便攜式衛星通信站設計與實現

【摘要】 本文論述了一種新型便攜式衛星通信站，對便攜站的主要功能、基本原理、實現方法做了詳細的分析和介紹。通過對衛星天線單元、終端單元和結構設計等方面的闡述可知，我司設計、生產的便攜式衛星通信站具有安裝簡單，對星快速，性能穩定的優點，可以在較短時間內為用戶提供一個高品質的衛星通信網絡，具有非常廣闊的應用前景。

【關鍵詞】 便攜式衛星通信站 衛星天線 終端單元 衛星通信網絡

一、引言

隨著應急通信指揮系統的應用領域逐漸擴大，便攜式衛星通信站已成為應急通信的一種重要通信組成部分。便攜式衛星通信站通過與地球同步軌道衛星組網形成衛星通信網絡，可以實現話音、數據、音視頻和廣域網接入功能的多媒體通信業務，實現如電話、傳真、電傳、電報、圖像、可視電話、話帶數據、計算機數據、復用數據、電話會議等功能，廣泛應用于交通運輸、搶險救災、新聞采訪、科考探險、公安、軍事等應急和特殊通信領域。

二、技術方案

2.1 系統組成及功能

便攜式衛星通信站主要由便攜式衛星天線單元（含天線、伺服、BUC、LNB）和終端單元（含衛星調制解調器、交換機、視頻會議終端、VOIP、矩陣、顯示器、3G圖傳、單兵圖傳接收機等）組成。整套系統可由2人完成操作使用，總質量不大于60Kg。便攜式衛星通信站基于VSAT衛星通信網，通過便攜天線，可與后方指揮中心建立基于IP的透明鏈路。主要特點是簡單、方便，易于運輸，適應應急性指揮通信的要求，能夠在較短時間內迅速搭建一個衛星通信平臺，并建立起與主站的通信連接。便攜式衛星通信站原理框圖如圖1所示，該系統具備衛星通信、視頻會議、VOIP語音通話等功能。在執行任務時，通過單兵式微波圖像傳輸系統將野外現場的聲音、圖像等相關資料實時傳輸到便攜站，再通過VSAT衛星系統和專業視頻會議系統將其傳送到國家、省、市級指揮中心，為領導總攬全局，果斷決策，正確指揮提供直接的現場信息。本文設計的便攜式衛星站具備“一鍵式”對星功能，同時采用雙跟蹤尋星模式，尋星時間小于3分鐘，跟蹤精度小于0.2度。為滿足不同場合不同業務量的需求，天線單元可選用等效口徑1m或1.2m天線面，功放選用20W～40W功率功放，組合配置，用于提供傳輸不低于2Mbps的通信業務。

2.2 便攜式衛星天線單元

便攜式衛星天線單元分為天線分系統、伺服控制系統和遠程監控系統三部分。便攜式衛星天線原理圖如圖2所示。

天線是衛星通信系統的重要組成部分，是便攜站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統性能的優劣直接影響到整個通信系統的性能。便攜式衛星天線采用格里高利雙反射偏饋型天線設計，天線單元包括主反射面、副反射面、饋源及其支架、高頻頭及雙工器等。天線面的材質主要有鋁合金、玻璃鋼以及碳纖維等，考慮到高增益、低噪聲溫度，展開、收藏、攜帶方便，天線設計為碳纖維復合材料的雙反射面天線。該天線面在+130℃中溫壓固化成型，可在-50℃～+80℃環境中使用，具有強度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數幾乎為零的特性。當天線對準目標衛星時，地面用戶發出的基帶信號經過地面通信網絡傳送到便攜站，便攜站通信設備對基帶信號進行處理，使其成為射頻載波后發送到衛星轉發器。衛星轉發器接收地球站上行頻率發送來的射頻載波，經過放大和變頻處理后，再轉發到地球站，由地球站天線接收。天線分系統的饋源、高頻頭將天線面接收的射頻載波處理為中頻信號，中頻信號經過功分器后一路信號解調處理后給基帶處理器，通過地面網絡傳送給用戶，另一路信號經信標接收機和DVB-S載波跟蹤接收機輸出AGC電平給天線控制器，為伺服控制提供信號電平指示。

伺服控制系統是整個系統的核心部分，用于控制天線準確對準目標衛星。包括：伺服控制器、電子羅盤、GPS接收機、信標接收機、DVB-S載波跟蹤接收機、執行電機及驅動部分。伺服控制系統工作原理為：在系統上電后開始搜索衛星信號，通過GPS接收機獲取接收天線所在地的經度、緯度和高度，結合控制器存儲的被搜索衛星的在軌經度，將這些角度信息送入控制器進行計算，獲得天線對準衛星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。然后通過姿態測量傳感器得到天線實時的方位角、俯仰角和極化角，與計算所得的理論角度進行比較，若不等，則驅動伺服電機轉動天線逐步減小差值，完成天線的搜索與初始對準。隨后進入步進跟蹤模式，在方位、俯仰方向上按一定步進小角度運動，同時與信標接收機或DVB-S載波接收機配合使用將天線鎖定在最佳跟蹤位置，完成衛星信號的跟蹤。伺服控制設計基于Microchip公司的dsPIC處理器方案，它是一種具有單片機和DSP綜合功能的16位CPU，不但具有豐富的外圍模塊，I/O接口，支持多種電機控制，強大的中斷功能，同時還兼具DSP高速運算能力，是嵌入式系統的一種高性價比解決方案。為了滿足高精度控制，做到精確對準，本系統通過將GPS、數字羅盤、天線控制器、執行電機結合AGC電平反饋形成系統大閉環的方式，完成天線對衛星的穩定跟蹤。對于DVB載波跟蹤方式，由于數字高頻頭的解調過程需要幾秒鐘時間，所以存在對衛星信號反饋較慢的缺點，但是載波有帶寬較寬，比較容易捕獲，數據通信穩定的優點。信標是一個單載波，存在難捕獲，易受干擾的缺點，但是信標接收機能快速反饋衛星信號的強弱。本系統采用了DVB載波和信標跟蹤并存的方式，當一種方式無法對星時，可自動切換到另一種對星方式，從而確保了天線指向有效對準衛星。伺服轉臺采用俯仰、方位型天線架座，同時極化可調，執行電機通過驅動器電流的32細分，在減小噪聲和震動的同時，提高了控制精度。通過安裝限位開關對零點與限位位置進行定位。

