S波段動中通天線在移動載體中的應(yīng)用

王春華，劉 念，尚潤平

（深圳市華信天線技術(shù)有限公司，深圳 518055）

技術(shù)研究

S波段動中通天線在移動載體中的應(yīng)用

王春華，劉 念，尚潤平

（深圳市華信天線技術(shù)有限公司，深圳 518055）

本文提出一種S波段動中通雙向通信天線，通過微慣性陀螺系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)，采用衛(wèi)星初始對準、隔離車輛、航空器以及船舶等載體運動、自動跟蹤技術(shù)以及丟星處理等一系列措施，實現(xiàn)某衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。應(yīng)用于移動載體上，在海洋、邊遠地區(qū)或者信號絕緣地區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)以及語音通信，消除了中國邊遠地區(qū)信號盲區(qū)，降低危險隱患，大大加強中國的安全防護措施。

衛(wèi)星新應(yīng)用技術(shù)；S波段；動中通天線

1 引言

我國幅員遼闊，地形復雜多樣，地震、洪災(zāi)、臺風等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。在災(zāi)后的救援工作中，政府需要與受災(zāi)現(xiàn)場進行實時的語音、圖像、視頻等數(shù)據(jù)通信，及時了解災(zāi)區(qū)的情況，并據(jù)此部署合理有效的救援方案，最大程度地減小人員和財產(chǎn)的損失。而自然災(zāi)害對有線光纜、電力、基站等設(shè)施有很強的破壞力，無法保證災(zāi)區(qū)與外界有效通信，對抗災(zāi)和救援十分不利。隨著我國衛(wèi)星通信事業(yè)的快速發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防安全、遙感測繪、導航定位等許多領(lǐng)域中，其應(yīng)用場景如框圖1所示。由于衛(wèi)星通信不受自然災(zāi)害的影響，全天候、覆蓋距離廣、通信成本低等優(yōu)點，而且可以實現(xiàn)語音、圖像和視頻等數(shù)據(jù)傳輸，近年來已成為了應(yīng)急通信的重要方式之一[1]。衛(wèi)星通信的工作波段主要有L，C，X，Ku，Ka，S等。L，C，X，Ku波段不能滿足高速、寬帶、小口徑終端等應(yīng)用的需求，而S波段是頻率范圍在1.55-3.4GHz的電磁波頻段，主要應(yīng)用在中繼、衛(wèi)星通信、雷達等方面。由于該波段的優(yōu)點是可用帶寬大、干擾少、設(shè)備體積小、可滿足高速應(yīng)用的需求，因此可應(yīng)用于移動載體設(shè)備中。

本文介紹了一種應(yīng)用衛(wèi)星雙向通信的新技術(shù)，一款基于S波段的動中通天線。它通過微慣性陀螺系統(tǒng)隔離載體運動的干擾，驅(qū)動電機保證天線姿態(tài)在一定的范圍內(nèi)，完成粗對準。同時，根據(jù)對某衛(wèi)星信號強度的實時分析，驅(qū)動電機小范圍調(diào)整天線姿態(tài)，完成精對準，實現(xiàn)動中通天線對衛(wèi)星的實時高精度跟蹤，保證移動載體設(shè)備在信號盲區(qū)實時準確地與外界進行數(shù)據(jù)和語音通信。

圖1 衛(wèi)星通信應(yīng)用場景

2 衛(wèi)星通信的特點

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)電磁波，實現(xiàn)兩個或者多個地球站之間的通信，一種全天候、全球性的通信系統(tǒng)。這里的地球站是指在地球表面（包括海洋、地面和大氣中）的無線通信站。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間站、地面站和用戶站三部分組成?？臻g站是指人造地球衛(wèi)星，地面站一般包括衛(wèi)星測控中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心等，用戶站指各種衛(wèi)星接收設(shè)備。相比于其他通信方式，衛(wèi)星通信主要有以下三個方面的特點[2]：

（1）覆蓋范圍廣，不受地域限制。由于衛(wèi)星分布在太空中，在衛(wèi)星天線波束的覆蓋范圍內(nèi)即可通信，三顆衛(wèi)星可覆蓋全球。因此，在全球任何區(qū)域，只要衛(wèi)星信號無遮擋，就可以實現(xiàn)衛(wèi)星通信。其覆蓋范圍非常廣泛，且不受地域限制，在邊遠的城市和交通不發(fā)達的地區(qū)，衛(wèi)星通信是極其有效的通信手段。

