VSAT衛星通信便攜終端設計方法研究

王大印 劉大勇 陳拓

摘要：探究可用于VSAT衛星通信便攜終端類的工業設計流程及方法。以工業設計視角對VSAT衛星通信便攜終端進行綜合分析，明確終端功能要求、人機工程學要求、結構特點等，并以航天恒星科技有限公司的SATTOUR系列衛星通信便攜終端為例，通過對其設計過程的歸納總結，得到一種針對衛星通信中典型終端產品的設計流程及方法。歸納總結出一種VSAT衛星通信類便攜終端的設計方法。該方法可為同類型衛星通信產品的設計研發提供參考。

關鍵詞：焦作市 工業設計 服務平臺 產業鏈

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）08-0115-03

引言

通信，即通過某種媒介或行為，實現信息的傳遞與交流。通信手段伴隨著科技的發展而不斷進步，短短的30年間，人類的通信技術就從數字語音傳輸技術的2G發展到蜂窩移動通信技術的5G，在通信速率方面完全可以滿足現在人們的需求，在滿足人們對通信速率的追求后，多通信手段相互補充也許就是后SG時代通信技術發展的方向。衛星通信在諸多方面的優勢，可以有效彌補地面通信的不足，很有可能成為后5G時代的寵兒。1945年英國科幻大師Clark在《地球外的中繼》中，針對衛星通信的可行性進行了詳細的論述，而我國1984年研制并發射成功的“東方紅”二號（同步通信衛星），則揭開了我國研發衛星通信技術的歷史。在通信距離、地理環境限制、自然災害以及人為事件、通信質量和系統可靠性等方面，衛星通信的優勢明顯。目前，衛星通信廣泛應用于電視廣播、教育、財政、金融、水利、軍事、應急等領域。

隨著技術的不斷提升，衛星通信系統的建設應用得到了廣泛關注。近年來，以美國Space x為代表的商業航天公司，提出明確的低軌通信衛星Starlink星座計劃，我國的鴻雁、虹云低軌通信星座也實現了首星的成功發射。未來在物聯網、全球通信等領域，衛星通信的優勢將逐步突顯。相關調研機構預測，未來國內衛星通信產業市場規模可突破千億，而衛星通信設備的市場將突破百億元。如此規模的設備、產品研發離不開工業設計的支撐，這類產品的設計有別于文創、電子消費品、家電等產品。衛星通信終端的設計受到產品功能復雜、產品單價高、技術更新迭代快、衛星資源管控嚴格等因素的制約，導致以工業設計為主導的大眾消費級產品設計流程方法，無法有效地指導現有產品的研發。文章將以衛星通信中較為典型的VSAT系統便攜終端為例，通過對產品的功能需求分析、典型終端設計流程及方法的研究，歸納總結出一種適用于衛星通信終端的工業設計方法，為后續開展此類產品設計研發提供一定的參考。

一、衛星通信及應用

衛星通信是一種利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波而進行的兩個或多個地球站之間的通信方式。它是微波通信和航天技術相結合而形成的新興通信技術，形象地解釋，就相當于把手機基站利用航天技術發射到太空中，從而形成一個不受地球環境及自然災害限制的遠距離通信網絡。

（一）衛星通信的應用

傳統衛星通信應用在電視、電話、傳真、電報和數據等場合。近年通信衛星的能力大幅度提升，例如我國最新研制的東方紅5號通信衛星平臺，發射重量10噸，承載有效載荷2000公斤，可以實現300G至1T的通信容量。衛星通信的創新應用也不斷層出不窮，包括自然環保、應急救災、衛星專網以及信息安全等領域。

而衛星通信系統也在不斷豐富，多種模式交叉融合，硬件設備集成度不斷提升，終端芯片化趨勢明顯。隨著未來衛星通信用戶群體的擴大，市場需求將不斷促進衛星產業的發展。作為全球信息網絡的重要組成部分，VSAT系統、低軌通信系統等典型衛星通信系統都受到了人們廣泛的關注，并逐漸進入我們的生活。衛星通信將與其他通信手段不斷融合補充，在萬物互聯的時代，更好滿足人們對美好生活的追求，對我國的國民經濟發展，對產業信息化產生巨大的促進作用。

（二）衛星通信的分類

衛星通信系統是由空間段（通信衛星）、地面段（通信地球站）、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理分系統四大部分組成的。

