一種輕小型高通量機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張令軍，李辰飛

天津訊聯(lián)科技有限公司

我國(guó)高通量通信衛(wèi)星已成功發(fā)射。為滿足無(wú)人機(jī)整機(jī)重量輕的需求，本文設(shè)計(jì)一種輕小型高通量機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴(yán)格按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)和研制，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、伺服性能良好，可實(shí)時(shí)傳輸已打包的無(wú)人機(jī)多源傳感器數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)安裝該系統(tǒng)后，在高動(dòng)態(tài)飛行中能與衛(wèi)星保持連續(xù)的高通量通信。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷取得突破，無(wú)人機(jī)性能有了顯著提升，機(jī)載任務(wù)載荷類型及數(shù)量不斷增加，無(wú)人機(jī)機(jī)載端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增大。Ku波段機(jī)載衛(wèi)通設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率為2 ～4Mb/s，已經(jīng)不能滿足高清攝像機(jī)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）等任務(wù)載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求。隨著“亞太”6D高通量衛(wèi)星的發(fā)射成功，基于高通量衛(wèi)星的機(jī)載衛(wèi)通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這種系統(tǒng)是未來(lái)衛(wèi)星通信移動(dòng)終端發(fā)展的技術(shù)方向。

系統(tǒng)功能與組成

本文設(shè)計(jì)一種高通量輕小型機(jī)載衛(wèi)通系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)自身安裝的慣導(dǎo)系統(tǒng)及全球定位系統(tǒng)（GPS）提供的初始數(shù)據(jù)，控制天線指向衛(wèi)星，陀螺增穩(wěn)平臺(tái)能確保天線始終指向目標(biāo)衛(wèi)星，同時(shí)在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，隔離無(wú)人機(jī)的擾動(dòng)。該型機(jī)載衛(wèi)通系統(tǒng)主要功能如下所述。

一是接收地面衛(wèi)通終端傳輸?shù)臒o(wú)人機(jī)控制信息，實(shí)現(xiàn)上行信息（遙控信息）傳輸。

二是將打包的任務(wù)載荷數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)信息回傳地面衛(wèi)通終端，實(shí)現(xiàn)下行信息（遙測(cè)信息）傳輸。

三是具有上電自檢及掉電保護(hù)功能，掉電后能夠保存衛(wèi)通伺服系統(tǒng)的參數(shù)，重新上電后按照原參數(shù)工作。

四是具備初始自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和失鎖后再對(duì)準(zhǔn)功能。

五是具備極化自動(dòng)跟蹤功能。

本系統(tǒng)由天饋單元、伺服單元和穩(wěn)定跟蹤單元三部分組成。天饋單元包括天線與饋源、功率放大器（BUC）、低噪聲放大器（LNB）；伺服單元包括方位電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、俯仰電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、極化電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；穩(wěn)定跟蹤單元包括主控模塊、信標(biāo)接收機(jī)、滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、基于GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位模塊以及微型慣性導(dǎo)航模塊等設(shè)備。

系統(tǒng)特點(diǎn)

1.尺寸小、重量輕、功耗低

該產(chǎn)品適用于無(wú)人機(jī)，選用最優(yōu)性能的小尺寸天饋系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)件由鋁合金制造而成。軸承選用低慣量、低摩擦因子的輕型軸承。齒輪采用輪輻式鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕了系統(tǒng)重量。特殊零件由碳纖維復(fù)合材料制成。電機(jī)是直流無(wú)刷力矩電機(jī)，具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器尺寸小、功耗低，集成在主控板上。電源模塊內(nèi)部的功率變換器全部實(shí)現(xiàn)模塊化，具有尺寸小、重量輕、效率高、可靠性高等特點(diǎn)。

2.集成多源傳感器數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)

多源傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)是指一種可將多種傳感器獲取的信息進(jìn)行融合和優(yōu)化處理，最終實(shí)現(xiàn)信息優(yōu)化并提高數(shù)據(jù)精度的技術(shù)。本系統(tǒng)集成了高精度增量式編碼器、信標(biāo)接收機(jī)、微型慣性導(dǎo)航模塊、基于GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位模塊等設(shè)備，系統(tǒng)的獨(dú)立工作和閉環(huán)跟蹤不依賴無(wú)人機(jī)機(jī)載全球定位系統(tǒng)和機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.擁有多種跟蹤方式

