小型數(shù)字衛(wèi)星車系統(tǒng)集成與技術(shù)探究

謝兵旺

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引言

小型數(shù)字衛(wèi)星車主要用于臨時(shí)應(yīng)急通信，可以快速部署在移動(dòng)基站、臨時(shí)指揮中心、野外應(yīng)急指揮部等通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定區(qū)域，是移動(dòng)應(yīng)急通信的首選設(shè)備。小型數(shù)字衛(wèi)星車的技術(shù)關(guān)鍵在于靈活快速部署和對(duì)抗惡劣天氣，比如在一些山地環(huán)境中，衛(wèi)星車需要更高的抗風(fēng)能力，才能實(shí)現(xiàn)快速部署。在惡劣天氣下，衛(wèi)星車還需要更低的功耗和溫度要求。

1 小型數(shù)字衛(wèi)星車系統(tǒng)集成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

衛(wèi)星車的通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星通信設(shè)備、天線、車載無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面調(diào)度網(wǎng)絡(luò)五部分組成。衛(wèi)星通信設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要包括車載衛(wèi)星天線、車載微波中繼、車載終端等設(shè)備，是衛(wèi)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(yīng)急救援提供有力保障。

車載衛(wèi)星通信設(shè)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(shí)現(xiàn)無線信號(hào)傳輸。車載天線安裝在汽車車頂，利用汽車自身的動(dòng)力，通過汽車內(nèi)的天線進(jìn)行無線信號(hào)傳輸，與地面指揮中心進(jìn)行聯(lián)系。車載微波中繼是指通過衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)的中繼系統(tǒng)，用于連接兩個(gè)相鄰基站之間的信號(hào)傳輸。車輛攜帶兩套天線，分別安裝在車輛兩側(cè)。中繼系統(tǒng)主要由星載主設(shè)備和地面接入設(shè)備兩部分組成，采用星載主設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行放大處理后通過天線進(jìn)行傳播；地面接入設(shè)備是指以汽車為載體通過衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行發(fā)射接收的終端設(shè)備。天線是衛(wèi)星車與地面指揮中心之間的連接紐帶，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收處理后將信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)發(fā)射出去。車載無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由車載終端、無線接入網(wǎng)關(guān)和中央調(diào)度平臺(tái)三部分組成。其中，車載終端用于車內(nèi)對(duì)衛(wèi)星通信的接入和使用；無線接入網(wǎng)關(guān)用于接入網(wǎng)的管理和控制。

1.2 衛(wèi)星車平臺(tái)

衛(wèi)星車平臺(tái)采用了模塊化設(shè)計(jì)，通過車輛平臺(tái)、衛(wèi)星通信設(shè)備以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集成，可以滿足用戶在不同環(huán)境下的應(yīng)用需求。車輛平臺(tái)模塊主要包括：衛(wèi)星通信設(shè)備、車載終端、電源設(shè)備、車載電腦（具備Wi-Fi功能）。衛(wèi)星通信設(shè)備安裝在車輛頂部，通過衛(wèi)星天線向地球發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)，車載終端安裝在車輛內(nèi)部，通過天線發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)，車載電腦安裝在車輛前端，可以接收衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)處理，并通過接口與車載終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電源設(shè)備主要為車載電源和車載電腦供電。車輛平臺(tái)模塊集成了GPS定位、高清攝像機(jī)、音視頻采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)字會(huì)議等功能。GPS定位功能用于車輛的實(shí)時(shí)位置信息采集，高清攝像機(jī)用于拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像，音視頻采集功能用于將現(xiàn)場(chǎng)圖像和數(shù)據(jù)通過無線方式回傳至指揮中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并支持錄像回放，數(shù)字會(huì)議功能支持對(duì)會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行音視頻的實(shí)時(shí)傳輸。衛(wèi)星通信設(shè)備用于衛(wèi)星與地面的雙向通信，使用調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制到地面?zhèn)鬏數(shù)腎SM頻段上，同時(shí)通過信號(hào)處理模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。通過衛(wèi)星天線發(fā)射到地球同步軌道的衛(wèi)星上，經(jīng)過天饋系統(tǒng)向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)。該系統(tǒng)主要由天線、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、調(diào)制解調(diào)器、時(shí)鐘系統(tǒng)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?zhèn)鬏數(shù)囊曨l數(shù)據(jù)采集后傳輸至衛(wèi)星車載電腦，音視頻采集模塊可采集車內(nèi)和車外的音頻和視頻數(shù)據(jù)，通過無線方式回傳至指揮中心。

