論KU波段衛星通信在民航中的應用

杜 巍

中國民用航空西北地區空中交通管理局

遠距離通過信號的傳輸和接收來交換信息，這就是電信通訊。衛星技術是實現這種數據交換的最常見和最有效的方法之一。衛星通信能夠使用不同的頻帶波段，這取決于所需的通信類型。頻帶的定義是電磁波譜的范圍，其中包括傳送到或從衛星天線發出的波，分配給無線電通信的不同用途，例如廣播、移動電話或無線電導航。最常用的頻帶波段是C、Ku、Ka，也有一些頻帶如X、L。

1 KU 波段通信

衛星技術發展迅速，衛星技術的應用也在不斷增加。衛星不僅可以用于無線電通信，還可以用于天文學、天氣預報、廣播、制圖和許多其他應用。由于可以使用的衛星頻帶多種多樣，因此已制定了各種名稱，便于查閱。

較高的頻段通常提供更寬的帶寬，但也更容易受到“雨衰減”(大氣雨、雪或冰對無線電信號的吸收)造成的信號退化。由于衛星的使用、數量和尺寸的增加，在較低的頻段，擁塞已經成為一個嚴重的問題。我國正在研究新的技術，以便使用更高的波段。

KU波段最著名的用途是進行衛星廣播通信。KU波段在頻率上位于中間，利用的是大約12～18 GHz的射頻范圍。這導致帶寬處于中間范圍[1]。

KU波段衛星通訊計算已經使用多年，并隨著VSAT（甚小口徑衛星終端站）的出現而廣泛應用。KU波段的頻率范圍使高效率成為可能，其可用性水平可以保持在99.5%以上。此外，它允許使用小型設備，例如，74厘米的衛星天線的使用降低了其復雜性、物流成本以及服務安裝。

在信號的傳輸和接收中，頻段是通信的重要組成部分。隨著時間的推移，需要使用KU頻帶頻率，以前常使用的是C頻帶，盡管提供了非常高的服務可用性，但它的總體效率不是很好。正因為如此，KU頻段的到來提高了效率，以更低的成本實現了更高的帶寬。

盡管KU頻段適用于任何需要高帶寬的部門，但建議將其應用于石油、金融、礦業、航空和能源部門。目前，被授權制造衛星天線的公司的主要工作是更新地球接收信號所用的設備技術。如果KU頻段與高溫超導衛星的使用變得更加廣泛，就可以實現更高的效率。

2 民航VSAT應用

KU波段衛星在航空上有許多商業應用，其中最引人注目的可能是VSAT（甚小口徑衛星終端站）。使用甚小孔徑終端跟蹤民航客機航線是航空業開創的眾多創新之一，其能有效地實時管理其龐大的航線運行，并降低事故發生幾率。

與地面基站相結合，甚小孔徑終端使中樞系統能夠更精確地了解航線飛機位置，并調度飛機的飛行狀態。其他行業甚至使用甚小孔徑終端來傳遞訂單，實時檢查生產數據，以及其他通過有線網絡處理的功能[2-3]。

甚小孔徑終端為民航科技提供了一種在有線選擇有限的地區提供接入的方法。除了偶爾由于太陽輻射導致衛星信號失真而中斷外，甚小孔徑終端網絡一直運行良好。

甚小孔徑終端網絡在部署方面有很大優勢。由于地面站與衛星通信為偏遠地區提供服務所需的基礎設施較少，因此民航選擇甚小孔徑終端進行部署。

這使得甚小孔徑終端網絡成為民航通信一個理想的選擇，為遠程工作站點提供連接，需要將每天的客機航線發回總部。甚小孔徑終端也獨立于當地電信網絡，使其成為備份有線系統和降低業務恢復風險的理想系統。如果有線網絡癱瘓了，地面基站仍然可以繼續使用甚小孔徑終端網絡。

然而，甚小孔徑終端也有局限性。最明顯的是延遲，因為由于系統的一部分位于地球同步軌道上，信息到達天線和空間站需要時間。換句話說，需要大量來回通信而不是單向數據傳輸的協議會出現延遲。信號質量也會受到天氣和其他建筑物的影響。

當甚小孔徑終端打開電源時，它的操作狀態由網絡控制、監控中心和終端上的命令處理器評估。當滿足以下條件時，才能啟用VSAT傳輸：

1）VSAT確定正確接收和解釋網絡控制和監控中心產生的指定命令信號；

2）甚小孔徑終端確認沒有發現可能導致有害干擾的故障；

3）初始傳輸參數如頻率、功率、調制、定時、編碼方案等均符合預期性能。當甚小孔徑終端以獨立模式運行時，條件1）和3）不適用于點對點拓撲。

在確定甚小孔徑終端的初始傳輸參數時，網絡控制和監控中心可能會考慮以下幾種情況：

-甚小孔徑終端的地理位置（以確定傳輸時間、傳播損耗以及終端是否獲準在該地點操作）；

-甚小孔徑終端方向的衛星增益（以確定朝向甚小孔徑終端和從甚小孔徑終端發射的功率）；

-本地雨量統計。

在甚小孔徑終端運行期間，網絡控制和監控中心及其自己的指揮處理器不斷對其進行評估，以確保其正確運行，網絡控制和監控中心或同等設施通常可以監測甚小孔徑終端的運行狀況，并確定甚小孔徑終端是否出現故障。

