船舶卫星通信系统的稳定性控制系统开发

2021-04-14高慧良

通信电源技术 2021年22期

关键词：卫星通信增益天线

高慧良

（武汉交通职业学院，湖北武汉 430065）

0 引言

目前，船舶工程事业发展进入新的历史时期，对船舶卫星通信系统的稳定性提出了更高要求。在此背景下，有必要基于船舶卫星通信系统的整体运行环境，灵活运用多样化的系统开发方式方法，全面提升其稳定性控制系统的实施成效。

1 船舶卫星通信系统的稳定性系统原理

1.1 平台式稳定性系统

平台式稳定性系统是船舶卫星通信系统的关键构成要素，在优化卫星通信质量与效果等方面扮演着不可替代的关键作用。在平台式稳定性系统的支持下，船舶卫星通信系统可被单独细化，分为多个特定功能模块，实现独立化的平台式运行，并以伺服控制的方式在多类型平台模块与船舶卫星通信系统之间实现信息交互补偿，且具有连续性强、不间断的现实优势[1,2]。

1.2 惯性导航稳定性系统

1.2.1 天线模块

现代通信技术与控制方法的持续快速发展为船舶卫星通信系统的稳定构建提供了更为丰富的技术手段，使得传统技术条件下难以完成的稳定性系统开发构造目标任务更具实现可能。在惯性导航稳定性系统中，天线模块可充分衔接与贯穿伺服控制功能和惯性导航功能等，可实现对通信信号的连续性传输，将天线的波束信号进行集中发送[3]。

1.2.2 信号处理模块

信号处理模块的关键作用在于处理加工与分析卫星信号。在当前技术条件下，船舶卫星通信系统传输的信号具有相对分散的特点。为了有效弥补信号传输过程中的类型匹配等问题，应充分构造有效的信号处理模块，将传输与收集的卫星信号进行有层次的解析和处理，实现定向渠道传输。随着技术方法的革新，信号处理模块开始将上位机和信号传输端口等纳入构造系统之中。

1.2.3 天线稳定性控制器

船舶卫星通信稳定性控制系统的核心构造要素为天线稳定性控制器，具备完善的稳定性控制功能。在天线稳定性控制器中，主要包括传感器、执行器以及控制电路等部分。各部分共同构造形成控制系统，在伺服电机的作用下降低船舶船体相对不稳定而造成的信号传输误差，充分提升信号处理能力与传输能力[4]。

2 船舶卫星通信系统的稳定性系统设计与性能分析

2.1 硬件控制电路设计

船舶卫星通信系统稳定性系统的基础在于硬件控制电路设计。在此环节，应构造基于特定类型处理芯片的控制器电路，具体包括处理器、显示器、数模转换电路、步进电机、时序电路以及存储器等硬件。不同的硬件类型在标准确定、衔接方法与运行环境等方面存在显著差异，应结合船舶卫星通信系统的宏观稳定性要求予以有序选择。以处理器为例，应使其具备较高的稳定性，可完成浮点运算等，满足卫星通信信息高速高效处理的现实要求，并拥有一定的储存器寻址能力。此外，时序电路则应在触发器的支持作用下完成电路的输入与输出状态控制[5]。

2.2 通信系统稳定性控制平台的伺服控制原理

船舶卫星通信系统的信号覆盖能力较强，但信号的真实率会随着传输距离等客观条件的影响而出现衰变，若不能够对信号衰减等问题做出有效控制，则难以达到最优的卫星通信效果。对此，应通过稳定性控制平台满足伺服控制需求，以步进电机为主要面向对象进行强化控制，并有效衔接位置矫正系数、电阻值、电流值、电机转动角度以及定子电感等技术参数，并有效优化其与步进电机时间常数之间的关系，形成相应的电机输出响应曲线。在伺服控制体系下，船舶卫星通信系统能够更加高效稳定地参与到广播、导航以及气象监测等现实任务中。

2.3 通信传输控制协议

通信传输控制协议需要完成对整个卫星通信过程的衔接有序控制，使通信资源数据信息能够在相对稳定的过程中完成传输。一般情况下，通信传输控制协议需要对整个传输过程进行动态化监视和反馈，对其整体控制质量进行综合有效把握，对不同字段与不同内容的通信资源进行综合优化处理。从传统的通信传输控制过程来看，存在一定的周期性传送控制不到位等状况，影响通信传输速率，导致通信传输过程起伏波动突出。基于此，需要依托多类型、多维度的控制协议方法完善传输流程，提高通信资源传输质量，达到最佳通信效率[6]。

3 船舶卫星通信系统的稳定性控制系统开发探讨

3.1 系统方案设计

3.1.1 卫星通信接入体制设计

为有效实现船舶卫星通信系统多个点位之间的多用户接入，应进行卫星通信接入机制设计，采用统一化与标准化的接入方式为多用户的串联贯通提供保障与参考，从而更加精准有效地传输预警信息和水声信息。在卫星通信接入体制的统一衔接作用下，特定长度的待传输信息可被加工处理压缩到多个数据段内，并按照传输方法规则的控制形成多条连续报文组包，充分提高稳定性控制系统的整体构造效果。在小卫星单次过境状态下，不同卫星通信系统用户均可以通过预先分配的时隙向小卫星发送数据。在此过程中，卫星通信接入体制可全面精准计算最大信息长度，用以标明不同时段下的水文特征信息，同时基于时分多址将多个时隙转换为可识别的数据信息进行传输[7]。

