民航機(jī)載衛(wèi)星通信地球站設(shè)計(jì)及其標(biāo)準(zhǔn)簡介

鄒代昆

(中電科柯林斯航空電子有限公司，四川成都 611730)

1 衛(wèi)星通信概述

衛(wèi)星通信，簡單地說就是地球上(包括地面、水面和底層大氣中)的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，并以此來實(shí)現(xiàn)多個(gè)地球站之間通信的一種通信方式。如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信示意圖

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由以下分系統(tǒng)組成:衛(wèi)星、機(jī)載地球站(AES)、地面地球站(GES)［1］。

衛(wèi)星作為AES和GES的中繼，在近地軌道提供從南到北75個(gè)緯度的覆蓋范圍，AES使用L波段頻率，GES使用C波段頻率。

2 民用航空機(jī)載衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)概述

民用航空與軍用航空體系架構(gòu)的不同很大程度上在于軍用航空更偏向于性能、作戰(zhàn)，民用航空更偏向于穩(wěn)定、可靠和成本，因此民用航空通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很多標(biāo)準(zhǔn)約束，主要有ARINC(aeronautical Radio Inc)、ARP(aerospace recommended practice)、RTCA(radio technical commission for aeronautics)、TSO(technical standard order)等。

2.1 開發(fā)過程標(biāo)準(zhǔn)

開發(fā)過程包括需求驗(yàn)證以及對認(rèn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證。在飛機(jī)功能系統(tǒng)開發(fā)周期中，涉及到飛行安全評估過程、模塊化航空電子設(shè)備的集成、軟硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)商業(yè)服務(wù)的飛機(jī)安全評估等標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 開發(fā)過程標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系

一個(gè)完整的開發(fā)周期從研究或預(yù)研開始，以下列項(xiàng)目的完成作為結(jié)束:安裝/測試信息包含到產(chǎn)品設(shè)備中;所有合規(guī)性數(shù)據(jù)已經(jīng)提交和證明;設(shè)計(jì)滿足所有內(nèi)部合規(guī)性數(shù)據(jù);限制、維護(hù)和其他運(yùn)行信息提供給飛機(jī)操作員［2］。開發(fā)周期的示意圖如圖3所示。

圖3 開發(fā)周期示意圖

2.2 最小可運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)(MOPS)

MOPS要求近地移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)(AMSS)要非常好地滿足日常航空運(yùn)行中的需求。通常這些標(biāo)準(zhǔn)涉及到地面子網(wǎng)、AMSS衛(wèi)星子網(wǎng)以及AES和飛機(jī)子網(wǎng)。MOPS涵蓋了基本的AMSS航空電子需求和衛(wèi)星地球站的測試，包括:目的、范圍和設(shè)備性能需求;建議的平臺(tái)測試和其他性能驗(yàn)證流程;安裝測試和運(yùn)行性能特點(diǎn)［3］。

AMSS通過近地移動(dòng)衛(wèi)星和地球站，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)子網(wǎng)和地面子網(wǎng)的直接通信。AMSS提供了包括環(huán)路模式(circuit－mode)數(shù)據(jù)和話音以及數(shù)據(jù)包模式(packet－mode)數(shù)據(jù)交換的中繼方式［4］。

AMSS使用FDMA和TDMA多址技術(shù)，包含了4種類型的射頻信道。

P信道:數(shù)據(jù)包模式TDM信道，用于前向鏈路。

R信道:隨機(jī)接收信道，用于返向鏈路的突發(fā)模式。

T信道:TDMA信道，用于返向鏈路中傳輸數(shù)據(jù)包模式數(shù)據(jù)。

C信道:環(huán)路模式信道，用于前向和返向鏈路，傳輸話音、數(shù)據(jù)。

2.3 衛(wèi)星通信地球站

通用的衛(wèi)星通信地球站以及相關(guān)系統(tǒng)如圖4所示［5］。

在衛(wèi)星通信線路中，把從發(fā)信地球站到衛(wèi)星這一段線路稱為上行(前向)線路，從衛(wèi)星到收信地球站這一段線路稱為下行(返向)線路，上、下行線路合起來就構(gòu)成一條最簡單的單工衛(wèi)星通信線路。當(dāng)兩個(gè)地球站都有收發(fā)設(shè)備和上、下行線路，而且這兩條線路共用一個(gè)通信衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，就構(gòu)成了雙工衛(wèi)星通信線路［6］。

圖4 通用衛(wèi)星通信地球站的設(shè)計(jì)

