機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關技術分析

許松松 高睿劼 陸斌

摘 要：基于機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用，可減弱外界因素給衛(wèi)星通信所帶來影響，使通信可靠性得到有力保障。文章首先分析了通信系統(tǒng)應用現(xiàn)狀;其次對衛(wèi)星通信系統(tǒng)特征進行論述，明確系統(tǒng)構成和通信系統(tǒng)信號損耗問題;最后研究了與機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關技術，并對未來發(fā)展趨勢進行探究，以期全面提升機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務能力。

關鍵詞：機載寬帶;衛(wèi)星;通信系統(tǒng);技術

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，機載通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)的升級變得至關重要。通過相關衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用，可滿足用戶便利化需求，實現(xiàn)在高空中對通信網(wǎng)絡的有效連接。相關系統(tǒng)的應用也逐步解決了飛機客艙的信息孤島問題，使得移動網(wǎng)絡實現(xiàn)了高空覆蓋，乘客可體驗云端服務。為更好地達到這一目標，本文分析了有關寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關技術，明確了系統(tǒng)應用現(xiàn)狀和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關構成與特征。

1 系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

目前，在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應用的Ku衛(wèi)星均為大波束衛(wèi)星系統(tǒng)、全面支持高吞吐量的衛(wèi)星。同時，系統(tǒng)也搭載了衛(wèi)星通信終端設備。為確保相關技術在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用，相關人員還使用高通量衛(wèi)星（High Thoughput Satellite，HTS）技術，引入了更多波束切換性能。HTS衛(wèi)星的價值主要體現(xiàn)為：基于頻率復用和點波束技術，實現(xiàn)了衛(wèi)星容量擴容，初期相關系統(tǒng)主要搭載Ka衛(wèi)星，其容量往往能夠達到傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星的數(shù)十倍。此舉不僅提升了頻率資源的應用效率，而且確保了技術應用穩(wěn)定。其中，Ku波段是指頻率在10～20 GHz的電磁波信號，Ka波段則是指頻率在20～30 GHz的電磁波信號。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)探究

2.1 系統(tǒng)構成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由3個部分構成，分別是空間段、地面段和機載段。

（1）空間段，主要是通信衛(wèi)星，主體結構為衛(wèi)星轉發(fā)器?，F(xiàn)階段，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡有效覆蓋的Ku衛(wèi)星主要是中星10、中星11、中星12、亞洲5、6、7等衛(wèi)星。鑒于轉發(fā)器資源利用效率較高，可實現(xiàn)70%以上的全覆蓋，衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能獲得提升。

（2）地面段，主要用于接收和發(fā)送衛(wèi)星信號的系統(tǒng)，通常包括：地面站、天線、射頻、主站和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡運營中心（Network Operations Center，NOC）。

（3）機載段，具體指飛機上的通信設備，包括機外天線、控制單元、調制解調器和無線接入設備。通信系統(tǒng)構成如圖1所示。

2.2 信號損耗原因

在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，自由空間占比較大，應考慮信號在傳輸過程中產(chǎn)生的損耗。對發(fā)射天線和接收天線在單位增益情況下發(fā)生的傳輸損耗進行有效控制，是提升通信系統(tǒng)服務能力的關鍵。同時，也需要考慮降雨、霧霾或多云等大氣因素對電磁波帶來的損耗。這些不利條件對通信設備的影響較大，嚴重時可能造成通信設備中斷運行，影響信號傳輸?shù)倪B續(xù)性。在影響信號損耗的各種因素中，降雨的影響最大，并且具有明顯的不確定性，因此，在寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用中，應考慮季節(jié)降雨因素帶來的影響，并對通信技術進行升級，提升整體服務能力。

3 機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關技術研究

3.1 衛(wèi)星天線的選擇

現(xiàn)階段，應用在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線主要有機械式、分段陣列式和相控陣天線形態(tài)。其中，機械式天線技術較為成熟，但是信號捕捉范圍比分段陣列式天線和相控陣天線更弱。而機載寬帶衛(wèi)星中多使用相控陣天線，為機載寬度微信通信系統(tǒng)優(yōu)化升級提供技術支持。

眾所周知，衛(wèi)星天線選擇直接關系到通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對大型飛機，如民航客機和軍用預警機，其對飛行速度的要求不高，飛行姿態(tài)相對穩(wěn)定，因此，可以將衛(wèi)星天線設計在飛機頂部?？紤]到通信要求，可使用大型天線裝置，提升信號信息傳輸質量，促使通信系統(tǒng)得到優(yōu)化。此類天線一般被設計為拋物線環(huán)焦天線，相關類型衛(wèi)星天線具有天線增益高、方便調整的特征。