3.1.2 通信天线选择

采用波束覆盖范围相对较广的通信天线，最大限度上减少通信信息收集盲区，实现最大化通信信号增益。在现代通信技术的支持下，通信天线的类型日趋细化，包括鞭状天线、四壁螺旋天线和微带贴片天线等。上述不同的天线类型具有不同构造特点和不同空间波长，在卫星通信覆盖中的效果存在一定差异。以鞭状天线为例，其优势在于结构相对简单，能够实现全向垂直极化的辐射方向，但劣势则主要表现在波束覆盖角度较低，尤其是在卫星过顶仰角超过特定幅值时难以精准有效地满足船舶卫星通信系统运行需求，且存在一定意义上的极化损耗等。通信天线结构如图1所示。

图1 通信天线结构

3.1.3 链路增益预算

由于在卫星系统功耗和构件尺寸等因素的影响下会使功放增益、天线增益等受到一定限制，因此为了有效保障链路增益能够满足卫星通信系统的正常稳定运行需求，应先进行必要的链路增益预算。对链路增益预算的目标值与实际值进行动态化比对分析，全面精准掌握两者之间存在的幅值偏差波动状况，并在卫星通信系统技术规范的参照下进行波动幅值调整，以更好地实现与小卫星之间的数据发送与接收。预警信息、水文特征信息和水声原始数据是船舶卫星通信系统的关键传输要素，应在链路增益预算的导向下选用右旋圆极化通信天线，为其传输渠道设定多个不同频段，防止频段之间彼此干扰，确保通信数据信息能够始终沿着正确高效的方向传输[8]。

3.2 卫星通信系统低功耗技术应用

3.2.1 低功耗管理系统

通常而言，在长期连续的工况运行状态下，船舶卫星通信系统稳定性控制系统需要消耗很大一部分能量，若不注重低功耗管理系统的配置与构造，则难以实现低功耗管理成效，缩短系统工作时间。结合卫星通信系统的各类系统模块，强化运用软件技术，通过特定软件算法对各类设备与构件的启闭进行精准控制，以降低功耗。在长时间闭合状态下，低功耗管理系统可对部分构件进行中断供电或休眠供电。当部分指令信息被激发后，则应第一时间恢复供电，使卫星通信系统稳定性控制系统的相关模块和设备恢复原有正常工作状态。发射机功放由电源模块供电，仅在有上星信号待发送时才开启。

3.2.2 基于姿态信息的高增益天线

高增益天线的现实价值作用在于实现更大范围的数据信息搜集与处理。宽波束天线往往在增益方面表现的相对被动，在极端情况下难以有效保障船舶卫星通信系统的高效运转，对此需要通过高增益天线的实际功能获取较大功率的功放，以更好地满足稳定性控制系统精细化与可靠化的基本需求。在高增益天线配置中，可融合采用智能天线技术方法，最大限度上减少与控制共道干扰，增强目标节点方向增益，充分彰显其在实践应用领域中的高灵敏度、低功耗等优势。虽然基于姿态信息的传感器性能得到了极大程度的优化提升，无论是功耗、体积还是精度等均实现了突破，但是受船舶自然振动等因素影响，其漂移误差依旧存在[9]。

3.3 稳定性控制系统的实时姿态解算

3.3.1 姿态传感器的数据融合

实现数据融合是姿态传感器的关键功能，可通过配置多个不同类型与功能的传感器进行数据整合，并通过特定分析规则方法对数据进行分析汇总，完成数据信息处理的整个过程。在数据融合中，部分数据存在互补性和冗余性等鲜明特征，因此应通过更为合理有效的融合算法最大限度上减少冗余信息和错误信息，更好地满足船舶卫星通信系统的整体工况需求。在多传感器的数据融合算法中，可灵活采用加权平均法、卡尔曼滤波法以及人工神经网络法等，以有效消除多传感器协同工作对数据信息准确性造成的交叉影响。依托传感器数据融合，对滤波算法进行仿真模拟，从而获得更准确、更稳定的姿态信息。

3.3.2 姿态数据的获取实现

姿态数据的获取需要有效形成硬件设计方案、软件系统实现以及系统功能验证等，并在波束控制技术的支持下完成信号仿真与解调。在硬件设计中，应配置性能符合技术要求的传感器、陀螺仪、敏感轴等，形成衔接有序、匹配优良的硬件系统，以促进其通过快速通信模式进行通信。在软件系统功能实现中，应基于姿态信息的解算，通过数据包传输对驱动库进行移植，有序完成对传感器采样率设置、加载固件等操作，并向寄存器写入频率配置。在系统功能验证中，则应对卫星通信系统稳定性控制系统的整体运行效果进行预测分析与模拟，对比分析原始数据值，优化实时解算功能[10]。