Ka頻段雙模航空客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

Ka頻段雙模航空客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計*

曹 舟**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

針對民航市場對客艙寬帶衛(wèi)星通信的迫切需求，提出了一種基于Ka頻段高通量衛(wèi)星的雙模解決方案。研究了系統(tǒng)設(shè)計的諸多方面，包括衛(wèi)星資源選擇、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)體制和適航性。詳細(xì)介紹了機載設(shè)備的組成和雙模工作原理，分析了幾個與設(shè)計實現(xiàn)密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。方案設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)分析結(jié)果對實際工程應(yīng)用有一定的參考價值。

衛(wèi)星通信；客艙寬帶；Ka頻段；雙模；技術(shù)指標(biāo)分析

1 引 言

隨著民航市場的高速發(fā)展，大多數(shù)乘客迫切希望在空中也能獲得與地面類似的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，以便工作和娛樂。國外對客艙寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的總體設(shè)計[1-2]、關(guān)鍵技術(shù)[2-3]和試驗驗證[4-5]做了大量的工作，而國內(nèi)對客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究起步晚，加之衛(wèi)星資源不足和缺乏可供加改裝的平臺，以前的研究主要集中在單項關(guān)鍵技術(shù)上[6-7]，未見系統(tǒng)設(shè)計的報道。隨著國產(chǎn)C919大飛機的首飛和中星-16 Ka頻段高通量衛(wèi)星的發(fā)射，自主設(shè)計客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)成為可能，但仍面臨不少挑戰(zhàn)：一是為適應(yīng)國內(nèi)外市場需求，必然要求系統(tǒng)能多模式工作，設(shè)計難度較高；二是缺乏合適的技術(shù)體制，地面固定衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)成熟，但存在天線剖面高、無波束越區(qū)切換功能、多普勒適應(yīng)能力不強等問題，難以直接應(yīng)用；三是國內(nèi)目前缺乏指導(dǎo)客艙寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備研制的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對適航性設(shè)計重視不足；四是部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析論證不夠充分，實際中易陷入過設(shè)計或欠設(shè)計誤區(qū)。

基于上述問題，本文介紹了一種適合民航客艙應(yīng)用的Ka頻段雙模衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過分析確定了衛(wèi)星資源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)客艙寬帶應(yīng)用的特點確定了空中接口、天線形式、波束越區(qū)切換、鄰星干擾抑制等主要技術(shù)體制，給出了適航性設(shè)計考慮和機載設(shè)備方案，最后對幾個實際中必須重點關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)進行了分析和分配。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 衛(wèi)星資源選擇

L頻段移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬不能滿足客艙寬帶通信的需要，Ku頻段也存在頻譜資源緊張、波束覆蓋盲區(qū)多、技術(shù)體制種類繁雜等問題，而Ka頻段頻譜資源豐富，終端口徑更小，抗干擾能力強，在全球航空衛(wèi)星通信市場上獲得了廣泛認(rèn)可。本文從應(yīng)用需求、波束覆蓋范圍、減少運營商數(shù)量、簡化設(shè)備設(shè)計等方面考慮，選擇Inmarsat-5(以下簡稱I-5)和我國中星-16 Ka頻段高通量衛(wèi)星進行設(shè)計。衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)[8]如表1所示,可以看出，I-5和中星-16衛(wèi)星具有較高的等效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)和天線增益與等效噪聲溫度比值(Antenna Gain to Noise Temperature Ratio,G/T)。

表1 衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the satellites

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于I-5和中星-16衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9-10]，圖1給出了雙?？团搶拵l(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)衛(wèi)星資源和應(yīng)用需要，客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可通過無線鏈路分時接入I-5和中星-16衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)雙模工作。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure

2.3 技術(shù)體制

2.3.1空中接口

空中接口應(yīng)選擇開放、擴展性強和技術(shù)成熟度高的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)制定的第二代交互式數(shù)字視頻直播衛(wèi)星系統(tǒng)(Second Generation Digital Video Broadcasting Interactive Satellite System,DVB-RCS2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11-13]符合上述要求。