遠程監控系統主要由手持終端控制設備或筆記本組成，向伺服控制系統輸入要對準目標衛星的位置信息、步進指令（步數以及方向）、開始運行指令、復位指令以及停止指令等，同時也可以在監控計算機上顯示天線的實時狀態信息以及角度波動情況，提供良好的人機對話功能。

2.3 終端單元

終端單元集VOIP語音、傳真、視頻采集及編解碼傳輸、視頻顯示回放、網絡互聯等多種功能于一體，預留與各種非衛星通訊終端設備（如計算機）的接口，具備與衛星通訊網絡間的實時雙向通訊功能。終端單元集成于手提箱內，防塵、防震、體積小、重量輕、攜帶方便，采用積木式結構，可根據用戶需要選擇不同衛星通信體制設備終端單元，并根據具體需要，對功能模塊進行選配。終端單元原理框圖如圖3所示。

終端單元的核心設備是衛星調制解調器，其主要功能是完成基帶信號的編/解碼、調制/解調等信號處理，且自身帶有IP路由功能，通過設置網關，局域網內的網絡設備能夠連入衛星網絡，實現與其他衛星站之間的網絡通信、視頻會議、數據通信等。

三、結構方案

便攜式衛星通信站結構設計的核心部件是電/手動二維轉臺，它的結構形式直接關系到整個便攜式衛星通信站的外形、重量、體積等。該轉臺分為上、下腔體兩個部分，方位和俯仰驅動機構均布置在上腔體中，下腔體布置支撐結構和接插件。俯仰驅動機構采用雙軸伸步進電機加成品減速器的方式：俯仰電機一端與減速器相連，一端與手動手柄相連，減速器一端與電機相連，一端與天線組件相連，帶動天線組件做俯仰方向的轉動；方位驅動機構采用雙軸伸步進電機加自制減速機構（蝸輪蝸桿加圓柱齒輪）的方式：方位電機一端與手動手柄相連，一端與蝸桿相連，通過自制減速機構驅動上腔體和天線組件做方位方向的轉動，上、下腔體的結合處加密封圈，能有效防塵、防雨。方位驅動機構中有蝸輪蝸桿，能有效自鎖，可防止大風對天線面在方位方向上的吹移，俯仰驅動機構外加鎖緊裝置，可防止大風對天線面在俯仰方向上的吹移；極化裝置所需的驅動力矩很小，采用單軸伸步進電機加成品減速器和同步帶驅動的結構方式。

天線面采用可拆卸的剖分結構形式，共分為六瓣，除主瓣與轉臺固定連接外，其余五瓣可拆卸，通過專門的快裝機構拆裝。整個控制系統模塊裝在一個腔體內，該腔體采用碳纖維開模加鑲嵌散熱金屬塊的方式制造，蓋板采用倒扣結構形式，配合碳纖維腔體邊緣的密封橡膠條，和轉臺配合使用，能有效散熱且能密封防雨。

四、軟件設計

便攜式衛星通信站實現一鍵對星功能采用程序跟蹤與步進跟蹤相結合的跟蹤方式，即：先利用程序跟蹤實現天線的粗對準，再采用步進跟蹤實現天線的精對準，可以提高系統跟蹤的速度與精度。

程序跟蹤將需要搜索的衛星的軌道信息（衛星的在軌經度、極化方式、下行頻率、符號率）預存入天線控制器中（在管理員權限下同時支持手動輸入衛星的在軌信息），讀取GPS、數字羅盤、傾角儀等傳感器數據，計算出天線俯仰、極化、方位的指向，向俯仰、方位、極化電機控制驅動器發出命令，俯仰、方位、極化電機轉到指定位置實現對衛星的搜索與跟蹤。程序跟蹤的關鍵是通過兩點GPS位置信息計算天線的指向角度，主要涉及到大地坐標系到載體坐標系的矩陣變換算法。

步進跟蹤是在程序跟蹤后，在天線方位角±10°、俯仰角±2°范圍內以“Z”字型方式掃描空域，精密調整天線指向，在信標信號或載波信號鎖定后，微調天線找出信號的最大值指向角度，此時鎖定衛星。

五、結論

我公司設計、生產的便攜式衛星通信站具備全自動“一鍵對星”能力，設備從展開、跟蹤、對星、調整、收藏均可全自動完成，安裝簡單，無須較準，快速對星，通過VSAT通信網，可在較短時間內迅速搭建一個高品質的衛星通信網絡。目前該系統已在四川省人防辦、綿陽市人防辦、雅安市人防辦、南充市人防辦投入使用，客戶反映良好。

參 考 文 獻

[1] 胡正飛，訪繼東. 便攜式衛星通信地球站結構及其控制系統設計[J]. 機電產品開發與創新，2006，19（3）：4～6

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[3] 彭樹生，王洋. 車載快速搜索/跟蹤衛星的控制系統設計[J]. 計算機測量與控制，2005，13（9）：932-934