低剖面機載衛星通信系統總體設計要點*

田捷力

（1.西北電子設備研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著機載衛星通信的廣泛應用，不論是固定翼飛機還是旋翼飛機都有極大的應用需求。由于直升機的起飛便捷性等自身特點，它在軍用、民用方面都能發揮重要作用，特別是在軍事偵查、地質災害、氣象災害等自然災害的緊急處理和營救、運輸和支援等重特大應急事件中發揮了關鍵作用。在重大事故發生現場的處置中，使用高速穩定的直升機衛星通信，可大幅提升各類應急信息數據的快速實時傳輸能力，實現話音、數據及圖像的實時通信。但是，由于直升機的使用環境、旋翼特點及操控特性，在設計衛星通信系統時存在以下幾個關鍵問題：使用較高頻段（如Ka 頻段）的衛星通信鏈路中設計余量問題、天線控制跟蹤技術、抗旋翼遮擋技術及保密安全性問題等。因此，在進行總體設計時需充分考慮以上問題，進行針對性設計。

1 機載衛星通信系統組成

機載衛星通信系統由機載端衛星通信分系統、地面端衛星通信分系統和衛星轉發器組成。機載端衛星通信分系統由低剖面衛星天線和一體化信道終端組成。低剖面衛星天線由等效0.4 m 天線主面、Ka 頻段饋源、射頻收發組件、天線伺服控制、慣導單元以及載波跟蹤接收機等組成；一體化信道終端則由基帶設備、通信終端和保密模塊組成。系統組成如圖1 所示。

圖1 機載衛星通信系統組成

2 系統總體設計

地面→衛星→飛機的通信鏈路稱為前向鏈路。前向傳輸一般為低速控制指令，主要完成對飛機的飛行指揮控制。地面指揮所將控制信息經編碼、調制、加擾、加密以及放大等環節，通過地面天線向衛星發射。機載衛通分系統收到后對信息進行放大、解密、去擾以及解調，最后解碼為語音、數據等控制信息，完成前向衛星通信。飛機→衛星→地面的通信鏈路稱為返向鏈路。返向回傳一般為各類高速信息，主要完成飛機獲取的視頻等信息的回傳。機載數據終端獲取的視頻數據、語音數據以及各類數據合成復合數據流，經過編碼、調制、加擾、加密以及放大等環節，通過天線向衛星發射，返向回傳到地面指揮所；地面指揮所接收信號后，對信息進行放大、解碼、去擾、譯碼以及解調，以達到數據流恢復的目的，最后解碼語音、視頻、數據等信息，完成返向衛星通信。

由于飛機端受重量、尺寸的設計限制，各單元均需采用小型化和輕量化設計。為了降低剖面高度，天線采用低剖面拋物面賦型設計，天線座架結構采用方位-俯仰方式。為了減輕天線重量，天線面采用碳纖維蜂窩夾層設計，面背架采用鋁鎂合金壓鑄工藝，在保證整體結構剛性的同時達到重量最輕。俯仰齒輪采用鈦合金材料，在滿足傳動性的同時盡量滿足輕型設計。各電子部件盡可能與座架實現融合一體化設計，結構形式如圖2 所示。天線跟蹤方式選用程序跟蹤與自跟蹤相結合方式。調制解調器為基于FPGA 的嵌入式系統，采用變形LDPC 編碼格式進行報文突發，解決旋翼遮擋問題。由于載機的特殊使用環境，在Ka 頻段衛星通信時需進行幾個關鍵問題設計，包括通信鏈路計算及余量分析、高動態天線跟蹤指向技術、抗旋翼遮擋方法以及保密安全等。

圖2 機載低剖面雙頻段天線

2.1 通信系統鏈路余量設計

鏈路預算的目的是在衛星轉發器上的功率占用比等于或小于帶寬占用比的情況下，保證接收端調制解調器輸入端的Eb/N0大于調制解調器的門限值，并在一定的系統可用度的情況下留有一定的余量，從而確保衛星通信性能。在進行Ka 頻段鏈路預算時除應考慮自由空間的傳輸損耗、大氣損耗以及指向誤差損耗外，還應考慮地面雨衰對機載通信系統的影響以及機身反射、地面和海平面的鏡面反射等的影響。已知使用的衛星轉發器參數及發射端、接收端參數如表1 所示。

表1 衛星轉發器及發射端、接收端參數

2.1.1 上行機載站發射功率估算

機載站上行[EIRP]e.m及發射功率為：

式中：[SFD]為衛星飽和輸入通量密度；[Bo]i為衛星轉發器輸入補償；10lgN為轉發器占用因子；[Lu]為上行鏈路損耗，包括上行空間損耗（Ka頻段為213 dB，Ku 頻段為207 dB）及大氣損耗、指向誤差等；10lg(4π/λ2)為單位面積接收波長為λ的電波的增益；[GT]為發射端天線增益，[LFT]為發射端損耗（含天線罩損耗）。將表1 參數代入式（1）和式（2）可知，[EIRP]e.m為45.18 dBW，[PT]=9.68 dBW。一般系統需考慮3 dB 的余量，因此機載端需配備20 W的功放。