（2）通信成本低，可靠性高。由于直接通過衛(wèi)星進行電磁波的轉(zhuǎn)發(fā)，不需要額外建立中繼設(shè)備、鋪設(shè)光纜等有線傳輸設(shè)備，通信成本低。電磁波主要在大氣層以外（可看作在均勻介質(zhì)）的空間進行傳輸，不易受自然環(huán)境和人為干擾的影響，相對比較穩(wěn)定，可靠性高。

（3）靈活性大，組網(wǎng)速度快。衛(wèi)星通信采用無線傳輸，不受地理環(huán)境的限制，能夠快速地在多個衛(wèi)星設(shè)備之間建立通信，靈活性大，組網(wǎng)速度快。

3 S波段動中通天線在移動載體中的應(yīng)用

在遭受地震、洪水、海上臺風等自然災(zāi)害時，光纜、電力設(shè)施、基站等基礎(chǔ)設(shè)施通常會受到不同程度的損害，常規(guī)的有線通信和無線通信方式無法保證災(zāi)情及時有效的傳遞，對救援工作十分不利。因此，建立有效、可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)，是部署科學救援方案、減小人員和財產(chǎn)損失的前提，具有非常重要的社會意義。近年來，一些研究者對S波段衛(wèi)星雙向通信進行了大量的研究[3],[4]，由于具有覆蓋范圍廣、可靠性高、通信量大等優(yōu)點，在應(yīng)急通信領(lǐng)域?qū)l(fā)揮不可限量的作用。因此，未來將可利用S波段動中通雙向通信天線，在全國任何地域建立應(yīng)急通信系統(tǒng)，并與其他用戶建立可靠穩(wěn)定的短信、語音、圖像以及視頻等數(shù)據(jù)傳輸。S波段動中通天線在移動載體設(shè)備通信領(lǐng)域的應(yīng)用主要可以分為以下幾個方面[5]：

（1）自然災(zāi)害。近年來，地震、洪水、雪災(zāi)、臺風等自然災(zāi)害越來越頻繁，災(zāi)情波及范圍廣，破壞程度大，因此，為了盡快挽救人員和財產(chǎn)的損失，對災(zāi)情的及時全面了解尤其重要。災(zāi)情發(fā)生后，應(yīng)急通信車輛可迅速前往災(zāi)區(qū)，搜集大量現(xiàn)場情況，并實時以數(shù)據(jù)、語音、圖片和視頻等方式通過某衛(wèi)星向上級部門匯報，同時通過衛(wèi)星通信接收上級的救援指示。

（2）航海安全和通信。在航海上，由于無線電通信不僅受距離的限制，而且在偏遠海域會有大量的信號盲區(qū)，海洋上的船舶很容易迷失方向。此時，S波段動中通天線可以通過接收GPS信號進行定位保障船舶的安全，同時通過衛(wèi)星雙向通信尋求救援。

（3）公共安全。由于境內(nèi)外各種分裂勢力的煽動和策劃，各種恐怖主義活動也時常發(fā)生，且經(jīng)常選擇在車站、廣場等人流量大的區(qū)域，嚴重影響公共安全。如果應(yīng)急移動載體設(shè)備能夠及時迅速的趕到現(xiàn)場并架設(shè)衛(wèi)星通信鏈路，則必將在通信、指揮、調(diào)度和救援等方面起到重要作用。

（4）話務(wù)高峰。隨著人民生活水平的提高和經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，在重大節(jié)日、重大活動期間，人民往往大量聚集在大型廣場、公園等場所。智能手機的迅速發(fā)展，使得通信內(nèi)容從傳統(tǒng)的語音、短信擴展到數(shù)據(jù)量更大的短信、語音、圖片、視頻等數(shù)據(jù)通信方式，這往往會導致通信阻塞?？梢杂脩?yīng)急移動載體設(shè)備建立衛(wèi)星通信鏈路，分擔通信數(shù)據(jù)量，減小基站的通信負擔。