DVB-RCS2前向鏈路采用時分復(fù)用方式劃分信道，具備自適應(yīng)編碼調(diào)制功能，支持多種調(diào)制編碼方式，采用改進的流封包技術(shù)支持不同包長和不連續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸；返向鏈路沿用了多載波時分多址方式，支持直接序列擴頻和返向功率控制，可選Turbo碼和線性調(diào)制方式或卷積碼與連續(xù)相位調(diào)制方式，同樣具備自適應(yīng)編碼調(diào)制功能。

此外，DVB-RCS2還規(guī)定了隨機接入、衛(wèi)星IP、服務(wù)質(zhì)量管理、鏈路安全等高層特性，適合客艙寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用需要。

2.3.2天線形式

機載應(yīng)用要求天線在有限的安裝面積下提供盡可能高的增益，同時波束掃描范圍寬，捕星速度快，安裝剖面低。此外，對天線的成本、可靠性、重量、功耗也有較高要求。

隨著材料和工藝的進步，機載衛(wèi)星通信天線技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展，出現(xiàn)了有源相控陣天線、可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列、液晶超材料天線、平板天線等一大批新型天線形式。有源相控陣天線存在俯仰面內(nèi)波束掃描范圍有限且成本過高的問題。可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列、液晶超材料天線屬于國外公司壟斷技術(shù)，國內(nèi)還是空白。相較而言，平板天線在增益、掃描范圍、技術(shù)成熟度、自主可控度、成本等方面具有優(yōu)勢，更適合本文的設(shè)計。

機載天線必須在飛行過程中自動保持波束對準(zhǔn)衛(wèi)星，對平板天線而言，程序引導(dǎo)結(jié)合圓錐掃描跟蹤是一種較好的對星方式。

2.3.3波束越區(qū)切換技術(shù)

客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作過程中面臨如下三種波束切換：同一衛(wèi)星下相鄰波束間的切換；同一衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下不同衛(wèi)星波束間的切換；不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間波束的切換。

第一種切換的頻度高，為保證服務(wù)質(zhì)量，設(shè)計為自動切換；后兩種切換的頻度低，但切換時間相對較長，因此設(shè)計為手動切換。

波束切換流程如圖2所示，由機載終端(含天線和調(diào)制解調(diào)單元，見3.1.1)和地面網(wǎng)管中心配合完成。對于第一種切換，考慮到Ka頻段高通量衛(wèi)星采用了波束極化復(fù)用設(shè)計，天線需切換極化方式后再重新跟蹤衛(wèi)星，調(diào)制解調(diào)單元則不需要切換信道處理模塊；第二種切換需要根據(jù)新的衛(wèi)星定點位置和極化參數(shù)重新啟動天線捕獲、跟蹤衛(wèi)星過程，調(diào)制解調(diào)單元也不需要切換信道處理模塊；第三種切換需要天線重新跟蹤衛(wèi)星的過程，同時也需要切換信道處理模塊。天線、調(diào)制解調(diào)單元切換到位后，終端通過網(wǎng)管信道向網(wǎng)管中心申請新波束下的信道資源，在新波束下完成入網(wǎng)信令交互后即可進行業(yè)務(wù)通信，完成一次波束切換過程。

圖2 波束切換流程圖Fig.2 Flow chart of beam switching

2.3.4鄰星干擾抑制技術(shù)

平板天線的波束方位面窄、俯仰面寬，當(dāng)天線寬波束面與對地靜止軌道面的傾角(以下簡稱天線傾角)較低時，扇形波束將照射在對地靜止軌道面上，從而形成鄰星干擾。

本文采用返向功率控制和直接序列擴頻技術(shù)解決鄰星干擾問題。機載衛(wèi)星通信終端預(yù)存天線方向圖和功放輸出功率數(shù)據(jù)，根據(jù)慣導(dǎo)提供的飛機位置、姿態(tài)信息實時計算天線傾角，確定沿對地靜止軌道面的EIRP包絡(luò)與相關(guān)規(guī)范的差值，若超標(biāo)，先通過降低發(fā)射功率(降低返向速率)來滿足相關(guān)規(guī)范的要求，若降功率仍無法滿足要求，再與關(guān)口站協(xié)調(diào)采用直擴技術(shù)降低功率譜密度。

