基于衛星鏈路的海上運載火箭發射通信保障系統設計初探

劉飛飛 肖巍 栗欣（中國衛通集團股份有限公司）

為探索更加安全靈活和經濟高效的新型發射模式，以適應國內外市場低傾角低軌道中小型衛星發射服務項目需求，同時填補我國運載火箭海上發射的空白，中國運載火箭技術研究院提出將其發射工位從陸基改為海基。

經過幾年的研制工作，2019年5月末，長征十一號火箭“登”上海域移動平臺。為確保此次發射任務萬無一失，海域保障船需要安全可靠的信息傳輸信道來傳輸本地實時信息，實現與陸地信息中心及時溝通和交流，海上通信保障顯得尤為重要。

1 系統實現方案

不同于陸地通信保障，海上通信保障需要面對海上基礎通信設施缺乏、工況環境惡劣等不利條件，保障要求相對較高。如何有效解決通信保障之“通”成為首要問題。

網絡架構

從遠海保障船到數據中心之間，采用地面光纜和短波/超短波接續通信，距離近則無法保證人員安全，距離遠則通信不穩定；采用地面和海底光纜接續通信，難以滿足移動通信需求，且人力物力投入較大。衛星通信便成為此次保障任務的主要通信手段。甚小口徑終端（VSAT）衛星通信作為一種高效、穩定、快速、成熟的通信方式，能使用戶擺脫建設地面線路速度緩慢、覆蓋地區有限等問題的困擾。VSAT 除了具備衛星通信的一般特點外，還有其他特點：

1）VSAT 系統可支持多種業務類型，如數據、話音、圖像等；

2）組網靈活、獨立性強，其網絡結構、技術性能、設備特性和網絡管理都可以根據用戶的要求進行設計和調整；

3）終端天線口徑小，設計結構緊湊，功耗小，成本低，安裝方便。

VSAT 衛星通信系統是由包括網管服務器在內的主站、衛星轉發器和若干遠端站組成。

VSAT 衛星鏈路示意圖

站型選擇

衛星站的基本作用是向衛星發射信號，同時接收由其他站經衛星轉發來的信號。衛星主站站型的選擇，主要關注其上行能力和設備可靠性；遠端站站型的選擇應在可靠性的基礎上兼顧系統靈活性和簡易性。

1）衛星固定站。是指在固定地點安裝有能夠自動尋星的天線系統。其中，大型標準固定站采用較先進的設備和技術措施，能實現數據共享與接收系統的整合，同時滿足超高碼速、超大容量、超寬帶寬的通信系統的要求，抗干擾能力強。該站型只能在靜止狀態下與衛星進行通信，而且建設周期長，成本高。

2）移動站。利用這種系統進行通信，具有靈活性強、架構小、成本低、使用方便，以及小站可直接裝在用戶端等特點。移動站擺脫了本地區的地面中繼線問題，這在地面網絡不發達、通信線路質量不好或難于傳輸高速數據的地區，是一種很好的選擇。但是受天線口徑影響，其通信速率通常不會很高。

3）可拆卸站。指短時間能拆卸轉移地點的衛星站，采用體積小、質量輕和便于架設拆運的結構，以改善機動能力和抗毀能力。其通信能力介于移動站和固定站之間。

根據船在海域復雜航行過程中的運動特點，以及通信帶寬要求，只能選擇船載移動站。主站是整個衛星網絡的核心環節，在通信能力、可靠性等各方面均需較高的標準。主站天線一旦建成，在通信過程中無需移動。加之主站系統能力越強，可以相應地降低對端站通信能力的要求，故主站采用大型固定站。

業務落地站

根據通信保障任務需求，可以在數據中心新建衛星固定站，實現保障船與數據中心間信息直接連通。也可以將固定站落地到異地，再通過互聯網專線連接數據中心。

綜合考量各種因素，以租代建，租賃大型衛星固定站系統落地，借助互聯網專線傳至數據中心，遠海保障船即可實現與用戶中心站之間的話音、視頻、數據傳輸和上網服務。

業務落地站落地方案對比

衛星通信系統體系結構圖

船載“動中通”設備選擇

“動中通”天線系統是實現通信保障的工具，高可靠性和高可用度無疑是“動中通”天線選擇的前提，確保在突發事件狀態下能夠真正應急，而其他指標（如體積和質量）應該是在此前提下再考慮的次要指標。

從技術層面看，目前“動中通”天線主要有三種基本類型，分別是：

1）傳統拋物面天線。天線的姿態調整采用機械式，其優點是增益高、帶寬高；缺點是體積和質量大，安裝不太方便。

2）陣列、賦形反射面天線。天線的姿態調整也采用機械式，其優點是安裝相對簡單，搜索鎖星時間短；缺點是天線口徑效率低，增益不高，比同天線口徑拋物面天線帶寬要低得多。

3）全相控陣天線。天線的姿態調整采用電調式，其優點是體積小、質量輕，安裝簡單；缺點是天線有效口徑小，增益低，帶寬窄。

三種天線各有自己的特點，都有自己的應用范圍，不存在“誰取代誰”的問題。用戶應該根據衛星天線的使用環境、承載方式、地理位置、主要業務和預算等情況，綜合來進行選擇。

考核通信的“高可靠性和高可用度”的指標，首先是工作的全天候性，即在任何天氣環境狀態下，都應該正常的工作；其次是能夠提供足夠的帶寬，保證圖像、話音、數據等多種業務的需要。綜合以上條件，此次通信保障只能采用傳統拋物面天線。

