動中通在浮筏通信系統(tǒng)中的應用研究

李王輝 白鋼華

摘 ?要：當前陸地通信系統(tǒng)主要是通過通信基站作為信號中繼站，由若干通信基站相連接，形成巨大的信號覆蓋區(qū)域。陸地通信系統(tǒng)建設成熟最大的因素在于陸地的相對穩(wěn)定性。所以，穩(wěn)定性非常差的海洋就導致了海上通信系統(tǒng)建設的難度異常高，而海洋范圍占據(jù)地球的三分之二以上，所以，如果能在海洋中建設技術成熟的通信系統(tǒng)，那么對于全球的通信網(wǎng)絡形成將會有里程碑式的意義。當前海洋通信主要采用的是浮筏通信系統(tǒng)，中繼方式采用的是微波中繼，但微波通信有很大的缺陷，就是傳輸距離近，僅僅能覆蓋以浮筏為中心，直徑70km的區(qū)域，難以滿足發(fā)展越來越快的遠海通信要求。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)并沒有距離限制，所以，如果能將衛(wèi)星的地面通信系統(tǒng)裝到浮筏上，那么使通信突破距離的限制則將變成現(xiàn)實，這對于提高海上通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性有極大的幫助。

關鍵詞：動中通;浮筏通信;自動跟蹤

中圖分類號：TN927.2 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0061-03

Abstract：The current terrestrial communication system is mainly used as signal relay station through communication base station，which is connected by several communication base stations to form a huge signal coverage area. The biggest factor of land communication system maturity is the relative stability of land. Therefore，the very poor stability of the ocean leads to the extremely high difficulty in the construction of maritime communication system，and the ocean area occupies more than two-thirds of the earth，so if the construction of mature communication system in the ocean，then the formation of global communication network will have a landmark significance. At present，floating raft communication system is mainly adopted in marine communication，and microwave relay is adopted in relay mode. However，microwave communication has a great defect，that is，the transmission distance is close，which can only cover the area with a diameter of 70km centered on floating raft，it is difficult to meet the requirements of offshore communication which is developing faster and faster. However，the satellite communication system has no distance limit，so if the satellite ground communication system can be installed on the raft，then the communication breakthrough distance limit will become a reality，which will be of great help to improve the stability of the maritime communication system.

Keywords：communication in moving;pontoon communication;automatic tracking

0 ?引 ?言

在水下被試品實驗的整體結(jié)構中，浮筏通信的作用舉重若輕。其利用微波中繼的方式進行通信，優(yōu)勢是可以水下通信、雙向通信，并且通信速度快。但是其缺點也很明顯，那就是通信覆蓋距離很小，只有直徑70km的范圍，這對于浩瀚的海洋來說，想要實現(xiàn)全覆蓋，其成本難以估計，而且對海洋生態(tài)也是一種破壞。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)則能夠用其最大的優(yōu)勢彌補浮筏通信的缺點，即不受距離限制，而且通信帶寬也能滿足通信要求。動中通是新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其通信效率和速度都比上一代有極為顯著的提高，所以研究動中通衛(wèi)星通信應用到浮筏通信系統(tǒng)的難點和可行性，對于彌補當前浮筏通信系統(tǒng)的通信距離缺陷，實現(xiàn)遠海高速通信有著戰(zhàn)略性意義。

1 ?動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

動中通的全稱是“移動中的衛(wèi)星地面站通信系統(tǒng)”。按照使用頻率、傳輸帶寬和傳輸速率等標準劃分，動中通集合了傳統(tǒng)FSS和MSS通信系統(tǒng)的優(yōu)勢于一身，能夠在高速移動的同時保持高速、穩(wěn)定、高質(zhì)量的信息傳輸。當前在車輛、輪船、飛機等移動載體上的應用越來越普遍。

