为：天线组件、功放、低噪放、VSAT小站、电池、机构及线缆等。用户在使用产品时，需要对天线进行极化、俯仰、方位进行调整，完成对星操作，方可实现卫星通信业务。除SatTour-600Z可实现一键对星功能外，其他各型终端均需进行手动对星操作，其具体操作步骤如图1所示。

SatTour终端产品的研制和批产分为方案设计阶段、首批次（小批量）产品研制阶段，批量生产阶段、产品交付阶段。终端批产阶段具体划分如表1所示。

（二）工业设计难点分析

1.产品集成度不够

SatTour-A系列产品由抛物面天线、天线支架、BUC、LNB、小站、电池等组成，加上各类线缆、零配件，合计20件。SatTour-600Z内部没有集成通信业务相关功能，需搭配独立的VSAT小站完成卫星通信工作，用户体验差。

2.产品整机重量过重

研制初期对产品重量进行了估算，SatTour-600B整机15kg左右，加上背包重量超过20kg，不适合长时间背负。300B产品整机7kg，虽然可以实现背负，但性能指标无法满足宽带通信要求。

3.操作较为繁琐

产品在使用过程中需要进行对星操作，天线需要实现方位、俯仰、极化三个维度的调节，调节完成后需要进行固定锁紧，所以至少进行以上六项的操作，对于非专业用户，产品操作难度过大。

4.生产工艺较为复杂

为保证产品实现方位、俯仰、极化三个维度的调节，机构配合复杂，产品零件多，组装难度大，装配效率低。配合间隙过大，风中作业会出现晃动，对通信质量产生一定影响。控制系统集成度低，控制箱部件模块较多，各模块之间存在大量连线，给生产带来较大不便。

5.生产成本高

为保证产品机构性能，阻尼轴等标准件均采用进口零件，不仅限制了产品外观结构设计，还增加了产品硬成本。由于产量较少，模具费用分摊到每套产品，导致产品结构成本过高，产品定价缺少市场竞争力。

为了在设计过程中较好地解决以上问题，根据航天系统产品研发中“两个流程”的要求，从SatTour系列终端研制的实际情况出发，针对各个型号产品制订详细的技术实现流程，图2为satTour-300B技术流程图。

（三）SatTour系列产品设计方法及工作内容

确定各个终端产品研制的技术路线后，工业设计人员在论证初期介入，与机构、射频、通信等各个专业技术人员共同探讨终端设计方案。具体工作内容如下：

1.确定终端产品机构原理形式。在明确各个型号终端产品的硬件组成后，开展机构原理形式创意设计。由于对星要求，各个终端天线需要实现极化、俯仰、方位三个维度的连续可调，精度要求高，并可在任意位置锁紧固定。所以在设计初期机构的原理形式至关重要，工业设计师与机构、结构设计师共同提出概念方案，并评估其可行性。

2.标准零件的选用。机构活动关节的设计及加工较复杂，在相关经验较少的情况下，选用合适的标准机构零件可以有效保证产品的可靠性、降低研发投入及相关成本。

3.终端产品外观设计。在机构方案、标准件选型、天线及硬件输入确定的情况下，开展外观设计工作，完成方案草图、效果图等制作，通过评审确定最终外观效果。

4.终端产品机构、结构设计。根据确定好的外观设计方案，开展机构结构详细设计，完成结构样机的投产加工及配装工作，并完成原理样机的性能测试工作。依据测试结果，完善优化机构、结构方案，实现终端产品定型。

5.模具设计及量产。以产品定型方案为依据，完成相关模具设计，开展小批量试产及验证。根据小批量试产结果，对模具进行优化，并开始批量生产加工，完成产品组装装配，如图3。

四、VSAT终端产品工业设计原则及方法探究

以工业设计为主导的民用消费产品研发，大概可分为圖4所示的三个阶段。

目前在技术相对成熟与稳定的领域，民用消费品的设计研发大多以工业设计为先导，可以充分发挥工业设计在产品创新和定位方面特有的优势。而VSAT终端产品设计研发是以功能实现为首要目标，技术水平处于提升阶段，产品集成度相对较低，对机构、结构要求较高，并且涉及多专业交叉融合。在众多因素综合影响下，导致其工业设计的设计原则及方法流程，有别于大众消费产品，通过SATTOUR系列产品的设计研发过程，可以基本明确，VSAT卫星通信终端在目前阶段，其设计原则可归纳为：功能第一、专业协同、成本评估、设计提升。随着卫星通信技术的不断优化提升，当技术状态趋于稳定，VSAT终端产品将逐渐过渡到以工业设计为起点，从需求分析、用户体验、产品创新等方面主导产品研发，呈现出外观新颖、使用方便、性能优良、售价合理的各型终端产品，逐步优化卫星通信产品开发流程，实现卫星通信产品的普适化、可制造化、商品化。

总结

结合以工业设计为主导的民用产品研发流程，以VSAT卫星通信便携终端的特点，通过对SatTour系列产品研发过程的梳理，形成了以下适合此类产品的工业设计流程，如图5所示。该流程方法可为同类型的卫星通信终端产品的设计研发提供参考。