3 典型民航飛機(jī)AES及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

各種型號民航飛機(jī)有不同的指標(biāo)，如載客數(shù)、航程等。由此導(dǎo)致其航電系統(tǒng)性能參數(shù)、協(xié)議、設(shè)備甚至整體架構(gòu)不同，AES也有差別。本文分析典型民航飛機(jī)的AES架構(gòu)及其設(shè)備的設(shè)計(jì)，并且將設(shè)備部分參數(shù)數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)相比較。

3.1 AES組成

典型民航飛機(jī) AES組成:衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元(SDU)、SDU配置模塊(SCM)、法蘭盤功放(FMPA)、衛(wèi)星通信天線子系統(tǒng)(包括高增益天線(HGA)和低噪放功分器(DLNA))。

該衛(wèi)星通信系統(tǒng)為滿足Aero和SwiftBroadband服務(wù)需求具備了兼容最新Inmarsat衛(wèi)星通信的能力，使用了最新的軟件無線電技術(shù)并支持所有類型的信道，主要受限于FMPA射頻功率。為滿足應(yīng)用的需求，該衛(wèi)星通信系統(tǒng)能同時(shí)支持3個(gè)信道，并且包含2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的基于軟件無線電的信道卡。該系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 典型民航飛機(jī)AES架構(gòu)

SDU包含了支持Inmarsat衛(wèi)星通信鏈路的電路和邏輯。同時(shí)控制FMPA和HGA，監(jiān)控其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。信號從SDU到DLNA時(shí)經(jīng)過功率為32W的法蘭盤功放，功放具體的功率值以跟Inmarsat衛(wèi)星系統(tǒng)維持通信鏈路的功率門限為準(zhǔn)。

整個(gè)衛(wèi)星通信地球站對外接口為429總線、100BASE－T以太網(wǎng)、離散線、4線和2線話音、CEPT－E1鏈路和ISDN。

3.2 衛(wèi)星通信地球站設(shè)備及其相應(yīng)部分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 SDU

SDU包括射頻輸入輸出、功率放大、數(shù)據(jù)IO、控制功能、電源裝置。典型民航飛機(jī)的SDU設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 SDU結(jié)構(gòu)圖

SDU提供了整個(gè)AES對外的429總線接口、離散信號接口、ISDN等用戶接口。SDU中有兩張獨(dú)立信道卡，一張卡用于Aero服務(wù)，另一張卡用于SwiftBroadband服務(wù)。兩張卡的功能可以通過軟件定義，如果一張卡支持一個(gè)通道失敗，則定義另一張卡用于這個(gè)通道。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部功放為HPA的SDU輸出功率不超過80W，內(nèi)部功放為IGA的SDU輸出功率不超過 40W，輸出頻率范圍為:接收，1 525.0MHz～ 1 559.0MHz;發(fā)射，1 626.5MHz ～1 660.5 MHz［4］。

3.2.2 SCM

SCM用于配置SDU，其規(guī)格和接口依照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其內(nèi)存中有區(qū)別不同飛行器和不同飛機(jī)的獨(dú)特的配置信息。SCM內(nèi)部有支持SwiftBroadband服務(wù)的 USIM(UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service)Subscriber Identity Modules)卡，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定至少能夠容納4個(gè) USIM卡［4］。

3.2.3 FMPA

FMPA在SDU到DLNA線損大于1.4dB時(shí)使用。按照標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)輸出功率不超過32W。FMPA需要風(fēng)冷系統(tǒng)，否則將工作在較低的功率以保證安全并持續(xù)運(yùn)行，這樣才能支持Aero服務(wù)的話音和數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)MPA有大小兩種規(guī)格，功率范圍分別為22W～35W，30W～60W。其中小規(guī)格FMPA在風(fēng)冷失效后停止工作，大規(guī)格FMPA在風(fēng)冷失效后將通知SDU，并且減少部分功能服務(wù)同時(shí)以最小的功率9W運(yùn)行［4］。

3.2.4 天線系統(tǒng)

典型民航飛機(jī)AES天線系統(tǒng)由高增益天線(HGA)和DLNA組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 AES天線系統(tǒng)

HGA包括天線單元、內(nèi)部接口/自檢電路和電源。DLNA使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以全雙工運(yùn)行，并且把接收的微弱信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)可接收的信號。HGA的增益為12dBic。

標(biāo)準(zhǔn)中要求 DLNA電壓駐波比為:發(fā)端，1.3∶1;收端，1.5∶1。噪聲指數(shù)值在25℃以下時(shí)低于1.2dB，最高溫度 70℃ 時(shí)最大值為 1.6dB。DLNA在任何環(huán)境條件下增益為53dB～60dB。功率方面，DLNA輸出端口在1dB壓縮點(diǎn)輸出功率最小10dBm。標(biāo)準(zhǔn)中還要求HGA最低增益為12dBic［4］。

