小型數字衛星車系統集成與技術探究

謝兵旺

北京冠華信達科技股份有限公司 北京 100160

引言

小型數字衛星車主要用于臨時應急通信，可以快速部署在移動基站、臨時指揮中心、野外應急指揮部等通信網絡不穩定區域，是移動應急通信的首選設備。小型數字衛星車的技術關鍵在于靈活快速部署和對抗惡劣天氣，比如在一些山地環境中，衛星車需要更高的抗風能力，才能實現快速部署。在惡劣天氣下，衛星車還需要更低的功耗和溫度要求。

1 小型數字衛星車系統集成

1.1 系統構成

衛星車的通信系統主要由衛星通信設備、天線、車載無線網絡系統和地面調度網絡五部分組成。衛星通信設備是整個系統的核心部分，主要包括車載衛星天線、車載微波中繼、車載終端等設備，是衛星車與地面指揮中心之間的連接紐帶，將信息傳輸至地面指揮中心，為應急救援提供有力保障。

車載衛星通信設備：主要由車載天線、車載微波中繼和車載終端三部分組成，實現無線信號傳輸。車載天線安裝在汽車車頂，利用汽車自身的動力，通過汽車內的天線進行無線信號傳輸，與地面指揮中心進行聯系。車載微波中繼是指通過衛星來實現的中繼系統，用于連接兩個相鄰基站之間的信號傳輸。車輛攜帶兩套天線，分別安裝在車輛兩側。中繼系統主要由星載主設備和地面接入設備兩部分組成，采用星載主設備對衛星信號進行放大處理后通過天線進行傳播；地面接入設備是指以汽車為載體通過衛星信號進行發射接收的終端設備。天線是衛星車與地面指揮中心之間的連接紐帶，通過對信號進行接收處理后將信號轉換成射頻信號發射出去。車載無線網絡系統主要由車載終端、無線接入網關和中央調度平臺三部分組成。其中，車載終端用于車內對衛星通信的接入和使用；無線接入網關用于接入網的管理和控制。

1.2 衛星車平臺

衛星車平臺采用了模塊化設計，通過車輛平臺、衛星通信設備以及計算機系統的集成，可以滿足用戶在不同環境下的應用需求。車輛平臺模塊主要包括：衛星通信設備、車載終端、電源設備、車載電腦（具備Wi-Fi功能）。衛星通信設備安裝在車輛頂部，通過衛星天線向地球發送衛星信號，車載終端安裝在車輛內部，通過天線發送衛星信號，車載電腦安裝在車輛前端，可以接收衛星信號并進行相關處理，并通過接口與車載終端進行數據通信。電源設備主要為車載電源和車載電腦供電。車輛平臺模塊集成了GPS定位、高清攝像機、音視頻采集、遠程監控、數字會議等功能。GPS定位功能用于車輛的實時位置信息采集，高清攝像機用于拍攝現場圖像，音視頻采集功能用于將現場圖像和數據通過無線方式回傳至指揮中心，遠程監控功能可以實現對現場情況的實時監控，并支持錄像回放，數字會議功能支持對會議現場進行音視頻的實時傳輸。衛星通信設備用于衛星與地面的雙向通信，使用調制解調技術實現將衛星信號調制到地面傳輸的ISM頻段上，同時通過信號處理模塊將數字信號轉換為模擬信號。通過衛星天線發射到地球同步軌道的衛星上，經過天饋系統向地面傳輸信號。該系統主要由天線、衛星轉發器、調制解調器、時鐘系統等組成。天線為圓極化天線，安裝在車輛頂部。

音視頻采集功能用于將地面傳輸的視頻數據采集后傳輸至衛星車載電腦，音視頻采集模塊可采集車內和車外的音頻和視頻數據，通過無線方式回傳至指揮中心。

衛星通信設備用于將現場音視頻數據通過無線方式回傳至指揮中心。該系統主要由天線、車載終端、傳輸設備、電源設備和計算機系統等組成。天線安裝在車輛頂部，天線工作高度在距地面150～300m之間。

