S波段動中通天線在移動載體中的應用

王春華，劉 念，尚潤平

（深圳市華信天線技術有限公司，深圳 518055）

技術研究

S波段動中通天線在移動載體中的應用

王春華，劉 念，尚潤平

（深圳市華信天線技術有限公司，深圳 518055）

本文提出一種S波段動中通雙向通信天線，通過微慣性陀螺系統和伺服控制系統，采用衛星初始對準、隔離車輛、航空器以及船舶等載體運動、自動跟蹤技術以及丟星處理等一系列措施，實現某衛星的穩定跟蹤。應用于移動載體上，在海洋、邊遠地區或者信號絕緣地區實現數據以及語音通信，消除了中國邊遠地區信號盲區，降低危險隱患，大大加強中國的安全防護措施。

衛星新應用技術；S波段；動中通天線

1 引言

我國幅員遼闊，地形復雜多樣，地震、洪災、臺風等自然災害頻繁發生。在災后的救援工作中，政府需要與受災現場進行實時的語音、圖像、視頻等數據通信，及時了解災區的情況，并據此部署合理有效的救援方案，最大程度地減小人員和財產的損失。而自然災害對有線光纜、電力、基站等設施有很強的破壞力，無法保證災區與外界有效通信，對抗災和救援十分不利。隨著我國衛星通信事業的快速發展，衛星應用技術已經廣泛應用于國防安全、遙感測繪、導航定位等許多領域中，其應用場景如框圖1所示。由于衛星通信不受自然災害的影響，全天候、覆蓋距離廣、通信成本低等優點，而且可以實現語音、圖像和視頻等數據傳輸，近年來已成為了應急通信的重要方式之一[1]。衛星通信的工作波段主要有L，C，X，Ku，Ka，S等。L，C，X，Ku波段不能滿足高速、寬帶、小口徑終端等應用的需求，而S波段是頻率范圍在1.55-3.4GHz的電磁波頻段，主要應用在中繼、衛星通信、雷達等方面。由于該波段的優點是可用帶寬大、干擾少、設備體積小、可滿足高速應用的需求，因此可應用于移動載體設備中。

本文介紹了一種應用衛星雙向通信的新技術，一款基于S波段的動中通天線。它通過微慣性陀螺系統隔離載體運動的干擾，驅動電機保證天線姿態在一定的范圍內，完成粗對準。同時，根據對某衛星信號強度的實時分析，驅動電機小范圍調整天線姿態，完成精對準，實現動中通天線對衛星的實時高精度跟蹤，保證移動載體設備在信號盲區實時準確地與外界進行數據和語音通信。

圖1 衛星通信應用場景

2 衛星通信的特點

衛星通信是利用人造地球衛星作為中繼站來轉發電磁波，實現兩個或者多個地球站之間的通信，一種全天候、全球性的通信系統。這里的地球站是指在地球表面（包括海洋、地面和大氣中）的無線通信站。衛星通信系統主要由空間站、地面站和用戶站三部分組成。空間站是指人造地球衛星，地面站一般包括衛星測控中心、網絡控制中心等，用戶站指各種衛星接收設備。相比于其他通信方式，衛星通信主要有以下三個方面的特點[2]：

（1）覆蓋范圍廣，不受地域限制。由于衛星分布在太空中，在衛星天線波束的覆蓋范圍內即可通信，三顆衛星可覆蓋全球。因此，在全球任何區域，只要衛星信號無遮擋，就可以實現衛星通信。其覆蓋范圍非常廣泛，且不受地域限制，在邊遠的城市和交通不發達的地區，衛星通信是極其有效的通信手段。

（2）通信成本低，可靠性高。由于直接通過衛星進行電磁波的轉發，不需要額外建立中繼設備、鋪設光纜等有線傳輸設備，通信成本低。電磁波主要在大氣層以外（可看作在均勻介質）的空間進行傳輸，不易受自然環境和人為干擾的影響，相對比較穩定，可靠性高。

（3）靈活性大，組網速度快。衛星通信采用無線傳輸，不受地理環境的限制，能夠快速地在多個衛星設備之間建立通信，靈活性大，組網速度快。

3 S波段動中通天線在移動載體中的應用

在遭受地震、洪水、海上臺風等自然災害時，光纜、電力設施、基站等基礎設施通常會受到不同程度的損害，常規的有線通信和無線通信方式無法保證災情及時有效的傳遞，對救援工作十分不利。因此，建立有效、可靠的應急通信系統，是部署科學救援方案、減小人員和財產損失的前提，具有非常重要的社會意義。近年來，一些研究者對S波段衛星雙向通信進行了大量的研究[3],[4]，由于具有覆蓋范圍廣、可靠性高、通信量大等優點，在應急通信領域將發揮不可限量的作用。因此，未來將可利用S波段動中通雙向通信天線，在全國任何地域建立應急通信系統，并與其他用戶建立可靠穩定的短信、語音、圖像以及視頻等數據傳輸。S波段動中通天線在移動載體設備通信領域的應用主要可以分為以下幾個方面[5]：

