高動態Ku/Ka雙天線民航動中通系統設計

崔向宇,郗小鵬2,張 勇

(1.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300301;2.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

0 引言

隨著用戶對航空上網需求的不斷增加、航空接入互聯網將成為航空公司未來品牌和服務競爭重點。而動中通由于不受地域和時域的限制，衛星覆蓋范圍廣、通信距離遠、移動中可快速建立通信[1]，因此受到航空公司的高度重視。我國Ku頻段衛星通信技術已經十分嫻熟，Ka頻段衛星通信技術目前還處于試驗階段，還未大規模商用。因此在很長一段時期內將存在多種頻段共同服務的現象[2]。

為適應國際航線不同地域不同衛星有效全向輻射功率(effective isotropic radiated power，EIRP)值的變化和提高現有衛星通信抗干擾能力，根據實際需求開展了Ku/Ka雙頻、雙天線民航動中通的樣機研制工作。通過一個方位轉臺根據最佳帶寬服務需求，實現Ku/Ka天線快速對星與切換，保證衛星通信鏈路暢通，為航空用戶提供高速上網體驗。

近年來，全球智能手機保有量持續猛增，為進一步滿足用戶對航空上網的需求，歐、美和亞洲十幾家航空公司均有民航飛機安裝了動中通設備，為客艙提供帶寬通信服務，解決飛行中信息孤島問題。法國THALES、美國VIASAT公司在商用航空領域已開展機載衛星互聯網通信的試航測試及試運行工作。比較典型的案例是美國VIASAT公司在2014年成功完成機載網絡在Ku和Ka波段商業衛星之間的切換演示[2]，飛行過程中在6顆衛星和3個Ku和Ka衛星轉發器之間進行通信切換，演示了空中通信最先進帶寬技術。而國內由于Ka天線研制難度緩慢，目前只有電子科技集團54所、星展測控、航天恒星等單位逐步開展Ka機載衛通的研制工作，并逐步在國內各行業進行推廣[3]。

1 系統結構及原理

本文分析了目前民航動中通設計要求以及關鍵技術，設計了一種以機載慣導和信標接收機相結合的方案。伺服機構采用方位-俯仰型結構形式，Ku、Ka天線對稱分布于兩側，1個方位電機和2個俯仰電機分別通過齒輪傳動完成天線兩個自由度的轉動，并通過各自的同步傳動軸帶動相應的編碼器轉動，將機構方位軸和俯仰軸的角位置信息發送至伺服控制器，采用閉環控制算法提高系統的快速響應能力。

方位、俯仰采用齒輪傳動，齒輪傳動具有傳動平穩、傳動比精確、工作可靠、效率高等優點。整個傳動鏈可以實現高轉矩、低回差和較高的定位精度；Ku、Ka天線重量配比均衡，保證方位轉動慣量在方位軸心。

Ku/Ka雙頻、雙天線民航動中通系統組成如圖1所示。

圖1 雙天線民航動中通系統組成框圖

從圖中可以看出，雙頻、雙天線民航動中通系統主要由天線子系統和模塊管理器(module manager，ModMan)組成。天線子系統包含外部天線單元(outside antenna equipment，OAE)、Ku/Ka天線控制單元(Ku/Ka-band aircraft networking data unit，KANDU)、Ku/Ka射頻單元(Ku/Ka-band radio frequency unit，KRFU)等三個部件；KANDU由伺服控制器，方位電機、方位編碼器，Ka俯仰電機、俯仰編碼器，Ku俯仰電機、俯仰編碼器，姿態參考模塊等組成；ModMan與動中通采用OpenAM協議進行通信。

本系統的主要功能為通過機載慣性和位置傳感器構建姿態測量單元，根據陀螺穩定控制技術構建陀螺穩定平臺，隔離飛機運行過程中擾動對天線指向的影響。同時結合GPS數據和信標接收機接收的信標電平大小，采用極值跟蹤算法控制天線始終指向目標衛星，使得天線指向不受飛機擾動的影響，保證通信鏈路穩定。