2.4 適航性考慮

適航認(rèn)證是Ka頻段客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)走向市場的關(guān)鍵，要求設(shè)計、研制過程必須符合適航標(biāo)準(zhǔn)。適航的核心是保證飛行安全，目前國內(nèi)還沒有針對Ka頻段客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適航標(biāo)準(zhǔn)，國外則已有一些標(biāo)準(zhǔn)，如電氣互聯(lián)、功能特性方面可參考ARINIC 791-1-2014[14]，物理安裝及飛機接口方面可參考ARINIC 791-2-2014[15]，硬件設(shè)計可參考RTCA DO-254-2000[16]，軟件設(shè)計可參考RTCA DO-178B[17]，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計可參考RTCA DO-160G-2010[18]。工程上需重點關(guān)注如下幾個問題：

(1)天線(含天線罩)應(yīng)具備良好的防雷措施，結(jié)構(gòu)強度能承受飛鳥撞擊；

(2)機載設(shè)備應(yīng)具良好的電磁兼容性；

(3)最小化對機體結(jié)構(gòu)的影響；

(4)元器件和工藝防護應(yīng)符合機載環(huán)境的要求；

(5)通過防火墻、信息加密等手段降低惡意用戶入侵的風(fēng)險；

(6)設(shè)備運行應(yīng)高度自動化。

3 機載設(shè)備設(shè)計

3.1 組成

機載設(shè)備主要包括Ka頻段雙模寬帶衛(wèi)星通信機載終端(以下簡稱終端)、顯控單元和客艙無線局域網(wǎng)三部分，如圖2所示。終端提供星地互聯(lián)通道，顯控單元提供人機界面功能，客艙無線局域網(wǎng)提供客艙Wi-Fi服務(wù)。

圖3 機載設(shè)備組成框圖Fig.3 Composition diagram of the airborne equipment

終端包括Ka平板天線和調(diào)制解調(diào)單元兩個部分。Ka平板天線除實現(xiàn)無線信號收發(fā)、伺服跟蹤外還具備功率放大、低噪聲放大和Ka上/下變頻等功能，組成如圖3中天線部分所示。從通用化考慮，天線與調(diào)制解調(diào)單元的中頻選擇為950～1 950 MHz。調(diào)制解調(diào)單元主要負(fù)責(zé)終端的信號、協(xié)議與數(shù)據(jù)處理，組成如圖4所示。

客艙無線局域網(wǎng)系統(tǒng)主要包括機載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、無線接入點以及乘客自帶的無線通信設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集成了應(yīng)用服務(wù)器、大容量存儲、網(wǎng)絡(luò)管理、路由交換等功能；無線接入點是乘客訪問衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，采用IEEE 802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)制式，乘客可使用個人通信設(shè)備以Wi-Fi方式接入互聯(lián)網(wǎng)或訪問客艙娛樂系統(tǒng)。

圖4 調(diào)制解調(diào)器組成框圖Fig.4 Block diagram of the modem unit

顯控單元為客艙乘務(wù)員提供管理機載衛(wèi)星通信終端的人機接口，可設(shè)置系統(tǒng)復(fù)位、工作模式切換、衛(wèi)星定點位置等參數(shù)；也能顯示信道和設(shè)備工作狀態(tài)，客艙乘務(wù)員根據(jù)信道狀態(tài)確定是否通知乘客開始使用衛(wèi)星通信服務(wù)，并根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)解決一些簡單的故障。

3.2 雙模工作原理

終端具備I-5和中星-16兩種工作模式，根據(jù)應(yīng)用需要分時接入I-5和中星-16衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

為實現(xiàn)雙模工作，天線的工作頻段、EIRP、G/T、極化方式、衛(wèi)星跟蹤方式等應(yīng)滿足兩種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的要求；調(diào)制解調(diào)單元則通過設(shè)置兩塊綜合信道處理模塊來適配兩種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的波形和協(xié)議，如圖4所示。