2 ?將動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)裝到浮筏上的重難點

根據(jù)未來的試驗設想以及模擬，加裝動中通到浮筏上的任務內(nèi)容要求了浮筏通信系統(tǒng)在五級下限海況條件下也能滿足正常的通信需要。簡單來說，浮筏通信系統(tǒng)由牽引船和海上平臺構成，平臺和牽引船之間由電纜連接，牽引船通過電纜向平臺供電并且拖拽移動，平臺由海面下兩米的平臺基座和海面上的筏體以及天線構成。其特點是基座重量輕、筏體體積很小，這種特點也就決定了其在海面極端天氣下的處境，那就是當海水大范圍攪動時，平臺基座在水下隨之晃動，進而海面上的筏體就會更大幅度的搖擺，這樣一來，微波無法持續(xù)地輸出和輸入，通信也就會中斷，所以就要考慮在極端天氣導致的筏體大幅度晃動的條件下如何實現(xiàn)動中通天線對于信號的快速匹配性捕捉以及穩(wěn)定的跟蹤。

海面上筏體的體積相對很小，受大風和海下基座的影響，筏體上架設的天線也很短，距離海面很近。如此一來，如果遇到大風天氣時，海水水汽的彌漫極有可能導致衛(wèi)星天線的潮濕，甚至導致電線短路的情況，而遇到更加極端的臺風、海嘯等天氣狀況時，巨大的海浪多半是要淹沒筏體的，甚至海水會侵入筏體內(nèi)部，造成平臺進水情況。這兩種情況都會不可避免地導致衛(wèi)星信號的減弱甚至中斷。所以，這就需要研究在將動中通加裝到筏體上時如何削弱海水運動造成的衛(wèi)星信號中斷的情況。

地球各個部分的大氣活動都不盡相同，主要是因為太陽活動的影響和自身的磁場作用。其中電離層的變化尤其復雜，尤其是在低緯度地區(qū)更加嚴重，電離層中存在變化無常的谷區(qū)結(jié)構，還有其中的不規(guī)則體經(jīng)常出現(xiàn)，這就會導致嚴重的空間內(nèi)部天氣變化，而這些變化會極大地影響無線電波、微波等通信信號的傳輸，進而影響衛(wèi)星對于地面的定位、導航的精確度以及通信質(zhì)量。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)是動中通的主要結(jié)構。自動跟蹤系統(tǒng)的作用就是始終讓天線對準衛(wèi)星，不受載體移動的干擾。主要設備有天線座、載體測量、伺服和數(shù)據(jù)處理設備，這幾大主體結(jié)構在陸地各種載體上的運行都非常順暢，原因就是各個部分的位置選擇和組合不受空間和載體承重面積、體積的限制。但是在筏體上安裝這些結(jié)構，由于浮筏本身的體積就很小，承重極限也非常低，所以動中通在陸地上的結(jié)構分布和安裝標準在浮筏上都不能直接適用。因此，就需要考慮如何改造浮筏的安裝面以及動中通各部分結(jié)構的位置和體積分布組合，以滿足其在浮筏上安裝的各種條件。

3 ?動中通加裝浮筏的可行性推演

3.1 ?天線的選擇可行性推演

天線的選擇主要受兩種因素影響：第一，發(fā)射天線的誤差區(qū)間。為了盡可能減小信號發(fā)射天線對于衛(wèi)星指向的誤差，應該選用1.2m的Ku天線，并且要保證筏體運動的過程中，跟蹤天線的設定誤差小于0.1°。還有，天線饋源也需要進行旋轉(zhuǎn)跟蹤，想要在不干擾其他轉(zhuǎn)發(fā)器正常工作的情況下保證有效的信號發(fā)射和傳輸功率，它的垂直極化隔離度必須大于30dB，水平極化隔離度也是如此;第二，考慮到浮筏的體積和承重限制條件，天線的口徑選擇也不應該超過1.2m，天線總重量必須要在200kg以下。而且，天線外需要設置透波能力非常好的天線罩體，以求盡可能地保持無線電波傳輸?shù)男剩瑴p小無線電波的損耗。另外，考慮到海水的侵入和濁化以及對于信號的削弱問題，天線罩的罩體材料的選擇必須要求防水或者排水性極好，讓水在罩體上能不做停留，迅速流走，或者也可以在天線罩外涂上憎水的防護材料，只要相同的排斥水體作用極好的材料就能夠使用。最后，考慮到低緯度的信號傳輸復雜條件，2軸天線的功率、傳輸效果和穩(wěn)定性都稍差，所以面對低緯度地區(qū)的復雜天氣條件，3軸天線具有更好的適應性，因此應該選用3軸天線。

