關于動中通衛星通信系統若干技術問題的探討

許松松 陸 斌 高睿劼

南京熊貓漢達科技有限公司

1 動中通衛星通信系統的組成及工作原理

1.1 基本組成

動中通衛星通信系統主要包括天線單元、姿態測量系統、伺服控制系統、跟蹤接收機、功放單元、電源單元和信道終端設備等部分。在實際應用動中通衛星通信系統的過程中，使用的跟蹤方式不盡相同，因此，可以根據實際應用情況省去其中的某些組成部分，例如，某些系統中無獨立跟蹤接收機，即可省去該部分。

1.2 工作原理

衛星通信系統運行時，在天線對準目標衛星的情況下，會形成通信系統結構，但是動中通衛星通信系統主要是針對移動中載體的信號傳輸，因此，在載體運動時，天線與衛星之間的方向就會發生偏離，此時，跟蹤接收機會與伺服控制系統共同調控天線轉動，以保障天線單元能夠對準衛星。在調控天線的過程中，姿態測量系統的主要作用在于控制載體運動時天線轉臺姿態角和位置的變化，進一步確保天線與衛星之間能夠始終對準。

2 天線跟蹤技術

2.1 精度要求

在動中通衛星通信系統的研制過程中，定點衛星與地面之間的距離要大于4萬多千米，為了確保衛星通信的質量，需要使用高增益天線，高增益天線的主要特點在于波束較窄。在使用的過程中，通常載體會處于運動的狀態，此時天線的位置以及姿態角都會不斷發生變化，從而導致天線指向角度發生一定變化。若指向角的變化超過天線波束的寬度，則會降低天線增益，一定程度上導致通信誤碼率的增高，嚴重時則會影響通信信息的傳輸。設天線-3 dB波束的寬度為2θ0.5，天線跟蹤誤差角度為△θ，那么天線增益下降可以表達為：

其中，G（θ0）為天線對準目標時的增益值，即θ=θ0時的增益值。例如，若天線口徑為0.9 m，工作頻率為12.50 GHz，波束寬度2θ0.5為1.87°，若天線跟蹤精度為0.37°時，那么經計算就會發現增益下降0.48 dB，若提高天線跟蹤精度變為0.19°，那么增益就會下降0.12 dB，即精度越高增益越小。因此，在進行天線跟蹤設計的過程中，若過于追求天線精度，不僅增益效果不佳，而且會增加造價。故在進行系統設計時，需要結合使用需求，合理設計天線跟蹤精度。

2.2 天線跟蹤方式

當前，常用的天線跟蹤方式有精確指向跟蹤、信標跟蹤以及混合跟蹤方式。精確指向跟蹤方式主要是根據衛星與地球的位置是相對靜止這一特點來進行設計，在實際工作過程中，無論載體如何運動，其天線波束都能夠保持指向衛星。

影響指向系統跟蹤精度的主要因素有：（1）指令誤差，產生原因主要在于敏感元件，例如，GPS接收機和陀螺慣導。這些元件自身以及其安裝時的誤差都會對跟蹤精度帶來影響。（2）天線軸系誤差，主要指的是天線方位、俯仰等的加工誤差，在實際研制的過程中，可以利用精加工等方式控制誤差；

（3）伺服噪聲，不同伺服系統的控制噪聲的能力不同，由此產生的誤差也會影響指向精度；（4）角度傳感誤差，是由天線轉臺角度引起的，在該結構中，主要影響誤差大小的器件為旋轉變壓器和編碼器；（5）衛星定點位置漂移因素，衛星并非靜止不動的，在運動的過程中會產生漂移誤差；（6）載體運動引起指向精度誤差，在載體運動的過程中，上述幾種影響誤差的因素會出現一定變化，綜合導致指向精度的下降。

信標跟蹤是利用靜止衛星的信標研發的一種自動跟蹤方式，常用的有：步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤、經典單脈沖跟蹤和多模單脈沖跟蹤等。對于車載動中通衛星通信而言，由于車輛行駛的過程中存在顛簸情況，且車速具有不確定變化的特點，因此，要求天線系統具備極強的響應能力和敏感度，通常使用的是單脈沖跟蹤方式。