2 系統硬件設計

2.1 關鍵技術

民航動中通的核心問題主要有以下兩點：一是要克服飛機擾動對天線指向的影響，使得天線能夠快速捕獲并跟蹤目標衛星[4]；二是出現鏈路中斷時，能夠通過有效的控制方法快速恢復通信鏈路。因此，要求系統具有較高的動態性能和較高的跟蹤精度。

本系統涉及的關鍵技術主要有以下幾點。

2.1.1 尺寸輕量化

為滿足民航動中通輕量化技術特點[5]，Ku、Ka天線采用剖面低、增益高、輕量化，具有空間波束合成技術的平板相控陣天線面[6]，保證系統具有低旁瓣、較高交叉極化隔離度和較小的3dB波束寬帶中心偏差。結構框架采用優質鋁合金板加工而成，在滿足強度和剛度要求的前提下，采取輕量化設計，可以有效降低設備重量。

2.1.2 高精度伺服控制技術

采用機載慣導信息經過慣性空間解耦技術獲得衛星精確指向角度，結合慣性穩定技術及先進濾波算法提高輸出數據的精度和穩定度。在控制環路中設計電流環、速度環和位置環的三環控制策略，采用復合控制算法提高系統的精度和動態響應能力。同時，結合精密結構與機構設計技術，進一步提高伺服系統的控制精度。

2.1.3 快速衛星切換技術

民航動中通采用機載慣導、全球定位系統(global positioning system，GPS)和信標極值跟蹤技術相融合的工作方式，飛行中根據機載計算機指令可快速完成Ku、Ka天線對星及衛星切換；即可工作于同一顆衛星上的Ka或Ku轉發器，也可工作于不同衛星上的Ka或Ku轉發器。借鑒移動蜂窩通新概念，當衛星覆蓋擴展到新的領域時，以最佳帶寬服務理念，無縫的衛星網絡切換技術讓用戶以相似的方式受益，提供多層次服務，保障鏈路通暢，提高系統動態響應及可靠性。

2.1.4 高動態跟蹤技術

采用程序指向+動態跟蹤技術，即伺服控制系統根據飛機慣導、星位信息計算天線指向，并疊加步進跟蹤技術保證天線精準跟蹤衛星[7]，同時采用基于信標值、天線空間姿態的卡爾曼融合濾波算法的陀螺穩定移補償技術保證動中通穩定系統具備低漂移性和高精度指向的能力，克服陀螺漂移造成的指向誤差。從通信精度上來優化伺服控制系統，特別是對陀螺穩定系統的優化，避免擾動帶來的影響。在實際應用中滿足跟蹤精度要求，具有較強的可行性。

2.2 系統硬件設計

本系統以數字信號處理器(digital signal processing，DSP)為核心，構建高可靠性伺服控制系統。選用直流伺服電機作為驅動元件，光電編碼器作為位置和速度反饋元件實現電機的閉環控制。同時利用機載慣導獲得載體姿態信息，融合姿態參考模塊、GPS和信標接收機信息，完成對衛星的穩定跟蹤。伺服控制器原理框圖如圖2所示。

圖2 伺服控制器原理框圖

從圖中可以看出，DSP作為伺服控制器的核心，接收機載慣導及姿態參考模塊數據并對其進行濾波、數據融合和姿態解算，構建姿態測量單元和陀螺穩定平臺。同時采用程序指向+動態跟蹤控制策略，完成Ku或Ka天線的精確指向與衛星跟蹤。

2.3 電磁兼容性設計

由于民航動中通工作電磁環境較為惡劣，結合RTCADO-160G等相關航空電氣電子設備電磁兼容測試標準，系統在正向設計階段從電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)及電磁耐受性(Electro Magnetic Susceptibility，EMS)方面進行了綜合考慮。為了適應飛機上復雜電磁兼容環境，民航動中通在器件選型、接地、屏蔽、濾波、瞬態騷擾抑制等正向設計階段進行了嚴格把控。