衛(wèi)星通信設(shè)備用于將現(xiàn)場(chǎng)音視頻數(shù)據(jù)通過無線方式回傳至指揮中心。該系統(tǒng)主要由天線、車載終端、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(dòng)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(wèi)星定位模塊，并可通過藍(lán)牙連接手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、地圖導(dǎo)航等功能。移動(dòng)終端支持 Android4.4版本以上操作系統(tǒng)，擁有一顆工業(yè)級(jí)GPS定位芯片，GPS定位精度達(dá)到10m以內(nèi)。車載應(yīng)急移動(dòng)指揮系統(tǒng)通過采用 GPS與北斗雙衛(wèi)星定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取車輛位置及軌跡信息，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)調(diào)度、指揮功能。車載應(yīng)急移動(dòng)指揮系統(tǒng)具備高清音視頻采集能力和4K/8K超高清視頻實(shí)時(shí)回傳能力。在視頻接入、編碼壓縮方面，車載應(yīng)急移動(dòng)指揮系統(tǒng)采用了H.264高清壓縮編碼技術(shù)和H.265高壓縮比的編碼技術(shù)，結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)回傳。車載應(yīng)急移動(dòng)指揮系統(tǒng)可與公安、交警等部門的車輛調(diào)度、指揮中心進(jìn)行互聯(lián)互通。在應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)指揮長(zhǎng)可以通過車載應(yīng)急移動(dòng)指揮系統(tǒng)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況并下達(dá)命令，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)回傳到視頻監(jiān)控中心，便于事后復(fù)盤。車載終端采用“便攜式”設(shè)計(jì)理念，搭載有無線數(shù)字收發(fā)模塊、專業(yè)數(shù)字音頻功放模塊及專業(yè)音頻調(diào)音臺(tái)模塊。車載終端內(nèi)置高清4K解碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻和音頻信號(hào)的快速解碼和播放；內(nèi)置專業(yè)的數(shù)字音頻功放模塊，支持專業(yè)的數(shù)字音頻輸出。車載終端不僅可以連接無線數(shù)字接收機(jī)，還可連接普通有線數(shù)字接收機(jī)（需另外加裝）。同時(shí)車載終端可以作為無線數(shù)字接收機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)射終端使用。該終端采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用超低功耗設(shè)計(jì)理念和材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，符合IP65標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了終端的可靠穩(wěn)定工作。

1.4 衛(wèi)星天線

衛(wèi)星天線是衛(wèi)星車的重要組成部分，承擔(dān)著信號(hào)接收、發(fā)送、放大等功能。衛(wèi)星天線通常由饋源、饋點(diǎn)、波導(dǎo)天線組成。衛(wèi)星車中的衛(wèi)星天線主要功能是將衛(wèi)星信號(hào)放大，然后將放大后的信號(hào)送到地面。衛(wèi)星天線的大小直接決定了接收到的信號(hào)強(qiáng)度，影響到接收效果。衛(wèi)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(hào)接收。由于衛(wèi)星天線具有體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前衛(wèi)星車中應(yīng)用最廣泛的是單極化天線。

2 小型數(shù)字衛(wèi)星車技術(shù)要點(diǎn)

2.1 通信體制

非正交頻分復(fù)用是一種先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它利用正交的載波來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并在頻域上把數(shù)字信號(hào)分成若干個(gè)互不重疊的子載波，用數(shù)字信號(hào)去控制每個(gè)子載波，再用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制各個(gè)子載波，然后把這些子載波分別發(fā)送出去。非正交頻分復(fù)用采用非正交多址接入技術(shù)，與正交頻分復(fù)用相比（采用了帶內(nèi)、帶間兩種正交性的載波），可以克服頻分復(fù)用中的“碼間串?dāng)_”和“符號(hào)間干擾”。

高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)：在數(shù)字通信系統(tǒng)中，載波信號(hào)通常是以較低的頻率和較高的功率進(jìn)行調(diào)制。為提高頻譜效率，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻。但當(dāng)信號(hào)頻率很高時(shí)，由于擴(kuò)頻序列很長(zhǎng)，系統(tǒng)帶寬會(huì)急劇縮小，從而使整個(gè)系統(tǒng)的頻帶利用率下降。為此，必須采用高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。自適應(yīng)多址接入：在一組天線上接收到的多個(gè)信號(hào)在頻域上不一定相同。這使得接收天線必須具有自適應(yīng)波束成形功能。其采用了一種自適應(yīng)技術(shù)來消除這些干擾并提高信噪比。多載波調(diào)制：由于數(shù)字信號(hào)具有很高的頻率利用率和頻譜利用率，因此多載波調(diào)制技術(shù)非常適用于數(shù)字通信系統(tǒng)中。多載波調(diào)制方式能夠在數(shù)字通信中利用頻率復(fù)用特性提高頻譜效率。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)：利用信號(hào)直接序列擴(kuò)頻的原理來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，使用戶可在通信信道上獲得一個(gè)很寬的頻帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可顯著提高系統(tǒng)的容量和信道的可靠性。

2.2 設(shè)備參數(shù)