按照衛星通信的軌道不同，衛星通信系統一般分為：

1.即時轉發衛星通信系統

2.低軌移動衛星通信系統

3.延遲轉發衛星通信系統

4.地球靜止衛星通信系統

二、VSAT衛星通信系統概述

VSAT是20世紀八十年代由美國首先設計開發的一套衛星通信設備，為Very Small Aperture Terminal的首字母縮字，直譯為甚小口徑衛星終端站。這里的“小”指的是VSAT衛星通信系統中小站設備的天線口徑小，通常為0.3-2.4m。VSAT系統具有靈活性強，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點。VSAT系統由一個主站及眾多分散設置在各個用戶所在地的遠端VSAT組成，可不借助任何地面線路，不受地形、距離和地面通信條件限制，可實現寬帶數據傳輸。特別適用于有較大信息量和所轄邊遠分支機構較多的部門使用。

（一）VSAT衛星通信系統優勢

1.通信資費與距離遠近無關，信號覆蓋范圍大;

2.具有一對多的通信能力;

3.信息可以進行非對稱傳輸：

4.結構簡單、組網靈活，可提供多種傳輸業務;

5.終端用戶可以直接入網，無需其他網絡轉接;

6.系統容量大。

（二）VSAT衛星通信應用領域

1.遠程應用：培訓、醫療、教育、信息采集和傳輸等。

2.信息廣播服務：利用傳輸距離遠、一對多等特點，為用戶提供廣播電視等信息傳輸服務。

3.互聯網接入：在地面網絡設施涉及不到的地區，利用衛星雙向通信系統，為用戶遠程接入互聯網提供支撐。

4.自然災害應急通信：地面通信基礎設施，在受到自然災害和認為破壞時，通過VSAT系統，提供保障通信、救援指揮等。

5.環保監測：由于自然保護區等區域通信網絡缺乏，利用VSAT系統實現保護區監測、數據采集及傳輸。

6.通信專用網：為行業或政府部門提供專網服務，用于內部通信或視頻會議。

（三）VSAT衛星通信終端設計需求分析

VSAT衛星通信系統一經推出，就產生了飛速發展。在地面基礎設施方面，我國已經建成數量眾多的主站，衛星專用通信網，VSAT地球站等，已經形成了覆蓋全國的衛星通信網絡。VSAT衛星通信技術的蓬勃發展及應用領域的持續拓展，在國內自然保護區、地震泥石流等自然災害現場等都可以見到它的身影。在信息安全領域，VSAT衛星通信可為國家政府機關提供衛星專用網服務。如此龐大的新興市場，其設計需求不斷擴大，越來越多的用戶對終端的設計要求也持續提高，在此過程中工業設計的重要性逐漸顯現。

三、以SatTour系列衛星通信便攜終端為例，簡述工業設計流程方法

颯途（SatTour）系列便攜終端是基于VSAT衛星通信系統，由中國航天科技集團公司航天恒星科技有限公司自主研發的KU頻段衛星通信終端系列產品，目標用戶為“驢友”等有野外環境需求的用戶研制的民用化衛星通信產品。可以提供寬帶衛星通信服務，實現與各電信運營網絡互聯互通，在無手機基站地區接入國際互聯網，實現數據的傳輸。

（一）終端基本組成

颯途（SatTour）系列便攜終端基本組成為：天線組件、功放、低噪放、VSAT小站、電池、機構及線纜等。用戶在使用產品時，需要對天線進行極化、俯仰、方位進行調整，完成對星操作，方可實現衛星通信業務。除SatTour-600Z可實現一鍵對星功能外，其他各型終端均需進行手動對星操作，其具體操作步驟如圖1所示。

SatTour終端產品的研制和批產分為方案設計階段、首批次（小批量）產品研制階段，批量生產階段、產品交付階段。終端批產階段具體劃分如表1所示。

（二）工業設計難點分析

1.產品集成度不夠

SatTour-A系列產品由拋物面天線、天線支架、BUC、LNB、小站、電池等組成，加上各類線纜、零配件，合計20件。SatTour-600Z內部沒有集成通信業務相關功能，需搭配獨立的VSAT小站完成衛星通信工作，用戶體驗差。