鏈路選擇分析

（1）頻段選擇

衛星通信頻段選擇將影響到系統的傳輸容量、天線尺寸、發射功率和設備復雜程度等。

C 頻段功率通量密度需求大，造成天線尺寸較大，但受降雨影響較小，更適用于對通信質量有嚴格要求的業務，比如電視、廣播等；Ku 頻段頻率高、增益也高，天線尺寸較小，便于安裝，受地面干擾影響小，適合做“動中通”、“靜中通”等移動應急通信業務；Ka 頻段的特點類似于Ku 頻段，可用頻段帶寬更大，但雨衰也更大，適用于高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、衛星新聞采集等業務。波束較窄，對終端器件和工藝的要求較高，尤其是“動中通”系統設備。

考慮船上安裝條件有限，天線越小越好。另外，在火箭發射期間，海域降雨概率較大。因此，在保證通信高可靠性的前提下選用Ku 頻段。

（2）衛星選擇

因保障任務的特殊性，衛星通信網對系統的可靠性和安全性要求很高，通信衛星的選擇必須考慮國家對衛星資源的控制和協調能力。因此，只要技術條件允許，盡可能選用自主制造、自主發射和自主測控的衛星資源。

1）衛星具備防范措施和抗干擾能力，衛星公司具備良好的管理技術與協調能力。

2）衛星技術參數符合網絡運行的技術要求，在火箭發射海域覆蓋良好。

3）衛星應滿足“動中通”的技術要求。

4）選用性能優良的衛星，具有較大的有效全向輻射功率（EIRP）和天線增益/接收系統噪聲溫度（G/T）值，可進一步使“動中通”天線系統小型化。

5）天線仰角高，空間段鏈路損耗小，且受地面干擾小。

綜合考慮衛星覆蓋性能、售后服務、安全性，以及考慮到系統擴容時，需完全兼容現有衛星網絡的入網技術標準與業務技術規格，故用戶方選用中星－10 衛星傳輸，將中星－6A 作為異軌資源備份。

（3）鏈路計算

衛星、地球站設備和信道性能參數是進行衛星通信線路設計的重要依據。采購設備前，先通過衛星鏈路計算，合理配置設備，既對系統性能做整體把控，又避免投資浪費。

業務落地站（中國衛通主站）為9m 的Ku 頻段天線，船載“動中通”為1.2m 的Ku 頻段天線，采用中星－10 衛星Ku 頻段傳輸。

船載站配置1.2m 的Ku 頻段天線，按用戶需求，回傳一路高清視頻，傳輸速率2Mbit/s，則實際最大使用功率約為21W。充分考慮到系統臨時增加數據、抵抗雨衰，以及大氣、系統可用度等情況，建議配置40W 功放。從數據中心向遠端保障船主要是傳輸話音和數據，且對視頻畫質要求低，傳輸速率1Mbit/s即可。中國衛通主站配備750W 功放，足以支持業務需求。

應用結果和待解決問題

2019年6月5日12:06，長征十一號運載火箭在我國黃海海域如期發射，衛星被順利送入預定軌道，試驗取得圓滿成功。長征十一號運載火箭這一次的海上首秀，突破海上發射無線通信可靠性等關鍵技術，為我國后續大規模的海上發射通信保障奠定了基礎。此次海上運載火箭發射采用中國衛通集團股份有限公司的“中星易通”衛星通信系統，初步驗證了“中星易通”之“通”的性能，但仍有一定的改進空間。

典型海域衛星性能對比

鏈路計算表

1）主站和船載站部分關鍵設備采用的是國外產品，雖然技術成熟、性能優越，但對于海上運載火箭發射這類任務，其安全性仍需商榷；

2）衛星轉發器的透明傳輸一旦遇到干擾，就需要人工干涉更換系統參數，自動化程度較低；

3）船載“動中通”系統基帶設備需布置在船艙內，機柜安裝仍需占用一定的空間，一體化程度較低。

鑒于此，需要打造一款全國產、自動式、一體化的“易通”型海上運載火箭發射通信保障系統。

2 系統升級改造

“中星易通”應急服務平臺優勢

“中星易通”應急服務平臺以優秀的國產自研產品為主導，從衛星頻段、地面站設備、船載站設備、資源調度系統到平臺應用都完全實現自主可控，不依賴任何國外知識產權，信息安全可靠。平臺采用資源動態自動分配技術，一旦遇到干擾，資源調度系統會自動分配至新頻率，確保用戶衛星通信網絡的有效運行。設計一體化的衛星通信終端，如船載衛星通信終端，通信部件全部集成于“動中通”天線罩內，連接網線即可傳輸業務，安裝、使用簡單可靠。

關鍵技術

控制中心是衛星通信系統的核心，由業務終端、控制終端和控制中心軟件組成，支持本地/異地1:1熱備份，負責對系統內所有衛星通信終端進行管理、控制，處理衛星通信終端的通信申請，為衛星通信終端提供動態資源分配、發送功率等參數。

3 結語

中國衛通集團股份有限公司研制的“中星易通”應急服務平臺，以實際應用場景和客戶需求為導向，提供全系列固定或移動式應用終端，實現天地一體化高速信息走廊，為國家重大項目、應急救援等提供全天候衛星網絡接入，真正實現以“通”為根本、以“易”為關鍵的發展目標。我國首次海射通信保障的成功，一方面驗證了“中星易通”應急服務平臺能夠充分滿足海射的通信保障需求，同時也給我國海上衛星通信系統的發展指出了新的方向。