低剖面机载卫星通信系统总体设计要点*

2020-09-27田捷力

通信技术 2020年9期

田捷力

（1.西北电子设备研究所，陕西西安 710065；2.陕西省天线与控制技术重点实验室，陕西西安 710065）

0 引言

随着机载卫星通信的广泛应用，不论是固定翼飞机还是旋翼飞机都有极大的应用需求。由于直升机的起飞便捷性等自身特点，它在军用、民用方面都能发挥重要作用，特别是在军事侦查、地质灾害、气象灾害等自然灾害的紧急处理和营救、运输和支援等重特大应急事件中发挥了关键作用。在重大事故发生现场的处置中，使用高速稳定的直升机卫星通信，可大幅提升各类应急信息数据的快速实时传输能力，实现话音、数据及图像的实时通信。但是，由于直升机的使用环境、旋翼特点及操控特性，在设计卫星通信系统时存在以下几个关键问题：使用较高频段（如Ka 频段）的卫星通信链路中设计余量问题、天线控制跟踪技术、抗旋翼遮挡技术及保密安全性问题等。因此，在进行总体设计时需充分考虑以上问题，进行针对性设计。

1 机载卫星通信系统组成

机载卫星通信系统由机载端卫星通信分系统、地面端卫星通信分系统和卫星转发器组成。机载端卫星通信分系统由低剖面卫星天线和一体化信道终端组成。低剖面卫星天线由等效0.4 m 天线主面、Ka 频段馈源、射频收发组件、天线伺服控制、惯导单元以及载波跟踪接收机等组成；一体化信道终端则由基带设备、通信终端和保密模块组成。系统组成如图1 所示。

图1 机载卫星通信系统组成

2 系统总体设计

地面→卫星→飞机的通信链路称为前向链路。前向传输一般为低速控制指令，主要完成对飞机的飞行指挥控制。地面指挥所将控制信息经编码、调制、加扰、加密以及放大等环节，通过地面天线向卫星发射。机载卫通分系统收到后对信息进行放大、解密、去扰以及解调，最后解码为语音、数据等控制信息，完成前向卫星通信。飞机→卫星→地面的通信链路称为返向链路。返向回传一般为各类高速信息，主要完成飞机获取的视频等信息的回传。机载数据终端获取的视频数据、语音数据以及各类数据合成复合数据流，经过编码、调制、加扰、加密以及放大等环节，通过天线向卫星发射，返向回传到地面指挥所；地面指挥所接收信号后，对信息进行放大、解码、去扰、译码以及解调，以达到数据流恢复的目的，最后解码语音、视频、数据等信息，完成返向卫星通信。

由于飞机端受重量、尺寸的设计限制，各单元均需采用小型化和轻量化设计。为了降低剖面高度，天线采用低剖面抛物面赋型设计，天线座架结构采用方位-俯仰方式。为了减轻天线重量，天线面采用碳纤维蜂窝夹层设计，面背架采用铝镁合金压铸工艺，在保证整体结构刚性的同时达到重量最轻。俯仰齿轮采用钛合金材料，在满足传动性的同时尽量满足轻型设计。各电子部件尽可能与座架实现融合一体化设计，结构形式如图2 所示。天线跟踪方式选用程序跟踪与自跟踪相结合方式。调制解调器为基于FPGA 的嵌入式系统，采用变形LDPC 编码格式进行报文突发，解决旋翼遮挡问题。由于载机的特殊使用环境，在Ka 频段卫星通信时需进行几个关键问题设计，包括通信链路计算及余量分析、高动态天线跟踪指向技术、抗旋翼遮挡方法以及保密安全等。

图2 机载低剖面双频段天线

2.1 通信系统链路余量设计

链路预算的目的是在卫星转发器上的功率占用比等于或小于带宽占用比的情况下，保证接收端调制解调器输入端的Eb/N0大于调制解调器的门限值，并在一定的系统可用度的情况下留有一定的余量，从而确保卫星通信性能。在进行Ka 频段链路预算时除应考虑自由空间的传输损耗、大气损耗以及指向误差损耗外，还应考虑地面雨衰对机载通信系统的影响以及机身反射、地面和海平面的镜面反射等的影响。已知使用的卫星转发器参数及发射端、接收端参数如表1 所示。

表1 卫星转发器及发射端、接收端参数

2.1.1 上行机载站发射功率估算

机载站上行[EIRP]e.m及发射功率为：

式中：[SFD]为卫星饱和输入通量密度；[Bo]i为卫星转发器输入补偿；10lgN为转发器占用因子；[Lu]为上行链路损耗，包括上行空间损耗（Ka频段为213 dB，Ku 频段为207 dB）及大气损耗、指向误差等；10lg(4π/λ2)为单位面积接收波长为λ的电波的增益；[GT]为发射端天线增益，[LFT]为发射端损耗（含天线罩损耗）。将表1 参数代入式（1）和式（2）可知，[EIRP]e.m为45.18 dBW，[PT]=9.68 dBW。一般系统需考虑3 dB 的余量，因此机载端需配备20 W的功放。