2.產品整機重量過重

研制初期對產品重量進行了估算，SatTour-600B整機15kg左右，加上背包重量超過20kg，不適合長時間背負。300B產品整機7kg，雖然可以實現背負，但性能指標無法滿足寬帶通信要求。

3.操作較為繁瑣

產品在使用過程中需要進行對星操作，天線需要實現方位、俯仰、極化三個維度的調節，調節完成后需要進行固定鎖緊，所以至少進行以上六項的操作，對于非專業用戶，產品操作難度過大。

4.生產工藝較為復雜

為保證產品實現方位、俯仰、極化三個維度的調節，機構配合復雜，產品零件多，組裝難度大，裝配效率低。配合間隙過大，風中作業會出現晃動，對通信質量產生一定影響。控制系統集成度低，控制箱部件模塊較多，各模塊之間存在大量連線，給生產帶來較大不便。

5.生產成本高

為保證產品機構性能，阻尼軸等標準件均采用進口零件，不僅限制了產品外觀結構設計，還增加了產品硬成本。由于產量較少，模具費用分攤到每套產品，導致產品結構成本過高，產品定價缺少市場競爭力。

為了在設計過程中較好地解決以上問題，根據航天系統產品研發中“兩個流程”的要求，從SatTour系列終端研制的實際情況出發，針對各個型號產品制訂詳細的技術實現流程，圖2為satTour-300B技術流程圖。

（三）SatTour系列產品設計方法及工作內容

確定各個終端產品研制的技術路線后，工業設計人員在論證初期介入，與機構、射頻、通信等各個專業技術人員共同探討終端設計方案。具體工作內容如下：

1.確定終端產品機構原理形式。在明確各個型號終端產品的硬件組成后，開展機構原理形式創意設計。由于對星要求，各個終端天線需要實現極化、俯仰、方位三個維度的連續可調，精度要求高，并可在任意位置鎖緊固定。所以在設計初期機構的原理形式至關重要，工業設計師與機構、結構設計師共同提出概念方案，并評估其可行性。

2.標準零件的選用。機構活動關節的設計及加工較復雜，在相關經驗較少的情況下，選用合適的標準機構零件可以有效保證產品的可靠性、降低研發投入及相關成本。

3.終端產品外觀設計。在機構方案、標準件選型、天線及硬件輸入確定的情況下，開展外觀設計工作，完成方案草圖、效果圖等制作，通過評審確定最終外觀效果。

4.終端產品機構、結構設計。根據確定好的外觀設計方案，開展機構結構詳細設計，完成結構樣機的投產加工及配裝工作，并完成原理樣機的性能測試工作。依據測試結果，完善優化機構、結構方案，實現終端產品定型。

5.模具設計及量產。以產品定型方案為依據，完成相關模具設計，開展小批量試產及驗證。根據小批量試產結果，對模具進行優化，并開始批量生產加工，完成產品組裝裝配，如圖3。

四、VSAT終端產品工業設計原則及方法探究

以工業設計為主導的民用消費產品研發，大概可分為圖4所示的三個階段。

目前在技術相對成熟與穩定的領域，民用消費品的設計研發大多以工業設計為先導，可以充分發揮工業設計在產品創新和定位方面特有的優勢。而VSAT終端產品設計研發是以功能實現為首要目標，技術水平處于提升階段，產品集成度相對較低，對機構、結構要求較高，并且涉及多專業交叉融合。在眾多因素綜合影響下，導致其工業設計的設計原則及方法流程，有別于大眾消費產品，通過SATTOUR系列產品的設計研發過程，可以基本明確，VSAT衛星通信終端在目前階段，其設計原則可歸納為：功能第一、專業協同、成本評估、設計提升。隨著衛星通信技術的不斷優化提升，當技術狀態趨于穩定，VSAT終端產品將逐漸過渡到以工業設計為起點，從需求分析、用戶體驗、產品創新等方面主導產品研發，呈現出外觀新穎、使用方便、性能優良、售價合理的各型終端產品，逐步優化衛星通信產品開發流程，實現衛星通信產品的普適化、可制造化、商品化。

總結

結合以工業設計為主導的民用產品研發流程，以VSAT衛星通信便攜終端的特點，通過對SatTour系列產品研發過程的梳理，形成了以下適合此類產品的工業設計流程，如圖5所示。該流程方法可為同類型的衛星通信終端產品的設計研發提供參考。