关于动中通卫星通信系统若干技术问题的探讨

2021-07-22许松松高睿劼

江苏通信 2021年3期

许松松陆斌高睿劼

南京熊猫汉达科技有限公司

1 动中通卫星通信系统的组成及工作原理

1.1 基本组成

动中通卫星通信系统主要包括天线单元、姿态测量系统、伺服控制系统、跟踪接收机、功放单元、电源单元和信道终端设备等部分。在实际应用动中通卫星通信系统的过程中，使用的跟踪方式不尽相同，因此，可以根据实际应用情况省去其中的某些组成部分，例如，某些系统中无独立跟踪接收机，即可省去该部分。

1.2 工作原理

卫星通信系统运行时，在天线对准目标卫星的情况下，会形成通信系统结构，但是动中通卫星通信系统主要是针对移动中载体的信号传输，因此，在载体运动时，天线与卫星之间的方向就会发生偏离，此时，跟踪接收机会与伺服控制系统共同调控天线转动，以保障天线单元能够对准卫星。在调控天线的过程中，姿态测量系统的主要作用在于控制载体运动时天线转台姿态角和位置的变化，进一步确保天线与卫星之间能够始终对准。

2 天线跟踪技术

2.1 精度要求

在动中通卫星通信系统的研制过程中，定点卫星与地面之间的距离要大于4万多千米，为了确保卫星通信的质量，需要使用高增益天线，高增益天线的主要特点在于波束较窄。在使用的过程中，通常载体会处于运动的状态，此时天线的位置以及姿态角都会不断发生变化，从而导致天线指向角度发生一定变化。若指向角的变化超过天线波束的宽度，则会降低天线增益，一定程度上导致通信误码率的增高，严重时则会影响通信信息的传输。设天线-3 dB波束的宽度为2θ0.5，天线跟踪误差角度为△θ，那么天线增益下降可以表达为：

其中，G（θ0）为天线对准目标时的增益值，即θ=θ0时的增益值。例如，若天线口径为0.9 m，工作频率为12.50 GHz，波束宽度2θ0.5为1.87°，若天线跟踪精度为0.37°时，那么经计算就会发现增益下降0.48 dB，若提高天线跟踪精度变为0.19°，那么增益就会下降0.12 dB，即精度越高增益越小。因此，在进行天线跟踪设计的过程中，若过于追求天线精度，不仅增益效果不佳，而且会增加造价。故在进行系统设计时，需要结合使用需求，合理设计天线跟踪精度。

2.2 天线跟踪方式

当前，常用的天线跟踪方式有精确指向跟踪、信标跟踪以及混合跟踪方式。精确指向跟踪方式主要是根据卫星与地球的位置是相对静止这一特点来进行设计，在实际工作过程中，无论载体如何运动，其天线波束都能够保持指向卫星。

影响指向系统跟踪精度的主要因素有：（1）指令误差，产生原因主要在于敏感元件，例如，GPS接收机和陀螺惯导。这些元件自身以及其安装时的误差都会对跟踪精度带来影响。（2）天线轴系误差，主要指的是天线方位、俯仰等的加工误差，在实际研制的过程中，可以利用精加工等方式控制误差；

（3）伺服噪声，不同伺服系统的控制噪声的能力不同，由此产生的误差也会影响指向精度；（4）角度传感误差，是由天线转台角度引起的，在该结构中，主要影响误差大小的器件为旋转变压器和编码器；（5）卫星定点位置漂移因素，卫星并非静止不动的，在运动的过程中会产生漂移误差；（6）载体运动引起指向精度误差，在载体运动的过程中，上述几种影响误差的因素会出现一定变化，综合导致指向精度的下降。

信标跟踪是利用静止卫星的信标研发的一种自动跟踪方式，常用的有：步进跟踪、圆锥扫描跟踪、经典单脉冲跟踪和多模单脉冲跟踪等。对于车载动中通卫星通信而言，由于车辆行驶的过程中存在颠簸情况，且车速具有不确定变化的特点，因此，要求天线系统具备极强的响应能力和敏感度，通常使用的是单脉冲跟踪方式。

混合跟踪是将指向跟踪与单脉冲跟踪进行有机结合，充分利用二者的优势形成的一种跟踪模式。将单脉冲高精度、不受卫星漂移的影响以及指向系统使用方便、不存在捕获问题这两个特点进行综合应用，可以进一步提高天线跟踪水平。

3 系统跟踪精度检测技术

由于动中通信系统主要应用于运动载体中，因此，如何对卫星跟踪能力进行检测始终都是系统设计中的重点问题。

3.1 跟踪精度检测标准及方法

在对动中通卫星通信系统进行跟踪精度检测时，可使用信号电平跌落法进行测量。具体步骤：

（1）天线需要精准对向卫星，并准确记录此时的最大信号电平值。

（2）在车辆运动过程中，天线会呈现自动跟踪，记录接收到的信号电平值。

（3）计算出归一化电平值和天线跟踪精度。在实际操作过程中，需要严格按照相关标准规定执行，车辆需要在天线呈现自动跟踪状态之后运行，确保测量的环境条件符合相关要求，同时，需要每隔50 ms记录一次信号电平值。为进一步确保测量结果的准确性以及可靠性，需要在不同的道路上分别以不同车速进行检测，并记录3组数据，取平均值。

3.2 实用检测设备及检测结果

目前，在动中通卫星通信系统跟踪精度检测的相关标准中，并没有明确指定所使用设备的具体规格和要求，实际检测时，通常都会使用频谱分析仪或者微波接收器。在进行精度检测的过程中，仅依靠计算平均值法来表示精度通常是不够的，对此，可以采取另外一种精确的方式来标识跟踪精度。在实际检测的过程中，由于电平跌落的变化是随机的，所以可以根据统计学原理计算出这一随机函数的均方根值，并以此来标识跟踪精度。

经过多次实验和测试发现，相关标准中规定的采样周期50 ms过长，所反映出来的动中通天线跟踪精度缺乏一定准确性，难以反映出实际情况。若将采样的周期设置为20 ms或者10 ms，可更好地测得系统的跟踪精度。在实际进行检测的过程中，可以使用由高灵敏跟踪接收机、模数转换设备和工控机共同组成的检测设备，其中，工程机能够对天线所接受的信号电平进行实时记录，实现对于电平变化的即时检测，还能直接得到准确的最大信号电平值、平均跟踪精度或者其他形式的跟踪精度，在实际测量使用的过程中十分快捷、便利。

4 动中通卫星通信系统的作用及具体应用

动中通卫星通信系统的主要作用在于将话音、数据、图像等业务信息传输到卫星，并经过星上转发器传输到地面的卫星接收设备。动中通卫星通信系统实现了对移动中载体的实时跟踪定位功能，并且实现话音、数据、图像等信息的传输，能够极大程度上满足军用、民用等各种移动条件下的通信需求，有广泛的发展前景。

在实践中，2018年12月22日，虹云工程首星（虹云·武汉号）成功发射后，先后成功完成了多次全系统、全流程互联网业务通信功能试验和多用户站入网通信试验，完成了虹云工程技术验证系统试验用信关站和综合运控中心的建设工作，且已经有固定式用户站、船载动中通用户站、车载动中通用户站等多种形态用户站参加试验工作。待业务系统建成后，将会在航空商务、钻井平台、应急通信指挥系统、海洋环境监测、野外作业信息交互、移动通信基站数据回传等多场景开展应用。