隨著研究的深入，應用在大型飛機中的拋物線環(huán)焦天線技術逐漸成熟，對機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到關鍵作用[1]。在實踐中，Tocm、松下航電等天線均為機械衛(wèi)星天線，實現(xiàn)了精準地對星，所依托主體為機械伺服系統(tǒng)。此類天線往往要大量使用機械部件，其可靠性較電子部件更低，且赤道附近地區(qū)存在星波形畸變，鄰星所帶來的干擾也因此變得更加明顯。只有降低發(fā)射功率，才能使干擾水平處于可控范圍，其速率必然會受到影響。

第一代2Ku傳輸技術使用天線為分段陣列式，以全新機載天線為核心。這一設計使天線內(nèi)部板的共振特性得到增強，真正做到以實際需求為依據(jù)，在特定方向對波束進行傳播。此類天線的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）天線輻射圖精準度有所提升;（2）鄰星所帶來的干擾始終處于可控范圍;（3）將接收天線與發(fā)射天線分開處理，捕捉天線中的不同頻段，能夠準確獲取波段信息，促使傳輸速率更接近理想水平。但要明確，雖然第一代2Ku傳輸技術較其他技術有明顯進步，信息獲取時效性與準確性有所提升，但是其水平面所采用的調整方式仍為機械調整。分析行業(yè)發(fā)展情況可知，以相控陣天線為代表的全新技術逐漸成熟，技術研究正從實驗階段向商用階段過渡。

3.2 單脈沖跟蹤技術的應用

衛(wèi)星通信天線在角平面位置存在兩個相互重合的波束，在實踐應用中，差式單脈沖通過對波束的和差分析與處理，可實現(xiàn)對角誤差信號的有效捕捉。機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)處于時刻運行中，實現(xiàn)對信號的精準識別是技術難題。在具體應用環(huán)節(jié)，可以使用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）或慣導信號信息引導天線快速捕捉衛(wèi)星，確保機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著數(shù)字通信技術的發(fā)展，目前在衛(wèi)星信號追蹤中使用了單脈沖跟蹤技術，單個接受脈沖即可獲得目標信息，信號捕捉能力得到顯著增強。使用單脈沖跟蹤技術對通信系統(tǒng)進行優(yōu)化，能夠擴大信號獲取范圍，滿足技術升級的要求[2]。

4 技術發(fā)展趨勢

衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢和方向主要是Ka頻段和HTS技術應用，但是目前我國在此方面的相關研究還不夠深入，尚不具備商用條件。因此，如何選擇機載通信衛(wèi)星成為航空公司面臨的主要問題。

機載通信衛(wèi)星系統(tǒng)的應用技術升級是行業(yè)關注的重點，現(xiàn)階段已經(jīng)投入使用的通信衛(wèi)星系統(tǒng)包括L波段海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)和Ku波段的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在寬帶天地互聯(lián)鏈路技術選擇上，需要在考慮監(jiān)管政策、技術發(fā)展和機載硬件等實際條件的基礎上，對其進行進一步的升級與完善，而對相關技術的應用只能在試運行階段開展。為保障機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應對技術應用發(fā)展方向進行研究，分階段、分步驟地推進落實技術方案。未來，隨著通信技術的發(fā)展，可將徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡和比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器應用在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡的優(yōu)化設計，為機載寬帶衛(wèi)星通信的升級提供技術支持[3]。

5 結語

綜上所述，在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，應選擇使用合適的衛(wèi)星天線系統(tǒng)、優(yōu)化單脈沖跟蹤技術，并對衛(wèi)星通信系統(tǒng)寬帶通信進行研究，確保技術應用更加安全、穩(wěn)定。我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展需要繼續(xù)加強技術研發(fā)，并對衛(wèi)星通信系統(tǒng)寬帶通信系統(tǒng)進行升級。未來，相關人員應持續(xù)關注高吞吐量衛(wèi)星的應用，研究語音通信適航技術，實現(xiàn)對多個波束的有效覆蓋，使得衛(wèi)星通信的應用范圍更加廣泛。

[參考文獻]

[1]彭向陽，王柯，肖祥，等.大型無人直升機電力線路智能巡檢寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J].高電壓技術，2019（2）：38-46.

[2]安澤亮，宋高俊，陳慧慧.多波束寬帶衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的自適應功率分配[J].電訊技術，2018（10）：36-41.

[3]湯輝，鄒欽羊，朱立東，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)多優(yōu)先級信道預留分配策略[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019（5）：34-39.

（編輯 何 琳）