（1）自然災害。近年來，地震、洪水、雪災、臺風等自然災害越來越頻繁，災情波及范圍廣，破壞程度大，因此，為了盡快挽救人員和財產的損失，對災情的及時全面了解尤其重要。災情發生后，應急通信車輛可迅速前往災區，搜集大量現場情況，并實時以數據、語音、圖片和視頻等方式通過某衛星向上級部門匯報，同時通過衛星通信接收上級的救援指示。

（2）航海安全和通信。在航海上，由于無線電通信不僅受距離的限制，而且在偏遠海域會有大量的信號盲區，海洋上的船舶很容易迷失方向。此時，S波段動中通天線可以通過接收GPS信號進行定位保障船舶的安全，同時通過衛星雙向通信尋求救援。

（3）公共安全。由于境內外各種分裂勢力的煽動和策劃，各種恐怖主義活動也時常發生，且經常選擇在車站、廣場等人流量大的區域，嚴重影響公共安全。如果應急移動載體設備能夠及時迅速的趕到現場并架設衛星通信鏈路，則必將在通信、指揮、調度和救援等方面起到重要作用。

（4）話務高峰。隨著人民生活水平的提高和經濟建設的發展，在重大節日、重大活動期間，人民往往大量聚集在大型廣場、公園等場所。智能手機的迅速發展，使得通信內容從傳統的語音、短信擴展到數據量更大的短信、語音、圖片、視頻等數據通信方式，這往往會導致通信阻塞。可以用應急移動載體設備建立衛星通信鏈路，分擔通信數據量，減小基站的通信負擔。

4 基于S波段動中通天線

圖2 基于S波段動中通天線跟蹤衛星的系統框圖

S波段，支持北斗B1，B3頻點，兼容JY-LTE模式。S波段動中通天線在移動載體中的應用，作為動中通的天線跟蹤系統，是衛星的新應用技術。通過微慣性陀螺系統實時測量載體的姿態信息，隔離載體運動，并通過伺服控制系統去調整天線姿態，實現對衛星的穩定跟蹤，保證衛星通信的質量和穩定性。該應用的框架見圖2。按照功能來劃分，主要可以分為S波段動中通天線系統、射頻信號處理系統、微慣性陀螺系統、天線伺服控制系統四個部分[6]。

4.1 S波段動中通天線系統

4.1.1 S波段動中通天線系統的原理

S波段動中通天線實物圖如圖3所示，它由天線和饋源網絡組成，主要用于接收和發射衛星信號，實現電場和磁場直接的能量轉換。通過雙工器分離收發兩路信號，實現收發共用，其性能的優劣直接影響衛星發射和接收信號的能力。

圖3 S波段動中通天線實物圖

4.1.2 S波段動中通天線性能的仿真

天線的發射頻率為1980MHz-2010MHz，接收頻段為2170MHz-2200MHz，其發射和接收性能分別如圖4和圖5所示，天線的駐波比如圖6所示。

圖4 發射性能

圖5 接收性能

圖6 駐波比<1.5

4.1.3 S波段動中通天線環境實驗測試結果

對S波段動中通天線做溫度實驗，分別放置在常溫下、高溫下80°和低溫下-50e 12個小時，其天線的性能分別如表1、表2和表3所示。

表1 常溫測試結果

表2 高溫測試結果

表3 低溫測試結果

從表1～表3可以看出，天線不管在常溫、高溫還是低溫下都能滿足實際動中通的要求。4.2 射頻信號處理系統

射頻信號處理系統框圖如圖7所示，它的主要功能是對衛星信號的接收和發送進行處理。接收部分是將接收到的衛星信號經過前置放大、數字下變頻、解調、濾波等處理后轉變成基帶信號。發送部分是將待發送的基帶信號經過調制、數字上變頻、功率放大等處理后通過動中通天線系統進行發送。