1.3 移動終端

車載終端采用3英寸（1英寸=2.54厘米）觸控屏幕，集成GPS、GLONASS、QZSS、北斗SS等多種衛星定位模塊，并可通過藍牙連接手機App，實現實時定位、地圖導航等功能。移動終端支持 Android4.4版本以上操作系統，擁有一顆工業級GPS定位芯片，GPS定位精度達到10m以內。車載應急移動指揮系統通過采用 GPS與北斗雙衛星定位系統，實時獲取車輛位置及軌跡信息，實現車輛實時調度、指揮功能。車載應急移動指揮系統具備高清音視頻采集能力和4K/8K超高清視頻實時回傳能力。在視頻接入、編碼壓縮方面，車載應急移動指揮系統采用了H.264高清壓縮編碼技術和H.265高壓縮比的編碼技術，結合4G網絡實現了對監控畫面的實時回傳。車載應急移動指揮系統可與公安、交警等部門的車輛調度、指揮中心進行互聯互通。在應急事件發生時，現場指揮長可以通過車載應急移動指揮系統及時了解現場情況并下達命令，同時將現場情況實時回傳到視頻監控中心，便于事后復盤。車載終端采用“便攜式”設計理念，搭載有無線數字收發模塊、專業數字音頻功放模塊及專業音頻調音臺模塊。車載終端內置高清4K解碼器，能夠實現視頻和音頻信號的快速解碼和播放；內置專業的數字音頻功放模塊，支持專業的數字音頻輸出。車載終端不僅可以連接無線數字接收機，還可連接普通有線數字接收機（需另外加裝）。同時車載終端可以作為無線數字接收機的數據發射終端使用。該終端采用工業級標準設計，采用超低功耗設計理念和材料結構創新設計思想，符合IP65標準要求，保證了終端的可靠穩定工作。

1.4 衛星天線

衛星天線是衛星車的重要組成部分，承擔著信號接收、發送、放大等功能。衛星天線通常由饋源、饋點、波導天線組成。衛星車中的衛星天線主要功能是將衛星信號放大，然后將放大后的信號送到地面。衛星天線的大小直接決定了接收到的信號強度，影響到接收效果。衛星天線可以采用大型單極化或雙極化天線，以滿足不同頻段、不同方向上的信號接收。由于衛星天線具有體積小、重量輕、安裝簡單等優點，目前衛星車中應用最廣泛的是單極化天線。

2 小型數字衛星車技術要點

2.1 通信體制

非正交頻分復用是一種先進的數字調制技術，它利用正交的載波來實現高速數據傳輸，并在頻域上把數字信號分成若干個互不重疊的子載波，用數字信號去控制每個子載波，再用數字信號去調制各個子載波，然后把這些子載波分別發送出去。非正交頻分復用采用非正交多址接入技術，與正交頻分復用相比（采用了帶內、帶間兩種正交性的載波），可以克服頻分復用中的“碼間串擾”和“符號間干擾”。

高效的數字調制技術：在數字通信系統中，載波信號通常是以較低的頻率和較高的功率進行調制。為提高頻譜效率，要對信號進行擴頻。但當信號頻率很高時，由于擴頻序列很長，系統帶寬會急劇縮小，從而使整個系統的頻帶利用率下降。為此，必須采用高效的數字調制技術。自適應多址接入：在一組天線上接收到的多個信號在頻域上不一定相同。這使得接收天線必須具有自適應波束成形功能。其采用了一種自適應技術來消除這些干擾并提高信噪比。多載波調制：由于數字信號具有很高的頻率利用率和頻譜利用率，因此多載波調制技術非常適用于數字通信系統中。多載波調制方式能夠在數字通信中利用頻率復用特性提高頻譜效率。直接序列擴頻技術：利用信號直接序列擴頻的原理來實現高速數據傳輸，使用戶可在通信信道上獲得一個很寬的頻帶進行數據傳輸，可顯著提高系統的容量和信道的可靠性。