2.1.2 衛星鏈路載噪比估算

鏈路載噪比包括上行載噪比、下行載噪比、總載噪比及系統余量的計算。

計算可知：[C/T]U=-162.51 dBW/K，[C/T]D=-128.28 dBW/K。由此結果可知下行余量較大，系統總載噪比主要由上行載噪比貢獻，因此可近似給出[C/T]t=[C/T]U，計算可知系統[Eb/N0]=6.09 dB。

本系統接收終端調制解調器門限Eb/N0為 2.5 dB，則鏈路余量MTH為3.59 dB（晴天）。考慮下行雨衰余量，在系統可用度為99.5%的情況下，下行G/T惡化2.6 dB，因此鏈路余量MTH為滿足系統雨衰余量需求，選取接收站天線為2.4 m、系統余量3.59 dB 的方案可行。上行發射站0.4 m 天線，傳輸1 Mb/s 信息速率配置20 W 功放，系統余量3 dB 的方案可行。

2.2 高動態天線跟蹤技術及方法

衛星通信天線對衛星的跟蹤一般有程序跟蹤和自動跟蹤兩種方式。程序跟蹤是根據預定的衛星軌道信息和天線波束的指向信息驅動跟蹤系統。自動跟蹤是依靠收到的衛星信號，經處理后驅動天線自動對準衛星。由于直升飛機的特殊性，需天線具有敏感飛機姿態、航向的裝置，當飛機處于飛機起飛階段、慣導輸出不穩定的情況下，可使用最大值跟蹤算法，與高速采集跟蹤接收機共同完成自跟蹤；在飛機平穩飛行階段，可使用高精度慣導數據進行程序跟蹤。兩種跟蹤方式相結合，互為冗余。

當載機的旋翼遮擋致使信號丟失時，應優先啟動程序跟蹤。若不具備程序跟蹤條件，可先保持當前的天線姿態一定的時間（保持時間）。此過程中不斷進行信號的采集和比較，如果在到達保持時間之前信號大于門限，則恢復跟蹤狀態；如果保持時間達到后信號仍然小于門限，則進入搜索狀態。這種信號丟失的處理方式有利于快速建立鏈路。天線跟蹤流程如圖3 所示。

圖3 天線跟蹤程序流程

2.3 抗旋翼遮擋方法

在直升機飛行過程中，旋翼槳葉會周期性地遮擋天線，造成通信信號的周期性衰減而影響正常通信。通常前返向鏈路中可采用的應對旋翼遮擋的通信方法包括縫隙突發、組幀重傳以及時間分集等。

采用縫隙通信技術克服旋翼遮擋問題，通過非遮擋縫隙時間內傳輸的數據恢復信息。實際設計中，根據衛星通信寬窄帶通信和前返向鏈路的不同特點，需采用不同的策略。對于寬帶信息，前向鏈路可采用組幀重發策略，返向鏈路可采用旋翼同步突發技術；窄帶信息前返向鏈路均可采用時間分集策略。

信道糾錯碼方案可以顯著改善系統傳輸性能，有效降低信號解調門限，實現低信噪比條件下的解調。本系統糾錯編碼方案主要有LDPC 碼和糾刪碼兩類。采用LDPC 碼是考慮到直升機旋翼遮擋造成成片信號衰減，而LDPC 碼具有天然的交織特性，可以抵擋直升機旋翼遮擋的影響，不丟失信息，同時具有糾錯性能好、復雜度低的特點。采用糾刪碼是考慮當旋翼轉速一定時，信息被遮擋的概率是獨立、等概率的，同時遮擋的信息位置是可以檢測的，即為刪除錯誤。把這種信道環境考慮為刪除信道，采用糾刪碼可以糾正這些刪除錯誤。發射端將信息編碼后分成多個數據包，組成多個子幀進行發射。只要接收方接收到一定數量的編碼數據包，運用適當的譯碼方法就可重構源數據包，從而有效抵擋旋翼遮擋。

2.4 系統安全保密設計

對于衛星通信系統，傳輸的業務可能會涉及到國家秘密或商業秘密，需進行保密安全設計。保密通信通常在數據業務端采用加密保護、跳擴頻技術進行抗干擾傳輸。

本系統加密設計采用在群路加裝保密模塊的方法。保密模塊和中心站的密鑰管理系統、中心站保密系統共同完成對衛星通信系統全網的保密通信。保密模塊實現對業務數據信息的加解密以及遠程接收密鑰管理系統的管理等；密鑰管理系統實現密鑰管理、密鑰分發以及控制管理等功能；中心站保密系統主要實現中心站衛星前向鏈路的業務數據信息加密和返向鏈路業務數據信息解密，接受密鑰管理子系統的控制和管理等。

3 結語

本文僅對旋翼機載衛星通信總體設計中的幾個關鍵問題進行了分析，并提出了設計方法，具有一定的工程應用參考價值。