4 基于S波段動中通天線

圖2 基于S波段動中通天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)框圖

S波段，支持北斗B1，B3頻點，兼容JY-LTE模式。S波段動中通天線在移動載體中的應(yīng)用，作為動中通的天線跟蹤系統(tǒng)，是衛(wèi)星的新應(yīng)用技術(shù)。通過微慣性陀螺系統(tǒng)實時測量載體的姿態(tài)信息，隔離載體運動，并通過伺服控制系統(tǒng)去調(diào)整天線姿態(tài)，實現(xiàn)對衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤，保證衛(wèi)星通信的質(zhì)量和穩(wěn)定性。該應(yīng)用的框架見圖2。按照功能來劃分，主要可以分為S波段動中通天線系統(tǒng)、射頻信號處理系統(tǒng)、微慣性陀螺系統(tǒng)、天線伺服控制系統(tǒng)四個部分[6]。

4.1 S波段動中通天線系統(tǒng)

4.1.1 S波段動中通天線系統(tǒng)的原理

S波段動中通天線實物圖如圖3所示，它由天線和饋源網(wǎng)絡(luò)組成，主要用于接收和發(fā)射衛(wèi)星信號，實現(xiàn)電場和磁場直接的能量轉(zhuǎn)換。通過雙工器分離收發(fā)兩路信號，實現(xiàn)收發(fā)共用，其性能的優(yōu)劣直接影響衛(wèi)星發(fā)射和接收信號的能力。

圖3 S波段動中通天線實物圖

4.1.2 S波段動中通天線性能的仿真

天線的發(fā)射頻率為1980MHz-2010MHz，接收頻段為2170MHz-2200MHz，其發(fā)射和接收性能分別如圖4和圖5所示，天線的駐波比如圖6所示。

圖4 發(fā)射性能

圖5 接收性能

圖6 駐波比<1.5

4.1.3 S波段動中通天線環(huán)境實驗測試結(jié)果

對S波段動中通天線做溫度實驗，分別放置在常溫下、高溫下80°和低溫下-50e 12個小時，其天線的性能分別如表1、表2和表3所示。

表1 常溫測試結(jié)果

表2 高溫測試結(jié)果

表3 低溫測試結(jié)果

從表1～表3可以看出，天線不管在常溫、高溫還是低溫下都能滿足實際動中通的要求。4.2 射頻信號處理系統(tǒng)

射頻信號處理系統(tǒng)框圖如圖7所示，它的主要功能是對衛(wèi)星信號的接收和發(fā)送進行處理。接收部分是將接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過前置放大、數(shù)字下變頻、解調(diào)、濾波等處理后轉(zhuǎn)變成基帶信號。發(fā)送部分是將待發(fā)送的基帶信號經(jīng)過調(diào)制、數(shù)字上變頻、功率放大等處理后通過動中通天線系統(tǒng)進行發(fā)送。

圖7 射頻信號處理系統(tǒng)框圖

4.3 微慣性陀螺系統(tǒng)

微慣性陀螺系統(tǒng)的框圖如圖8所示，采用基于陀螺儀、加速度計、磁力計和GPS的多傳感器信息進行數(shù)據(jù)融合。陀螺儀直接測量載體的角速度信息，積分即可獲得載體的姿態(tài)相對變化，在短期內(nèi)精度高。但是隨著時間累積，誤差會越來越大。加速度計直接測量載體的加速度信息，在靜止和勻速的情況下，根據(jù)重力加速度的測量值準確計算載體的俯仰角和橫滾角。但是在變速情況下受運動加速度的干擾，測量精度無法得到保證。磁力計直接測量載體周圍的磁場信息，在沒有外界磁干擾的環(huán)境下，根據(jù)地磁場的測量值準確計算載體的航向角。由于環(huán)境比較復雜，磁力計無時無刻不受到周圍磁環(huán)境的干擾，測量精度無法得到保證。GPS在環(huán)境開闊、載體運動的情況下能夠提供準確的航向角。但是，樹木、橋洞等環(huán)境的遮擋會使GPS失效。因此，綜合陀螺儀、加速度計、磁力計和GPS的優(yōu)缺點，發(fā)揮各個傳感器的特點，優(yōu)勢互補，對采集的數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波融合，能夠在高動態(tài)下實時提供穩(wěn)定、精確的載體三維姿態(tài)信息[7]。