調(diào)制解調(diào)單元收到顯控單元下發(fā)的模式切換指令后，通過監(jiān)控與接口模塊向天線發(fā)送模式切換指令，同時激活當(dāng)前模式所需的綜合信道處理模塊，并控制中頻切換模塊將天線的收發(fā)中頻信號轉(zhuǎn)接到對應(yīng)綜合信道處理模塊上。天線收到模式切換指令后進行極化、本振切換并啟動跟蹤衛(wèi)星過程，調(diào)制解調(diào)單元調(diào)用專用線程和數(shù)據(jù)庫資源協(xié)助天線進行波束切換并抑制鄰星干擾。天線波束對準(zhǔn)衛(wèi)星后，綜合信道處理模塊開始接收衛(wèi)星網(wǎng)管中心下發(fā)的前向廣播信令，獲取當(dāng)前波束的工作參數(shù)并通過返向網(wǎng)管信道向網(wǎng)管中心發(fā)送入網(wǎng)注冊請求，網(wǎng)管中心確認(rèn)后通過前向廣播信道向終端發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)應(yīng)答，終端收到入網(wǎng)確認(rèn)應(yīng)答后表明已入網(wǎng)。下一次模式切換時重復(fù)上述過程。

4 關(guān)鍵指標(biāo)分析

4.1 業(yè)務(wù)速率

作為空中寬帶基礎(chǔ)設(shè)施，終端應(yīng)支持盡量高的業(yè)務(wù)速率，但受天線口徑和衛(wèi)星能力的限制，業(yè)務(wù)速率不可能無限提高?？紤]一個極限情況，即機上所有乘客有同時進行上傳、下載的需求，為避免擁堵，此時只能為每位乘客分配一個僅滿足基本用戶體驗(如瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)郵件、使用即時通信工具)的帶寬，基本帶寬可設(shè)置為下行256 kbit/s、上行32 kbit/s，因此對于160人級的客機而言，終端前向最高業(yè)務(wù)速率為40.96 Mbit/s，返向最高業(yè)務(wù)速率為5.12 Mbit/s。

實際中，每位乘客的通信需求是不同的，不同時間段的業(yè)務(wù)量也不同，系統(tǒng)將通過自適應(yīng)速率控制，降低對衛(wèi)星資源的占用。

4.2 機載EIRP與G/T

由于關(guān)口站的EIRP和G/T足夠高，因此鏈路性能主要受機載和衛(wèi)星EIRP和G/T的限制，故機載EIRP應(yīng)滿足如下關(guān)系：

Aeirp≥Eth+10lg(Rrm)-Sgt+Lr+Mr-228.6。

(1)

式中：Aeirp為機載EIRP；Eth為解調(diào)門限，工程上一般取4.5 dB；Rrm為返向最高業(yè)務(wù)速率；Sgt為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T值，見表1；Mr為工程備余量，取3 dB；Lr為返向機-星鏈路損耗。

Lr=Lf+La+LA+Lt+Lo，

(2)

Lf為自由空間損耗，Ka發(fā)射頻段取213.2 dB；La為大氣吸收損耗，萬米高空以上取0.5 dB；LA為降雨衰減，平飛過程中可忽略；Lt為天線跟蹤損失，取0.5 dB；Lo為其他損耗，取0.5 dB。因此，Lr為214.7 dB。

機載G/T值應(yīng)滿足如下關(guān)系：

Agt≥Eth+10lg(Rfm)-Seirp+Bo+Lfw+Mf-228.6。

(3)

式中：Agt為機載G/T值；Rfm為前向最高業(yè)務(wù)速；Seirp為衛(wèi)星EIRP值，見表1；Bo為輸出回退，取1 dB(僅1個載波)；Lfw為星-機鏈路損耗，計算方法與Lr類似，為211.2 dB；Mf為工程備余量，取4 dB。

綜上，根據(jù)式(2)和式(3)可得機載EIRP和G/T需求，如表2所示。

表2 機載EIRP和G/T需求Tab.2 Requirements for airborne EIRP and G/T

4.3 天線波束仰角

平飛狀態(tài)下天線波束仰角由下式確定:

(4)

式中：θa、αa分別為飛機緯度和飛機與衛(wèi)星的經(jīng)度差。

由式(4)可知，飛機從星下點過赤道時天線有最高仰角(90°),天線最小仰角受飛機地理位置、衛(wèi)星波束覆蓋范圍影響。當(dāng)前全球主要航線大致介于60°N和60°S之間。對于使用I-5衛(wèi)星的情況，αa最大為±60°，此時天線仰角約6°。綜上所述，國際航線上天線波束仰角掃描范圍應(yīng)覆蓋6°～90°。國內(nèi)的情況如表3所示，可以看出，除極少部分地區(qū)外，天線仰角也在6°～90°內(nèi)。

