機載寬帶衛星通信系統相關技術分析

許松松 高睿劼 陸斌

摘 要：基于機載寬帶衛星通信系統的應用，可減弱外界因素給衛星通信所帶來影響，使通信可靠性得到有力保障。文章首先分析了通信系統應用現狀;其次對衛星通信系統特征進行論述，明確系統構成和通信系統信號損耗問題;最后研究了與機載衛星通信系統相關技術，并對未來發展趨勢進行探究，以期全面提升機載衛星通信系統服務能力。

關鍵詞：機載寬帶;衛星;通信系統;技術

0 引言

隨著互聯網技術的發展，機載通信衛星通信系統的升級變得至關重要。通過相關衛星通信系統的應用，可滿足用戶便利化需求，實現在高空中對通信網絡的有效連接。相關系統的應用也逐步解決了飛機客艙的信息孤島問題，使得移動網絡實現了高空覆蓋，乘客可體驗云端服務。為更好地達到這一目標，本文分析了有關寬帶衛星通信系統相關技術，明確了系統應用現狀和衛星通信系統相關構成與特征。

1 系統應用現狀

目前，在機載衛星通信系統中應用的Ku衛星均為大波束衛星系統、全面支持高吞吐量的衛星。同時，系統也搭載了衛星通信終端設備。為確保相關技術在機載衛星通信系統中的應用，相關人員還使用高通量衛星（High Thoughput Satellite，HTS）技術，引入了更多波束切換性能。HTS衛星的價值主要體現為：基于頻率復用和點波束技術，實現了衛星容量擴容，初期相關系統主要搭載Ka衛星，其容量往往能夠達到傳統Ku衛星的數十倍。此舉不僅提升了頻率資源的應用效率，而且確保了技術應用穩定。其中，Ku波段是指頻率在10～20 GHz的電磁波信號，Ka波段則是指頻率在20～30 GHz的電磁波信號。

2 衛星通信系統探究

2.1 系統構成

衛星通信系統由3個部分構成，分別是空間段、地面段和機載段。

（1）空間段，主要是通信衛星，主體結構為衛星轉發器。現階段，實現通信網絡有效覆蓋的Ku衛星主要是中星10、中星11、中星12、亞洲5、6、7等衛星。鑒于轉發器資源利用效率較高，可實現70%以上的全覆蓋，衛星通信系統性能獲得提升。

（2）地面段，主要用于接收和發送衛星信號的系統，通常包括：地面站、天線、射頻、主站和網絡管理系統、網絡運營中心（Network Operations Center，NOC）。

（3）機載段，具體指飛機上的通信設備，包括機外天線、控制單元、調制解調器和無線接入設備。通信系統構成如圖1所示。

2.2 信號損耗原因

在機載寬帶衛星通信系統中，自由空間占比較大，應考慮信號在傳輸過程中產生的損耗。對發射天線和接收天線在單位增益情況下發生的傳輸損耗進行有效控制，是提升通信系統服務能力的關鍵。同時，也需要考慮降雨、霧霾或多云等大氣因素對電磁波帶來的損耗。這些不利條件對通信設備的影響較大，嚴重時可能造成通信設備中斷運行，影響信號傳輸的連續性。在影響信號損耗的各種因素中，降雨的影響最大，并且具有明顯的不確定性，因此，在寬帶衛星通信系統的應用中，應考慮季節降雨因素帶來的影響，并對通信技術進行升級，提升整體服務能力。

3 機載寬帶衛星通信系統相關技術研究

3.1 衛星天線的選擇

現階段，應用在機載衛星通信系統的天線主要有機械式、分段陣列式和相控陣天線形態。其中，機械式天線技術較為成熟，但是信號捕捉范圍比分段陣列式天線和相控陣天線更弱。而機載寬帶衛星中多使用相控陣天線，為機載寬度微信通信系統優化升級提供技術支持。

眾所周知，衛星天線選擇直接關系到通信系統的穩定性。針對大型飛機，如民航客機和軍用預警機，其對飛行速度的要求不高，飛行姿態相對穩定，因此，可以將衛星天線設計在飛機頂部。考慮到通信要求，可使用大型天線裝置，提升信號信息傳輸質量，促使通信系統得到優化。此類天線一般被設計為拋物線環焦天線，相關類型衛星天線具有天線增益高、方便調整的特征。