圖8 微慣性陀螺系統(tǒng)框圖

4.4 天線伺服控制系統(tǒng)

天線伺服控制系統(tǒng)框圖如圖9所示，它的功能主要是控制電機去調(diào)整動中通天線的姿態(tài)，實現(xiàn)對衛(wèi)星的搜索和跟蹤。伺服控制系統(tǒng)根據(jù)微慣性陀螺系統(tǒng)得到的載體信息，去控制電機驅(qū)動動中通天線，隔離載體運動的干擾，使動中通天線的姿態(tài)在一定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)粗對準。同時，根據(jù)衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)提供的衛(wèi)星信號強度值，在小范圍內(nèi)調(diào)整動中通天線的姿態(tài)，使其接收到的衛(wèi)星信號強度最大，實現(xiàn)精對準。跟蹤到衛(wèi)星信號后需要實時判斷是否鎖定了衛(wèi)星信號，若衛(wèi)星信號強度大于閾值，則伺服控制系統(tǒng)需隔離載體運動、根據(jù)衛(wèi)星信號強度進行持續(xù)跟蹤，若衛(wèi)星信號強度小于閾值，則系統(tǒng)需進行初始化，重新搜索衛(wèi)星[8]。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷提高，衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛，越來越普及。S波段以可用帶寬大、干擾少、設(shè)備體積小、可滿足高速應(yīng)用的需求等優(yōu)點，未來將大量應(yīng)用于移動載體設(shè)備中。同時，基于S波段動中通天線作為衛(wèi)星的新應(yīng)用，將會在以后的航海、救災(zāi)、搶險、邊防巡邏等方面得到廣泛的應(yīng)用?！?/p>

圖9 天線伺服控制系統(tǒng)框圖

[1] 李京．衛(wèi)星通訊在我國災(zāi)害應(yīng)急體系中的應(yīng)用需求[J]．當代通信，2006(13)

[2] 余建國．SVC衛(wèi)星應(yīng)急通信保障系統(tǒng)探析[J]．中國新通信，2012

[3] 黃佳．S波段射頻收發(fā)前端的研究與實現(xiàn)[D]．電子科技大學，2010

[4] 周沫，秦華，田樹森．S波段艦載搜索雷達天線架設(shè)高度選擇研究[J]．電子測量技術(shù)，2012

[5] 祝龍雙，施永新．衛(wèi)星寬帶在應(yīng)急通信和災(zāi)害備份中的應(yīng)用[J]．衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008(07)

[6] 孫興邦．衛(wèi)星天線自動跟蹤算法的研究[D]．大連海事大學，2008

[7] KANG C W, PARK C G. Attitude estimation with accelerometers and gyros using fuzzy tuned Kalman filter[C]. Proceedings of the European Control Conference, Budapest, Hungary, August 23-26, 2009: 3713-3718.

[8] 楊澤．車載天線穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計及工程實現(xiàn)[D]．南京理工大學，2004

An Application of Antenna in Motion for Bidirectional Satellite Communication Using S Wave Band

Wang Chunhua, Liu Nian, Shang Runping
(Harxon Corporation, ShenZhen, 518055)

An antenna in motion for bidirectional satellite communication using S wave band is proposed. It can realize to the satellite tracking steadily through MEMS Gyro system and servo control system that is adopted the satellite initial alignment, carrier movement isolation, automatic tracking technology, solution of lost satellite and so on. Applied in mobile carrier devices, it is for data and voice communication in the ocean, the remote areas and signal insulation area to eliminate signal blind area of China. The safety protective measures of China are strengthened greatly.

New satellite application technology; S wave band; Satellite communication antenna in motion

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.11.001

TN927+.2

A文章編碼：1672-7274（2015）11-0001-05

王春華，男，1979年生，山東人，碩士，1999年進入清華大學電子工程系電磁場與微波專業(yè)研修，主要從事基站天線、衛(wèi)星定位天線、動中通天線研究。

劉 念，女，1988年生，湖南人，碩士，算法工程師，主要從事S波段動中通天線的算法研發(fā)。

尚潤平，男，1987年生，甘肅人，本科，S波段動中通天線項目的負責人，負責項目的整體開發(fā)等。