為了減少飛機上電源浪涌及通信干擾對衛星通信天線電氣設備的沖擊影響，在系統電源、通信輸入端口加裝高可靠性電源濾波器及通信接口保護電路。電源濾波器選型需從阻抗特性、插入損耗及安裝位置等方面進行充分考慮；通信接口需從靜電防護、隔離、瞬態騷擾抑制等方面綜合考慮。

民航動中通系統涉及射頻、低頻信號，針對不同信號需進行不同處理，使分布電容產生的干擾降低到最小[11]。具體處理措施如下：

1)射頻信號：Ku/Ka信號在系統內通過波導和旋轉關節傳輸，安裝在伺服機構用于連接KRFU與天線；這些波導和關節連接處須留有密封槽嚴格密封、不留縫隙，保證駐波跳動、插損跳動、電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)、插入損耗(insertion loss，IL)等符合設計指標；高頻頭(low noise block，LNB)下變頻L頻段信號須需選用帶屏蔽、低損、柔性、穩幅穩相射頻線纜，降低對系統內的其他設備的影響。

2)低頻信號：當地線長度不超過信號波長的λ/20時可采用單點接地否則采用多點接地。對于有回路的信號進行屏蔽雙絞處理，且屏蔽層一定要接地。除此之外，在原理設計上使用差動方式，減少外界干擾對信號的影響。

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計思路和編程方法

本系統工作時伺服控制器根據ModMan指令信息完成Ku或Ka天線對星及動態跟蹤；以Ka對星過程為例進行介紹，Ku工作流程一樣。捕獲瞄準跟蹤(acquisition pointing and tracking，APT)控制技術可分為程序指向及動態跟蹤兩種控制策略。主要內容如下。

1)程序指向策略：

已知同步軌道衛星經緯度信息及地面經緯度信息計算得到地理坐標系下天線方位A、俯仰E、極化Apol指向角如下所示：

(1)

式中，為地面天線和衛星的經度差，為地面天線的緯度。在利用上式求方位角時應注意，所求方位角為以正南方向為基準，在實際應用時還需要根據衛星和地面天線位置進行判斷。

從地理坐標系變換到飛機坐標系的變換表達式如下：

[Dj]=MR*MF*MA*[DM]

(2)

式中,為目標在機體坐標系中的坐標矢量：

(3)

為目標在地理坐標系中的坐標矢量：

(4)

MR、MF、MA分別為根據飛機慣導提供的橫滾、俯仰和方位姿態信息的3個變換矩陣；Aj、Ej分別為天線軸的方位、俯仰角[8]。

天線控制環路采用陀螺穩定控制技術彌補初始指向角度誤差，保證慣性空間天線指向穩定。然后根據飛機慣導信息，通過坐標變換解算出載體坐標系中的方位角、俯仰角和極化角[9]，分別使方位電機、俯仰電機和極化電機驅動天線轉動到該角度。

2)動態跟蹤策略：

由于姿態參考模塊的測量誤差，按照理論公式計算出的初始角度存在一定的誤差，天線指向角度很難落在天線的波束角范圍內對準衛星，因此還需采用一定的搜索算法。在完成天線的初始指向和精對準后，系統開啟陀螺穩定模式，結合信標接收機輸出的自動增益控制(automatic gain control，AGC)參考信息，采取步進跟蹤控制策略，即可完成天線的動態對星跟蹤[10]。當載體擾動出現時，伺服驅動天線快速運動，因此要求伺服系統具有較高的動態性能。

3.2 軟件實現流程

系統上電后首先進行DSP初始化，初始化結束后系統自檢，方位、俯仰、極化以最大速度、最大加速度掃過整個轉動范圍后回歸零位。自檢完成后通過機載慣導獲取載體姿態信息，并等待機載計算機反饋目標衛星數據，如尚未收到新的指令，則默認跟蹤上次通信的衛星。