混合跟蹤是將指向跟蹤與單脈沖跟蹤進行有機結合，充分利用二者的優勢形成的一種跟蹤模式。將單脈沖高精度、不受衛星漂移的影響以及指向系統使用方便、不存在捕獲問題這兩個特點進行綜合應用，可以進一步提高天線跟蹤水平。

3 系統跟蹤精度檢測技術

由于動中通信系統主要應用于運動載體中，因此，如何對衛星跟蹤能力進行檢測始終都是系統設計中的重點問題。

3.1 跟蹤精度檢測標準及方法

在對動中通衛星通信系統進行跟蹤精度檢測時，可使用信號電平跌落法進行測量。具體步驟：

（1）天線需要精準對向衛星，并準確記錄此時的最大信號電平值。

（2）在車輛運動過程中，天線會呈現自動跟蹤，記錄接收到的信號電平值。

（3）計算出歸一化電平值和天線跟蹤精度。在實際操作過程中，需要嚴格按照相關標準規定執行，車輛需要在天線呈現自動跟蹤狀態之后運行，確保測量的環境條件符合相關要求，同時，需要每隔50 ms記錄一次信號電平值。為進一步確保測量結果的準確性以及可靠性，需要在不同的道路上分別以不同車速進行檢測，并記錄3組數據，取平均值。

3.2 實用檢測設備及檢測結果

目前，在動中通衛星通信系統跟蹤精度檢測的相關標準中，并沒有明確指定所使用設備的具體規格和要求，實際檢測時，通常都會使用頻譜分析儀或者微波接收器。在進行精度檢測的過程中，僅依靠計算平均值法來表示精度通常是不夠的，對此，可以采取另外一種精確的方式來標識跟蹤精度。在實際檢測的過程中，由于電平跌落的變化是隨機的，所以可以根據統計學原理計算出這一隨機函數的均方根值，并以此來標識跟蹤精度。

經過多次實驗和測試發現，相關標準中規定的采樣周期50 ms過長，所反映出來的動中通天線跟蹤精度缺乏一定準確性，難以反映出實際情況。若將采樣的周期設置為20 ms或者10 ms，可更好地測得系統的跟蹤精度。在實際進行檢測的過程中，可以使用由高靈敏跟蹤接收機、模數轉換設備和工控機共同組成的檢測設備，其中，工程機能夠對天線所接受的信號電平進行實時記錄，實現對于電平變化的即時檢測，還能直接得到準確的最大信號電平值、平均跟蹤精度或者其他形式的跟蹤精度，在實際測量使用的過程中十分快捷、便利。

4 動中通衛星通信系統的作用及具體應用

動中通衛星通信系統的主要作用在于將話音、數據、圖像等業務信息傳輸到衛星，并經過星上轉發器傳輸到地面的衛星接收設備。動中通衛星通信系統實現了對移動中載體的實時跟蹤定位功能，并且實現話音、數據、圖像等信息的傳輸，能夠極大程度上滿足軍用、民用等各種移動條件下的通信需求，有廣泛的發展前景。

在實踐中，2018年12月22日，虹云工程首星（虹云·武漢號）成功發射后，先后成功完成了多次全系統、全流程互聯網業務通信功能試驗和多用戶站入網通信試驗，完成了虹云工程技術驗證系統試驗用信關站和綜合運控中心的建設工作，且已經有固定式用戶站、船載動中通用戶站、車載動中通用戶站等多種形態用戶站參加試驗工作。待業務系統建成后，將會在航空商務、鉆井平臺、應急通信指揮系統、海洋環境監測、野外作業信息交互、移動通信基站數據回傳等多場景開展應用。

5 結束語

綜上所述，動中通衛星通信系統的研究在當前衛星通信技術領域具有重要意義，實現了移動平臺（車、船及飛機等）的衛星通信傳輸功能。未來，需對涉及的各項技術進行深入研究，特別是天線跟蹤技術，需要能夠滿足不同類型安裝平臺的使用需求。相信隨著動中通衛星通信系統的不斷研究，該技術能夠得到更加廣泛的應用。