3.2 ?跟蹤方式的選擇可行性推演

浮筏作為載體，在移動過程中，其地理位置和自身的仰角和姿態(tài)都會發(fā)生劇烈變化，此時衛(wèi)星天線對于衛(wèi)星的基準方向就會發(fā)生偏離，導致中斷通信。所以必須排除浮筏在移動中導致的這些干擾因素，使得浮筏能夠一直對準衛(wèi)星。

動中通的自動跟蹤系統(tǒng)主要有三大結(jié)構，分別是GPS、經(jīng)緯儀還有捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，工作原理就是測量出載體的航向角、水平角還有經(jīng)緯度，然后根據(jù)載體，也就是浮筏的移動姿態(tài)自動調(diào)整好浮筏以海平面為基準的天線仰角，并且在浮筏移動條件下保持逆同步轉(zhuǎn)動，從而保證信號的極大值，使天線始終對準衛(wèi)星。

動中通的天線指向方式優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)盲區(qū)接軌，就是說在和天線之間有阻隔時，仍然能保持對準衛(wèi)星的方向狀態(tài)，并且信號的恢復時間非常快，受到遮擋的因素影響非常小，缺點就是動中通的多脈沖跟蹤比單脈沖跟蹤精度稍差一些，所以可以提高陀螺儀的精度，以此提高自動跟蹤的精度。

機械跟蹤天線和相控陣跟蹤天線是通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)中的兩大類，前者主要是2軸或多軸跟蹤天線，目前應用很廣泛。相控陣天線的特點是高速跟蹤和低剖面，但是仰角過低時，其增益會下降，而且其造價非常昂貴。

指向方式和混合跟蹤是天線采用的主要跟蹤方式，指向方式前面已經(jīng)提過了，混合跟蹤本質(zhì)上是單脈沖跟蹤方式和混合跟蹤方式的結(jié)合。單脈沖跟蹤不受衛(wèi)星擺動的影響，而且精度很高，但其天線波束比較窄，初始捕捉信號和丟失后的二次再捕捉都很困難。另外，指向系統(tǒng)不用考慮捕捉信號的問題，使用非常快捷和方便，缺點是跟蹤精度很低。因此，采用動中通的混合跟蹤方式可以盡可能地發(fā)揮其優(yōu)勢。

所以，可以設想，在五級下限的海況條件下，浮筏擺動幅度大、頻率高，對于天線擺脫趨勢非常大，而且海浪會漫過天線，甚至侵入，仰角和姿態(tài)極其不穩(wěn)定。在這種條件下，如果采用單脈沖跟蹤方式，那么天線就會丟失準星，并且會頻繁地二次捕捉，這種情況下對于信號的傳輸效率和保真度會大大削弱，進而通信系統(tǒng)的可靠性也會大大下降，因此，應該使用指向方式。

通過市場調(diào)查反饋以及在國內(nèi)外幾家動中通廠家的數(shù)據(jù)參考和考察，動中通產(chǎn)品已經(jīng)相對成熟并且應用面和市場前景都非常廣闊。在快艇、小型輪船和小型陸地汽車上的應用效果都非常不錯，其搖擺的速度和幅度都較浮筏的搖擺速度和幅度要小，天線跟蹤的效果也比浮筏的跟蹤方式更好。所以，將動中通安裝在浮筏上的可行性是很高的。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，海上浮筏通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸期，其自身缺陷和工作環(huán)境都決定了其上限。此時，動中通的出現(xiàn)為海上通信的發(fā)展開辟了一條新的發(fā)展道路。并且，通過對其進行可行性分析，可以得出這種設想可行的結(jié)論。這對海上乃至全球的通信網(wǎng)絡建設都有巨大意義。

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作者簡介：李王輝（1977.07-），女，漢族，河南鶴壁人，副教授，本科，研究方向：電子與通信技術;白鋼華（1975.07-），男，漢族，河南鶴壁人，副教授，本科，研究方向：計算機網(wǎng)絡技術。