本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)是，全天候、全區(qū)域、任意環(huán)境下必須準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，才能保證衛(wèi)星通信鏈路有效地傳輸信息。因此，本系統(tǒng)須要具有多種跟蹤方式。目前常用的跟蹤方式包括程序跟蹤、信標(biāo)跟蹤、單脈沖跟蹤。程序跟蹤是在沒(méi)有衛(wèi)星信號(hào)或者信號(hào)不穩(wěn)的情況下，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星的位置信息對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。信標(biāo)跟蹤是在目標(biāo)衛(wèi)星附近有多顆衛(wèi)星的情況下，系統(tǒng)使用的跟蹤方式，以防止鎖定鄰近衛(wèi)星。單脈沖跟蹤是系統(tǒng)在跟蹤沒(méi)有信標(biāo)信號(hào)的衛(wèi)星時(shí)所使用的跟蹤方式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)（ARM）為核心，選取STM32F407微處理器作為主控芯片；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括基于ARM的直流伺服電機(jī)；高精度增量式編碼器作為位置和速度反饋元件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。同時(shí)，本系統(tǒng)利用微型慣性導(dǎo)航模塊構(gòu)建增穩(wěn)平臺(tái)，結(jié)合全球定位系統(tǒng)和信標(biāo)接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，完成機(jī)載衛(wèi)通天線的初始尋星和穩(wěn)定跟蹤。

空間姿態(tài)解算

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作的前提是，天線始終準(zhǔn)確地指向目標(biāo)衛(wèi)星，保證信號(hào)在有效波束范圍內(nèi)。軟件的核心算法應(yīng)完成兩部分工作，首先數(shù)字引導(dǎo)將天線引導(dǎo)到目標(biāo)衛(wèi)星波束范圍內(nèi)；其次，根據(jù)信標(biāo)機(jī)輸出的自動(dòng)增益控制（AGC）值，系統(tǒng)利用軟件算法，完成機(jī)載天線的動(dòng)態(tài)對(duì)星跟蹤。該系統(tǒng)采用基于GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位模塊，根據(jù)衛(wèi)星的位置信息和天線的經(jīng)緯度信息，得到衛(wèi)星和天線的經(jīng)度差值Ф，天線的緯度θ。經(jīng)空間姿態(tài)解算，本文得到天線的方位指向角度A、俯仰指向角度E、極化指向角度P，計(jì)算公式如下。

（1）（2）（3）式可計(jì)算機(jī)載高通量衛(wèi)通天線在地理坐標(biāo)系中的指向角度。此坐標(biāo)系下的指向角度不能直接給控制器，須要由坐標(biāo)變換解算出載體坐標(biāo)系下的指向角度，坐標(biāo)變換矩陣如下所述。

指向角度通過(guò)上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到載體坐標(biāo)系下的方位指向角度、俯仰指向角度和極化指向角度。控制單元根據(jù)指向角度值，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行三個(gè)軸向位置的轉(zhuǎn)動(dòng)，使天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

伺服控制系統(tǒng)包括初始化、對(duì)星、鎖定、待機(jī)、停止5種工作狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，伺服控制系統(tǒng)的軟件將自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)初始化成功且慣導(dǎo)模塊進(jìn)入導(dǎo)航解算后，機(jī)載衛(wèi)通天線開(kāi)始尋星，鎖定衛(wèi)星后進(jìn)入自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，同時(shí)從外部接口接受各種指令、數(shù)據(jù)，并對(duì)指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為充分驗(yàn)證工程樣機(jī)的性能，本文對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行搖擺臺(tái)性能測(cè)試及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。6自由度搖擺臺(tái)使用模擬機(jī)載環(huán)境，設(shè)置參數(shù)為振幅8°、周期3s，目標(biāo)衛(wèi)星選取“中星”10、“中星”12、“亞洲”9、“亞太”6D衛(wèi)星。搖擺臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試了初始對(duì)星時(shí)間以及失鎖后重新捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的時(shí)間，表1為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 基于不同目標(biāo)衛(wèi)星，衛(wèi)通系統(tǒng)的初始對(duì)星時(shí)間及穩(wěn)定精度。

本文設(shè)計(jì)的高通量輕小型機(jī)載衛(wèi)通系統(tǒng)特別適用于整機(jī)重量要求輕、機(jī)艙內(nèi)安裝空間小的無(wú)人機(jī)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)跟蹤性能穩(wěn)定可靠，指標(biāo)優(yōu)越，環(huán)境適應(yīng)性、耐高低溫性能、抗沖擊性能到達(dá)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)8 ～10Mb/s，語(yǔ)音和視頻實(shí)時(shí)傳輸效果良好，為后續(xù)產(chǎn)品量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 伺服控制系統(tǒng)軟件的工作流程。