隨著研究的深入，應用在大型飛機中的拋物線環焦天線技術逐漸成熟，對機載寬帶衛星通信系統的穩定運行起到關鍵作用[1]。在實踐中，Tocm、松下航電等天線均為機械衛星天線，實現了精準地對星，所依托主體為機械伺服系統。此類天線往往要大量使用機械部件，其可靠性較電子部件更低，且赤道附近地區存在星波形畸變，鄰星所帶來的干擾也因此變得更加明顯。只有降低發射功率，才能使干擾水平處于可控范圍，其速率必然會受到影響。

第一代2Ku傳輸技術使用天線為分段陣列式，以全新機載天線為核心。這一設計使天線內部板的共振特性得到增強，真正做到以實際需求為依據，在特定方向對波束進行傳播。此類天線的優勢體現在：（1）天線輻射圖精準度有所提升;（2）鄰星所帶來的干擾始終處于可控范圍;（3）將接收天線與發射天線分開處理，捕捉天線中的不同頻段，能夠準確獲取波段信息，促使傳輸速率更接近理想水平。但要明確，雖然第一代2Ku傳輸技術較其他技術有明顯進步，信息獲取時效性與準確性有所提升，但是其水平面所采用的調整方式仍為機械調整。分析行業發展情況可知，以相控陣天線為代表的全新技術逐漸成熟，技術研究正從實驗階段向商用階段過渡。

3.2 單脈沖跟蹤技術的應用

衛星通信天線在角平面位置存在兩個相互重合的波束，在實踐應用中，差式單脈沖通過對波束的和差分析與處理，可實現對角誤差信號的有效捕捉。機載寬帶衛星通信系統處于時刻運行中，實現對信號的精準識別是技術難題。在具體應用環節，可以使用全球定位系統（Global Position System，GPS）或慣導信號信息引導天線快速捕捉衛星，確保機載寬帶衛星通信系統的穩定性。隨著數字通信技術的發展，目前在衛星信號追蹤中使用了單脈沖跟蹤技術，單個接受脈沖即可獲得目標信息，信號捕捉能力得到顯著增強。使用單脈沖跟蹤技術對通信系統進行優化，能夠擴大信號獲取范圍，滿足技術升級的要求[2]。

4 技術發展趨勢

衛星通信系統未來發展趨勢和方向主要是Ka頻段和HTS技術應用，但是目前我國在此方面的相關研究還不夠深入，尚不具備商用條件。因此，如何選擇機載通信衛星成為航空公司面臨的主要問題。

機載通信衛星系統的應用技術升級是行業關注的重點，現階段已經投入使用的通信衛星系統包括L波段海事衛星通信系統和Ku波段的寬帶衛星通信系統。在寬帶天地互聯鏈路技術選擇上，需要在考慮監管政策、技術發展和機載硬件等實際條件的基礎上，對其進行進一步的升級與完善，而對相關技術的應用只能在試運行階段開展。為保障機載寬帶衛星通信系統的穩定性，應對技術應用發展方向進行研究，分階段、分步驟地推進落實技術方案。未來，隨著通信技術的發展，可將徑向基函數（Radial Basis Function，RBF）神經網絡和比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器應用在機載寬帶衛星通信系統中，實現對通信網絡的優化設計，為機載寬帶衛星通信的升級提供技術支持[3]。

5 結語

綜上所述，在機載寬帶衛星通信系統中，應選擇使用合適的衛星天線系統、優化單脈沖跟蹤技術，并對衛星通信系統寬帶通信進行研究，確保技術應用更加安全、穩定。我國衛星通信系統發展需要繼續加強技術研發，并對衛星通信系統寬帶通信系統進行升級。未來，相關人員應持續關注高吞吐量衛星的應用，研究語音通信適航技術，實現對多個波束的有效覆蓋，使得衛星通信的應用范圍更加廣泛。

[參考文獻]

[1]彭向陽，王柯，肖祥，等.大型無人直升機電力線路智能巡檢寬帶衛星通信系統[J].高電壓技術，2019（2）：38-46.

[2]安澤亮，宋高俊，陳慧慧.多波束寬帶衛星廣播系統的自適應功率分配[J].電訊技術，2018（10）：36-41.

[3]湯輝，鄒欽羊，朱立東，等.衛星通信系統多優先級信道預留分配策略[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019（5）：34-39.

（編輯 何 琳）