機載計算機發送目標衛星信息后，伺服控制器根據接收到的機載慣導數據和衛星位置數據計算出天線指向角度，并驅動伺服電機帶動Ku或Ka天線轉動到相應位置，此時判斷信標接收機的AGC值是否達到閾值門限。

當達到閾值門限后，切換到自跟蹤模式。在自跟蹤模式下，通過步進掃描算法實時驅動天線不斷搜索信標最大值，期間保證鏈路通信正常不中斷。當出現鏈路中斷后，系統立刻切換到程序指向模式，利用機載慣導數據修正指向角度，并通過算法進行搜索，直至鏈路重新建立。

系統軟件流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

4 實驗結果與分析

工程樣機研制完成后為充分驗證民航動中通性能，對樣機行了地面跑車模擬測試及搖擺臺試驗，通過測試不同環境下動中通設備與固定站之間的通信質量，驗證民航動中通的對星跟蹤能力。跑車模擬測試系統如圖4所示。

圖4 跑車模擬測試系統圖

行駛通信測試Ku天線選定中星10號衛星，Ka天線選取中星16號衛星。測試過程中時刻保持一個天線處于衛星跟蹤狀態，例如：Ku天線處于對星狀態時切換至Ka天線對星。在不同運動狀態下分別記錄對星時間、信標接收強度變化和音視頻通信效果等。實驗結果如表1所示。

表1 行駛通信測試記錄表

為充分驗證系統可靠性，對民航動中通進行了室外搖擺臺可靠性測試。根據調研民航飛機惡劣情況下最大擺幅可達7°～8°，頻率1 Hz；根據此指標可以得出民航動中通方位、俯仰最大擾動速度可達50°/s，最大擾動加速度可達315°/s2；對跟蹤和穩定環路帶寬提出了更高要求。系統采用步進跟蹤和信標極值搜索方案，跟蹤精度可達0.22°有效值(root-mean-square，RMS)；實驗結果如表2所示。

表2 不同擾動下穩定精度測試記錄表

切星測試包括：搖擺臺擺幅8°、頻率1 Hz搖擺情況下，Ku天線對星分別選取中星10、亞洲9、亞太7、亞太5號衛星，Ka天線對星選取中星16號衛星。切星測試目的在于驗證Ku與Ka天線之間切換的快速性，測試動中通在高強度擾動過程中雙天線動中通更換波束的能力。實驗結果如表3所示。

表3 高強度擾動下雙天線切星測試記錄表

上述實驗結果表明工程樣機各項指標基本符合前期設計要求，基本滿足民航衛星通信使用要求。樣機雖完成了地面跑車、搖擺臺試驗等基礎性功能驗證，初步模擬飛機不同飛行狀態下Ku/Ka雙天線對星、切星功能測試。但地面跑車速度和外界環境與飛機實際飛行環境還有些差距，控制策略定型還需根據后期掛飛試驗效果進行優化調整；系統可靠性還需進一步驗證，距離工程應用還有一定距離。

5 結束語

本文分析了Ku/Ka雙頻、雙天線民航動中通關鍵技術，設計了一種基于APT控制技術的高動態響應民航動中通系統。采用程序指向+動態跟蹤控制策略，以最佳帶寬服務理念，快速完成Ku、Ka天線之間的快速切換，為航空用戶提供多層次服務，保障鏈路通暢。該系統已完成工程樣機研制并進行了地面跑車模擬測試和搖擺臺可靠性測試驗證，各項指標基本符合設計要求，為后續產品推廣奠定了基礎。在空間信息應用與服務成為國家戰略新興產業的大背景下，借助我國移動互聯網和通信產業發展優勢，結合我國航空制造業積累的寶貴經驗，堅信民航動中通必將擁有美好的明天。