2.1.2 卫星链路载噪比估算

链路载噪比包括上行载噪比、下行载噪比、总载噪比及系统余量的计算。

计算可知：[C/T]U=-162.51 dBW/K，[C/T]D=-128.28 dBW/K。由此结果可知下行余量较大，系统总载噪比主要由上行载噪比贡献，因此可近似给出[C/T]t=[C/T]U，计算可知系统[Eb/N0]=6.09 dB。

本系统接收终端调制解调器门限Eb/N0为 2.5 dB，则链路余量MTH为3.59 dB（晴天）。考虑下行雨衰余量，在系统可用度为99.5%的情况下，下行G/T恶化2.6 dB，因此链路余量MTH为满足系统雨衰余量需求，选取接收站天线为2.4 m、系统余量3.59 dB 的方案可行。上行发射站0.4 m 天线，传输1 Mb/s 信息速率配置20 W 功放，系统余量3 dB 的方案可行。

2.2 高动态天线跟踪技术及方法

卫星通信天线对卫星的跟踪一般有程序跟踪和自动跟踪两种方式。程序跟踪是根据预定的卫星轨道信息和天线波束的指向信息驱动跟踪系统。自动跟踪是依靠收到的卫星信号，经处理后驱动天线自动对准卫星。由于直升飞机的特殊性，需天线具有敏感飞机姿态、航向的装置，当飞机处于飞机起飞阶段、惯导输出不稳定的情况下，可使用最大值跟踪算法，与高速采集跟踪接收机共同完成自跟踪；在飞机平稳飞行阶段，可使用高精度惯导数据进行程序跟踪。两种跟踪方式相结合，互为冗余。

当载机的旋翼遮挡致使信号丢失时，应优先启动程序跟踪。若不具备程序跟踪条件，可先保持当前的天线姿态一定的时间（保持时间）。此过程中不断进行信号的采集和比较，如果在到达保持时间之前信号大于门限，则恢复跟踪状态；如果保持时间达到后信号仍然小于门限，则进入搜索状态。这种信号丢失的处理方式有利于快速建立链路。天线跟踪流程如图3 所示。

图3 天线跟踪程序流程

2.3 抗旋翼遮挡方法

在直升机飞行过程中，旋翼桨叶会周期性地遮挡天线，造成通信信号的周期性衰减而影响正常通信。通常前返向链路中可采用的应对旋翼遮挡的通信方法包括缝隙突发、组帧重传以及时间分集等。

采用缝隙通信技术克服旋翼遮挡问题，通过非遮挡缝隙时间内传输的数据恢复信息。实际设计中，根据卫星通信宽窄带通信和前返向链路的不同特点，需采用不同的策略。对于宽带信息，前向链路可采用组帧重发策略，返向链路可采用旋翼同步突发技术；窄带信息前返向链路均可采用时间分集策略。

信道纠错码方案可以显著改善系统传输性能，有效降低信号解调门限，实现低信噪比条件下的解调。本系统纠错编码方案主要有LDPC 码和纠删码两类。采用LDPC 码是考虑到直升机旋翼遮挡造成成片信号衰减，而LDPC 码具有天然的交织特性，可以抵挡直升机旋翼遮挡的影响，不丢失信息，同时具有纠错性能好、复杂度低的特点。采用纠删码是考虑当旋翼转速一定时，信息被遮挡的概率是独立、等概率的，同时遮挡的信息位置是可以检测的，即为删除错误。把这种信道环境考虑为删除信道，采用纠删码可以纠正这些删除错误。发射端将信息编码后分成多个数据包，组成多个子帧进行发射。只要接收方接收到一定数量的编码数据包，运用适当的译码方法就可重构源数据包，从而有效抵挡旋翼遮挡。

2.4 系统安全保密设计

对于卫星通信系统，传输的业务可能会涉及到国家秘密或商业秘密，需进行保密安全设计。保密通信通常在数据业务端采用加密保护、跳扩频技术进行抗干扰传输。

本系统加密设计采用在群路加装保密模块的方法。保密模块和中心站的密钥管理系统、中心站保密系统共同完成对卫星通信系统全网的保密通信。保密模块实现对业务数据信息的加解密以及远程接收密钥管理系统的管理等；密钥管理系统实现密钥管理、密钥分发以及控制管理等功能；中心站保密系统主要实现中心站卫星前向链路的业务数据信息加密和返向链路业务数据信息解密，接受密钥管理子系统的控制和管理等。