當發生下列事件之一時，甚小孔徑終端應停止傳輸：

1）VSAT從網絡控制和監控中心失去控制載波；

2）甚小孔徑終端探測到可能產生有害干擾的故障；

3）從網絡控制和監控中心收到命令，指示VSAT改變發射頻率；

4）目標衛星軌道位置與甚小衛星天線主瓣軸線的夾角超過允許范圍；

5）甚小孔徑終端被轉移到沒有行政許可的地理區域。

一旦導致上述關閉的問題得到解決，甚小孔徑終端可能會恢復傳輸。然而，具有“點對點拓撲”和獨立運行的甚小孔徑終端網絡在其本地故障消除后仍可繼續傳輸，而不會收到來自另一甚小孔徑終端運營商的信號，否則，如果故障消除后雙方停止傳輸，網絡將永遠無法恢復。

此外，小孔徑終端應接受國家通信中心或同等設施（如在緊急情況下）發出的“啟用傳輸”/ “禁用傳輸”的命令。

3 VSAT硬件組成

VSAT（Very Small Aperture Terminal）是小口徑天線衛星通信系統的簡稱，由中心站和眾多遠端小站形成的網狀衛星網通信網絡。VSAT，也就是使用小口徑天線的用戶地面站。VSAT系統以通信衛星為中繼，實現VSAT與主站或VSAT之間的通信，能夠提供各種電信業務。

VSAT有各種配置和尺寸，取決于預期的應用、操作頻帶和網絡拓撲。然而，對于民航業VSAT，其硬件分為兩部分：室外機組件和室內機組件。

室外機組件包括：

1）工作在Ku波段的1.2 m天線；

2）接收信號采用標準l波段LNB。LNB將衛星接收到的Ku波段信號轉換為L波段信號；

3）發射機用于發射信號。發射機將VSAT傳輸的L波段信號轉換為Ku波段信號。

4）OMT(正極換能器)利用發射信號和接收信號的不同極化和頻率，將發射信號和接收信號分離。

室內機組件與室外機組件之間的兩根IFL線纜。IFL（Inter-Facility Link）電纜承載LNB的入站、出站信號和24 V DC。

室內機組件包括以下IDU部件：調制器；解調器；2個串口和1個以太網端口。

通常，對于在集線器上工作的甚小孔徑終端遠程設備，大部分配置將從集線器遠程執行。對于VSAT，通常通過IDU和供應商提供的電纜上的配置端口進行配置。

網絡拓撲結構的差異可能會影響VSAT的控制和監控功能。在星形拓撲結構中，一般有一個“集線器”地面站，來自一組VSAT的用戶流量集中在這里，并承擔對VSAT的控制。但是，為了冗余目的，網絡中可以使用多個樞紐地面站（即主樞紐地面站和備用樞紐地面站）。在VSAT之間通信時，必須使用“雙跳”路徑（2N階延遲）。

在許多情況下，基于需求驅動協議的VSAT之間共享頻譜。對于這類網絡，出站（即集線器到甚小孔徑終端）流量和入站（即甚小孔徑終端到集線器）流量的傳輸速度通常是不對稱的，以避免數據流量在集線器出現瓶頸。還應注意的是，具有不同特性（如天線直徑、傳輸功率等）的VSAT可能在同一網絡中工作。

在網狀拓撲結構中，一組VSAT可以相互通信，而不需要hub地面站（即“單跳”連接，N階延遲）。有一個網絡控制和監控中心（NCMC）地面站（或多個冗余的NCMC地面站）來管理和控制這組VSAT。然而，用戶流量不需要集中到NCMC地面站。在許多情況下，頻譜在VSAT之間按需共享，傳輸速度隨工位的不同而不同。還應注意的是，具有不同特性（如天線直徑、傳輸功率等）的VSAT可能在同一網絡中工作。

4 結論

近十年來，空中連接服務提供商一直承諾提供一種空中連接解決方案，提供真正的寬帶空中體驗。雖然服務產品確實有所改進，但不穩定的速度、不完善的覆蓋范圍和高昂的費用意味著，很少有運營商或他們的乘客能夠確信，他們的機上連接體驗與辦公室差不多。

利用高技術、高性能的KU-Band衛星可以幫助建設一個衛星通信網絡，最終將提供航空所需的低延遲、高速和全球可訪問的連接解決方案。