2.2 設備參數

衛星車主要采用全向天線，內置功放，采用高性能DSP處理器和數字信號處理器，處理性能穩定，抗干擾能力強。天線尺寸：長280mm×寬210mm×高190mm，具有較高的抗風能力，適用于山地、海邊、沙漠等惡劣環境，工作頻率：2.4 GHz，天線增益：11dBi，頻率范圍：433～420MHz，發射功率：≤20W（2×25W），發射功率可調：-30dB～+50dB ，帶寬：64kbps/64kbps/256kbps，信道數：16個信道，可根據用戶需要任意配置，通信距離：200～300m，通信距離可達10km以上。數字基帶速率可達1Gbps，動態碼率可達8Mbps，支持寬帶數字音頻編解碼，具有較高的數據處理能力，支持H.264視頻流播放，支持4路音頻同時輸出，具備強大的圖像傳輸能力，具備多路視頻實時采集能力[1]。

2.3 功率

衛星車的功率是指天線發射的電磁場與衛星之間的總輻射功率，它與天線性能和車內負載有關。要想得到更大的功率，就需要增大天線和車輛本身的尺寸，這就會增加衛星車的重量，從而增加車輛能耗，所以衛星車功率不能過大。衛星車要達到更高的功率，就必須采用大功率功放電路，由于大功率功放電路和衛星之間存在信號反射、相位差，從而導致信號的衰減，所以衛星車發射功率必須足夠大。根據相關數據顯示，目前國產小型衛星車發射功率一般為5～7W，可覆蓋范圍為25km以內。若采用大功率功放電路，不僅會增加系統的重量，而且還會增加衛星車內部的能耗；因此衛星車發射功率應該足夠大。發射功率：一般而言，在同等條件下，衛星車天線的發射功率越大，則其覆蓋范圍越寬。發射功率是決定衛星車覆蓋范圍大小的主要因素之一，也是限制衛星車體積和重量的主要因素。衛星車發射功率太小，不僅會造成能源浪費，而且會造成衛星車的結構尺寸過大，從而導致衛星車體積和重量過大，影響到系統的重量、能耗等。因此，為了使衛星車能夠更好地覆蓋用戶，應該盡可能地提高衛星車發射功率。一般情況下，對小型數字衛星車而言，發射功率以5W、10W和12W為宜，對于中型數字衛星車而言，發射功率以6W、8W和12W為宜[2]。

2.4 天線的極化方式

衛星車天線的極化方式是指天線本身具有的一個特殊的電磁場，它與衛星之間的信號相位差有關，而與衛星本身不相關。一般情況下，衛星車天線采用單極子和雙極子兩種極化方式[3]。單極子天線主要用于有源定位，如GPS、GLONASS等系統。雙極子天線主要用于小范圍通信，如普通對講機等。對于小型數字衛星車而言，單極子天線和雙極子天線都可以滿足要求，但由于雙極子天線具有更大的能量損耗和更多的傳輸損耗，所以雙極子天線更為適用。由于衛星車內的負載也有功率需求，所以對于雙極子天線來說，如果負載太小，則不適合，而對于單極子天線來說，則適合。

2.5 電源系統

小型數字衛星車一般采用交流電源供電，同時配置鋰離子電池作為應急通信設備的備用電源，以保證在電池電量不足時可及時更換。小型數字衛星車一般采用兩組直流/交流電源，一組用于車載控制系統供電，另一組用于車載設備供電。為了保證系統的穩定工作，需要配置蓄電池組作為后備電源，當車載控制系統故障或其他原因導致不能正常工作時，備用電源可以隨時啟動，保障車載設備正常工作。為了保證電池壽命，鋰離子電池要定期更換。鋰離子電池一般使用壽命為2～3年左右，超過此年限，應及時更換新的鋰離子電池。由于鋰離子電池具有自放電率低、壽命長、放電不均衡等優點，因此，在設計小型數字衛星車時要充分考慮鋰離子電池的使用壽命和安全可靠問題。此外，小型數字衛星車還需要配置一定數量的直流/交流轉換開關（通常為4-6個）和輔助電源模塊（通常為4-6個），輔助電源模塊用于為車載設備供電。

3 結束語

在當前時代背景下，合理使用小型數字衛星車有著重要的意義，小型數字衛星車主要用于臨時應急通信，可以快速部署在移動基站、臨時指揮中心、野外應急指揮部等通信網絡不穩定區域，是移動應急通信的首選設備。