表3 國內(nèi)不同城市的天線仰角Tab.3 Antenna elevation angles for different domestic cities

4.4 波束掃描動態(tài)

波束掃描動態(tài)是影響天線伺服設(shè)計的重要指標(biāo)。本文采用專業(yè)航空航天仿真軟件STK(Satellite Tool Kit)研究天線坐標(biāo)系下的俯仰、方位角動態(tài)，如圖5和圖6所示。仿真使用了STK內(nèi)一組針對典型客機的機動性能參數(shù)：最大轉(zhuǎn)彎和爬升加速均為1.15g；平飛加速為0.5g，降落階段最大加速為0.75g，最大側(cè)傾為30°，轉(zhuǎn)彎線加速度為11.32 m/s2，最大俯仰、橫滾和航向角速率分別為20°/s、10°/s和20°/s。仿真持續(xù)時間為50 min，覆蓋起飛、爬升、平飛、盤旋、降落全過程。

圖5 方位角速度和角加速度Fig.5 Angular velocity and acceleration of azimuth angle

圖6 俯仰角速度和角加速度Fig.6 Angular velocity and acceleration of elevation angle

可以看出，俯仰角和方位角的最大角速度分別為18°/s和32°/s，最大角加速度分別為20°/s2和32°/s2，因此為保證天線快速對星，伺服驅(qū)動能力不能低于上述要求，工程上可再留10%左右的余量。

4.5 多普勒頻率特性

這里仍用STK軟件研究機載多普勒頻率特性。飛機的機動性能參數(shù)與4.4節(jié)相同，場景為飛機在北美中緯度地區(qū)與I-5 F3衛(wèi)星通信的情況(飛機在國內(nèi)與中星-16通信是類似的)，仿真時間近50 min，同樣覆蓋起飛、爬升、平飛、盤旋、降落全過程，得到機載多普勒特性如圖7和圖8所示。

圖7 多普勒頻率仿真結(jié)果Fig.7 Simulated results of Doppler frequency

圖8 多普勒變化率仿真結(jié)果Fig.8 Simulated results of Doppler rate

可以看出，接收多普勒頻率和多普勒變化率的絕對值分別不超過14.28 kHz和0.74 kHz/s2，發(fā)送多普勒頻率和多普勒變化率的絕對值分別不超過為21.35 kHz和1.09 kHz/s2。終端的多普勒適應(yīng)能力可按上述仿真結(jié)果進行初步設(shè)計。

5 結(jié)束語

民航客機加裝客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當(dāng)今衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一個熱點。本文對一種Ka頻段客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行了總體設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析，具有一定的工程應(yīng)用參考價值。此外，雙模設(shè)計思路可有效解決國內(nèi)外航線上的應(yīng)用需求，市場適應(yīng)能力較強。

本文對業(yè)務(wù)速率的分析未考慮客艙業(yè)務(wù)的時變統(tǒng)計特性和機載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的影響，后續(xù)可針對上述問題進行深入研究，優(yōu)化業(yè)務(wù)速率指標(biāo)分配。

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OverallDesignofaKa-bandDual-modeAeronauticCabinBroadbandSatelliteCommunicationSystem

CAO Zhou

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

For the urgent need of cabin broadband satellite communication in civil aviation market，this paper puts forward a dual-mode solution which is based on Ka-band high throughput communication satellites. Various aspects of system design are investigated,including satellite resources choosing,network structure,technological system and airworthiness. The composition and the dual-mode working principle of the airborne equipment are introduced in detail. Finally,several technical indices,which are closely correlated with design implementation,are analyzed. The scheme design and the results of technical indices analysis have certain reference value for the application of practical engineering.

satellite communication;cabin broadband;Ka-band;dual-mode;technical index analysis

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.005

曹舟.Ka頻段雙模航空客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2017,57(12):1376-1382.[CAO Zhou.Overall design of a Ka-band dual-mode aeronautic cabin broadband satellite communication system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1376-1382.]

2017-07-11；

2017-09-13

date:2017-07-11；Revised date：2017-09-13

caozhoutm@163.comCorrespondingauthorcaozhoutm@163.com

TN927

A

1001-893X(2017)12-1376-07

曹舟(1982—)，男，四川大邑人，2011年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

Email:caozhoutm@163.com