衛(wèi)星車主要采用全向天線，內(nèi)置功放，采用高性能DSP處理器和數(shù)字信號(hào)處理器，處理性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。天線尺寸：長(zhǎng)280mm×寬210mm×高190mm，具有較高的抗風(fēng)能力，適用于山地、海邊、沙漠等惡劣環(huán)境，工作頻率：2.4 GHz，天線增益：11dBi，頻率范圍：433～420MHz，發(fā)射功率：≤20W（2×25W），發(fā)射功率可調(diào)：-30dB～+50dB ，帶寬：64kbps/64kbps/256kbps，信道數(shù)：16個(gè)信道，可根據(jù)用戶需要任意配置，通信距離：200～300m，通信距離可達(dá)10km以上。數(shù)字基帶速率可達(dá)1Gbps，動(dòng)態(tài)碼率可達(dá)8Mbps，支持寬帶數(shù)字音頻編解碼，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力，支持H.264視頻流播放，支持4路音頻同時(shí)輸出，具備強(qiáng)大的圖像傳輸能力，具備多路視頻實(shí)時(shí)采集能力[1]。

2.3 功率

衛(wèi)星車的功率是指天線發(fā)射的電磁場(chǎng)與衛(wèi)星之間的總輻射功率，它與天線性能和車內(nèi)負(fù)載有關(guān)。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(huì)增加衛(wèi)星車的重量，從而增加車輛能耗，所以衛(wèi)星車功率不能過大。衛(wèi)星車要達(dá)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(wèi)星之間存在信號(hào)反射、相位差，從而導(dǎo)致信號(hào)的衰減，所以衛(wèi)星車發(fā)射功率必須足夠大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前國產(chǎn)小型衛(wèi)星車發(fā)射功率一般為5～7W，可覆蓋范圍為25km以內(nèi)。若采用大功率功放電路，不僅會(huì)增加系統(tǒng)的重量，而且還會(huì)增加衛(wèi)星車內(nèi)部的能耗；因此衛(wèi)星車發(fā)射功率應(yīng)該足夠大。發(fā)射功率：一般而言，在同等條件下，衛(wèi)星車天線的發(fā)射功率越大，則其覆蓋范圍越寬。發(fā)射功率是決定衛(wèi)星車覆蓋范圍大小的主要因素之一，也是限制衛(wèi)星車體積和重量的主要因素。衛(wèi)星車發(fā)射功率太小，不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，而且會(huì)造成衛(wèi)星車的結(jié)構(gòu)尺寸過大，從而導(dǎo)致衛(wèi)星車體積和重量過大，影響到系統(tǒng)的重量、能耗等。因此，為了使衛(wèi)星車能夠更好地覆蓋用戶，應(yīng)該盡可能地提高衛(wèi)星車發(fā)射功率。一般情況下，對(duì)小型數(shù)字衛(wèi)星車而言，發(fā)射功率以5W、10W和12W為宜，對(duì)于中型數(shù)字衛(wèi)星車而言，發(fā)射功率以6W、8W和12W為宜[2]。

2.4 天線的極化方式

衛(wèi)星車天線的極化方式是指天線本身具有的一個(gè)特殊的電磁場(chǎng)，它與衛(wèi)星之間的信號(hào)相位差有關(guān)，而與衛(wèi)星本身不相關(guān)。一般情況下，衛(wèi)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(tǒng)。雙極子天線主要用于小范圍通信，如普通對(duì)講機(jī)等。對(duì)于小型數(shù)字衛(wèi)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(wèi)星車內(nèi)的負(fù)載也有功率需求，所以對(duì)于雙極子天線來說，如果負(fù)載太小，則不適合，而對(duì)于單極子天線來說，則適合。

2.5 電源系統(tǒng)

小型數(shù)字衛(wèi)星車一般采用交流電源供電，同時(shí)配置鋰離子電池作為應(yīng)急通信設(shè)備的備用電源，以保證在電池電量不足時(shí)可及時(shí)更換。小型數(shù)字衛(wèi)星車一般采用兩組直流/交流電源，一組用于車載控制系統(tǒng)供電，另一組用于車載設(shè)備供電。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，需要配置蓄電池組作為后備電源，當(dāng)車載控制系統(tǒng)故障或其他原因?qū)е虏荒苷９ぷ鲿r(shí)，備用電源可以隨時(shí)啟動(dòng)，保障車載設(shè)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(yīng)及時(shí)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(zhǎng)、放電不均衡等優(yōu)點(diǎn)，因此，在設(shè)計(jì)小型數(shù)字衛(wèi)星車時(shí)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(shù)字衛(wèi)星車還需要配置一定數(shù)量的直流/交流轉(zhuǎn)換開關(guān)（通常為4-6個(gè)）和輔助電源模塊（通常為4-6個(gè)），輔助電源模塊用于為車載設(shè)備供電。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前時(shí)代背景下，合理使用小型數(shù)字衛(wèi)星車有著重要的意義，小型數(shù)字衛(wèi)星車主要用于臨時(shí)應(yīng)急通信，可以快速部署在移動(dòng)基站、臨時(shí)指揮中心、野外應(yīng)急指揮部等通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定區(qū)域，是移動(dòng)應(yīng)急通信的首選設(shè)備。