圖7 射頻信號處理系統框圖

4.3 微慣性陀螺系統

微慣性陀螺系統的框圖如圖8所示，采用基于陀螺儀、加速度計、磁力計和GPS的多傳感器信息進行數據融合。陀螺儀直接測量載體的角速度信息，積分即可獲得載體的姿態相對變化，在短期內精度高。但是隨著時間累積，誤差會越來越大。加速度計直接測量載體的加速度信息，在靜止和勻速的情況下，根據重力加速度的測量值準確計算載體的俯仰角和橫滾角。但是在變速情況下受運動加速度的干擾，測量精度無法得到保證。磁力計直接測量載體周圍的磁場信息，在沒有外界磁干擾的環境下，根據地磁場的測量值準確計算載體的航向角。由于環境比較復雜，磁力計無時無刻不受到周圍磁環境的干擾，測量精度無法得到保證。GPS在環境開闊、載體運動的情況下能夠提供準確的航向角。但是，樹木、橋洞等環境的遮擋會使GPS失效。因此，綜合陀螺儀、加速度計、磁力計和GPS的優缺點，發揮各個傳感器的特點，優勢互補，對采集的數據進行卡爾曼濾波融合，能夠在高動態下實時提供穩定、精確的載體三維姿態信息[7]。

圖8 微慣性陀螺系統框圖

4.4 天線伺服控制系統

天線伺服控制系統框圖如圖9所示，它的功能主要是控制電機去調整動中通天線的姿態，實現對衛星的搜索和跟蹤。伺服控制系統根據微慣性陀螺系統得到的載體信息，去控制電機驅動動中通天線，隔離載體運動的干擾，使動中通天線的姿態在一定的范圍內，實現粗對準。同時，根據衛星接收處理系統提供的衛星信號強度值，在小范圍內調整動中通天線的姿態，使其接收到的衛星信號強度最大，實現精對準。跟蹤到衛星信號后需要實時判斷是否鎖定了衛星信號，若衛星信號強度大于閾值，則伺服控制系統需隔離載體運動、根據衛星信號強度進行持續跟蹤，若衛星信號強度小于閾值，則系統需進行初始化，重新搜索衛星[8]。

5 結束語

隨著經濟的高速發展和衛星通信技術的不斷提高，衛星通信在應急通信領域的應用將會越來越廣泛，越來越普及。S波段以可用帶寬大、干擾少、設備體積小、可滿足高速應用的需求等優點，未來將大量應用于移動載體設備中。同時，基于S波段動中通天線作為衛星的新應用，將會在以后的航海、救災、搶險、邊防巡邏等方面得到廣泛的應用。■

圖9 天線伺服控制系統框圖

[1] 李京．衛星通訊在我國災害應急體系中的應用需求[J]．當代通信，2006(13)

[2] 余建國．SVC衛星應急通信保障系統探析[J]．中國新通信，2012

[3] 黃佳．S波段射頻收發前端的研究與實現[D]．電子科技大學，2010

[4] 周沫，秦華，田樹森．S波段艦載搜索雷達天線架設高度選擇研究[J]．電子測量技術，2012

[5] 祝龍雙，施永新．衛星寬帶在應急通信和災害備份中的應用[J]．衛星與網絡，2008(07)

[6] 孫興邦．衛星天線自動跟蹤算法的研究[D]．大連海事大學，2008

[7] KANG C W, PARK C G. Attitude estimation with accelerometers and gyros using fuzzy tuned Kalman filter[C]. Proceedings of the European Control Conference, Budapest, Hungary, August 23-26, 2009: 3713-3718.

[8] 楊澤．車載天線穩定系統的設計及工程實現[D]．南京理工大學，2004

An Application of Antenna in Motion for Bidirectional Satellite Communication Using S Wave Band

Wang Chunhua, Liu Nian, Shang Runping
(Harxon Corporation, ShenZhen, 518055)

An antenna in motion for bidirectional satellite communication using S wave band is proposed. It can realize to the satellite tracking steadily through MEMS Gyro system and servo control system that is adopted the satellite initial alignment, carrier movement isolation, automatic tracking technology, solution of lost satellite and so on. Applied in mobile carrier devices, it is for data and voice communication in the ocean, the remote areas and signal insulation area to eliminate signal blind area of China. The safety protective measures of China are strengthened greatly.

New satellite application technology; S wave band; Satellite communication antenna in motion

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.11.001

TN927+.2

A文章編碼：1672-7274（2015）11-0001-05

王春華，男，1979年生，山東人，碩士，1999年進入清華大學電子工程系電磁場與微波專業研修，主要從事基站天線、衛星定位天線、動中通天線研究。

劉 念，女，1988年生，湖南人，碩士，算法工程師，主要從事S波段動中通天線的算法研發。

尚潤平，男，1987年生，甘肅人，本科，S波段動中通天線項目的負責人，負責項目的整體開發等。