船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統設計與實現*

劉 茹 高新宇 朱曉輝 冉寶發

（1.中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部 北京 100094）（2.國家航天局衛星通信系統創新中心 北京 100094）

1 引言

當前，海洋通信資源有限而脆弱。自然災害、海上事故、人為破壞等原因都會引起海洋通信能力的失效，在遇到緊急情況的時候，尤其需要基本通信能力來確保海上的生命財產安全，滿足緊急業務協同、緊急呼救、回岸聯絡、數據回傳、內容共享等通信需求。

本文設計的船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統，實現海洋常態化覆蓋和周邊熱點海域應急，保障海上的基本通信能力，實現應急海區內部用戶之間、應急海區用戶與大陸之間、應急海區用戶與救援船隊間的通信聯絡，并向應急通信系統指揮控制中心匯集應急海區的態勢信息。實現功能包括預警和災害廣播發布、數據采集回傳、雙向通信的功能。

船載衛星Wi-Fi通信系統的優勢包括：

1）兼容傳統Ku頻段衛星和國產Ka高通量帶衛星，為用戶提供最高8Mb/s的通信速率；

2）支持覆蓋區域具有標準Wi-Fi接口的終端快速網絡接入，降低用戶成本的同時，降低系統使用門檻，為新型智能終端和物聯網終端提供網絡覆蓋，為智慧海洋、海洋牧場、海洋物聯網等提供了支撐。

2 海洋應急通信現狀

在保障我國海洋活動的諸多要素中，海洋通信能力的保障是公認的瓶頸環節[1～5]。目前，我國遠海海洋觀測手段所依賴的通信手段基本上是國外的衛星通信系統（如銥星系統[7～9]、ARGOS系統[10]、海事衛星系統[6，11]等），數據安全和緊急情況下的大容量通信保障受制于人；北斗衛星導航系統是一套以定位導航功能為主的功能系統，其具備的短報文通信功能[12]，在通信頻度、單次通信容量、實時性等方面不能完全滿足需求；我國最新發展的高軌通信天通系統是我國面向終端用戶的第一套移動通信系統，但其通信速率較低、資源帶寬有限，對大容量通信保障能力有限；建設我國自主可控的海洋應急寬帶通信系統，為一體化海洋聯合監測、搜救和打撈行動提供體系化的信息通信保障能力，是突破海洋通信能力瓶頸的重要部分。

3 衛星資源選取和鏈路預算

選取我國首顆高通量衛星中星16號作為使用的衛星資源。中星16號衛星Ka頻段覆蓋如圖1所示。

圖1 中星16號衛星信號覆蓋圖

通過對Ka頻頻段的全鏈路預算，終端天線口徑為0.8m、信息速率5Mbp時功放應為8W。

表2 中星-16地面站和衛星EIRP、G/T

4 船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統設計

船載衛星Wi-Fi通信系統通過衛星和業務主站形成完整的通信鏈路；業務主站接入互聯網，通過地面鏈路與海洋應急通信中心/基地相連；船載衛星Wi-Fi通信系統形成無線覆蓋將船載用戶接入網絡。

船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統由室外單元和室內單元兩部分組成。室外單元完成對衛星跟蹤與信息傳輸；室內單元完成收發信息處理，用戶信息接入。

圖2 船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統結構框圖

4.1 室外單元

室外單元主要由天饋系統、GPS/INS組合導航系統、伺服穩控系統、射頻鏈路、天線座駕、調制解調模塊組成，功能體系如圖3所示。

圖3 室外單元組成示意圖

4.1.1 天饋模塊

為了提高系統應用范圍，滿足各種天基資源和各類海況條件下的使用，室外單元采用兼容Ku頻段和Ka頻段設計，這就要求天饋模塊兼容Ka/Ku雙頻段，支持Ka/Ku的快速切換。

天饋模塊包括天線、天線饋源及后端網絡，其中天線饋源及后端網絡包括天線饋源、雙工器、組發濾波器及配套波導。

為了保證天線雙頻情況下良好工作，綜合考慮天線的交叉極化、旁瓣等指標，天線面采用0.35焦徑比的標準拋物面天線。為提高結構強度，降低整體重量，拋物面天線采用碳纖維拋物面天線。對Ku頻段：整體天線按照70%效率進行預算，Ku波段0.8m口徑拋物面天線的增益分別為38.4dBi（11.85GHz）和39.9dBi（14.1GHz）；對Ka頻段：整體天線按照65%效率進行預算，Ka波段0.8m口徑拋物面天線的增益分別為42.6dBi（19.95GHz）和46.2dBi（30.2GHz）。

圖4 射頻模塊框圖

天饋模塊采用Ku一體化饋源和Ka一體化饋源設計，保證Ku/Ka頻段的快速切換。饋源部分采用帽型饋源設計，從而減小了饋源及副反的遮擋，同時也可以起到降低副瓣電平的作用，有效解決了傳統卡塞格倫、環焦天線副反遮擋過大的問題，從而提高了天線的整體效率。

4.1.2 射頻模塊

射頻模塊主要是天線內部信號傳輸鏈路的設計，需要考慮信號傳輸和信標跟蹤兩個功能，因此通過LNB將信號降頻后利用功分器將信號分為兩路，一路作為輸出傳遞給Modem，另一路作為信標檢測并作為伺服控制系統穩定跟蹤輸入參考。

4.1.3 伺服模塊

伺服控制系統主要是實現外部載體姿態變化數據的采集及解算、信標信號強度的采集、GPS信號采集、電機編碼器采集及電機驅動。

圖5 伺服模塊組成框圖

4.2 室內單元

室內單元由多業務集成盒及自組網Wi-Fi基站組成，完成衛星信號與用戶業務的轉換。

多業務集成盒功能結構如圖6所示，包括調制解調模塊、信號轉換模塊、供電模塊、信號覆蓋模塊。調制解調模塊實現對衛星信號的調制解調功能，并對整個鏈路進行設置、監控；信號轉換模塊實現解調后的衛星信號通過Wi-Fi進行區域覆蓋，其配套軟件實現無線覆蓋管理，資源分配，系統安全監控等功能；供電模塊對整機及系統內各模塊供電；信號覆蓋模塊實現外置基站同內置模塊共同組成星狀網連接模式，達到大規模多用戶的網絡覆蓋。

圖6 多業務集成盒功能框圖

5 船載衛星Wi-Fi寬帶通信系統測試

2021年9月至2021年10月，船載Wi-Fi寬帶衛星通信系統在舟山參與了智慧海洋應急通信系統海上試驗。

圖7 試驗現場

試驗過程中，對船載Wi-Fi寬帶通信系統進行了音/視頻通信、FTP傳輸等測試，試驗結果如下：

1）系統覆蓋半徑 ≥500m；

2）最大接入用戶數512；

3）傳輸速率：Ku頻段 3.32Mb/s，Ka頻 段8.41Mb/s。

6 結語

船載Wi-Fi衛星寬帶通信系統能夠為遠洋船舶提供可靠的寬帶通信服務，支撐海洋信息感知、數據可靠傳輸、態勢智能分析、聯合支援保障以及海洋資源管理等海洋資源開發活動，實現深海應急指揮信息鏈路向陸、海、空、天各類末端全程貫通，為遂行一體化海洋聯合監測、搜救和打撈行動提供體系化的信息通信保障能力；為各級各類海洋探索、資源開發等任務提供基本信息化手段支撐。