3.3 AES 測試標(biāo)準(zhǔn)

民航飛機(jī)AES性能驗(yàn)證包括天線子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)的性能驗(yàn)證。其中，整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)熱周期不得超過5min，啟動(dòng)后，必須經(jīng)過上電自檢才能進(jìn)行之后的測試驗(yàn)證。這里的測試驗(yàn)證僅僅指地面測試驗(yàn)證，不包括飛行測試［7］。

3.3.1 天線子系統(tǒng)的測試驗(yàn)證需求

天線子系統(tǒng)的測試包括波束單元、控制單元和安裝在天線子系統(tǒng)上的其他電子設(shè)備的測試，同時(shí)包括接裝板測試，不包括 DLNA測試［8］。天線子系統(tǒng)至少要在表1中的6種頻率下進(jìn)行測試。

表1 天線子系統(tǒng)測試頻率 MHz

這些頻率代表了上邊帶、中頻帶、下邊帶的接收、發(fā)射頻率，頻率精度在±0.5MHz范圍內(nèi)。

天線系統(tǒng)測試必選組件包括:測試天線、天線測試設(shè)置器、地參考面、雙軸定位器、定位控制器、L波段收發(fā)器、波瓣記錄儀和偏振測量儀、基準(zhǔn)右旋圓極化或線性極化的標(biāo)準(zhǔn)增益天線［9］?？蛇x組件包括DLNA、雙工器、高功率放大器、高功率繼電器等。地參考面和天線測試設(shè)置器為特殊測試設(shè)備。

天線系統(tǒng)測試包括:天線增益和覆蓋范圍、軸比、天線方向圖鑒別、電壓駐波比、相位不連續(xù)性、天線切換時(shí)間、波束切換時(shí)間、定位響應(yīng)時(shí)間、功率控制、載波/多徑分辨率、接收帶寬內(nèi)的互調(diào)和散射條件下天線互調(diào)等測試。

3.3.2 傳輸子系統(tǒng)的測試驗(yàn)證需求

傳輸子系統(tǒng)的測試條件包括:電源電壓、電源頻率、設(shè)備的調(diào)節(jié)、地球站模擬設(shè)備、測試預(yù)防措施、周圍環(huán)境、連接的負(fù)載、測試頻率和EMI測試。其中測試頻率見表2。

表2 傳輸子系統(tǒng)測試頻率 MHz

傳輸子系統(tǒng)的測試分為接收機(jī)和發(fā)射器測試。

接收機(jī)測試內(nèi)容有:維特比預(yù)編碼P信道誤碼率特性、靈敏度、接收機(jī)帶內(nèi)帶外信號抑制、接收機(jī)線性、期望信號動(dòng)態(tài)范圍、接收機(jī)調(diào)諧、捕獲范圍與多普勒速率、誤比特率與相位不連續(xù)性、超幀獲取鎖定時(shí)間、環(huán)路模式話音需求、C信道自檢時(shí)間恢復(fù)、幀鎖定獲得與失敗幀鎖定可能性、維持比特同步、C信道誤碼率測量和精確度等測試。

發(fā)射器測試包括:信道速率與容量、輸出功率、輸出功率調(diào)整、輸出功率穩(wěn)定性、泛音與寄生和噪聲、互調(diào)結(jié)果、載波電平、發(fā)射器靜音、加載電壓駐波比的能力、調(diào)諧范圍與信道增量和信道編號、調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間、相位噪聲、頻率精度、多普勒校正、多普勒速率性能、信號頻譜、發(fā)射器脈沖整形濾波器響應(yīng)等測試。

4 結(jié)束語

本文對民用飛機(jī)AES的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論述，并通過對典型民航飛機(jī)AES的設(shè)計(jì)的分析，以及民用飛機(jī)AES設(shè)計(jì)所要遵循的部分標(biāo)準(zhǔn)和測試內(nèi)容的闡述，表明了典型民用飛機(jī)衛(wèi)星通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、合理和可靠，對民用飛機(jī)AES的設(shè)計(jì)具有一定的工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值。今后還可以從以下3個(gè)方面進(jìn)一步研究:第一，民用AES設(shè)計(jì)，加工工藝等，同軍用AES設(shè)計(jì)有所不同，可以深入研究兩者的不同進(jìn)而加以改進(jìn);第二，民用AES的測試內(nèi)容可以和軍用AES測試相比較，尋找出測試方面的改進(jìn)措施;第三，該AES各個(gè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)可以作為民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和衛(wèi)星通信設(shè)備設(shè)計(jì)課題加以研究。

［1］ 蔡劍銘，呂海寰，甘仲民，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京:人民郵電出版社，1994.

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